肿瘤是现阶段世界上一个主要的卫生健康问题,根据数据统计,在所有恶性肿瘤中,肝癌是65岁以下男性中最常见的恶性肿瘤。目前,化疗、放疗、手术切除以及这些方法的结合是临床上癌症治疗的常用疗法,然而每种方法都有一定的局限性,都不能完全满足恶性肿瘤治疗的需要。低温手术是一种利用低温来破坏异常组织的绿色物理治疗方式。低温手术的临床监测方法几乎全部基于监测手术过程中的冷冻区域。然而,对于通常的冷冻过程,有效的杀伤区域总是小于冷冻区域的尺寸。因此,低温手术过程的结束只能由外科医生根据他们的经验来判断。这种主观性很强的判断方法是低温手术治疗效果差的主要原因之一。通常会造成恶性肿瘤的复发和转移,影响最终的治疗效果。与以往的优化研究不同,本研究利用纳米颗粒开发了一种新的方法,扩大了低温手术有效杀伤范围到几乎整个冰球,从而大大降低了使用常规临床成像方法精确判断低温手术杀伤范围的难度。为了验证这种方法的有效性,本研究在不同尺度上进行了验证实验。在组织尺度上,进行了在琼脂糖中嵌入活性肝癌细胞的模型的实验;在细胞尺度上,利用低温显微镜探索低温手术过程中的杀伤机理。结果表明,本文中四氧化三铁纳米颗粒的引入显著改善了低温手术中的细胞杀伤效果,且杀伤范围延伸至几乎整个冰球。低温显微镜平台上的细胞尺度的实验进一步揭示了这种现象潜在的作用机制,实验结果表明四氧化三铁纳米颗粒的存在可以显著地促进细胞内冰晶的形成和冷冻过程中的细胞脱水,提高了低温手术对肝癌细胞的杀伤能力。另外,针对现阶段低温手术仪器设备研究的不足,本研究研制了一种兼容核磁共振成像的相变制冷低温手术设备。该设备结合纳米低温手术,可以在保证杀伤效果的同时减少对正常组织的杀伤,实现核磁共振成像引导下的精准治疗。对系统的测试实验表明,该系统可以在核磁共振下成像而不带来干扰判断的伪影。此外,对肿瘤体模和离体猪肝的低温手术实验的结果表明,该系统可以正常运作并且提供稳定高效的制冷性能。本文的研究从手术治疗方案以及手术设备上为现阶段低温手术的部分问题提出了解决方案,有助于纳米低温手术结合核磁共振成像构建诊疗一体化系统,解决传统低温手术面临的难题,促进现代低温手术的广泛临床应用。