基于多场耦合的磁流体热疗数值模拟及实验研究

论文摘要

作为一种新兴的热疗手段,磁流体热疗具有毒性低、产热功率高、人体穿透性强等优势。然而,由于难以准确测定靶向组织的温度及损伤程度分布,磁流体热疗尚未广泛应用于临床治疗,仅依靠临床试验很难解决以上问题。近年来,大量的研究采用数值方法优化磁流体热疗的治疗参数,它们大多数将磁场和温度场分开求解,并未建立二者之间的耦合方案。本文旨在利用有限元方法解决磁流体热疗数值模拟中的多场耦合问题,同时开展相关实验提供数值结果的验证依据。本文以人体腹部区域为研究对象建立了简化的三维模型,采用复数磁导率求解纳米颗粒磁化过程中的弛豫损耗,实现了温度场、磁场和扩散场的多场耦合。本文利用受损组织积分分析得到不同治疗条件下不同半径、位置肿瘤的最佳治疗时间,并结合单因素和多因素分析得到优选的治疗参数及治疗组合。结果表明:优选的磁场条件是3~11kA/m和200~500kHz,优选的磁流体参数是8~10nm和5%~10%,推荐的治疗组合是较高的磁场强度和较低的磁场频率,更大的粒径和更高的颗粒浓度。本文利用可靠的多场耦合方法数值分析了典型磁场发生装置的热疗效果,研究得出最佳治疗时间与线圈安匝数的关系曲线,并提出了优选的线圈参数。研究得出:电磁铁磁场发生装置适用的线圈安匝数范围是450~2160A,优选的安匝数范围是1500~2160A;螺线管磁场发生装置适用的安匝数范围是1300~6500A,优选的范围是3000~5000A;新型磁场发生装置适用的安匝数范围是1440~4500A,优选的范围是2160~3600A。本文设计了磁流体热疗的离体组织实验,通过比对数值和实验结果验证了多场耦合方法的有效性,并测试了磁场参数和磁流体参数对磁流体及组织温升速率的影响。结果表明:磁流体于试管和离体组织内加热的数值与实验结果的相对误差不超过10%;磁场参数对组织温升速率的影响明显大于磁流体参数和颗粒剂量;磁流体中心的稳态温度随颗粒浓度增加呈现非单调性变化,当颗粒体积浓度为3%,温度达到最大值;组织直径和高度均增加1cm,磁流体中心的稳态温度降低6~7℃。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号表
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景
•   1.2 磁流体热疗概述
•     1.2.1 磁流体
•     1.2.2 磁流体热疗的原理
•     1.2.3 磁流体热疗的优点
•   1.3 磁流体热疗研究进展
•     1.3.1 试验研究进展
•     1.3.2 数值模拟研究进展
•     1.3.3 磁流体热疗装置研究进展
•   1.4 本文的研究意义及研究内容
•     1.4.1 本文的研究意义
•     1.4.2 本文的研究内容
• 第二章 磁流体热疗的多场耦合计算理论及数值模型
•   2.1 磁流体热疗的多场耦合计算理论
•     2.1.1 交变磁场中纳米粒子的发热机制
•     2.1.2 单畴纳米颗粒弛豫损耗的多场耦合计算理论
•   2.2 磁流体热疗数值模型的构建及物性定义
•     2.2.1 磁流体热疗的数值模型
•     2.2.2 组织物性参数
•   2.3 控制方程和初边值条件
•     2.3.1 控制方程
•     2.3.2 初边值条件
•   2.4 模型验证
•   2.5 本章小结
• 第三章 磁流体热疗的多物理场耦合数值研究
•   3.1 磁流体热疗的多物理场分析
•     3.1.1 扩散场分析
•     3.1.2 磁场分析
•     3.1.3 温度场分析
•   3.2 治疗参数对磁流体温升的影响
•     3.2.1 磁流体产热功率的温度相关性
•     3.2.2 磁场参数对磁流体温升的影响
•     3.2.3 磁流体参数对磁流体温升的影响
•   3.3 肿瘤及正常组织热损伤分析
•     3.3.1 组织损伤阈值
•     3.3.2 肿瘤组织热损伤分析
•     3.3.3 正常组织热损伤分析
•   3.4 治疗参数对最佳治疗时间的影响
•     3.4.1 磁场参数对最佳治疗时间的影响
•     3.4.2 磁流体参数对最佳治疗时间的影响
•     3.4.3 颗粒剂量对最佳治疗时间的影响
•     3.4.4 肿瘤半径及位置对最佳治疗时间的影响
•   3.5 本章小结
• 第四章 磁流体热疗磁场发生装置的多场耦合数值分析
•   4.1 典型磁场发生装置介绍
•   4.2 电磁铁磁场发生装置的多场耦合分析
•     4.2.1 电磁铁磁场发生装置数值模型
•     4.2.2 磁场和温度场分析
•       4.2.2.1 磁场分析
•       4.2.2.2 温度场分析
•     4.2.3 最佳治疗条件分析
•   4.3 螺线管磁场发生装置的多场耦合分析
•     4.3.1 螺线管磁场发生装置数值模型
•     4.3.2 磁场和温度场分析
•       4.3.2.1 磁场分析
•       4.3.2.2 温度场分析
•     4.3.3 最佳治疗条件分析
•   4.4 新型磁场发生装置的多场耦合分析
•     4.4.1 新型磁场发生装置数值模型
•     4.4.2 磁场和温度场分析
•       4.4.2.1 磁场分析
•       4.4.2.2 温度场分析
•     4.4.3 最佳治疗条件分析
•   4.5 本章小结
• 第五章 磁流体热疗的离体组织实验研究
•   5.1 实验仪器及材料介绍
•   5.2 磁流体热疗离体组织实验
•     5.2.1 离体组织实验平台
•     5.2.2 实验结果与数值结果比对
•   5.3 磁流体及组织温升速率分析
•     5.3.1 磁场参数对温升速率的影响
•     5.3.2 磁流体参数对温升速率的影响
•     5.3.3 颗粒剂量对温升速率的影响
•     5.3.4 组织大小对温升速率的影响
•   5.4 本章小结
• 结论与展望
•   结论
•   展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 姚欢

导师: 李静

关键词: 磁流体热疗,多场耦合,磁场发生装置,优选治疗参数,数值模拟

来源: 华南理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,医药卫生科技

专业: 数学,物理学,工业通用技术及设备,临床医学

单位: 华南理工大学

分类号: R454.5;TB115;O441.2

DOI: 10.27151/d.cnki.ghnlu.2019.000586

总页数: 91

文件大小: 6345K

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