磁感应热疗中磁介质参数对加热效果的影响研究

论文摘要

磁感应热疗是肿瘤热疗的一个分支,它利用植入肿瘤组织内的磁介质在交变磁场下感应发热的特点,在肿瘤区域形成局部高温,达到使肿瘤细胞凋亡的目的。磁感应热疗具有微创、靶向效应、能够联合治疗等明显优势,因此成为国内外肿瘤治疗的研究热点。本论文以线性响应理论为基础,在有限元软件COMSOL中建立了基于大鼠肝癌的磁感应热疗（MFH）模型。通过对四氧化三铁（Fe3O4）、钴化铁（FeCo）、面心立方晶格铂化铁（fccFePt）和L10相铂化铁（L10FePt）共4种磁介质参数的分析,研究了弛豫机制下,磁介质参数的变化对损耗功率和温度场的影响。通过尽可能地提高磁介质的损耗功率,降低治疗时所需的磁介质剂量,从而减小对肿瘤组织周围正常组织的不良影响。研究结果可为应用于磁感应热疗的磁介质制备提供参考。首先,简要介绍了磁感应热疗常用磁介质的种类以及特点,着重分析了磁介质在均匀交变磁场下的产热理论,推导了损耗功率的计算公式。最后对磁场和温度场的耦合原理进行了介绍。其次,对数值计算方法和有限元仿真软件进行了介绍,给出了磁介质和生物组织的参数,针对磁感应热疗作用于大鼠肝癌的治疗过程建立了数值模型,包括几何模型和电磁模型。最后通过有限元分析软件COMSOL完成了多物理场的耦合求解。最后,分别对影响磁介质损耗功率的磁场参数和磁介质参数进行了分析,通过对影响损耗功率的磁场参数进行分析,发现在磁感应热疗用于生物组织的安全容限值H0·f=5×109 A/（m·s）的限制条件下,磁场强度和磁场频率均存在一个最优值,使损耗功率达到最大,且不同磁介质所对应的最优值不同。通过对影响损耗功率的磁介质参数的分析发现:对于确定的交变磁场频率,存在一个最优有效弛豫时间。当频率为100 kHz时,对应的最优有效弛豫时间为1.59×10-6s。对于确定的磁介质种类,当有效弛豫时间等于最优有效时间时,损耗功率随磁介质半径的增大而增大,并最终趋于稳定。在此基础上,本文提出磁感应热疗用磁介质参数的优化方法,通过优化主导弛豫所对应的参数,使有效弛豫时间等于理论分析得到的最优有效弛豫时间,能够有效提高磁介质的损耗功率。通过多点注射,能够提高肿瘤组织内温度场的均匀度,注射点越多,肿瘤中心温度越低,肿瘤中心与肿瘤边缘的温度差也随之减小,即均匀度逐渐增高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 课题的研究背景及意义
•   1.2 国内外研究进展
•     1.2.1 国外研究进展
•     1.2.2 国内研究进展
•   1.3 论文主要研究内容
• 2 磁感应热疗的理论基础
•   2.1 磁感应热疗常用磁介质
•   2.2 磁感应热疗加热原理
•     2.2.1 超顺纳米磁流体的弛豫损耗
•     2.2.2 超顺纳米磁流体初始磁化率
•     2.2.3 超顺纳米磁流体在交变磁场中的损耗功率
•   2.3 多物理场耦合原理
•   2.4 小结
• 3 磁介质加热的计算方法
•   3.1 数值计算方法
•     3.1.1 有限元方法介绍
•     3.1.2 AC/DC模块和传热模块介绍
•   3.2 磁介质模型构建
•     3.2.1 几何模型
•     3.2.2 电磁模型
•   3.3 多物理场的求解
•   3.4 小结
• 4 影响磁介质加热效果的参数分析
•   4.1 加热磁场参数对损耗功率的影响
•     4.1.1 磁场频率与损耗功率的关系
•     4.1.2 磁场强度与损耗功率的关系
•     4.1.3 加热磁场的优化
•     4.1.4 最优加热磁场参数设计
•   4.2 磁介质参数对损耗功率的影响
•     4.2.1 弛豫时间与损耗功率的关系
•     4.2.2 磁介质半径与损耗功率的关系
•     4.2.3 磁介质剂量和单畴磁化强度与损耗功率的关系
•   4.3 磁介质参数的优化
• 3O₄参数优化'>    4.3.1 磁介质Fe₃O₄参数优化
•     4.3.2 磁介质FeCo参数优化
• 10FePt参数优化'>    4.3.3 磁介质L₁₀FePt参数优化
•   4.4 温度场均匀度的优化
•     4.4.1 等半径扩散
•     4.4.2 非等半径扩散
•     4.4.3 简化的非等半径扩散
•   4.5 小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 屈英佼

导师: 刘曦

关键词: 磁感应热疗,磁介质,弛豫

来源: 兰州交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,医药卫生科技

专业: 物理学,肿瘤学

单位: 兰州交通大学

分类号: R73-36;O441.3

DOI: 10.27205/d.cnki.gltec.2019.000791

总页数: 71

文件大小: 17972K

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