本文關(guān)鍵詞：磁流體熱療系統(tǒng)多物理場(chǎng)耦合分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

  更多相關(guān)文章： 多物理場(chǎng) 耦合 多目標(biāo)優(yōu)化 磁流體熱療 徑向基 非線性迭代

【摘要】：納米磁流體熱療是近年發(fā)展起來的一種加熱病變組織治療癌癥的新熱療技術(shù)。該技術(shù)首先將納米粒子通過靶向定位技術(shù)定位至腫瘤熱療區(qū);然后在外部交變磁場(chǎng)作用下,基于奈爾弛豫機(jī)制,納米粒子產(chǎn)生熱量;借助于這些熱量將病變組織加熱至治療溫度以達(dá)到腫瘤治療的目的。磁感應(yīng)加熱療效由熱療區(qū)溫度分布決定,熱療效果與磁場(chǎng)強(qiáng)度、納米粒子分布等諸多因素密切相關(guān)。根據(jù)不同的治療需求,磁感應(yīng)加熱一般分為溫?zé)岑煼?42～46℃)、高溫療法(46～70℃)和熱切除(70℃～90℃);影響納米粒子生熱量的主要因素為納米粒子材料尺寸(10nm)及分布、交變磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度(16kA·m-1)及激磁頻率(10～1000 kHz)等。為獲得熱療區(qū)合理的最優(yōu)溫度分布,實(shí)現(xiàn)最佳的熱療效果,在綜合現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上,本文對(duì)磁流體熱療系統(tǒng)的關(guān)鍵電磁理論和技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)分析和深入研究,主要工作和成果概述如下:第一,明確了熱療療效的關(guān)鍵因素在于合理的溫度控制。據(jù)此,以熱療區(qū)溫度均勻度和邊界梯度作為優(yōu)化目標(biāo),建立了基于多物理耦合場(chǎng)分析的納米磁流體熱療系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。第二,通過對(duì)系統(tǒng)加熱機(jī)理的深入研究建立了多物理場(chǎng)(時(shí)諧電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng))的數(shù)學(xué)模型及其順序耦合求解策略:采用伽遼金有限元方法建立了時(shí)諧電磁場(chǎng)及穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的有限元離散方程,提出了迭代法求解非線性溫度場(chǎng)以解決生熱率隨溫度高度非線性變化難題。第三,針對(duì)磁流體熱療優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的特點(diǎn),提出了一種性能優(yōu)良的差分禁忌量子粒子群(QPSO-DET)多目標(biāo)優(yōu)化算法。測(cè)試函數(shù)驗(yàn)證及磁流體優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例均表明該算法全局及局部搜索能力強(qiáng),性能穩(wěn)定可靠。第四,為進(jìn)一步提高納米磁流體熱療系統(tǒng)的治療效果,在同類研究中首次將磁流體濃度(體積百分?jǐn)?shù))作為決策變量,獲得了最優(yōu)磁流體濃度分布規(guī)律;同時(shí),為解決磁流體濃度最優(yōu)解在相鄰單元的不連續(xù)問題,提出以張量MQ基函數(shù)作為插值基函數(shù),采用徑向基函數(shù)插值方法對(duì)熱療系統(tǒng)體積百分?jǐn)?shù)進(jìn)行平滑處理,得到了工程化的連續(xù)磁流體分布。計(jì)算結(jié)果表明,平滑處理后的溫度場(chǎng)分布與原離散數(shù)值解條件下的溫度場(chǎng)分布幾乎完全一致。第五,應(yīng)用前述的理論和方法,對(duì)典型納米磁流體熱療系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)、深入的優(yōu)化設(shè)計(jì)和分析,并與現(xiàn)有成果進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明:(1)線圈形狀優(yōu)化獲得的最優(yōu)Pareto解集中含有優(yōu)于現(xiàn)有文獻(xiàn)的最優(yōu)溫度分布結(jié)果,其中41.5℃以上熱療區(qū)域占比提高了約6個(gè)百分點(diǎn),42℃以上區(qū)域占比也提高了大約3個(gè)百分點(diǎn);(2)多點(diǎn)注射優(yōu)化結(jié)果則不如均勻分布下的溫度場(chǎng)分布,其得到的Pareto最優(yōu)解41.5℃及42℃以上熱療區(qū)域占比最大僅為57.9%和54.9%。盡管如此,本文提供的方法得到的最優(yōu)解仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有文獻(xiàn)的最優(yōu)解;(3)任意分布優(yōu)化結(jié)果則表明了本文優(yōu)化模型和算法的優(yōu)越性:Pareto最優(yōu)解41.5℃及42℃以上熱療區(qū)域占比最大分別為92.04%和91.35%,比現(xiàn)有文獻(xiàn)及僅考慮線圈形狀優(yōu)化的結(jié)果均有大幅提升。
【關(guān)鍵詞】：多物理場(chǎng) 耦合 多目標(biāo)優(yōu)化 磁流體熱療 徑向基 非線性迭代
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TH77
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-15
• 1 緒論15-29
• 1.1 腫瘤磁熱療技術(shù)15-26
• 1.1.1 傳統(tǒng)癌癥治療簡(jiǎn)介15-16
• 1.1.2 熱療及磁熱療簡(jiǎn)介16-18
• 1.1.3 磁流體熱療的特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)18-26
• 1.2 課題主要工作與意義26-29
• 1.2.1 課題的主要工作26-27
• 1.2.2 課題的意義27-29
• 2 納米磁流體熱療系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)理論與數(shù)學(xué)模型29-41
• 2.1 納米粒子基本特性29-31
• 2.2 納米粒子發(fā)熱機(jī)制31-38
• 2.2.1 納米粒子弛豫時(shí)間32-33
• 2.2.2 納米粒子磁化率33-35
• 2.2.3 磁流體功率耗散35-38
• 2.3 磁流體熱療磁場(chǎng)發(fā)生裝置38
• 2.4 納米磁流體電磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型38-40
• 2.5 本章小結(jié)40-41
• 3 納米磁流體熱療系統(tǒng)多物理耦合場(chǎng)分析41-57
• 3.1 時(shí)諧電磁場(chǎng)有限元分析模型41-46
• 3.1.1 時(shí)諧電磁場(chǎng)定解問題42-43
• 3.1.2 媒質(zhì)特性參數(shù)43-44
• 3.1.3 時(shí)諧電磁場(chǎng)有限元方程44-46
• 3.2 溫度場(chǎng)有限元模型46-52
• 3.2.1 溫度場(chǎng)定解問題46-50
• 3.2.2 溫度場(chǎng)特性參數(shù)50
• 3.2.3 溫度場(chǎng)有限元方程50-52
• 3.3 溫度場(chǎng)的非線性迭代求解52-54
• 3.4 時(shí)諧磁場(chǎng)-溫度場(chǎng)耦合分析與計(jì)算54-55
• 3.4.1 多物理場(chǎng)耦合分析基礎(chǔ)54
• 3.4.2 磁流體熱療系統(tǒng)耦合分析54-55
• 3.5 本章小結(jié)55-57
• 4 納米磁流體熱療系統(tǒng)設(shè)計(jì)的多目標(biāo)優(yōu)化算法57-76
• 4.1 優(yōu)化算法研究簡(jiǎn)述57-61
• 4.1.1 傳統(tǒng)單目標(biāo)優(yōu)化算法58-60
• 4.1.2 進(jìn)化類多目標(biāo)優(yōu)化算法60-61
• 4.2 基于Pareto最優(yōu)的多目標(biāo)適應(yīng)度計(jì)算61-65
• 4.2.1 可行解和可行解集合62
• 4.2.2 支配關(guān)系及帕累托最優(yōu)解62-63
• 4.2.3 基于帕累托最優(yōu)解的適應(yīng)度計(jì)算63-65
• 4.3 QPSO-DET混合多目標(biāo)優(yōu)化算法65-70
• 4.3.1 QPSO算法粒子位置更新66-68
• 4.3.2 DE和Utabu算法的更新公式68-69
• 4.3.3 算法流程圖69-70
• 4.4 算法測(cè)試70-75
• 4.4.1 測(cè)試函數(shù)簡(jiǎn)介70-71
• 4.4.2 算法驗(yàn)證71-75
• 4.5 本章小結(jié)75-76
• 5 納米粒子分布后處理技術(shù)76-88
• 5.1 徑向基函數(shù)理論基礎(chǔ)76-79
• 5.1.1 常用徑向基函數(shù)77-78
• 5.1.2 MQ徑向基函數(shù)形狀參數(shù)的自適應(yīng)選擇78-79
• 5.2 函數(shù)測(cè)試79-87
• 5.2.1 測(cè)試函數(shù)及特性說明79-81
• 5.2.2 插值運(yùn)算實(shí)施及試驗(yàn)圖表81-87
• 5.3 本章小結(jié)87-88
• 6 磁流體熱療系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例88-106
• 6.1 線圈形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)88-95
• 6.1.1 磁場(chǎng)分析89-90
• 6.1.2 溫度場(chǎng)分析90-91
• 6.1.3 耦合分析91
• 6.1.4 多目標(biāo)優(yōu)化91-92
• 6.1.5 數(shù)值計(jì)算結(jié)果92-95
• 6.2 磁流體分布優(yōu)化設(shè)計(jì)95-104
• 6.2.1 多點(diǎn)注射優(yōu)化設(shè)計(jì)95-100
• 6.2.2 納米磁流體任意分布優(yōu)化設(shè)計(jì)100-104
• 6.3 本章小結(jié)104-106
• 7 全文總結(jié)106-107
• 攻讀博士學(xué)位期間主要的研究成果107-108
• 參考文獻(xiàn)108-116

【相似文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 郭全忠 ,吳亞 ,孫劍飛 ,顧寧;磁流體熱療設(shè)備的三維電磁場(chǎng)模擬[J];東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2004年03期

中國重要會(huì)議論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 胡潤磊;李滸;王國卿;魏東山;孟文;宋愷;;磁流體熱療對(duì)肺癌A549的治療作用的實(shí)驗(yàn)研究[A];中華醫(yī)學(xué)會(huì)腫瘤學(xué)分會(huì)第七屆全國中青年腫瘤學(xué)術(shù)會(huì)議——中華醫(yī)學(xué)會(huì)腫瘤學(xué)分會(huì)“中華腫瘤 明日之星”大型評(píng)選活動(dòng)暨中青年委員全國遴選論文匯編[C];2011年

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 胡冠中;磁流體熱療系統(tǒng)多物理場(chǎng)耦合分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[D];浙江大學(xué);2016年

2 李旭紅;低功率射頻誘導(dǎo)的磁流體熱療治療大鼠移植性皮下瘤的可行性研究[D];中南大學(xué);2010年

3 王桂華;荷瘤大鼠磁流體熱療影響腫瘤血管生成的研究[D];中南大學(xué);2008年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前5條

1 劉丹;磁流體熱療的磁場(chǎng)分析和溫度場(chǎng)分析[D];河北工業(yè)大學(xué);2015年

2 劉端芹;納米磁流體熱療治療人舌癌裸鼠異種移植瘤的實(shí)驗(yàn)研究[D];山東大學(xué);2014年

3 夏丹;磁流體熱療加熱機(jī)制與關(guān)鍵技術(shù)的研究[D];合肥工業(yè)大學(xué);2010年

4 王露方;磁流體熱療對(duì)胰腺癌治療作用的研究[D];昆明醫(yī)學(xué)院;2009年

5 黃芳玲;CpG-ODNs在小鼠黑色素細(xì)胞瘤磁流體熱療中免疫增強(qiáng)效應(yīng)的研究[D];中南大學(xué);2013年

，

本文編號(hào)：899339