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

  更多相關(guān)文章： 多物理場 耦合 多目標優(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作用下,基于奈爾弛豫機制,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,熱療效果與磁場強度、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)加熱一般分為溫熱療法(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、交變磁場的磁場強度(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,本文對磁流體熱療系統(tǒng)的關(guān)鍵電磁理論和技術(shù)進行了系統(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,建立了基于多物理耦合場分析的納米磁流體熱療系統(tǒng)多目標優(yōu)化設(shè)計模型。第二,通過對系統(tǒng)加熱機理的深入研究建立了多物理場(時諧電磁場和溫度場)的數(shù)學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諧電磁場及穩(wěn)態(tài)溫度場的有限元離散方程,提出了迭代法求解非線性溫度場以解決生熱率隨溫度高度非線性變化難題。第三,針對磁流體熱療優(yōu)化設(shè)計問題的特點,提出了一種性能優(yōu)良的差分禁忌量子粒子群(QPSO-DET)多目標優(yōu)化算法。測試函數(shù)驗證及磁流體優(yōu)化設(shè)計實例均表明該算法全局及局部搜索能力強,性能穩(wěn)定可靠。第四,為進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(體積百分數(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,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)插值方法對熱療系統(tǒng)體積百分數(shù)進行平滑處理,得到了工程化的連續(xù)磁流體分布。計算結(jié)果表明,平滑處理后的溫度場分布與原離散數(shù)值解條件下的溫度場分布幾乎完全一致。第五,應(yīng)用前述的理論和方法,對典型納米磁流體熱療系統(tǒng)進行了系統(tǒng)、深入的優(yōu)化設(shè)計和分析,并與現(xiàn)有成果進行了對比分析。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個百分點,42℃以上區(qū)域占比也提高了大約3個百分點;(2)多點注射優(yōu)化結(jié)果則不如均勻分布下的溫度場分布,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)解仍遠遠優(yōu)于現(xiàn)有文獻的最優(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 耦合 多目標優(yōu)化 磁流體熱療 徑向基 非線性迭代
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：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)癌癥治療簡介15-16
• 1.1.2 熱療及磁熱療簡介16-18
• 1.1.3 磁流體熱療的特點及關(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)計理論與數(shù)學模型29-41
• 2.1 納米粒子基本特性29-31
• 2.2 納米粒子發(fā)熱機制31-38
• 2.2.1 納米粒子弛豫時間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 磁流體熱療磁場發(fā)生裝置38
• 2.4 納米磁流體電磁系統(tǒng)設(shè)計的數(shù)學模型38-40
• 2.5 本章小結(jié)40-41
• 3 納米磁流體熱療系統(tǒng)多物理耦合場分析41-57
• 3.1 時諧電磁場有限元分析模型41-46
• 3.1.1 時諧電磁場定解問題42-43
• 3.1.2 媒質(zhì)特性參數(shù)43-44
• 3.1.3 時諧電磁場有限元方程44-46
• 3.2 溫度場有限元模型46-52
• 3.2.1 溫度場定解問題46-50
• 3.2.2 溫度場特性參數(shù)50
• 3.2.3 溫度場有限元方程50-52
• 3.3 溫度場的非線性迭代求解52-54
• 3.4 時諧磁場-溫度場耦合分析與計算54-55
• 3.4.1 多物理場耦合分析基礎(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)計的多目標優(yōu)化算法57-76
• 4.1 優(yōu)化算法研究簡述57-61
• 4.1.1 傳統(tǒng)單目標優(yōu)化算法58-60
• 4.1.2 進化類多目標優(yōu)化算法60-61
• 4.2 基于Pareto最優(yōu)的多目標適應(yīng)度計算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)度計算63-65
• 4.3 QPSO-DET混合多目標優(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 算法測試70-75
• 4.4.1 測試函數(shù)簡介70-71
• 4.4.2 算法驗證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)測試79-87
• 5.2.1 測試函數(shù)及特性說明79-81
• 5.2.2 插值運算實施及試驗圖表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)計實例88-106
• 6.1 線圈形狀優(yōu)化設(shè)計88-95
• 6.1.1 磁場分析89-90
• 6.1.2 溫度場分析90-91
• 6.1.3 耦合分析91
• 6.1.4 多目標優(yōu)化91-92
• 6.1.5 數(shù)值計算結(jié)果92-95
• 6.2 磁流體分布優(yōu)化設(shè)計95-104
• 6.2.1 多點注射優(yōu)化設(shè)計95-100
• 6.2.2 納米磁流體任意分布優(yōu)化設(shè)計100-104
• 6.3 本章小結(jié)104-106
• 7 全文總結(jié)106-107
• 攻讀博士學位期間主要的研究成果107-108
• 參考文獻108-116

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本文編號：899339