基于多場耦合的磁流體熱療數(shù)值模擬及實驗研究

發(fā)布時間：2020-08-22 17:08

【摘要】：作為一種新興的熱療手段,磁流體熱療具有毒性低、產熱功率高、人體穿透性強等優(yōu)勢。然而,由于難以準確測定靶向組織的溫度及損傷程度分布,磁流體熱療尚未廣泛應用于臨床治療,僅依靠臨床試驗很難解決以上問題。近年來,大量的研究采用數(shù)值方法優(yōu)化磁流體熱療的治療參數(shù),它們大多數(shù)將磁場和溫度場分開求解,并未建立二者之間的耦合方案。本文旨在利用有限元方法解決磁流體熱療數(shù)值模擬中的多場耦合問題,同時開展相關實驗提供數(shù)值結果的驗證依據(jù)。本文以人體腹部區(qū)域為研究對象建立了簡化的三維模型,采用復數(shù)磁導率求解納米顆粒磁化過程中的弛豫損耗,實現(xiàn)了溫度場、磁場和擴散場的多場耦合。本文利用受損組織積分分析得到不同治療條件下不同半徑、位置腫瘤的最佳治療時間,并結合單因素和多因素分析得到優(yōu)選的治療參數(shù)及治療組合。結果表明:優(yōu)選的磁場條件是3~11kA/m和200~500kHz,優(yōu)選的磁流體參數(shù)是8~10nm和5%~10%,推薦的治療組合是較高的磁場強度和較低的磁場頻率,更大的粒徑和更高的顆粒濃度。本文利用可靠的多場耦合方法數(shù)值分析了典型磁場發(fā)生裝置的熱療效果,研究得出最佳治療時間與線圈安匝數(shù)的關系曲線,并提出了優(yōu)選的線圈參數(shù)。研究得出:電磁鐵磁場發(fā)生裝置適用的線圈安匝數(shù)范圍是450~2160A,優(yōu)選的安匝數(shù)范圍是1500~2160A;螺線管磁場發(fā)生裝置適用的安匝數(shù)范圍是1300~6500A,優(yōu)選的范圍是3000~5000A;新型磁場發(fā)生裝置適用的安匝數(shù)范圍是1440~4500A,優(yōu)選的范圍是2160~3600A。本文設計了磁流體熱療的離體組織實驗,通過比對數(shù)值和實驗結果驗證了多場耦合方法的有效性,并測試了磁場參數(shù)和磁流體參數(shù)對磁流體及組織溫升速率的影響。結果表明:磁流體于試管和離體組織內加熱的數(shù)值與實驗結果的相對誤差不超過10%;磁場參數(shù)對組織溫升速率的影響明顯大于磁流體參數(shù)和顆粒劑量;磁流體中心的穩(wěn)態(tài)溫度隨顆粒濃度增加呈現(xiàn)非單調性變化,當顆粒體積濃度為3%,溫度達到最大值;組織直徑和高度均增加1cm,磁流體中心的穩(wěn)態(tài)溫度降低6~7℃。
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：R454.5;TB115;O441.2
【圖文】：

示意圖,熱療,磁流體,原理

華南理工大學碩士學位論文射量，將磁流體通過動脈或靜脈注射、直接注射等方法靶向地導入腫瘤組織；者的靶向治療區(qū)域置于外交變磁場環(huán)境中；（3）選擇合適的治療參數(shù)并完成治參數(shù)包括磁場參數(shù)和治療時間。作為一種新興的熱療方法，MFH 解決了傳統(tǒng)在深層腫瘤、形狀不規(guī)則的腫瘤和靠近重要臟器的腫瘤中的治療短板，極大地瘤熱療的安全性和靶向性[18-22]。

原理圖,發(fā)生裝置,和電路,磁場

華南理工大學碩士學位論文圖 1-2 所示[65]。該裝置主要由諧振電路和鐵氧體磁軛組成，諧振電路可在兩個磁極之間的孔隙（治療空間）中產生均勻的交變磁場，孔隙高度可在 21cm 至 45cm 范圍內自由調節(jié)，但實際治療可實現(xiàn)的最大高度為 32cm。此外，可滑動的加熱床可以允許患者容易地出入加熱孔隙，且身體的任何部位都可以被暴露于交變磁場環(huán)境。原則上來說，該裝置可用于人體任意部位半徑 5 厘米腫瘤的磁流體熱療。磁流體熱療期間，可以連續(xù)調節(jié)線圈電流以調節(jié)交變磁場強度，進一步地通過調節(jié)磁場強度控制納米顆粒的產熱功率。另一方面，該裝置產生的磁場頻率為 100kHz 左右，在直徑 20cm 高度 30cm 的圓柱形治療區(qū)域內，磁場強度高達 18kA/m，且治療區(qū)域的磁場均勻度高達 90%以上。

示意圖,螺線管磁場,發(fā)生系統(tǒng),多繞組