基于多场耦合的磁流体热疗数值模拟及实验研究

发布时间：2020-08-22 17:08

【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℃。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R454.5;TB115;O441.2
【图文】：

示意图,热疗,磁流体,原理

华南理工大学硕士学位论文射量，将磁流体通过动脉或静脉注射、直接注射等方法靶向地导入肿瘤组织；者的靶向治疗区域置于外交变磁场环境中；（3）选择合适的治疗参数并完成治参数包括磁场参数和治疗时间。作为一种新兴的热疗方法，MFH 解决了传统在深层肿瘤、形状不规则的肿瘤和靠近重要脏器的肿瘤中的治疗短板，极大地瘤热疗的安全性和靶向性[18-22]。

原理图,发生装置,和电路,磁场

华南理工大学硕士学位论文图 1-2 所示[65]。该装置主要由谐振电路和铁氧体磁轭组成，谐振电路可在两个磁极之间的孔隙（治疗空间）中产生均匀的交变磁场，孔隙高度可在 21cm 至 45cm 范围内自由调节，但实际治疗可实现的最大高度为 32cm。此外，可滑动的加热床可以允许患者容易地出入加热孔隙，且身体的任何部位都可以被暴露于交变磁场环境。原则上来说，该装置可用于人体任意部位半径 5 厘米肿瘤的磁流体热疗。磁流体热疗期间，可以连续调节线圈电流以调节交变磁场强度，进一步地通过调节磁场强度控制纳米颗粒的产热功率。另一方面，该装置产生的磁场频率为 100kHz 左右，在直径 20cm 高度 30cm 的圆柱形治疗区域内，磁场强度高达 18kA/m，且治疗区域的磁场均匀度高达 90%以上。

示意图,螺线管磁场,发生系统,多绕组

. D. Barba 等提出的螺线管磁场发生系ram of the solenoid magnetic field geneBarba et al]于 2012 年提出一种多绕组磁场发匀分布的线圈组成，所有线圈都圈通入高频交流电流，数值分析

【参考文献】