适用于磁共振显微成像系统的集成式微流控芯片设计方法研究
发布时间：2021-09-28 09:00
随着生物医学领域对单细胞的研究由表面形态逐渐深入内部组分含量、结构特征等方面,磁共振成像作为一种可以无创伤地反映物体内部的层次结构并可以区分不同物质的影像技术具有巨大的应用潜力。磁共振显微成像技术是指空间分辨率小于百微米的磁共振成像手段,是近年来磁共振成像发展的趋势之一。根据磁共振成像原理,空间分辨率受限于梯度线圈产生的梯度磁场的大小与线性度,在保证主磁场强度和线圈驱动电流的前提下,采用直径与细胞尺寸相近的梯度线圈可提高磁共振显微成像的空间分辨率。而作为磁共振显微成像技术的载体,广泛应用于生物物理、生物化学和医学领域进行细胞培养、检测的微流控芯片是一个很好的选择。由于磁共振成像要求芯片处于主磁场环境下,因此所有器件应避免有任何铁磁材料出现。这也意味着例如混合器、阀等微流器件采用无驱动力的被动式微流控芯片更适用于磁共振显微成像。拓扑优化方法相较于其他传统结构设计优化方法可以在设计者缺乏经验的情况下快速找到结构可行的拓扑形式,并对结构的尺寸和形状进行一定程度的优化,有助于设计者提出具有创新性的结构设计。因此,本文研究内容聚焦在可应用于磁共振显微成像的集成式微流控芯片拓扑优化设计研究。由于磁...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)吉林省
【文章页数】：166 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 选题背景与意义
1.2 问题与研究目的
1.3 磁共振成像技术
1.4 微流控芯片
1.5 拓扑优化方法
1.6 本文的研究内容与组织结构
第2章 相关理论基础
2.1 流体问题
2.2 电磁问题
2.3 数值计算方法
2.4 连续体拓扑优化理论
2.5 变密度方法中特征尺寸控制方法
2.6 本章小结
第3章 基于拉格朗日描述的微混合器优化设计
3.1 被动混合器
3.2 混合过程的描述
3.3 粗粒浓度与映射矩阵法
3.4 混合效果的度量
3.5 微混合器的拓扑优化模型与敏度分析
3.6 数值实现
3.7 数值算例
3.8 本章小结
第4章 特征尺寸约束的微流器件优化设计
4.1 模拟形态学算子
4.2 基于模拟形态算子的最小实域和最小空域尺寸控制
4.3 基于最小尺寸控制方法的微Tesla阀设计
4.4 基于模拟形态算子的最大尺寸控制
4.5 基于最大尺寸控制方法的微流控器件设计
4.6 本章小节
第5章 细胞捕获单元与微梯度线圈的优化设计
5.1 被动单细胞捕获器拓扑优化设计
5.1.1 被动单细胞捕获原理以及拓扑优化模型
5.1.2 捕获方向与流动方向同向细胞捕获单元拓扑优化
5.1.3 捕获方向与流动方向垂直细胞捕获单元拓扑优化
5.1.4 捕获方向与流动方向垂直多细胞捕获单元拓扑优化
5.2 微梯度线圈优化设计
5.2.1 流函数法设计梯度线圈
5.2.2 梯度线圈的单目标拓扑优化
5.2.3 梯度线圈的电阻辅助目标优化设计
5.3 本章小结
第6章 总结与展望
6.1 完成工作总结
6.2 创新性成果
6.3 未来工作展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]同步辐射X射线显微成像技术在细胞生物学中的应用[J]. 张一,张继超,诸颖,孙艳红,王坤,樊春海,黄庆,蔡小青. 生命科学. 2013(08)
[2]自主研发小动物专用磁共振显微线圈的研究应用[J]. 许永华,方磊,杨利霞,丁爽,黄自丽,潘晓东. 中国医学工程. 2012(08)
[3]单细胞成像分析研究进展[J]. 李涛,唐宏武,罗美娜,陈观铨. 分析科学学报. 2006(02)
[4]统一骨架与连续体的结构拓扑优化的ICM理论与方法[J]. 隋允康,杨德庆,孙焕纯. 计算力学学报. 2000(01)
博士论文
[1]磁共振系统可展梯度线圈拓扑构型设计方法研究[D]. 潘辉.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2018
[2]微流控芯片中电渗流动拓扑优化设计方法研究[D]. 陈利民.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 2017
[3]基于颗粒与流体耦合作用的被动式微流控芯片设计理论及实验研究[D]. 周腾.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2014
硕士论文
[1]磁共振系统梯度线圈不可展面设计方法研究[D]. 任浩.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2019
[2]基于拉格朗日和欧拉描述方法的微混合器设计[D]. 徐一凡.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2013
本文编号：3411616
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)吉林省
【文章页数】：166 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 选题背景与意义
1.2 问题与研究目的
1.3 磁共振成像技术
1.4 微流控芯片
1.5 拓扑优化方法
1.6 本文的研究内容与组织结构
第2章 相关理论基础
2.1 流体问题
2.2 电磁问题
2.3 数值计算方法
2.4 连续体拓扑优化理论
2.5 变密度方法中特征尺寸控制方法
2.6 本章小结
第3章 基于拉格朗日描述的微混合器优化设计
3.1 被动混合器
3.2 混合过程的描述
3.3 粗粒浓度与映射矩阵法
3.4 混合效果的度量
3.5 微混合器的拓扑优化模型与敏度分析
3.6 数值实现
3.7 数值算例
3.8 本章小结
第4章 特征尺寸约束的微流器件优化设计
4.1 模拟形态学算子
4.2 基于模拟形态算子的最小实域和最小空域尺寸控制
4.3 基于最小尺寸控制方法的微Tesla阀设计
4.4 基于模拟形态算子的最大尺寸控制
4.5 基于最大尺寸控制方法的微流控器件设计
4.6 本章小节
第5章 细胞捕获单元与微梯度线圈的优化设计
5.1 被动单细胞捕获器拓扑优化设计
5.1.1 被动单细胞捕获原理以及拓扑优化模型
5.1.2 捕获方向与流动方向同向细胞捕获单元拓扑优化
5.1.3 捕获方向与流动方向垂直细胞捕获单元拓扑优化
5.1.4 捕获方向与流动方向垂直多细胞捕获单元拓扑优化
5.2 微梯度线圈优化设计
5.2.1 流函数法设计梯度线圈
5.2.2 梯度线圈的单目标拓扑优化
5.2.3 梯度线圈的电阻辅助目标优化设计
5.3 本章小结
第6章 总结与展望
6.1 完成工作总结
6.2 创新性成果
6.3 未来工作展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]同步辐射X射线显微成像技术在细胞生物学中的应用[J]. 张一,张继超,诸颖,孙艳红,王坤,樊春海,黄庆,蔡小青. 生命科学. 2013(08)
[2]自主研发小动物专用磁共振显微线圈的研究应用[J]. 许永华,方磊,杨利霞,丁爽,黄自丽,潘晓东. 中国医学工程. 2012(08)
[3]单细胞成像分析研究进展[J]. 李涛,唐宏武,罗美娜,陈观铨. 分析科学学报. 2006(02)
[4]统一骨架与连续体的结构拓扑优化的ICM理论与方法[J]. 隋允康,杨德庆,孙焕纯. 计算力学学报. 2000(01)
博士论文
[1]磁共振系统可展梯度线圈拓扑构型设计方法研究[D]. 潘辉.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2018
[2]微流控芯片中电渗流动拓扑优化设计方法研究[D]. 陈利民.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 2017
[3]基于颗粒与流体耦合作用的被动式微流控芯片设计理论及实验研究[D]. 周腾.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2014
硕士论文
[1]磁共振系统梯度线圈不可展面设计方法研究[D]. 任浩.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2019
[2]基于拉格朗日和欧拉描述方法的微混合器设计[D]. 徐一凡.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2013
本文编号：3411616
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