[发明专利]基于不规则磁流体浓度分布的琼脂糖凝胶温度预测方法

权利要求书

1.一种基于不规则磁流体浓度分布的琼脂糖凝胶温度预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、对不规则浓度分布的磁纳米流体图片进行预处理；

步骤S2、在有限元软件中构建琼脂糖凝胶模型；

步骤S3、设置交变磁场参数、琼脂糖凝胶材料参数及磁纳米流体的参数；

步骤S4、采用有限元的方法，求解对流-扩散方程，模拟由扩散引起的琼脂糖凝胶内部的浓度分布变化；

步骤S5、将步骤S4中对流-扩散方程的解作为初始值，代入Penne生物传热方程，预测在交变磁场作用下，琼脂糖凝胶内部的温度分布变化；

所述对流-扩散方程为：

其中，下标i表示不同琼脂糖凝胶区域，i＝1代表第一组织区域，i＝2代表第二组织区域；参数c表示琼脂糖凝胶中磁流体的浓度值，v表示磁流体的流动速度，t表示扩散持续时间；D表示磁流体的扩散系数，使用有效扩散系数D_eff来近似：

上式中，a是磁纳米粒子的半径，a_f是组织纤维半径，φ是体积分数，D₀是基准扩散系数；

所述Penne生物传热方程为：

上式中ρ_i、c_i、T_i和k_i分别代表了琼脂糖凝胶的密度、比热容、绝对温度和导热特性；ρ_b、c_b、T_b和ω_b分别是血液的密度、比热容、温度和权重系数；此外，Q_m是琼脂糖凝胶中每单位体积的代谢热产生，Q_MNP是由磁纳米颗粒在交变磁场的扰动下引起的点热源，α是磁纳米颗粒在琼脂糖凝胶内部时的功率耗散的校正系数；

所述Penne生物传热方程需满足以下几个边界条件：

1)将第一组织区域和第二组织区域的初始温度设定为37℃：

T(t'＝0)＝37℃

上式中t'表示加热的时间，T表示组织的温度；

2)第二组织的外表面满足Dirichlet边界条件：

T₂[r＝R₂]＝37℃

上式中r表示组织的半径，R₂表示第二组织区域的半径，T₂表示第二组织区域的温度；

3)第一组织与第二组织之间的边界处满足热通量的连续性条件：

T₁[r＝R₁]＝T₂[r＝R₁]

上式中k₁、k₂表示热传导系数，R₁表示第一组织区域的半径，T₁和T₂分别表示第一组织区域和第二组织区域的温度。

2.根据权利要求1所述的基于不规则磁流体浓度分布的琼脂糖凝胶温度预测方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：

步骤S11、调整不规则浓度分布的磁纳米流体图片的尺寸大小；

步骤S12、对整好尺寸的磁纳米流体图片进行灰度处理得到灰度图像；

步骤S13、设置阈值，去除无关部分，获取只存在磁流体浓度分布的二值化图像；

步骤S14、将步骤S13得到的二值化图像与步骤S12得到的灰度图像进行交集运算处理，获得只具有磁流体浓度分布的灰度图像。

3.根据权利要求1所述的基于不规则磁流体浓度分布的琼脂糖凝胶温度预测方法，其特征在于，所述步骤S2中，在有限元软件中构建一个二维的琼脂糖凝胶模型，该琼脂糖凝胶模型由两个椭圆构成，并且大的椭圆包着小的椭圆，小椭圆区域表示第一组织区域，除此之外的区域表示第二组织区域。

4.根据权利要求1所述的基于不规则磁流体浓度分布的琼脂糖凝胶温度预测方法，其特征在于，所述步骤S3中，设置交变磁场的磁场强度和频率，琼脂糖凝胶包括孔隙度、密度和比热容的材料参数及磁纳米流体的扩散系数；并将步骤S1中经过预处理的图像中的磁纳米颗粒的坐标值及灰度值转为矩阵形式，以插值函数的形式导入有限元软件中，作为琼脂糖凝胶内部磁流体的初始浓度分布。

5.根据权利要求4所述的基于不规则磁流体浓度分布的琼脂糖凝胶温度预测方法，其特征在于，所述磁纳米颗粒的坐标值所在的坐标轴与有限元软件所使用的坐标轴不同，需经过坐标转换才能保持图像原有形状。