[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

说明书

本发明涉及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。包括：步骤S1：对不规则浓度分布的磁流体图片进行预处理；步骤S2：构建琼脂糖凝胶模型；步骤S3：设置琼脂糖凝胶及磁纳米流体的材料参数；步骤S4：模拟由扩散引起的琼脂糖凝胶内部的浓度分布。步骤S5：求解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。本发明对具有不规则磁流体浓度分布的琼脂糖凝胶模型进行建模，最终能够预测加热后琼脂糖凝胶内部的温度分布。

技术领域

本发明涉及纳米粒子的建模技术领域，具体涉及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。

背景技术

近年来，磁热疗技术已被证实是一种极具潜力的生物组织消融技术。在一般研究中，通过将磁纳米粒子注入琼脂糖凝胶内，置于交变磁场的作用范围内，扰动磁纳米粒子使之放热，从而达到使琼脂糖凝胶内部局部区域消融的目的。研究表明，消融的效果会受到磁性纳米粒子功率耗散的强烈影响，当磁纳米粒子放热后温度达到42℃到46℃时，琼脂糖凝胶的目标区域消融而其他区域不受影响的概率最大。这种技术的关键之处在于，如何将纳米粒子放热后的温度保持在42℃到46℃的范围内。然而，要定义合适的磁纳米颗粒特性以实现良好的温度控制并不容易，因为目标区域内的温度分布不仅取决于多核物质的特性，还取决于琼脂糖凝胶的特性。但琼脂糖凝胶的特性在研究之初就被确定，无法改变。因此当确定了该技术中所用的磁纳米粒子的类型和磁场特性时，磁纳米粒子在组织中的空间分布将在治疗期间的热分布和相应的温升中起主导作用。

当前的大部分研究中，都将磁纳米流体在琼脂糖凝胶中的空间分布考虑为是均匀分布的，研究其的简化模型。但实际上，由于纳米流体注射速度、扩散系数和琼脂糖凝胶的固有属性等参数的影响，磁纳米流体在琼脂糖凝胶中的空间分布形状往往是不规则的，且不同部位的浓度值也不尽相同。因此本发明克服了现有技术中的不足，构建了一种琼脂糖凝胶模型，将不规则的磁流体浓度分布作为模型的初值浓度分布，结合磁纳米粒子的浓度扩散机制，预测磁纳米粒子放热后琼脂糖凝胶模型的温度分布。

发明内容

本发明的目的在于提供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，提供了一种使用不规则磁流体浓度分布作为初始浓度分布的琼脂糖凝胶模型，并预测其在交变磁场作用下的温度分布。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：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，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。

在本发明一实施例中，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。

在本发明一实施例中，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。