一种个性化药物控释系统拓扑优化方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种个性化药物控释系统拓扑优化方法及系统，具有更高的设计自由度，能够结合目标实现药物控释系统内部浓度可控的结构设计，满足个性化释药需求，最大限度提升药物治疗效果。包括S1，创建拓扑优化模型，创建过程包括结合药物控释系统的用药环境建立设计域，基于变密度法思想对各目标材料属性通过SIMP插值模型进行区分控制，结合目标用药需求设定边界条件、目标函数、约束条件与设计变量；S2，对拓扑优化模型进行有限元分析，计算获取目标函数对于设计变量的灵敏度信息；S3，基于灵敏度信息，对拓扑优化模型反复迭代优化直至满足优化收敛条件；S4，对满足优化收敛条件的设计变量进行投影函数计算，获得最优拓扑结构。构。构。

【技术实现步骤摘要】
一种个性化药物控释系统拓扑优化方法及系统


[0001]本专利技术涉及药物释放行为的优化控制
，具体为一种个性化药物控释系统拓扑优化方法及系统。

技术介绍

[0002]随着现代医疗技术的发展，“精准医疗”作为一种新型的医疗模式引起了医药领域研究者的强烈关注。相较于传统医疗，精准医疗能够根据患者的具体病因，为患者提供更精准的诊断和治疗，以达到治疗效果精准化。为在治疗过程中实现药物释放的精准控制，药物控释系统(CDDS)应运而生并迅速成为医药领域的研究热点。药物控释系统是指用不同结构的载体来承载药物，并控制药物在靶向部位以需求速率来定量释放的给药模式。它具有减少给药次数，精准控制药物释放及提高患者顺应性等优势。因此，设计出满足患者个体化差异的药物控释系统已然成为亟待解决的问题。
[0003]在现有的药物控释系统结构设计中，研究者从载体材料、制备工艺以及载体结构的设计优化等多个方面对药物控释系统展开研究。但是这些工作并没有脱离原始结构的限制，设计自由度不高，对于药物控释系统的控释能力的改进提高是有限的，得到的优化曲线与目标曲线存在着较大的偏差。同时，研究过程主要关注释放的药物累积量，还忽略了腔体内部药物浓度分布对释药规律的影响。拓扑优化作为一种可靠且有效的优化方法，在概念设计阶段能够为设计者提供极具创造性和最有效的解决方案。然而，将拓扑优化应用于药物控释系统结构优化设计的研究少之甚少。因此，非常有必要将拓扑优化应用于药物控释系统结构设计中，根据预期目标设计出具体的载体结构，提升药物治疗效果。
专利技术内容
[0004]为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种个性化药物控释系统拓扑优化方法及系统，具有更高的设计自由度，设计效率高，能够结合目标实现药物控释系统内部浓度可控的结构设计，满足个性化释药需求，最大限度提升药物治疗效果。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]一种个性化药物控释系统拓扑优化方法，包括如下步骤，
[0007]S1，创建拓扑优化模型，创建过程包括结合药物控释系统的用药环境建立设计域并离散为有限元网格模型，基于变密度法思想对设计域内的各目标材料属性通过固体各向同性材料插值模型(SIMP)进行区分控制，结合目标用药需求设定有限元网格模型的边界条件、目标函数、约束条件与设计变量，拓扑优化模型建立完成；
[0008]S2，采用物质传递有限元仿真方法对拓扑优化模型进行有限元分析，并计算获取目标函数对于设计变量的灵敏度信息；
[0009]S3，基于获得的灵敏度信息，采用移动渐近线法对拓扑优化模型进行反复迭代优化，直至满足预设的优化收敛条件；
[0010]S4，对满足优化收敛条件的设计变量进行投影函数计算，获得药物控释系统的最
优拓扑结构。
[0011]优选地，所述S1步骤中设计变量设定为药物在不同材料中的扩散系数，设计变量的初始值设定为0.5。
[0012]优选地，所述S1中目标函数设定为设计域实际的平均浓度与预设的目标浓度之间的最小化差值，
[0013]目标函数的表达式为，
[0014]Minf(x)＝|C
s
‑
C
ave
|，
[0015]其中，Minf(x)为目标函数，C
S
为预设的目标浓度，C
ave
是设计域实际的平均浓度。
[0016]优选地，所述S1中约束条件设定为流道体积的约束，其表达式为，
[0017]∫
Ω
xdv≤q
v
∫
Ω
dv，x
min
≤x≤1
[0018]其中，x为设计变量的位置，v为设计域的体积，q
v
为体积约束因子，用于确定流道体积占总设计域体积的比例。
[0019]优选地，所述体积约束因子q
v
取值范围为0.1～0.5。
[0020]优选地，所述S1后，还包括对设计变量进行过滤；
[0021]将设计变量和过滤半径作为输入参数，通过输入到预设的过滤表达式中对设计变量进行过滤。
[0022]优选地，所述预设的设计变量过滤的表达式为，
[0023][0024]其中，R
min
为过滤半径，γ
f
为过滤后的设计变量，γ
s
为原始输入的设计变量，表示梯度运算符。
[0025]优选地，所述S3中预设的优化收敛条件为，
[0026]Max|γ
k
‑
γ
k
‑1|≤10
‑6k∈[0,∞)
[0027]其中，k为迭代次数，γ
k
是迭代次数为k时得到的设计变量，γ
k
‑1是迭代次数为k
‑
1时得到的设计变量。
[0028]优选地，所述S4中投影函数的表达式为，
[0029][0030]其中，β用于控制投影的陡峭程度；γ
β
为投影的门槛值，其等于满足优化收敛条件的设计变量；γ
p
为投影后得到的设计变量。
[0031]一种个性化药物控释系统拓扑优化系统，包括，
[0032]拓扑优化模型建立模块，用于创建拓扑优化模型，创建过程包括结合药物控释系统的用药环境建立设计域并离散为有限元网格模型，基于变密度法思想对设计域内的各目标材料属性通过固体各向同性材料插值模型(SIMP)进行区分控制，结合目标用药需求设定有限元网格模型的边界条件、目标函数、约束条件与设计变量，拓扑优化模型建立完成；
[0033]灵敏度计算模块，用于采用物质传递有限元仿真方法计算获取目标函数对于设计变量的灵敏度信息；
[0034]优化迭代模块，用于基于获得的灵敏度信息，采用移动渐近线法对拓扑优化模型
进行反复迭代优化，直至满足预设的优化收敛条件；
[0035]投影模块，用于对满足优化收敛条件的设计变量进行投影函数计算，获得药物控释系统的最优拓扑结构。
[0036]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0037]本专利技术提供了一种个性化药物控释系统拓扑优化方法，基于变密度拓扑优化方法结合目标实际用药需求创建拓扑优化模型，包括设计域、数值模型、边界条件、目标函数、约束条件与设计变量，其次，通过物质传递有限元仿真方法计算获取了目标函数对于设计变量的灵敏度信息以此来更新设计域内各设计变量值，利用移动渐近线法求解拓扑优化问题，反复迭代直至满足收敛条件，最终获得药物控释系统的最优拓扑结构；实现了个性化药物控释系统的结构设计，具有更灵活的设计自由度，进一步提升了药物的治疗效果，为药物控释系统的结构优化设计提供了理论支持，具有使用价值及指导意义。
附图说明
[0038]图1是本专利技术拓扑优化方法的流程示意图；
[0039]图2是本专利技术实施例中储库型药物控释系统的初始模型与边界条件示本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种个性化药物控释系统拓扑优化方法，其特征在于，包括如下步骤，S1，创建拓扑优化模型，创建过程包括结合药物控释系统的用药环境建立设计域并离散为有限元网格模型，基于变密度法思想对设计域内的各目标材料属性通过固体各向同性材料插值模型SIMP进行区分控制，结合目标用药需求设定有限元网格模型的边界条件、目标函数、约束条件与设计变量，拓扑优化模型建立完成；S2，采用物质传递有限元仿真方法对拓扑优化模型进行有限元分析，并计算获取目标函数对于设计变量的灵敏度信息；S3，基于获得的灵敏度信息，采用移动渐近线法对拓扑优化模型进行反复迭代优化，直至满足预设的优化收敛条件；S4，对满足优化收敛条件的设计变量进行投影函数计算，获得药物控释系统的最优拓扑结构。2.根据权利要求1所述的一种个性化药物控释系统拓扑优化方法，其特征在于，所述S1步骤中设计变量设定为药物在不同材料中的扩散系数，设计变量的初始值设定为0.5。3.根据权利要求1所述的一种个性化药物控释系统拓扑优化方法，其特征在于，所述S1中目标函数设定为设计域实际的平均浓度与预设的目标浓度之间的最小化差值，目标函数的表达式为，Minf(x)＝|C
s
‑
C
ave
|，其中，Minf(x)为目标函数，C
S
为预设的目标浓度，C
ave
是设计域实际的平均浓度。4.根据权利要求1所述的一种个性化药物控释系统拓扑优化方法，其特征在于，所述S1中约束条件设定为流道体积的约束，其表达式为，∫
Ω
xdv≤q
v
∫
Ω
dv，x
min
≤x≤1其中，x为设计变量的位置，v为设计域的体积，q
v
为体积约束因子，用于确定流道体积占总设计域体积的比例。5.根据权利要求4所述的一种个性化药物控释系统拓扑优化方法，其特征在于，所述体积约束因子q
v
取值范围为0.1～0.5。6.根据权利要求1所述的一种个性化药物控释系统拓扑优化方法，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：高扬，陈磊，李潭，杨来侠，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：