基于组织形变的磁流体回流浓度分布预测方法技术

本发明专利技术涉及一种基于组织形变的磁流体回流浓度分布预测方法。该方法包括：步骤S1、构建生物组织几何模型；步骤S2、构建固体基质弹性模型；步骤S3、构建回流层的流体运输模型；步骤S4、构建组织的流体运输模型；步骤S5、耦合求解流体场和固体场，并使速度

【技术实现步骤摘要】
基于组织形变的磁流体回流浓度分布预测方法


[0001]本专利技术涉及纳米粒子的建模
，具体涉及一种基于组织形变的磁流体回流浓度分布预测方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着纳米技术的发展，磁纳米热疗技术成为了一种新兴的组织热消融技术。将含有磁性纳米粒子的流体定向注入生物组织区域，通过施加交变磁场，磁性纳米粒子吸收磁场的能量并将热量转化为热能，从而使得目标组织区域的温度提高至42℃
‑
46℃，实现局部组织消融的目的。实际治疗过程中磁性纳米流体的浓度分布会对治疗效果产生影响，流体浓度分布通常会受到注射器针孔直径、注射速率、纳米流体剂量和纳米流体的性质的影响。
[0003]生物组织被认为是一种不可压缩的多孔超弹性介质。注射过程中组织受到外部压力产生局部扩张的过程可被描述为一种惯性力较小的准静态形变过程。注射过程中的弹性形变会改变生物组织材料的特性，从而导致磁纳米流体的浓度分布发生变化。因此，本专利技术通过构建固体基质弹性模型和流体运输模型，并进行耦合分析，以研究注射过程中外部压力对组织形变的影响，最终能预测由于输入注射压力导致的组织内磁纳米流体回流后的真实浓度分布。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种基于组织形变的磁流体回流浓度分布预测方法，实现了注射过程中组织形变对磁纳米粒子的浓度分布情况的分析。
[0005]为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种基于组织形变的磁流体回流浓度分布预测方法，包括如下步骤：
[0006]步骤S1、构建生物组织的几何模型；
[0007]步骤S2、构建固体基质弹性模型；
[0008]步骤S3、构建回流层的流体运输模型；
[0009]步骤S4、构建组织的流体运输模型；
[0010]步骤S5、耦合求解流体运输模型和固体基质弹性模型，并使用速度
‑
浓度耦合分析获得磁流体在组织间质内的浓度分布。
[0011]在本专利技术一实施例中，步骤S1中，所述构建生物组织的几何模型：构建一个半径为R的半圆和一个长为H1、宽为W1的第一矩形；其中，半圆区域代表第一组织区域，除此之外的区域代表第二组织区域；另外构建一个长为H2，宽为W2的第二矩形，H1>H2，第二矩形垂直穿过半圆和第二矩形到达半圆中心位置，左侧边与半圆的垂直半径重合；半圆和第一矩形分别与第二矩形求差，半圆内的所剩区域为第一组织区域，除此之外的区域为第二组织区域，空白矩形区域为注射器；所述生物组织的几何模型沿注射器与第一组织的边界构建一个L形空间，用于描述注射器注射过程中注射点处组织的形变问题。
[0012]在本专利技术一实施例中，所述步骤S2具体实现如下：
[0013]步骤S21、假定第一组织区域是一种不可压缩的多孔超弹性介质，生物组织中小变形下的机械应力和组织应变满足关系：
[0014][0015]其中，ε
lm
表示各方向上总应变的单个分量，σ
lm
表示总应力张量在各个方向上的分量，β表示有效应力系数，P表示生物组织受到的压力，δ
lm
为Kronecker函数，当l＝m时该函数取1，其余情况取0，ν表示横向变形系数，E表示弹性模量；
[0016]步骤S22、注射器注射过程中受到压力而产生的大形变的应力
‑
应变呈非线性，且形变过程中体积保持不变；Ogden形式的本构模型采用主拉伸作为基准变量，用其表示单位体积弹性应变能函数W：
[0017][0018]其中，W为单位体积弹性应变能函数，λ1、λ2和λ3表示主拉伸比，μ
i
、α
i
和γ
i
表示材料参数，J表示变形梯度张量的行列式；
[0019]步骤S23、组织形变过程中产生的位移用组织固相中的应力变化来表示：
[0020][0021]其中，ε
lm
表示各方向上总应变的单个分量，
▽
表示哈密顿算子，u表示位移矢量，T表示矩阵转置。
[0022]在本专利技术一实施例中，所述固体基质弹性模型需要满足边界条件如下：
[0023]1)回流层与注射器针头接触的边界不可移动；
[0024]2)回流层与组织接触的边界可自由移动；
[0025]3)外部压力针头与生物组织间的空隙变大，针头壁与生物组织分离满足边界条件：
[0026]‑
n
·
ρ
nf
v＝0
[0027]其中，n表示垂直于曲面元素的单位向量，ρ
nf
表示纳米流体的密度，v表示固相的速度；
[0028]4)回流层与组织接触的边界被设定为规定的牵引力：
[0029][0030]其中，σ表示有效柯西应力张量，p表示间隙流体压力，I表示单位张量，n表示垂直于曲面元素的单位向量，表示牵引力。
[0031]在本专利技术一实施例中，所述步骤S3使用纳维叶
‑
斯托克斯方程构建用于描述回流层层性流动的流体运输模型，并满足质量守恒和动量守恒：
[0032][0033][0034]其中，ρ
f
表示流体的密度，w表示流体流动的速度矢量，
▽
表示哈密顿算子，P
i
表示组织压力，μ表示磁流体的动态粘度，F表示每单位体积流体所受到的外力。
[0035]在本专利技术一实施例中，所述步骤S4中磁流体在组织间隙压力下的流动使用达西定律描述：
[0036][0037]其中，Φ
i
表示组织区域的孔隙率，v
i
表示磁流体的流动速度，u表示组织位移矢量，K
i
表示磁水率，
▽
表示哈密顿算子，P
i
表示组织压力。
[0038]在本专利技术一实施例中，组织间质中磁流体的平均流速与流源有关，具体表示为：
[0039][0040]其中，表示哈密顿算子，K
i
表示磁水率，P
i
表示组织压力，表示流源项，表示引流项；流源项与微血管中血液的流动有关，具体表示为：
[0041][0042]其中，L
P
表示区域中微血管壁的导水率，表示区域中单位体积的表面积，P
b
表示区域中血液静压，σ
s
表示生物组织中血浆蛋白的渗透反射系数，π
b
表示血浆蛋白肿胀的压力，π
i
表示间质肿胀的压力，P
i
表示组织间质的压力；
[0043]组织间质中磁流体的平均流速与引流项有关，引流项与淋巴系统有关，通过方程Kedem
‑
Katchalsky理论建立：
[0044][0045]其中，L
P
表示区域中微血管壁的导水率，表示区域中单位体积的表面积，P
b
表示区域中血液静压，P
L...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于组织形变的磁流体回流浓度分布预测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1、构建生物组织的几何模型；步骤S2、构建固体基质弹性模型；步骤S3、构建回流层的流体运输模型；步骤S4、构建组织的流体运输模型；步骤S5、耦合求解流体运输模型和固体基质弹性模型，并使用速度
‑
浓度耦合分析获得磁流体在组织间质内的浓度分布。2.根据权利要求1所述的基于组织形变的磁流体回流浓度分布预测方法，其特征在于，步骤S1中，所述构建生物组织的几何模型：构建一个半径为R的半圆和一个长为H1、宽为W1的第一矩形；其中，半圆区域代表第一组织区域，除此之外的区域代表第二组织区域；另外构建一个长为H2，宽为W2的第二矩形，H1>H2，第二矩形垂直穿过半圆和第二矩形到达半圆中心位置，左侧边与半圆的垂直半径重合；半圆和第一矩形分别与第二矩形求差，半圆内的所剩区域为第一组织区域，除此之外的区域为第二组织区域，空白矩形区域为注射器；所述生物组织的几何模型沿注射器与第一组织的边界构建一个L形空间，用于描述注射器注射过程中注射点处组织的形变问题。3.根据权利要求1所述的基于组织形变的磁流体回流浓度分布预测方法，其特征在于，所述步骤S2具体实现如下：步骤S21、假定第一组织区域是一种不可压缩的多孔超弹性介质，生物组织中小变形下的机械应力和组织应变满足关系：其中，ε
lm
表示各方向上总应变的单个分量，σ
lm
表示总应力张量在各个方向上的分量，β表示有效应力系数，P表示生物组织受到的压力，δ
lm
为Kronecker函数，当l＝m时该函数取1，其余情况取0，ν表示横向变形系数，E表示弹性模量；步骤S22、注射器注射过程中受到压力而产生的大形变的应力
‑
应变呈非线性，且形变过程中体积保持不变；Ogden形式的本构模型采用主拉伸作为基准变量，用其表示单位体积弹性应变能函数W：其中，W为单位体积弹性应变能函数，λ1、λ2和λ3表示主拉伸比，μ
i
、α
i
和γ
i
表示材料参数，J表示变形梯度张量的行列式；步骤S23、组织形变过程中产生的位移用组织固相中的应力变化来表示：其中，ε
lm
表示各方向上总应变的单个分量，
▽
表示哈密顿算子，u表示位移矢量，T表示矩阵转置。4.根据权利要求3所述的基于组织形变的磁流体回流浓度分布预测方法，其特征在于，所述固体基质弹性模型需要满足边界条件如下：
1)回流层与注射器针头接触的边界不可移动；2)回流层与组织接触的边界可自由移动；3)外部压力针头与生物组织间的空隙变大，针头壁与生物组织分离满足边界条件：
‑
n
·
ρ
nf
v＝0其中，n表示垂直于曲面元素的单位向量，ρ
nf
表示纳米流体的密度，v表示固相的速度；4)回流层与组织接触的边界被设定为规定的牵引力：其中，σ表示有效柯西应力张量，p表示间隙流体压力，I表示单位张量，n表示垂直于曲面元素的单位向量，表示牵引力。5.根据权利要求1所述的基于组织形变的磁流体回流浓度分布预测方法，其特征在于，所述步骤S3使用纳维叶
‑
斯托克斯方程构建用于描述回流层层性流动的流体运输模型，并满足质量守恒和动量守恒：满足质量守恒和动量守恒：其中，ρ
f
表示流体的密度，w表示流体流动的速度矢量，表示哈密顿算子，P
i
表示组织压力，μ表...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤云东，陈鸣，邹建，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：