基于纳米机器人集群的活体纳米传感离散化数值解析方法技术

本发明专利技术提供一种基于纳米机器人集群的活体纳米传感离散化数值解析方法，包括二维扩散过程的离散化数值解模型、血流牵引力的离散化数值解模型以及外部磁场力的离散化数值解模型建立。本发明专利技术针对无法直接求得解析解的二维对流扩散方程，在时空域上进行离散化处理，并引入活体纳米传感框架中血流、磁场控制条件等实际数学模型，结合计算流体力学中的有限差分计算方法推导了早期微小肿瘤检测活体框架下基于纳米机器人集群的传感模型的离散化数值解的数学形式，并在MATLAB软件上进行了编程验证，还原了基于血管内纳米机器人集群运动学特征来感知生物梯度场的一系列传感过程。征来感知生物梯度场的一系列传感过程。征来感知生物梯度场的一系列传感过程。

【技术实现步骤摘要】
基于纳米机器人集群的活体纳米传感离散化数值解析方法


[0001]本专利技术涉及在肿瘤微环境下基于纳米机器人集群的生物纳米传感领域，具体而言，涉及一种基于纳米机器人集群的活体纳米传感离散化数值解析方法。

技术介绍

[0002]癌症作为世界五大绝症之一严重影响着人类生命健康，近年来其已成为全球范围内仅次于心血管疾病的人类第二大致死疾病，癌症的高死亡率主要原因是恶性肿瘤细胞具有很强的转移和侵袭能力且常规体检难以查出早期肿瘤。目前医疗体系中，癌症的诊断主要依赖于医学成像技术，比如X射线成像、电子计算机断层扫描成像、超声成像、磁共振成像等，但是受分辨率、准确度的限制，医疗成像技术不能应用于早期微小肿瘤的检测。
[0003]随着纳米技术在医疗领域的研究与应用的发展，纳米机器人在体内的应用已经取得了一定的成绩，例如利用群体螺旋纳米游泳机器人在旋转磁场作用下的进行体内追踪成像；利用趋磁细菌将负载药物的纳米脂质体运输至肿瘤缺氧区域等。因此在肿瘤检测领域中，提出了基于磁性纳米机器人的早期微小肿瘤检测的活体计算(In
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Vivo Computing)框架研究，活体计算框架通过将早期肿瘤检测过程转换为数值计算中的优化求解过程，试图解决在多个生物体内约束的条件下，借助算法优化领域的知识寻找快速、准确且同时具有鲁棒性的早期肿瘤检测的有效方案。具体为，纳米机器人看作为群体智能算法中的计算智能体，生物梯度场(Biological Gradient Field,BGF)看作为目标函数，待检测的肿瘤病灶看作为计算智能体所要寻找目标函数的最优解。
[0004]在活体计算框架中，为了更好地控制纳米机器人的搜索路径，必须量化早期微小肿瘤诱导产生的BGF信息。BGF的产生与肿瘤病灶所处的生物微环境密切相关。肿瘤病灶的产生会使其周围细胞及微组织环境发生多相性改变，例如，活体肿瘤出现后，对血氧浓度和PH值的产生影响使得瘤内瘤外出现异质性，肿瘤细胞恶性增殖速度过快最终产生局部血氧下降氧张力变化，进一步诱发无氧呼吸导致肿瘤附近PH值下降。同时肿瘤组织的能量需求要高于周围组织，导致葡萄糖、生长因子和激素等营养物质在肿瘤微环境中的分布也并不均匀甚至于是缺乏的。基于此，体内的生物信息可以理解为一个目标函数场，伴随着肿瘤病灶出现函数局部值会出现梯度变化，把这些由组织恶性肿瘤诱导的同源组织异质性称为肿瘤微环境中的BGF。
[0005]在众多BGF信息中，血液的粘度不但与肿瘤的检测治疗息息相关，同时也是血液动力学的重要指标，因此提出了在活体计算框架下，通过“所见及所感”的方式传感肿瘤病灶附近的全血粘度信息来检测早期微小肿瘤的方法。即当纳米机器人注射进机体组织后，其会在外部均匀磁场的控制下根据生物梯度场信息向肿瘤病灶所在的高危组织区域运动，并通过现有的医学成像技监测纳米机器人的运动，进而根据其运动学信息进一步推导出搜索空间中全血粘度的信息为纳米机器人的下一步运动控制提供反馈信息，使其逐渐向肿瘤病灶逼近，以此来完成肿瘤检测。
[0006]因此，如何有效的对肿瘤微环境的全血粘度信息变化进行感知成为了早期微小肿
瘤检测的关键一步，为此提出了利用磁性纳米机器人集群作为肿瘤微环境中的“探针”来传感全血粘度信息的研究方法。该研究方法利用纳米机器人集群在血管中扩散过程的实时的运动学信息传感得到活体微环境中全血粘度的生物信息变化，并且基于此方法提出了一种基于纳米机器人集群运动学特征的生物梯度场传感模型。其中对整个传感模型的数学建模都是基于二维对流扩散偏微分方程建立，然而在实际工程中，无论是基于医学影像学的外部观测系统还是基于霍尔木兹磁线圈的外部磁场控制系统，其观测和控制过程都是对连续过程的离散采样。因此对于生物梯度场传感模型的数学建模的连续过程，如何有效的离散化数值求解是传感框架工程化的关键问题之一。
[0007]二维对流扩散偏微分方程的离散化数值求解的经典工具，计算流体力学(Computational FluidDynamics，CFD)，其是根据控制流体运动的守恒定律来对流体流动现象进行定量估算的数值分析方法，然而针对生物梯度场传感模型的离散化数值求解，商业CFD软件有一些无法满足的硬性需求：首先由于商业CFD软件的求解器是面向各种仿真环境通用的，因此带了一些局限性。在早期微小肿瘤检测过程中，从肿瘤周围生物梯度场开始形成到逐渐趋向于稳定需要长时间维度上的迭代，而具体的传感过程则仅仅发生在生物梯度场稳定后的短时间内，但商业CFD软件无法在同一个仿真过程中区分不同时间维度上的过程；其次商业CFD软件面向用户的迭代过程是一个“黑盒子”，只能从迭代结果中去反向计算一些工程学问题而无法深入传感迭代过程内部直接分析中间计算量，例如在基于纳米机器人集群运动学特征的生物梯度场传感过程中，传感策略的底层逻辑仅涉及纳米机器人集群浓度差扩散，然而商业CFD软件会将血流、磁场和浓度差扩散的耦合结果给出，无法单独分析扩散过程对传感的影响。
[0008]同时由于受到当前纳米机器人工业级应用和活体追踪技术的限制，目前想要在活体内通过实验实时验证上述过程存在较大的难度，因此如果能提出合理的离散化数值解模型则可以通过数值计算的方法在仿真中还原基于血管内纳米机器人集群运动学特征的生物梯度场传感模型并对其进行验证。

技术实现思路

[0009]鉴于此本专利技术针对上述提到的问题专利技术了一种早期微小肿瘤检测活体框架下基于纳米机器人集群的传感模型的离散化数值解析方法。
[0010]本专利技术目的在于引入有限差分法来推导纳米机器人集群浓度扩散过程的数值解，进而提供一种针对活体计算框架下传感问题的数值计算过程，以解决现有技术无法深入传感迭代过程内部直接分析中间计算量(浓度扩散)对传感的影响，为单独分析某个计算量对传感的影响。提供有力的理论依据和技术支持。
[0011]本专利技术的目的，可以通过如下技术方案实现：
[0012]基于纳米机器人集群的活体纳米传感离散化数值解析方法，包括；
[0013]二维扩散过程的离散化数值解模型、血流牵引力的离散化数值解模型以及外部磁场力的离散化数值解模型建立。
[0014]所述二维扩散过程的离散化数值解模型建立，具体包括以下步骤：
[0015]步骤S1针对本专利技术的活体纳米传感模型，把经典一维福克普朗克方程推导为纳米机器人集群的二维浓度分布偏微分方程；
[0016]步骤S2.引入有限差分法求得纳米机器人集群的二维浓度分布偏微分方程的数值解，具体步骤如下：
[0017]步骤S2.1.基于本专利技术假设的血管模型，在空间域和时间域上做离散化处理，得到血管模型的离散晶格空间以及离散晶格空间内任意t时刻的纳米机器人浓度分布矩阵；
[0018]步骤S2.2.引入有限差分法对二维浓度分布偏微分方程中的一二阶偏导数进行离散化处理，得到基于纳米机器人集群浓度的纳米活体传感方法在离散时空域下的浓度二维扩散离散化数值解方程；
[0019]所述血流牵引力的离散化数值解模型建立，具体包括以下步骤：
[0020]步本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于纳米机器人集群的活体纳米传感离散化数值解析方法，其特征在于，包括二维扩散过程的离散化数值解模型、血流牵引力的离散化数值解模型以及外部磁场力的离散化数值解模型建立；所述二维扩散过程的离散化数值解模型建立，具体包括以下步骤：步骤S1针对活体纳米传感模型，把经典一维福克普朗克方程推导为纳米机器人集群的二维浓度分布偏微分方程；步骤S2.引入有限差分法求得纳米机器人集群的二维浓度分布偏微分方程的数值解；所述血流牵引力的离散化数值解模型建立，具体包括以下步骤：步骤A1.基于本发明假设的血管模型，推导出血流牵引力方程；步骤A2.引入有限差分法把血流牵引力方程融入到浓度二维扩散离散化数值解方程中外部牵引力项，得到血流牵引力的离散化数值解方程：所述外部磁场力的离散化数值解模型建立，具体包括以下步骤：步骤B1.将纳米机器人在离散空间内不同晶格点受到的磁场作用...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙玥，杜冬，程万里，陈意钒，巫昆仑，张露瑶，王晴文，
申请(专利权)人：成都群智微纳科技有限公司，
类型：发明
国别省市：