[发明专利]基于比例积分控制的生物组织内扩散磁流体产热分析方法

说明书

本发明涉及了一种基于比例积分控制的生物组织内扩散磁流体产热分析方法。本发明应用有限元方法求解磁纳米粒子的扩散传质模型，以及生物传热数学模型。先通过扩散传质模型获得磁纳米粒子在第二生物组织区域内的分布，再通过外加交变磁场的作用得到组织的产热数值分布；在此基础上，接着对组织内的温度分布进行控制，通过引入比例积分控制器，对磁纳米粒子产热温度的临界值进行控制，提高第二生物组织内温度分布的稳定性，有效地控制生物组织模型的产热区间。本发明能够最终控制组织内磁纳米粒子的产热区间，优化区域内的温度分布，适用于磁场工业等应用场合。

技术领域

本发明涉及交变磁场中磁纳米粒子的建模技术领域，具体涉及一种基于比例积分控制的生物组织内扩散磁流体产热分析方法。

背景技术

近年来，随着磁纳米技术的快速发展，磁纳米加热技术已经被广泛的应用到各行各业。磁纳米技术通过外加交变磁场的作用，利用弛豫效应吸收磁场所产生的能量并将其转化为热能，达到具体应用所需温度要求。

磁纳米技术关键就在于如何精准控制温度的分布和精准控制温度的安全范围。由于实际应用环境的复杂多样，加热技术受多种因素影响而难以精确控制。这是因为磁纳米粒子的参数并不总是恒定，有些参数会受到外界或本身受热温度的影响而产生急剧变化。因此，研究一种磁流体产热控制的方法便具有非常重要的实际意义。

现如今，比例-积分(PI)控制系统在工业中已经被广泛使用。其最大优点就是控制及时、迅速。只要有偏差产生，控制器立即产生控制作用。

发明内容

鉴于此，本发明通过设计一种基于比例积分控制的生物组织内扩散磁流体产热分析方法来调节磁流体粒子的温度分布策略，以补偿可变的磁流体粒子分布和可变的磁纳米粒子参数，进而优化温度分布，提高磁纳米粒子产热值的精确度和稳定性。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于比例积分控制的生物组织内扩散磁流体产热分析方法，包括以下步骤：

步骤S1：首先构建两个生物组织的二维几何模型，其中第二生物组织包含于第一生物组织内；

步骤S2：进一步将一定浓度的磁纳米流体直接注射进第二生物组织区域内，给予一定时间进行流体的渗透扩散；

步骤S3：通过对生物组织间的物质传输和扩散模型设置模型参数，应用有限元计算生物组织间的物质传输和扩散模型；生物组织间的物质传输和扩散数学模型表示为：

其中，符号▽表示哈密顿算子，C表示生物组织内磁纳米流体的浓度，s表示质量源密度，ε表示生物组织的孔隙率，v为渗透流速，D_eff表示磁流体在组织中的有效扩散系数；

上式中，T_S表示溶液的绝对温度，η表示组织间的动态粘度，r＝7.5nm表示磁流体中磁纳米粒子半径的假定值，k_b表示玻尔兹曼常数；

步骤S4：通过Pennes生物传热原理以及对应数学方程构建生物传热数学模型，同时为生物传热模型设置模型参数；Pennes生物传热理论构建生物传热数学模型表示为：

其中，i可以用1或者2来分别表示第一生物组织区域和第二生物组织区域，下标b表示血液参数；ρ表示密度，c表示比热容，k表示热导系数，ω_b：血液灌注率，T表示温度，Q_m表示单位体积的代谢热量，α表示功耗的校正系数，Q_MNP表示磁性纳米粒子与交变磁场相互作用产生的热量耗散；

步骤S5：为生物传热数学模型根据实际情况设置合理的边界热绝缘条件、热源分布条件；