[发明专利]基于粒子群算法的磁纳米粒子体积分数优化方法

说明书

本发明涉及一种基于粒子群算法的磁纳米粒子体积分数优化方法，包括以下步骤：步骤S1:构建生物组织模型；步骤S2：采用二分法，计算生物组织模型的所需磁纳米粒子总产热值；步骤S3：基于所需磁纳米粒子总产热值，采用粒子群优化算法对磁纳米粒子体积分数进行优化以获得所需磁纳米粒子体积分数的最小值以及磁纳米粒子半径、外加交变磁场频率和峰值强度。本发明，能够确定在产热足够的情况下所需磁纳米粒子体积分数的最小值，并获得此时所需要的磁纳米粒子半径、外加交变磁场峰值强度和频率，进一步提升磁纳米粒子的产热效率。

技术领域

本发明涉及磁纳米粒子的建模技术领域，具体涉及一种基于粒子群算法的磁纳米粒子体积分数优化方法。

背景技术

近年来，磁纳米粒子在外加交变磁场的作用下由于驰豫效应而产热的这一机制已经被广泛地研究和在多个领域中应用，导致磁纳米粒子产热的弛豫效应包括尼尔驰豫和布朗驰豫。磁纳米粒子的产热与许多因素有关，包括磁纳米粒子的体积分数(浓度)、交变磁场峰值强度、交变磁场频率、磁纳米粒子的尺寸等因素。

磁纳米粒子的体积分数对磁纳米粒子的产热有着很大的影响，在其他条件一致的情况下其值越大产热值越大。磁纳米粒子体积分数(浓度)足够时才能产生足够的应用中的所需热量，但是磁纳米粒子体积分数越高意味着制备的难度和成本越大，基于此考虑，希望在保证能产生足够的热量的情况下所需磁纳米粒子体积分数越小越好。因此，探究一种有效的方法对磁纳米粒子的体积分数进行优化以获得产热足够时所需磁纳米粒子体积分数的最小值具有十分重大的意义。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于粒子群算法的磁纳米粒子体积分数优化方法，能够确定在产热足够的情况下所需磁纳米粒子体积分数的最小值，并获得此时所需要的磁纳米粒子半径、外加交变磁场峰值强度和频率。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于粒子群算法的磁纳米粒子体积分数优化方法，包括以下步骤：

步骤S1：构建生物组织模型；

步骤S2：采用二分法，计算生物组织模型的所需磁纳米粒子总产热值；

步骤S3：基于所需磁纳米粒子总产热值，采用粒子群优化算法对磁纳米粒子体积分数进行优化，并获得所需磁纳米粒子体积分数的最小值以及磁纳米粒子半径、外加交变磁场频率和峰值强度。

进一步的，所述步骤S1具体为：构建生物组织几何模型，设置生物组织模型的特性参数，并对生物组织几何模型进行有限元网格划分。

进一步的，所述特性参数包括导热系数、密度、恒压热容、血液灌注率、代谢产热。

进一步的，所述步骤S2具体为：

步骤S21：设置磁纳米粒子总产热值的首个估计区间；

步骤S22：将估计区间的中间节点数值作为输入，代入pennes生物传热方程中并使用有限元方法进行求解，计算生物组织模型的温度的最大值；

步骤S23：若步骤S22中所求得的温度最大值大于上限安全温度则将估计区间的起始节点与中间节点分别作为新的起始节点与终止节点而组成新的估计区间并返回步骤S22，若小于上限安全温度则将中间节点与终止节点分别作为新的起始节点与终止节点而组成新的估计区间并返回步骤S22，若等于上限安全温度则中间节点即为所需磁纳米粒子总产热值。

进一步的，所述pennes生物传热方程表示为：