基于有限元方法的磁纳米颗粒浓度分布预测方法

摘要

本发明涉及一种基于有限元方法的磁纳米颗粒浓度分布预测方法，包括以下步骤：步骤S1:获取磁纳米颗粒分布图像，并预处理；步骤S2:将预处理后的图像矢量化，并构建生物组织模型；步骤S3:配置网格类型，设置研究总时长和步长，并采用有限元方法求解生物组织模型的对流‑扩散方程，得出不同扩散持续时间下的磁纳米颗粒浓度分布。本发明对磁纳米颗粒浓度的真实分布进行建模，并预测其随时间变化的扩散情况。

权利要求

1.一种基于有限元方法的磁纳米颗粒浓度分布预测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1:获取磁纳米颗粒分布图像，并预处理；

步骤S2:将预处理后的图像矢量化，并构建生物组织模型；

步骤S3:配置网格类型，设置研究总时长和步长，并采用有限元方法求解生物组织模型的对流‑扩散方程，得出不同扩散持续时间下的磁纳米颗粒浓度分布；

所述步骤S3具体为：

步骤S31：将网格类型设置为自由三角形网格，每个网格单元的最大边长设为预设长度，选择瞬态研究，设置步长及研究总时长；

步骤S32：结合对流‑扩散方程进行有限元求解，获得生物组织模型随扩散持续时间变化的浓度分布预测；

所述对流‑扩散方程为：

式中，下标i表示不同生物组织下的相关物理性质，参数c表示磁纳米颗粒的浓度值，v表示流动速度，D表示磁流体的扩散系数，t表示磁流体的扩散持续时间。

2.根据权利要求1所述的基于有限元方法的磁纳米颗粒浓度分布预测方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：步骤S11:将获取磁纳米颗粒分布图像调整为预设尺寸的图像；

步骤S12:根据预设阈值，对调整大小过后的图片进行二值化处理，获得具有相同黑色像素点个数的二值化图像。

3.根据权利要求1所述的基于有限元方法的磁纳米颗粒浓度分布预测方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：步骤S21：构建包括生物组织和磁纳米颗粒在内的几何模型；

步骤S22：设置生物组织模型的材料参数；设置磁纳米颗粒的初始浓度和扩散系数；并根据实际情况设置边界条件。

说明书

基于有限元方法的磁纳米颗粒浓度分布预测方法

技术领域

[0001] 本发明涉及纳米粒子的建模技术领域，具体涉及一种基于有限元方法的磁纳米颗粒浓度分布预测方法。

背景技术

[0002] 近年来，磁性纳米材料的研究发展迅速，因其具有十分特别的磁学性质，单磁结构，表面易于功能化且矫顽力很高而引起了各国科学家的关注，被广泛的应用于宇航工业、生物医学、电子、光学等各个领域。纳米材料是现代纳米技术的基石，是21世纪最具发展前途的新型材料，也是现代纳米技术在实际应用中基础之一。磁纳米材料研究的进步和发展给传统磁性产业带来了新的跨越式增长的重大机遇和严峻挑战，磁性纳米材料的开发和研究是磁性材料发展的一个必然方向。对于制备出的新型材料特性的研究是磁性纳米材研究料中极其重要的环节，可使用模拟仿真的方式进行。其优点在于研究方法简单便捷、用时短、可模拟各种研究环境、节省人力物力等。

[0003] 当前，对于磁纳米材料随时间的浓度扩散分布情况的研究，通常使用形状规则、分布均匀的磁纳米粒子来构建物理研究模型。然而，在实际应用中，磁纳米材料随时间的浓度扩散分布往往由多种因素决定。这些决定因素包括磁纳米流体的初始分布形状、扩散持续时间、磁纳米颗粒的粒径、磁纳米材料的扩散系数，以及其他属性参数等。因此，构建何种物理研究模型，使用何种仿真模拟方式对磁纳米材料特性的研究具有十分重大的科学意义和应用价值。

发明内容

[0004] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于有限元方法的磁纳米颗粒浓度分布预测方法，能够实现对磁纳米颗粒浓度的真实分布进行建模，并预测其随时间变化的扩散情况。

[0005] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0006] 一种基于有限元方法的磁纳米颗粒浓度分布预测方法，包括以下步骤：

[0007] 步骤S1:获取磁纳米颗粒分布图像，并预处理；

[0008] 步骤S2:将预处理后的图像矢量化，并构建生物组织模型；

[0009] 步骤S3:配置网格类型，设置研究总时长和步长，并采用有限元方法求解生物组织模型的对流‑扩散方程，得出不同扩散持续时间下的磁纳米颗粒浓度分布。

[0010] 进一步的，所述步骤S1具体为：

[0011] 步骤S11:将获取磁纳米颗粒分布图像调整为预设尺寸的图像；

[0012] 步骤S12:根据预设阈值，对调整大小过后的图片进行二值化处理，获得具有相同黑色像素点个数的二值化图像。

[0013] 进一步的，所述步骤S2具体为：

[0014] 步骤S21：构建包括生物组织和磁纳米颗粒在内的几何模型

[0015] 步骤S22：设置生物组织模型的材料参数；设置磁纳米颗粒的初始浓度和扩散系数；并根据实际情况设置边界条件。

[0016] 进一步的，所述步骤S3具体为：

[0017] 步骤S31：将网格类型设置为自由三角形网格，每个网格单元的最大边长为0.05mm，进行网格划分后，完整网格包含46290个域单元和1975个边界元。选择瞬态研究，设置步长及研究总时长；

[0018] 步骤S32：结合对流‑扩散方程进行有限元求解，获得生物组织模型随扩散持续时间变化的浓度分布预测。

[0019] 进一步的，所述对流‑扩散方程为：

[0020]

[0021] 式中，下标i表示不同生物组织下的相关物理性质，参数c表示磁纳米颗粒的浓度值，v表示流动速度，D表示磁流体的扩散系数，t表示磁流体的扩散持续时间。

[0022] 本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

[0023] 本发明对实际情况中，形状不规则的、分布不均匀的磁纳米颗粒进行建模；在磁纳米颗粒的研究中采用了浓度物理场；可实现采用有限元方法，预测磁纳米颗粒随扩散时间变化的浓度分布。

附图说明

[0024] 图1为本发明方法流程示意图；

[0025] 图2为本发明一实施例中预处理后的磁纳米颗粒分布图；

[0026] 图3为本发明一实施例中二维模型；

[0027] 图4为本发明一实施例中磁纳米颗粒浓度分布情况示意图。

具体实施方式

[0028] 下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

[0029] 请参照图1，本发明提供一种基于有限元方法的磁纳米颗粒浓度分布建模和预测方法，具体包括以下步骤：

[0030] 步骤S1：对磁纳米颗粒分布图像进行预处理；

[0031] 步骤S2：将预处理后的图像矢量化，在有限元仿真模拟软件中构建生物组织模型；

[0032] 步骤S3：配置网格类型，设置研究总时长和步长，用有限元方法数值求解对流‑扩散方程，得出不同扩散持续时间下的磁纳米颗粒浓度分布。

[0033] 较佳地，在本实施例中，如图2所示，所述步骤S1具体包括以下步骤：

[0034] 步骤S11：将所使用的彩色图片调整为尺寸更小的彩色图像(225 ×150)，调整之前图像中的彩色像素所占百分比为11％，调整过后的图像彩色像素所占百分比为9.5％，彩色像素信息的损失不超过1.5％，在合理的范围之内。

[0035] 步骤S12：设定适当阈值，对调整大小过后的图片进行二值化处理，获得具有相同黑色像素点个数的二值化图像(1460±0.5％)。将图片中的磁纳米颗粒与生物组织进行分离，以便获得磁纳米颗粒的位置。阈值的选择决定了黑色像素的个数，若一个像素的强度值低于所设定阈值，则该像素被识别为黑色像素，反之则识别为白色像素。为使模型具有可比性，通过设置适当阈值，将每张图片的中的黑色像素调整为相同个数。

[0036] 较佳地，在本实施例中，如图3所示，所述步骤S2具体包括以下步骤：

[0037] 步骤S21：构建包括生物组织和磁纳米颗粒在内的几何模型。假设生物组织为椭圆形的双层结构，内层组织具有不可渗透性。将从处理后得到的图像中的磁纳米颗粒分布，映射到生物组织中，构成二维的几何模型。

[0038] 步骤S22：设置生物组织模型的材料参数；并将磁纳米颗粒的初始浓度设定为3 3 ‑11 2
0.03mol/m ，扩散腔的初始浓度设定为0mol/m ，纳米颗粒的扩散系数设定为1×10 m/s；
根据实际情况为模型设置边界条件。

[0039] 较佳地，在本实施例中，所述步骤S3具体包括以下步骤：

[0040] 步骤S31：将网格类型设置为自由三角形网格，每个网格单元的最大边长为0.05mm，进行网格划分后，完整网格包含46290个域单元和1975个边界元。选择瞬态研究，将步长设置为60min，研究总时长设置为480min。

[0041] 步骤S32：结合对流‑扩散方程进行有限元求解，获得生物组织模型随扩散持续时间变化的浓度分布预测，如图4所示，其中对流‑扩散方程为：

[0042]

[0043] 式中，下标i表示不同生物组织下的相关物理性质，参数c表示磁纳米颗粒的浓度值，v表示流动速度，D表示磁流体的扩散系数，t表示磁流体的扩散持续时间。

[0044] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。