本发明涉及一种基于注射策略的磁流体浓度分布预测方法，包括以下步骤：步骤S1：构建生物组织的几何模型；步骤S2：设置参数及边界条件；步骤S3：模拟模型内部的流体的流动及其间质压力分布;步骤S4：模拟扩散前流体在生物组织内部的空间分布;步骤S5：使用速度‑浓度场的耦合分析，预测扩散后的流体在模型组织间质内的浓度分布。本发明提出了三种优化注射策略，最终能够预测流体扩散后的浓度分布，以提高磁热疗中处于目标温度范围内的有效面积，改善目标组织的消融效果。
1.一种基于注射策略的磁流体浓度分布预测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1:首先构建生物组织的几何模型，该模型为轴对称模型，包括第一组织区域r＝R1和第二组织区域r＝R2,R1＜R2，并由一个空心圆柱体垂直穿过第二组织区域，直达第一组织区域中心，该空心圆柱体用于模拟注射器，底部为圆锥形，流体从圆柱体顶部流入；
步骤S3：使用达西定律，模拟在三种不同注射策略下的生物组织模型内部的流体速度n
及其间质压力分布Pi ，其中，n取值为1、2、3分别代表三种注射策略，i取值为1、2分别代表第一组织区域和第二组织区域；
步骤S4：根据步骤S3中获得的在三种不同注射策略下的生物组织模型内部的流体速度
和 以及压力分布Pi 、Pi和Pi ，分别使用Brinkman方程近似其注射过程中，流体在生物组织内部的空间分布；
步骤S5：使用速度‑浓度场的耦合分析，将步骤S3中解得的流体速度作为输入，分别代入对流‑扩散方程中预测扩散期间流体在模型组织间质内的三种浓度分布；
所述步骤S2具体包括以下步骤：步骤S21：采用磁纳米流体及其基本属性作为研究所使用的流体材料和参数；
步骤S22：设置方案注入流体的总剂量及流体的初始浓度；
步骤S23：在浓度场的研究中，应满足以下边界条件：第二组织区域的外边界r＝R2满足条件C2＝0；
步骤S3中所述的注射策略包括采用连续匀速注射策略即连续型、采用正弦波型的连续变速注射策略即正弦波型和采用矩形波型的间断匀速注射策略即矩形波型；在这三种注射策略的基础上，使用达西定律分别对流体的流动进行模拟。
2.根据权利要求1所述的基于注射策略的磁流体浓度分布预测方法，其特征在于，所述达西定律为：
其中，εi是组织的孔隙率，i＝1表示第一组织区域，i＝2表示第二组织区域；其中Pi 是间隙流动压力， 是间隙流速，Ki是渗透系数，μi是间隙黏度；
第一组织区域和第二组织区域内部组织压力的拉普拉斯算子为：
3.根据权利要求2所述的基于注射策略的磁流体浓度分布预测方法，其特征在于，步骤S4中，所述Brinkman方程为：n
其中，εi是组织的孔隙率，μf是磁流体的浓度，Qbr是多孔组织中的质量沉积物；Pi 和分别是在注射期间内的生物组织内部的压力和间隙流速；纳米流体的连续性方程由与Qbr有关的方程表示；
4.根据权利要求3所述的基于注射策略的磁流体浓度分布预测方法，其特征在于，步骤S5，所述对流‑扩散方程为：其中， 表示在扩散过程中组织内部的磁性流体溶液中溶质的浓度分布， 表示扩散过程中流体的流速，通过求解方程(3)和方程(7)获得；
组织中磁性流体的有效扩散系数Deff是通过使用纤维矩阵模型获得的；
5.根据权利要求1所述的基于注射策略的磁流体浓度分布预测方法，其特征在于，在步骤5中所述将步骤S3中解得的流体速度作为输入，代入对流‑扩散方程中预测生物组织模型的浓度分布过程中采用的求解方法为有限元方法。
基于注射策略的磁流体浓度分布预测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及纳米粒子的建模技术领域，具体涉及一种基于注射策略的磁流体浓度分布预测方法。
背景技术
[0002] 磁流体热疗是将磁性纳米粒子作为加热源，在外部交变磁场的作用下实现局部加热，使具有高温敏感性的目标组织消融的加热技术。由于它产生的副作用小且对无关组织
具有低侵袭性，与其他方式相比，消融效果有了明显的改进，因此被认为是一种极具潜力的
加热方法。研究表明当温度处在42℃到46℃之间时，目标组织由于其对高温的敏感而遭到
破坏，但无关组织不受影响的可能性更大。
[0003] 关于磁热疗的研究涉及多个领域，由于其优良的消融效果受到研究人员的广泛关注，但对于真正投入使用还需克服许多阻碍。在磁热疗过程中所需要消融的目标组织的属
性是生物固有的，无法改变。此外考虑到生物相容排斥等因素，用于注射的溶液的性质在使
用前也被确定不能随意改变。因此研究人员通常致力于模型的精准模拟，以改善消融效果。
实际上采用不同的注射策略对纳米粒子在目标组织内的空间分布及消融效果也有着显著
的影响。注射速率是注射策略中除针头直径外唯一能对纳米流体分布产生影响的因素。然
而大部分研究都只考虑了连续匀速注射的方式，通过调整注射速率来改善磁纳米粒子的空
间分布。因此本发明克服了现有技术中的不足，结合纳米粒子流动模型、组织内的压力分布
和浓度扩散机制，提出了三种优化注射策略，以应用于磁热疗的准备方案中，预测生物组织
内磁流体的浓度分布。
发明内容
[0004] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于注射策略的磁流体浓度分布预测方法，提供了一种优化的注射策略，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] 一种基于注射策略的磁流体浓度分布预测方法，包括以下步骤：
[0007] 步骤S1:首先构建生物组织的几何模型，该模型为轴对称模型，包括第一组织区域r＝R1和第二组织区域r＝R2,R1＜R2这两个区域，并由一个空心圆柱体垂直穿过第二组织区
域，直达第一组织区域中心，该空心圆柱体用于模拟注射器，底部为圆锥形，流体从圆柱体
顶部流入；
[0008] 步骤S2：根据几何模型设置参数及边界条件；
[0009] 步骤S3：使用达西定律，模拟在三种不同注射策略下的生物组织模型内部的流体n
流速 及其间质压力分布Pi ，其中，n取值为1、2、3分别代表三种注射策略，i取值为1、2分
别代表第一组织区域和第二组织区域；
[0010] 步骤S4：根据步骤S3中获得的在三种不同注射策略下的生物组织模型内部的流体1 2 3
流速 和 以及压力分布Pi、Pi 和Pi，分别使用Brinkman方程近似其注射过程中，流
体在生物组织内部的空间分布；
[0011] 步骤S5：使用速度‑浓度场的耦合分析，将步骤S3中解得的流体速度作为输入，分别代入对流‑扩散方程中预测扩散期间流体在模型组织间质内的三种浓度分布。
[0012] 进一步地，所述步骤S2具体包括以下步骤：
[0013] 步骤S21：采用磁纳米流体及其基本属性作为研究所使用的流体材料和参数；
[0014] 步骤S22：设置方案注入流体的总剂量及流体的初始浓度；
[0015] 步骤S23：在浓度场的研究中，应满足以下边界条件：
[0016] 第二组织区域的外边界r＝R2满足条件C2＝0；
[0017] 组织的内表面满足Newman边界条件；
[0018] C1(r＝R1)＝C2(r＝R1)， (1)
[0019]
[0020] 进一步地，步骤S3中所述的注射策略包括采用连续匀速注射策略即连续型、采用正弦波型的连续变速注射策略即正弦波型和采用矩形波型的间断匀速注射策略即矩形波
型；在这三种注射策略的基础上，使用达西定律对流体的流动进行模拟。
[0021] 进一步地，所述达西定律为：
[0022]
[0023] 其中，i＝1表示第一组织区域，i＝2表示第二组织区域；其中Pin是间隙流动压力，是间隙流速，Ki是渗透系数，μi是间隙黏度；
[0024] 第一组织区域和第二组织区域内部组织压力的拉普拉斯算子为：
[0025]
[0026] 进一步地，步骤S4中，所述Brinkman方程为：
[0027]
[0028] 其中，εi是组织的孔隙率，μf是磁流体的浓度，Qbr是多孔组织中的质量沉积物；Pin和 分别是在注射期间内的生物组织内部的压力和纳米流体的流速；纳米流体的连续性方
程由与Qbr有关的方程表示。
[0029]
[0030] 进一步地，步骤S5，所述对流‑扩散方程为：
[0031]
[0032] 其中， n＝1,2,3；i＝1,2表示在扩散过程中组织内部的磁性流体溶液中溶质的浓度分布， n＝1,2,3；i＝1,2表示扩散过程中流体的流速，通过求解方程(3)和方程
(7)可获得；值得一提的是，组织中磁性流体的有效扩散系数Deff是通过使用纤维矩阵模型
获得的；
[0033]
[0034] 进一步地，在步骤5中所述将步骤3中计算获得的磁流体的流速作为输入，分别代入对流‑扩散方程中预测生物组织模型的浓度分布过程中采用的求解方法为有限元方法。
[0035] 本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
[0036] 本发明在磁流体的分析中，提出了三种优化的注射策略；使用了速度‑浓度物理场的耦合分析；可实现采用有限元方法，预测使用优化策略注射后的磁流体进行持续扩散后
在组织中的浓度分布。
附图说明
[0037] 图1为本发明方法流程示意图；
[0038] 图2为本发明一实施例中三种优化注射策略的示意图；
[0039] 图3为本发明一实施例中连续型注射策略的磁流体浓度分布情况示意图；
[0040] 图4为本发明一实施例中正弦波型注射策略的磁流体浓度分布情况示意图；
[0041] 图5为本发明一实施例中矩形波型注射策略的磁流体浓度分布情况示意图。
具体实施方式
[0042] 下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
[0043] 如图1所示，本实施例提供一种基于注射策略的磁流体浓度分布预测方法，包括以下步骤：
[0044] 步骤S1:首先构建生物组织的几何模型，该模型为轴对称模型，包括第一组织区域r＝R1和第二组织区域r＝R2,R1＜R2这两个区域，并由一个空心圆柱体垂直穿过第二组织区
域，直达第一组织区域中心，该空心圆柱体用于模拟注射器，底部为圆锥形，流体从圆柱体
顶部流入；
[0045] 步骤S2：根据几何模型设置参数及边界条件；
[0046] 步骤S3：使用达西定律，模拟在三种不同注射策略下的生物组织模型内部的流体n
流速 及其间质压力分布Pi ，其中，n取值为1、2、3分别代表三种注射策略，i取值为1、2分别
代表第一组织区域和第二组织区域；
[0047] 步骤S4：根据步骤S3中获得的在三种不同注射策略下的生物组织模型内部的流体1 2 3
流速 和 以及压力分布Pi 、Pi和Pi ，分别使用Brinkman方程近似其注射过程中，流
体在生物组织内部的空间分布；
[0048] 步骤S5：使用速度‑浓度场的耦合分析，将步骤S3中的解得的流体速度作为输入，分别代入对流‑扩散方程中预测扩散期间流体在模型组织间质内的三种浓度分布。
[0049] 较佳地，在本实施例中，所述步骤S2具体为：
[0050] 步骤S21：采用磁纳米流体及其基本属性作为研究所使用的流体材料和参数。
[0051] 步骤S22：将方案注入流体的总剂量设置为0.15ml，流体的初始浓度设置为1mol/3
m。
[0052] 步骤S23：在浓度场的研究中，应满足以下边界条件：
[0053] Ⅰ：第二组织区域的外边界(r＝R2)满足条件C2＝0。
[0054] Ⅱ：组织的内表面满足Newman边界条件。
[0055] C1(r＝R1)＝C2(r＝R1)， (1)
[0056]
[0057] 较佳地，在本实施例中，如图2所示，步骤S3中所提优化注射策略共有三种，并规定‑5
v＝5×10 m/s为基准输入速度。其一是采用连续匀速注射策略(称为连续型)，注射时间为
110min，注射速度为基准速度v。其二是采用正弦波型的连续变速注射策略(称为正弦波
型)。该策略的注射时间为220min，扩散时间为20h。其三是采用矩形波型的间断匀速注射策
略(称为矩形波型)。该注射策略共有4个周期，一个周期为330min，每个周期内注射时间被
设置为30min，持续扩散时间为300min。正弦波型的连续变速注射策略和矩形波型的间断匀
速注射策略的注射的最大速度被设置为基准速度v。在这三种注射策略的基础上，分别使用
达西定律对流体的流动进行模拟。
[0058] 较佳地，在本实施例中，所述步骤S3中使用达西定律为：
[0059]
[0060] 其中，i＝1表示第一组织区域，i＝2表示第二组织区域。其中Pin是间隙流动压力，是间隙流速，Ki是渗透系数，μi是间隙黏度。
[0061] 第一组织区域和第二组织区域内部组织压力的拉普拉斯算子为：
[0062]
[0063] 较佳地，在本实例中，所述步骤S4中使用的Brinkman方程为：
[0064]
[0065] 其中，εi是组织的孔隙率，μf是磁流体的浓度，Qbr是多孔组织中的质量沉积物。Pin和 分别是在注射期间内的生物组织内部的压力和纳米流体的流速。纳米流体的连续性方
程可由与Qbr有关的方程表示。
[0066]
[0067] 较佳地，在本实例中，所述步骤S5中预测扩散过程中的磁流体浓度分布所使用的对流‑扩散方程为：
[0068]
[0069] 其中 n＝1,2,3；i＝1,2表示在扩散过程中组织内部的磁性流体溶液中溶质的浓度， n＝1,2,3；i＝1,2表示扩散过程中流体的流速，通过求解方程(3)和方程(7)可获
得。值得一提的是，组织中磁性流体的有效扩散系数Deff是通过使用纤维矩阵模型获得的。
[0070]
[0071] 较佳地，在本实例中，所述步骤S5，将步骤S3中计算获得的磁流体的流速作为输入，分别代入对流‑扩散方程中预测生物组织模型的浓度分布过程中采用的求解方法为有
限元方法。
[0072] 较佳的，本实例通过上述步骤可实现基于注射策略的磁流体浓度分布预测。在图3中展示了本发明一实施例中连续型注射策略的磁流体浓度分布情况，在图4中展示了本发
明一实施例中正弦波型注射策略的磁流体浓度分布情况，在图5中展示了本发明一实施例
中矩形波型注射策略的磁流体浓度分布情况。通过该结果可以看出在矩形波型注射方式
下，第一组织区域中心的磁纳米流体浓度显著高于其他两种注射方式。但在连续型和正弦
波型注射方式下，第一组织区域内磁纳米流体的覆盖区域面积比采用矩形波型注射方式的
大。
[0073] 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。
