温度反馈控制的磁流体热疗仪设计

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肿瘤部位的温度控制是磁流体热疗中亟待解决的问题。本文以磁纳米温度测量技术为温度检测方法,以磁流体损耗分析为依据,设计了温度反馈控制的磁流体热疗仪,为肿瘤部位温度的控制提供了一种全新的解决方案。具体如下:首先,本文在分析损耗机制的基础上,证实磁纳米粒子的热效应具有尺寸依赖性的结论。本文中使用的磁流体所含磁性颗粒为Fe3O4纳米粒子,其均值粒径为10nm,弛豫产热是该磁流体升温的主要机制。因此,借鉴前人弛豫损耗研究成果,建立了磁流体升温模型,并通过磁流体升温实验验证了模型的正确性。磁纳米粒子热效应的研究为磁流体耗散分析提供了理论依据,不仅有助于了解磁流体温度变化规律,也有助于磁流体热疗装置的设计与热疗所用磁流体的遴选。其次,为精确的测量肿瘤病灶部位的温度,本文研究了三角波激励磁场下的磁纳米粒子温度测量原理,提出以重构方法获取温度反演关键信息——磁纳米粒子磁化强度。在磁化强度傅里叶分析的基础上,构造关于磁化强度与其谐波信息的重构表达式,通过谐波信息测量实现磁纳米粒子磁化强度的复现。数值仿真验证了重构方法的原理可行性,且温度测量精度提高了45倍。在此基础上,论文进一步研究了归一化磁化强度、粒径分布、重构谐波个数对温度测量精度的影响及其作用机制,从而实现了三角波激励磁场下的磁纳米温度测量技术的优化。最后,本文设计了温度反馈控制的磁流体热疗装置,其使用三角波激励下的磁纳米温度测量技术进行温度感知,通过控制磁纳米粒子的弛豫产热量,实现磁流体的温度控制。磁流体控温实验表明,磁流体热疗仪可将磁流体温度控制在315±1.5K范围内,满足肿瘤热疗的要求。
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