《多場耦合作用下磁微粒在腫瘤組織中的彌散和熱效應》是依託北京科技大學，由樂愷擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：多場耦合作用下磁微粒在腫瘤組織中的彌散和熱效應
- 依託單位：北京科技大學
- 項目負責人：樂愷
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
腫瘤磁流體熱療具有靶向適形、加熱高效均勻、低毒及療效顯著等突出優點，是當今國際腫瘤熱療研究的前沿熱點，極具發展潛力和套用前景。目前磁流體熱療中生物醫學與熱物理交叉領域的研究非常缺乏，導致療效遠未達到理論預期效果。本項目針對磁流體熱療中的關鍵熱物理問題，對多物理場耦合作用下、各向異性腫瘤組織中的能質傳遞過程進行研究。採用理論與離體組織及動物實驗相結合的研究方法，探究磁場、壓力場、溫度場、濃度場之間的耦合作用機制，揭示腫瘤組織中磁流體滲流和磁微粒彌散機制，探悉磁微粒在靶區組織的產熱規律及靶區組織的溫度演變特性，建立腫瘤組織中磁微粒彌散、靶區組織溫度分布的數理描述，明晰影響靶向、適形、均勻加熱的關鍵因素及其作用機理，以實現對熱療過程和加熱效果的準確控制。本項目研究成果可為腫瘤磁流體熱療及相關研究的發展開拓新的研究途徑、奠定理論基礎，並豐富生物熱物理的基礎理論。
結題摘要
腫瘤磁流體熱療具有靶向適形、加熱高效均勻、低毒及療效顯著等突出優點，是當今腫瘤熱療研究的前沿熱點。磁流體熱療中蘊含大量熱科學問題亟待解決，目前普遍存在著熱物理機制模糊、實驗缺乏理論依據等問題，導致療效遠未達到預期效果。圍繞磁流體熱療中關鍵熱物理問題，開展腫瘤組織中物質和能量傳遞的基礎研究，具有重要的理論研究意義和實用背景。磁流體熱療中存在著多物理場的耦合作用，使得磁微粒彌散和溫度場演變的能質傳遞過程十分複雜。明確多物理場間的耦合機制及其對靶區組織內磁流體分布和溫度場分布的影響規律，是成功實現磁流體熱療的關鍵問題。 本項目從腫瘤組織內磁微粒彌散和熱量傳遞機理出發，採用理論與離體組織及動物實驗相結合的研究方法，對多物理場耦合作用下腫瘤組織中的能質傳遞過程進行了研究。(1) 採用先解耦後耦合的方法，解析並明確了外加磁場、磁流體濃度場、組織間質壓力場、腫瘤組織溫度場中單物理場的作用規律、雙物理場以及多物理場之間的相互影響與耦合機制。(2) 建立了多驅動力耦合作用下磁微粒彌散和靶區組織溫度變化的數理模型，進行了單物理場、溫度場和濃度場、外加磁場和溫度場、外加磁場和濃度場、外加磁場與溫度場和濃度場的耦合求解和耦合作用的探討。重點分析了磁流體特性、生物組織熱特性及熱療操作參數等的影響規律。(3) 從孔隙角度出發，分析磁流體熱療過程中腫瘤組織中磁微粒的彌散機制，採用理論推導和Monte-Carlo方法，完成了對生物組織中磁流體擴散係數的解析推導和數值模擬研究，並完成了等效熱導率的理論表達式推導。分析了生物組織結構、磁流體特性等因素對有效熱導率和有效擴散係數的影響規律。進行了離體生物組織熱導率隨溫度變化以及各向異性的實驗研究。(4) 對磁流體在生物組織中的彌散現象開展了實驗觀測研究，採用電漿原子發射光譜法、CT和MRI成像技術，觀測了磁微粒在離體動物組織中的彌散現象，探索了磁微粒在生物離體組織中彌散和測量等效擴散係數的實驗測試方法。(5) 基於磁流體熱療中組織溫度演變規律和影響因素，採用粒子群智慧型最佳化算法，針對不規則腫瘤的優選加熱方案，進行了多目標多參數最佳化研究，以達到靶向、適形、均勻加熱的目的，從而實現對熱療過程和加熱效果的準確控制。 本項目的研究成果可為腫瘤磁流體熱療及相關研究的發展開拓新的研究途徑、奠定理論基礎，並豐富生物熱物理的基礎理論
