多场耦合作用下磁微粒在肿瘤组织中的弥散和热效应

肿瘤磁流体热疗具有靶向适形、加热高效均匀、低毒及疗效显著等突出优点，是当今国际肿瘤热疗研究的前沿热点，极具发展潜力和应用前景。目前磁流体热疗中生物医学与热物理交叉领域的研究非常缺乏，导致疗效远未达到理论预期效果。本项目针对磁流体热疗中的关键热物理问题，对多物理场耦合作用下、各向异性肿瘤组织中的能质传递过程进行研究。采用理论与离体组织及动物实验相结合的研究方法，探究磁场、压力场、温度场、浓度场之间的耦合作用机制，揭示肿瘤组织中磁流体渗流和磁微粒弥散机制，探悉磁微粒在靶区组织的产热规律及靶区组织的温度演变特性，建立肿瘤组织中磁微粒弥散、靶区组织温度分布的数理描述，明晰影响靶向、适形、均匀加热的关键因素及其作用机理，以实现对热疗过程和加热效果的准确控制。本项目研究成果可为肿瘤磁流体热疗及相关研究的发展开拓新的研究途径、奠定理论基础，并丰富生物热物理的基础理论。

肿瘤磁流体热疗具有靶向适形、加热高效均匀、低毒及疗效显著等突出优点，是当今肿瘤热疗研究的前沿热点。磁流体热疗中蕴含大量热科学问题亟待解决，目前普遍存在着热物理机制模糊、实验缺乏理论依据等问题，导致疗效远未达到预期效果。围绕磁流体热疗中关键热物理问题，开展肿瘤组织中物质和能量传递的基础研究，具有重要的理论研究意义和实用背景。磁流体热疗中存在着多物理场的耦合作用，使得磁微粒弥散和温度场演变的能质传递过程十分复杂。明确多物理场间的耦合机制及其对靶区组织内磁流体分布和温度场分布的影响规律，是成功实现磁流体热疗的关键问题。. 本项目从肿瘤组织内磁微粒弥散和热量传递机理出发，采用理论与离体组织及动物实验相结合的研究方法，对多物理场耦合作用下肿瘤组织中的能质传递过程进行了研究。(1) 采用先解耦后耦合的方法，解析并明确了外加磁场、磁流体浓度场、组织间质压力场、肿瘤组织温度场中单物理场的作用规律、双物理场以及多物理场之间的相互影响与耦合机制。(2) 建立了多驱动力耦合作用下磁微粒弥散和靶区组织温度变化的数理模型，进行了单物理场、温度场和浓度场、外加磁场和温度场、外加磁场和浓度场、外加磁场与温度场和浓度场的耦合求解和耦合作用的探讨。重点分析了磁流体特性、生物组织热特性及热疗操作参数等的影响规律。(3) 从孔隙角度出发，分析磁流体热疗过程中肿瘤组织中磁微粒的弥散机制，采用理论推导和Monte-Carlo方法，完成了对生物组织中磁流体扩散系数的解析推导和数值模拟研究，并完成了等效热导率的理论表达式推导。分析了生物组织结构、磁流体特性等因素对有效热导率和有效扩散系数的影响规律。进行了离体生物组织热导率随温度变化以及各向异性的实验研究。(4) 对磁流体在生物组织中的弥散现象开展了实验观测研究，采用等离子体原子发射光谱法、CT和MRI成像技术，观测了磁微粒在离体动物组织中的弥散现象，探索了磁微粒在生物离体组织中弥散和测量等效扩散系数的实验测试方法。(5) 基于磁流体热疗中组织温度演变规律和影响因素，采用粒子群智能优化算法，针对不规则肿瘤的优选加热方案，进行了多目标多参数优化研究，以达到靶向、适形、均匀加热的目的，从而实现对热疗过程和加热效果的准确控制。. 本项目的研究成果可为肿瘤磁流体热疗及相关研究的发展开拓新的研究途径、奠定理论基础，并丰富生物热物理的基础理论