微波辐射下细胞悬液温度变化及其控制算法的研究

摘要

微波辐射热效应目前在医学界得到广泛应用。其中包括利用微波热效应体外净化自体外周血干细胞来治疗白血病。微波辐射净化法以安全、使用简便、价格低廉等特点引起人们的广泛研究和应用兴趣。但该方法目前仍存在较高的复发率,主要原因是对微波辐射净化过程中细胞悬液的温度变化和分布规律缺乏比较深入的了解,从而难以采取合理的方法对悬液中的温度进行准确的检测和控制,使得净化率较低。解决这一问题的关键在于准确掌握悬液中的温度变化和分布规律,并对其进行有效控制:温度不够高,肿瘤细胞损死亡率低,而温度过高,正常细细胞和肿瘤细胞一并被杀死,同样达不到治愈效果。为此,本文基于传热模型理论和计算机技术,比较深入地研究了微波辐射下细胞悬液中温度的变化和分布规律,并进一步研究了微波辐射下细胞悬液温度变化的有效控制问题,为微波辐射外周血干细胞体外净化的实验和临床应用提供重要的理论基础,同时也为微波热疗在医学的其他研究和应用提供可参考的研究结果。
　　 本文主要完成以下工作:
　　 首先,基于Maxwell-Wagner等效介质理论,在2450MHz微波辐射红细胞悬液过程中,细胞悬液温度在10-40℃范围内,计算在不同细胞体积分数取值条件下悬液的等效相对介电常数和等效电导率。为后续研究微波辐射下细胞悬液的温度变化规律提供必要的理论基础。
　　 其次,通过建立微波辐射下细胞悬液温度分布的数学模型,并进行相应的数值计算,研究了微波辐射下细胞悬液中的温度值随空间的分布规律。数值模拟计算结果表明:置于矩形波导中的细胞悬液在微波辐射下,其温度值随空间分布极不均匀,且悬液表面温度比内部温度高。
　　 接着进一步研究了细胞体积分数、微波辐射功率、悬液容积、表面对流换热系数对微波辐射下细胞悬液温度值变化和分布的影响。研究结果表明:在微波辐射细胞悬液过程中,可通过实时改变外加微波辐射功率来达到有效控制悬液温度变化,提高净化率的目的。
　　 最后,以传统增量式PID控制算法为基础,设计了改进型增量式PID控制算法。并模拟计算了微波辐射功率在该算法控制下得到的温度分布。研究结果表明:微波辐射功率在改进型增量式PID控制算法的控制下,可以获得预期的温度分布。