本發(fā)明屬于多物理場(chǎng)耦合計(jì)算領(lǐng)域，涉及一種基于matlab的磁電耦合在生物體內(nèi)產(chǎn)生多種物理刺激的計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

1、磁刺激、電刺激和力學(xué)刺激是常用的物理治療方法，用于促進(jìn)骨骼恢復(fù)和治療骨折和骨質(zhì)疏松等骨科疾病。磁刺激通過(guò)磁場(chǎng)影響骨骼細(xì)胞的增殖和分化，加速骨折愈合；而電刺激則通過(guò)電流刺激細(xì)胞活動(dòng)和血液循環(huán)，促進(jìn)骨骼組織的生長(zhǎng)和修復(fù)。力學(xué)刺激對(duì)于骨骼疾病的治療非常重要，骨骼是活體組織，通過(guò)受力而得以維持和增強(qiáng)其結(jié)構(gòu)和功能。研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)?shù)牧W(xué)刺激可以促進(jìn)骨骼生長(zhǎng)、增加骨密度、改善骨質(zhì)疏松癥狀，并幫助康復(fù)治療。在骨折手術(shù)后，通過(guò)物理療法和康復(fù)訓(xùn)練施加適當(dāng)?shù)牧W(xué)刺激，可以幫助加速骨骼愈合。

2、常見(jiàn)的物理治療多為單一物理源的刺激，包括磁刺激和電刺激；常見(jiàn)的力學(xué)刺激的方式主要是體外的整體刺激，包括運(yùn)動(dòng)、按摩、牽引和振動(dòng)等。多物理場(chǎng)耦合可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)產(chǎn)生多種物理刺激，包括耦合產(chǎn)生的力學(xué)刺激直接作用到體內(nèi)的每一個(gè)骨骼細(xì)胞上，將得到更好的刺激反饋，磁電耦合后，帶電粒子在骨骼細(xì)胞層面運(yùn)動(dòng)，在外加磁場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生了新的洛倫茲力，實(shí)現(xiàn)了將力學(xué)刺激送到每一個(gè)骨骼細(xì)胞的目標(biāo)。然而，關(guān)于磁電耦合產(chǎn)生力學(xué)刺激的理論計(jì)算和仿真難度較高，并沒(méi)有具體的計(jì)算方法來(lái)指導(dǎo)裝置設(shè)計(jì)和生物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)研究，本發(fā)明創(chuàng)新的提出了一種基于matlab的磁電耦合在生物體內(nèi)產(chǎn)生多種物理刺激的計(jì)算方法，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，準(zhǔn)確度較高，可以求得磁電耦合后在生物體內(nèi)產(chǎn)生的洛倫茲力的數(shù)值，既為磁電耦合的物理治療裝置的設(shè)計(jì)和制造提供優(yōu)化指導(dǎo)，也為生物體內(nèi)的力學(xué)刺激研究提供理論計(jì)算的支持。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、要解決的技術(shù)問(wèn)題

2、為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種基于matlab的磁電耦合在生物體內(nèi)產(chǎn)生多種物理刺激的計(jì)算方法。

3、技術(shù)方案

4、一種基于matlab的磁電耦合在生物體內(nèi)產(chǎn)生多種物理刺激的計(jì)算方法，其特征在于步驟如下：

5、步驟1：按照磁電耦合刺激中靜磁場(chǎng)刺激的需求，確定永磁體的物理參數(shù)，采用cst軟件模擬永磁體磁路在生物體目標(biāo)區(qū)域產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布、磁感應(yīng)強(qiáng)度梯度和磁場(chǎng)方向，并將計(jì)算區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度的空間分布按照固定步長(zhǎng)輸出，記為輸出文件1；

6、所述永磁體的物理參數(shù)包括永磁體的材料和磁路模型；

7、步驟2：按照磁電耦合刺激中電磁場(chǎng)刺激的需求，確定負(fù)載線(xiàn)圈的物理參數(shù)，使用sim4life軟件模擬負(fù)載線(xiàn)圈通電產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布及在生物體目標(biāo)區(qū)域產(chǎn)生的電場(chǎng)分布和電流密度分布，將計(jì)算區(qū)域的電流密度空間分布按照固定步長(zhǎng)輸出，記為輸出文件2；

8、所述負(fù)載線(xiàn)圈的物理參數(shù)包括線(xiàn)圈自身的材料和線(xiàn)圈排布方式；同時(shí)還包括線(xiàn)圈輸入?yún)?shù)：電磁波的波形，占空比，頻率；

9、步驟3：使用matlab軟件進(jìn)行磁電耦合，導(dǎo)入cst軟件模擬輸出文件1和sim4life軟件模擬輸出文件2，采用matlab軟件分別構(gòu)建磁感應(yīng)強(qiáng)度場(chǎng)和電流密度場(chǎng)的三維矩陣，根據(jù)合力計(jì)算公式求解兩個(gè)三維矩陣，計(jì)算得到目標(biāo)區(qū)域的平均力密度和單位體積的合力體密度，并將求解數(shù)值可視化。

10、根據(jù)生物體內(nèi)目標(biāo)區(qū)域所需的磁刺激、電刺激和力學(xué)刺激的數(shù)值，優(yōu)化得到永磁體材料和永磁體磁路模型以及負(fù)載線(xiàn)圈的材料、排布方式和輸入?yún)?shù)；所述優(yōu)選條件為：生物體內(nèi)所需磁刺激的磁感應(yīng)強(qiáng)度需大于1mt，電刺激的電流密度數(shù)值大于1x10-6a/m2，力學(xué)刺激數(shù)值在(1-100)達(dá)因，所求得的磁刺激、電刺激和力學(xué)刺激數(shù)值滿(mǎn)足以上的要求時(shí)，該磁電耦合的永磁體陣列和線(xiàn)圈排布是優(yōu)選的。

11、所述永磁體磁路產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向要滿(mǎn)足磁力線(xiàn)與生物體目標(biāo)區(qū)域垂直，目標(biāo)作用區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度大于1mt，且磁場(chǎng)均勻度較好、永磁體總體質(zhì)量輕；所述磁路模型包括halbach型磁路、平板陣列型磁路、火山型磁路、“c”型磁路以及“h”型磁路。

12、所述cst軟件模擬永磁體磁路步驟如下：

13、啟動(dòng)靜磁場(chǎng)求解模塊，根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸建立永磁體磁路幾何模型，建立求解域；

14、指定幾何模型的材料屬性，并設(shè)置仿真計(jì)算的邊界條件；

15、對(duì)磁路幾何模型和求解域劃分網(wǎng)格；

16、根據(jù)目標(biāo)計(jì)算區(qū)域的大小，劃定輸出的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布空間和輸出固定步長(zhǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度梯度的文本數(shù)據(jù)；

17、根據(jù)磁場(chǎng)力公式求得靜磁力：

18、

19、式中：m是生物體的重量，χ為生物體的磁化率。

20、所述的cst軟件模擬中參數(shù)的優(yōu)選設(shè)置：

21、求解域設(shè)置為磁路幾何模型最大半徑尺寸的倍數(shù)，邊界條件選擇氣球邊界條件，模擬永磁體在自然環(huán)境下的磁場(chǎng)分布；

22、選擇永磁體的材料，設(shè)置相對(duì)磁導(dǎo)率μ，磁矯頑力hc，剩磁br，其余求解區(qū)域?yàn)檎婵眨?/p>

23、網(wǎng)格使用經(jīng)典網(wǎng)格劃分模型，網(wǎng)格長(zhǎng)度；求解器中求解精度，允許誤差；

24、磁感應(yīng)強(qiáng)度分布輸出為空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)，分別輸出x坐標(biāo)、y坐標(biāo)、z坐標(biāo)以及三個(gè)坐標(biāo)方向?qū)?yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的矢量分量，設(shè)定步長(zhǎng)，格式選擇文本文檔。

25、所述負(fù)載線(xiàn)圈要求線(xiàn)圈通電后在生物體內(nèi)產(chǎn)生的電場(chǎng)分布情況和磁場(chǎng)分布情況，優(yōu)選電磁場(chǎng)穿透深度大，分布均勻的線(xiàn)圈排布；線(xiàn)圈的排布方式有螺線(xiàn)管形狀、蚊香形狀、跑道形狀、8字形狀、四葉形狀或slinky形狀。

26、所述的sim4life軟件模擬步驟為：

27、導(dǎo)入所需要模擬的生物體模型，剪切不需要的模型部位；

28、按照計(jì)算目標(biāo)區(qū)域位置繪制線(xiàn)圈；

29、建立磁準(zhǔn)靜態(tài)求解器，設(shè)置線(xiàn)圈中輸入的電流頻率、電流大小和電流方向；

30、分別對(duì)線(xiàn)圈和生物體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，可設(shè)置不同的網(wǎng)格精度；

31、建立體素模型，檢查網(wǎng)格劃分是否真確；

32、根據(jù)目標(biāo)計(jì)算區(qū)域的大小，劃定輸出到matlab的感應(yīng)電流密度分布空間，輸出固定步長(zhǎng)的電流密度matlab數(shù)據(jù)；

33、計(jì)算電流密度：j＝πσrbf，式中：σ為導(dǎo)體的電導(dǎo)率，r為導(dǎo)體的半徑，b為線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度，f為電流的頻率。

34、所述的sim4life軟件模擬中參數(shù)的優(yōu)選設(shè)置為：

35、選擇電流的形式，設(shè)置頻率、電流大小、電流方向；

36、網(wǎng)格使用經(jīng)典網(wǎng)格劃分模型，設(shè)置生物體網(wǎng)格精度，線(xiàn)圈網(wǎng)格精度；求解器中求解精度，允許誤差；

37、電流密度分布輸出為空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)，分別輸出x坐標(biāo)、y坐標(biāo)、z坐標(biāo)以及該空間坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的電流密度的矢量，設(shè)定步長(zhǎng)，格式選擇matlab文檔。

38、所述matlab軟件磁電耦合的步驟：

39、導(dǎo)入cst的輸出文件1和sim4life的輸出文件2；

40、在matlab中構(gòu)建靜磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布三維矩陣；

41、在matlab中構(gòu)建電流密度分布三維矩陣；

42、對(duì)比兩組三維矩陣數(shù)據(jù)，消除數(shù)據(jù)差異，使得電流密度與磁感應(yīng)強(qiáng)度一一對(duì)應(yīng)；

43、根據(jù)洛倫茲力求解公式f＝j(luò)×b分別對(duì)兩個(gè)三維矩陣交叉相乘，得到x坐標(biāo)、y坐標(biāo)和z坐標(biāo)方向的分力，然后通過(guò)矢量相加求得平均力密度；

44、對(duì)x坐標(biāo)、y坐標(biāo)和z坐標(biāo)方向的力分別求和，矢量相加得到合體力密度；

45、求得每一個(gè)體積微元的合力，并將合力可視化。

46、所述matlab軟件磁電耦合合體計(jì)算，將空間磁感應(yīng)強(qiáng)度分布與空間電流密度分布耦合計(jì)算以反映洛倫茲力的空間分布，計(jì)算過(guò)程如下：

47、重構(gòu)磁感應(yīng)強(qiáng)度的矩陣；

48、重構(gòu)電流密度的矩陣；

49、x方向的某點(diǎn)的力根據(jù)叉乘公式求解：fx＝j(luò)y*bz-jz*by；

50、y方向的某點(diǎn)的力根據(jù)叉乘公式求解：fy＝j(luò)z*bx-jx*bz；

51、z方向的某點(diǎn)的力根據(jù)叉乘公式求解：fz＝j(luò)x*by-jy*bx；

52、某一點(diǎn)的平均力：

53、分別求得x、y、z方向的合力：

54、sumfx＝sum(sum(sum(fx)))；

55、sumfy＝sum(sum(sum(fy)))；

56、sumfz＝sum(sum(sum(fz)))；

57、求得某點(diǎn)總的合力：

58、

59、單位體積的合力值：

60、fv＝fa*v3。

61、有益效果

62、本發(fā)明提出的一種基于matlab的磁電耦合在生物體內(nèi)產(chǎn)生多種物理刺激的計(jì)算方法，包括磁刺激、電刺激和力學(xué)刺激，計(jì)算方法如下：(1)使用cst軟件模擬永磁體陣列的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布和磁場(chǎng)方向，將計(jì)算區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度的空間分布按照固定步長(zhǎng)輸出，記為輸出文件1；(2)使用sim4life軟件模擬負(fù)載線(xiàn)圈通電后在生物體內(nèi)產(chǎn)生的電場(chǎng)分布和電流密度分布，輸出計(jì)算區(qū)域的電流密度分布，記為輸出文件2；(3)使用matlab軟件磁電耦合，在matlab導(dǎo)入輸出文件1和輸出文件2，并分別構(gòu)建磁感應(yīng)強(qiáng)度場(chǎng)和電流密度場(chǎng)的三維矩陣，根據(jù)合力計(jì)算公式叉乘求解，計(jì)算得到目標(biāo)區(qū)域的平均力密度和單位體積的合力體密度，并將求解數(shù)值可視化。(4)根據(jù)生物體內(nèi)所需的磁刺激、電刺激和力學(xué)刺激的數(shù)值，優(yōu)化得到合理的永磁體陣列和負(fù)載線(xiàn)圈排布。

63、本發(fā)明基于matlab的磁電耦合在生物體內(nèi)產(chǎn)生多種物理刺激的計(jì)算方法準(zhǔn)確、系統(tǒng)，可以求得磁電耦合后在生物體內(nèi)產(chǎn)生的磁刺激、電刺激和力學(xué)刺激的數(shù)值，既為磁電耦合的物理治療裝置的設(shè)計(jì)和制造提供優(yōu)化指導(dǎo)，也為生物體內(nèi)的多種物理刺激研究提供理論計(jì)算的支持。

64、本發(fā)明經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，準(zhǔn)確度較高，可以求得磁電耦合后在生物體內(nèi)產(chǎn)生的洛倫茲力的數(shù)值，既為磁電耦合的物理治療裝置的設(shè)計(jì)和制造提供優(yōu)化指導(dǎo)，也為生物體內(nèi)的力學(xué)刺激研究提供理論計(jì)算的支持。