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等离子体放电对生物组织消融的系统建模与优化控制

苗彩娟  
【摘要】:低温等离子体技术的应用领域非常的广泛,如微电子工业应用、三废处理、材料制备与材料的表面改性以及生物医疗等领域。目前对于应用于医学领域的低温等离子体放电对生物组织消融的产生机理以及放电系统建模的研究相对比较匮乏。低温等离子体消融术是近年来应用于临床的一种新型技术,对其进行深入的研究具有重大的理论价值和实际应用价值。 为实现在生理盐水中稳定放电,首先设计制作产生特定频率和电压幅值的高频高压电源。进而利用所研制的等离子体电源对生理盐水中的针-板型电极进行放电实验的研究。 利用Comsol Multiphyscis多物理场仿真软件对生理盐水中放电产生的等离子体的物理特性进行温度场和电场的耦合仿真分析。分析研究低温等离子体在生理盐水中的形成过程,进而获得蒸汽层形成时期的低温等离子体的物理特性,包括放电阶段的电场和温度场的演变过程,进而判定系统稳定性和安全性。 搭建放电实验系统,设计电压电流检测系统以及光谱诊断系统,采集稳定放电时的电压电流波形以及发射光谱图。分析放电电压、电极间距和电极相对面积等放电参数对放电产生的影响,初步探讨生理盐水中产生低温等离子体对生物组织消融的作用机理;采用双线法和Saha方程计算发射光谱相对强度,估算低温等离子体的电子温度和电子密度,进一步验证低温等离子体的组织消融作用。 结合实验法建立放电系统控制模型,根据不同输入电压下放电系统的输出特性得到的放电控制系统传递函数,借助二阶系统的动态指标分析放电系统稳定性,并对放电系统进行优化。 本文所研究的理论和实验结果将会为之后生理盐水中放电产生低温等离子体的研究与应用打下很好的基础,对临床医学的低温等离子体对生物组织的消融作用的研究具有一定的参考价值。


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