电磁脉冲对人体的作用和数值方法研究

发布时间：2020-05-30 19:09

【摘要】：电磁现象和电磁技术与现代生产和生活紧密相关，，电磁波作为信息和能量传播的载体广泛应用于高科技的各种领域，电磁环境与人类健康日益受到关注。研究电磁场生物效应在认识自然规律及防护与应用两个方面都有很重要的意义。一般将电磁场生物效应分为热效应与非热效应。热效应有非常明确的物理学和生物学意义，其基本规律已逐渐为人们掌握，目前的研究工作主要集中在应用和防护上。非热效应的研究还很不成熟，在它的确认、描述和解释等方面学者们的争论相当激烈，需要进一步探讨的问题很多，这些都成为当前生物电磁学研究的热门领域。虽然按照由简到繁的认知规律，应该把时谐场生物效应放在研究的突出位置，但实际应用中的电磁波广泛以脉冲的形式存在，且很多试验表明，它们更易产生生物效应。基于这种认识，我们详细研究了方波脉冲和核电磁脉冲两种不同形式的场源对人肝细胞、成纤维细胞的作用，考察了它对细胞增殖，膜的流动性和酪氨酸磷酸化水平等重要生理活动的影响。实验结果表明，1)非热效应广泛存在于不同脉冲辐照环境；2)非热效应的表现与辐照脉冲波形紧密相关；3)同样脉冲源辐照，非热效应的表现程度因细胞种类不同而异；4)脉冲电场可直接对细胞作用产生生物效应，也可以在胞外改变具有重要生理功能的生物大分子的构象，使其正常的功能无法在胞内实现，从而影响到细胞正常的生命活动。对一种典型的细胞信号分子——胰岛素介导的脉冲电场非热生物效应的考察显示，细胞信号系统可能是脉冲电场对生物体作用的重要靶体。对脉冲电场作用生物系统剂量的描述是认识机理和对它进行防护和应用的前提，我们提出用比电冲量(脉冲持续时间内作用在介质中单位电荷上的冲量，SEI)描述脉冲电场的作用，建立模型，统一了所有的试验数据。只要效应描述量选择合理，脉冲作用量SEI与效应量之间有最简单的线性关系，其中的比例常数包含了作用靶体的一切因素，使用非常方便。与已提出的脉冲作用描述量——比吸收能量(SA)的比较表明，SEI更容易反映脉冲电场对生物系统的作用。细胞和分子水平研究的目的在于认识现象背后的机理，并最终将结果推广到人体。进行这种推广的前提是需要对脉冲场作用人体的剂量有很好的认识。由于安全和技术限制，目前还无法对脉冲场作用人体的剂量进行直接测量。建立模型，进行数值模拟被认为是比较可行的方案。理论上，这个问题可以归结为人体模型的构造和Maxwell方程的求解，但实际操作需要解决两个棘手的困难：1)人体组织复杂的几何结构和介质构成；2)脉冲场作用下复杂的人体组织色散关系。虽然基于人体三维核磁共振成像的模型建立和电磁场时域有限差分(FDTD)方法灵活的网格模拟能力基本上能够使第一个问题得到解决，然而FDTD为模拟复杂几何形状而采用大量的网格单元，以及在时域直接积分不可避免地受到稳定性条件的限制，使它在模拟电磁脉冲作用人体上消耗的大量计算资源为一般条件无法承受。对第二个问题，目前基本还没有很好的解决方法。因此，非常需要开发高效的、能够处理复杂色散介质的脉冲场电磁计算方法。FDTD是生物电磁剂量学中应用最广泛的数值方法，被认为是这方面最优秀的模拟技术之一。我们对它进行了详细的考察，从不同介质空间电磁波模式匹配的新角度推导了与之配合使用的高效吸收边界条件——完全匹配层(PML)吸收边界条件，并分析了它在离散空间的特性。在此基础上进一步完成了对共形FDTD方程进行了改进，通过将空间坐标和场量结合，解决了圆柱和球坐标系下FDTD方程的奇点问题，开发出与之相应的PML边界条件，数值验证了方案的可靠性。在周期延拓近似的基础上，提出并实现了处理任意色散介质的差分方法，为模拟脉冲场作用复杂色散介质打开思路。将Maxwell方程中电磁场量的含时部分用Laguerre多项式构造的规范正交函数基展开，华东师范大学博士学位论文(摘要) 空间和时间变量分离，避免了直接时域积分计算所遇到的稳定性条件限制，把问题转化为空间变量的求解。鉴于近年来发展的矢量有限元方法不仅具有基于节点的有限元方法所具有的模拟任何复杂几何形状的能力，而且克服了它带来的伪模，边界难以处理等缺陷，用它实现了对空间变量的求解。在这一过程中，由于墓函数的特殊性质，所有空间变量方程具有相同的系数矩阵，一次求逆可存储起来重复使用，使运算量大幅度降低。由于时间变量处理的手段是解析的，这种方法的精度很高。采用特殊技巧使这种方法能够与P州[L边界条件配合使用，当然也可以用来计算一般标准模型描述的色散介质。此外，还采用了差分方法实现了空间变量方程的求解，它的优点在于具有一定的形体模拟能力外，空间方程的构造比较容易，数学原理简单。在方法研究的基础上依据人尸体三维核磁共振图像建立真实人体色散介质模型，模拟计算了核电磁脉冲对人体的作用，结合细胞学实验对计算结果进行了讨论。作为电磁辐射防护研究和应用的探讨，建立了简单的三层椭圆柱人体模型，数值模拟了各种电磁介质对辐照人体电磁波的屏蔽性能，为工程设计提供了理论参考。实验上研制了软磁纳米铁基丝纺织材料，
【图文】：

分布图,横截面,受照面

在该频段内，随着f的升高，(sAR)Iocal的主要分布区域由肌肉层的背照射面逐步转移到受照射面，(sAR)lond最低的区域由靠近受照面向背照面移动。2)不同材料屏蔽下，(sAR)to司分布图的模式具有很高的相似性。图7.是模型横截面上各点的比吸收率分布灰度图，在各图的最大值和最小值之间等间隔画出20条等值线，A:未屏蔽B:￡=5.0二10图7.横截面上(SAR)~分布4.结论
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2004
【分类号】：Q64

【引证文献】