THz波辐射生物组织效应的研究

发布时间：2017-11-15 20:32

  本文关键词：THz波辐射生物组织效应的研究

  更多相关文章： 太赫兹 天线 异向介质 生物电磁学 FDTD 德拜模型 比吸收率(SAR)

【摘要】：生物电磁学是近几年逐渐兴起的一门电磁场理论与生物医学的交叉学科，主要研究与生命组织相关的电、磁及电磁效应，可应用于医学上的疾病探测、诊断和治疗。随着人们对电磁波谱研究的深入及高科技的不断发展，THz辐射逐渐成为人们的研究重点。THz波具有独特的优点，其低能性、非电离性，使其不会对材料造成破坏；而且THz波对极性分子(特别是水分子)呈现的强烈的吸收性，，使得研究THz波段下生物组织的特性，具有很大的研究意义和广阔的应用前景，特别是太赫兹成像技术(TPI)在癌变组织的无损诊断方面有着巨大的应用潜力。 基于以上的应用背景，本文主要研究两方面的内容，分别为基于异向介质结构高增益THz天线的设计和THz波对生物组织作用的研究。 在第一部分有关THz天线的研究中，本文提出在天线的介质中加入一种人工负折射率材料——异向介质，利用其在某一频点上折射率为0带来的垂直折射特性可汇聚天线所辐射的电磁波，从而实现高定向性高增益的天线。基于以上思想，在了解异向介质理论基础后，本文首先设计典型方形SRR谐振环结构及其几种变形结构，并分析它们的结构对负折射率特性的影响。然后，分别将这些异向介质结构嵌入到所设计的THz天线的基质中仿真和分析。仿真结果表明，与无异向介质加载的THz参考天线相比，加载了异向介质结构的THz天线能明显提高增益，减小副瓣电平。最后，本文从理论上解释异向介质能够提高天线增益的原理。 第二部分是研究THz波段下生物组织的特性。首先简单介绍了生物电磁学中应用最广的电磁场数值计算方法——时域有限差分法(FDTD)的基本原理，概述了生物电磁学的基本知识。在浅谈生物组织在THz波段的特性时，利用双德拜模型理论分析THz波段下色散媒质的介电常数随频率变化的规律，并推导出其FDTD表达式。同时，给出了双德拜模型的实际应用，研究分析了水、甲醇、皮肤三种极性物质在THz波段内的传输特性，主要表现是折射率和吸收系数。同理，也分析了人体健康皮肤细胞组织和皮肤基底细胞癌(BCC)的折射率和吸收系数，其中明显的差异为THz在生物医学领域中癌症鉴别的应用提供支持。此外，以人体健康皮肤组织为例，进一步讨论了双德拜模型参数对媒质折射率和吸收系数的依赖性分析。最后，建立含有BCC癌症组织的简单皮肤模型，计算平均SAR值的分布，根据平面分布和纵面分布，可以清晰的看到两种组织之间的分界线，揭示了THz在医学中的癌症诊断的潜在应用价值。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：R310;TN822

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