血液介质介电常数的有限元计算

摘要

交流电场作用于生物细胞后，细胞悬浮液的介电常数和电导率随外加电场频率发生变化，此现象一般称为细胞介电弛豫效应，可以用来预测血液内部细胞的介电特征。通过对血液介电参数的实验测定来研究血液细胞的电生理特性及其在外加电磁场作用下的改变，可以为医学诊断提供了新的方法。作为一种“非创伤性诊断”技术，这一检测方法得到了广泛的关注，也已经有不少学者对此做了大量实验及理论研究。在此基础上，我们依靠有限元计算软件ANSYS的准静态电场计算功能，使用理想的三维血液模型，即由不同介电常数和电导率的细胞外液相、细胞膜相、细胞质相组成的三相两界面结构体系，进一步模拟了细胞悬浮液在外加电磁场作用下的性能改变，对理论模型在不同频率的交变电场作用下的介电常数进行了计算。最后，我们分别得到了血细胞悬浮液模型介电常数的实部、虚部和外加电场的频率的关系曲线，即血液的介电谱。结果证明，在细胞比容(细胞体积分数)小于0.3时，血细胞悬浮液模型，较为合理地反映了外加电场频率在10KHz到100MHz范围的血液介电特性的变化规律。