生物电磁学仿真框架构建及儿童可变形模型的电磁辐射模拟应用

摘要

射频电磁辐射已广泛存在于日常生活中。根据目前已有的研究结果，在使用手机等日常情景下，儿童和青少年吸收的电磁辐射剂量会高于成年人，国际癌症研究机构已将射频电磁辐射列入2B类致癌物。准确评估日常生活中儿童和青少年吸收的电磁辐射剂量非常重要。数值模拟技术是评估生物体电磁辐射剂量的常用方法。准确评估人体电磁辐射剂量的要素包括能够支持生物组织特性、匹配生物组织的吸收边界、可处理高精度模型的大规模数据、计算生物电磁学剂量和能获取计算细节的计算电磁学计算平台，以及能代表研究目标群体的人体模型。商业软件能够满足生物电磁学研究的部分需求，但无法获取模拟计算的细节，且难以有针对性的计算不同种类的比吸收率(SAR)数据。开源软件免费、容易获取、能监测计算细节，但无法使用某一款开源软件完成计算电磁场分布和生物电磁学剂量评估，或没有实现匹配生物组织的介质特性和高效吸收边界，或无法支持数据规模较大的高精度模型。 本文以时域有限差分算法(FDTD)为基础，开发了一套能够满足生物电磁学辐射剂量评估研究需求的跨平台开源并行仿真框架MedFDTD，其创新性是能够同时支持生物组织特性介质计算、匹配生物组织的吸收边界、评估生物电磁学剂量和高效可跨平台并行计算，能够快速准确的完成生物电磁学剂量评估研究。在中国参考人可变形模型的基础上开发了极端体型儿童模型修复算法，构建了能够代表中国人群、具有多种体型、能用于电磁和电离辐射剂量评估研究的中国男性儿童可变形体型模型库，并在仿真框架和模型库的基础上展开儿童电磁辐射剂量评估应用研究。 在生物电磁学仿真框架部分，本研究分析并实现了基于FDTD算法的计算电磁学模块，并针对生物电磁学研究的需求，实现了基于卷积完全匹配层(CPML)技术的吸收边界模块，能够计算具有色散特性的介质，提供点波源，平面波源，天线波源等激励源模板，并能计算辐射功率等参数的激励源模块，能够计算局部SAR，全身平均SAR的生物电磁学模块。基于MPI和C++AMP并行加速技术，使上述模块能在多种操作系统、多种硬件平台上利用CPU或GPU进行并行加速计算。基于IEEE推荐的质量平均SAR计算算法，开发了计算质量平均SAR等生物电磁学剂量的后处理模块。这些功能模块共同构成了兼具模拟生物电磁学常用介质和高精度模型开域空间等电磁仿真场景，直接获取辐射功率、多种标准SAR等满足生物电磁学研究需求的功能的跨平台开源并行生物电磁学仿真框架MedFDTD，并已在SourceForge和GitHub等开源平台上发布，能够获取其计算细节并拓展应用。 为构建能用于电磁辐射模拟研究的儿童体型模型库，本研究根据中国男性儿童的身高、体重和体型的分布和百分位数等统计数据，以及主要内部器官推荐质量数据，在中国参考人可变形模型的基础上，构建了具有11～12岁年龄组中国男性儿童第50百分位数身高，第10、50、90百分位数体重的儿童模型，分别用于代表过轻体型、正常体型和超重体型的中国11～12岁男性儿童模型。进一步通过器官调整算法和手臂调整算法修复了过轻体型和超重体型存在的问题，完成了可代表中国人群解剖结构特征的11～12岁男性儿童体型模型库的构建。该男性儿童体型模型库符合中国人群的解剖结构、体格参数和内部器官质量分布，并可直接用于电磁、电离辐射剂量学研究。 在电磁辐射剂量评估部分，本研究利用已完成的MedFDTD和儿童体型模型库，研究分析了年龄和体型对儿童电磁辐射吸收剂量及其分布的影响。模拟结果表明，年龄引起的组织参数变化，会使儿童全身质量平均SAR升高，会导致电磁辐射吸收剂量的分布发生极大的变化。与成年人相比，11～12岁年龄段的儿童的皮肤对电磁辐射能量的吸收能力降低了22.21%～48.11%。体型对儿童电磁辐射吸收剂量及其分布的影响的研究结果表明，所有体型儿童模型的全身质量平均SAR均在IEEE和ICNIRP制定的射频电磁波公众防护限值之内。在同一频率下，过轻体型的儿童模型会出现相对更高的全身质量平均SAR。超重体型人体被高频电磁波照射时，由于皮下脂肪层可能出现驻波效应等因素，脂肪将成为吸收电磁辐射能量最多的组织器官，皮下脂肪层的驻波效应可能是超重体型的儿童会吸收更多电磁辐射能量的重要影响因素。 综上所述，本文在生物电磁学仿真框架、中国男性儿童可变形体型模型库和儿童电磁辐射评估三个方面展开了研究。本文开发的生物电磁学仿真框架和中国男性儿童可变形体型模型库，在生物电磁学和辐射剂量评估领域具有广阔的应用前景。

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摘要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 计算电磁学的研究进展

1.3 计算电磁学软件概况

1.4 可变形人体模型的研究进展

1.5 儿童和青少年接受电磁辐射影响的研究现状

1.6 本文研究内容及结构

2 生物电磁学辐射剂量评估方法

2.1 引言

2.2 电磁场数值仿真算法

2.2.1 麦克斯韦方程组及其FDTD迭代格式

2.2.2 FDTD算法数值稳定性分析

2.2.3 FDTD算法数值色散分析

2.3 吸收边界条件

2.3.1 各向异性完全匹配层吸收边界条件

2.3.2 卷积完全匹配层吸收边界条件

2.3.3 数值验证

2.4 激励源

2.4.1 本地源

2.4.2 平面波源

2.5 SAR评估算法

2.6 小结

3 可跨平台并行的生物电磁学仿真框架

3.1 引言

3.2 整体设计

3.3 并行FDTD算法

3.3.1 基于MPI的CPU并行实现

3.3.2 基于C++ AMP的GPU并行实现

3.4 色散介质

3.5 结果验证

3.6 小结

4 中国儿童男性体型模型库构建方法研究

4.1 引言

4.2 中国参考人可变形模型

4.3 中国男性儿童体格参数及器官质量

4.4 模型变形方法

4.5 模型修正方法

4.5.1 过轻体型的器官调整方法

4.5.2 手臂调整方法

4.6 小结

5 年龄和体型对儿童电磁辐射剂量影响研究

5.1 引言

5.2 计算电磁学模型构建

5.2.1 儿童组织器官的电磁学介质特性参数

5.2.2 体素模型构建方法

5.3 电磁场模拟及辐射剂量评估方法

5.4 年龄对环境电磁辐射吸收剂量的影响

5.4.1 组织和器官参数变化的影响

5.4.2 体格参数变化的影响

5.5 体型对儿童环境电磁辐射吸收剂量的影响

5.6 小结

6 总结与展望

6.1 研究内容与结论

6.2 主要创新点

6.3 研究展望

致 谢

参考文献

附录 1 攻读学位期间发表论文目录

附录 2 全文缩写表