电磁脉冲对人体的作用和数值方法研究

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.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.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,探索了它在人体电磁辐射防护上的应用.

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

第二章脉冲电场对细胞的作用与分析

第三章时域有限差分法

第四章完全匹配层吸收边界条件

第五章一般曲线坐标系下的FDTD及PML

第六章 电磁场时域解的差分——谱混合方法

第七章基于Laguerre多项式展开求时域电磁场的矢量有限元方法

第八章 一种基于Lagurre多项式展开求解时域电磁场的有限差分法

第九章生物组织的电磁特性

第十章电磁脉冲作用人体的数值模拟和分析

第十一章屏蔽人体模型对电磁波吸收的数值模拟研究

总结和展望

博士论文期间发表的文章

致谢