红外线辐射生物组织效应的研究

摘要

电磁波技术正处于高速发展中，生物电磁学的研究不断取得进展。红外电磁波被广泛应用于生物和医疗领域，包括光镊技术、红外医学成像以及红外激光手术等。复杂的皮肤组织是人体的屏障，是电磁波辐射人体所必须穿过的器官，研究皮肤组织的电磁波效应是人体组织生物电磁学研究的基础环节，本文主要研究红外电磁波穿透人体皮肤组织的传输效应。 首先对人体皮肤组织的层状生理结构进行了详细的介绍，并基于其分层的生理结构，分析了红外线在人体皮肤组织中的传播特点。利用人体皮肤组织的主要吸收成分：血红蛋白、水和黑色素等在红外波段的吸收光谱，分析了人体皮肤组织在红外波段的吸收特性。本文给出了皮肤组织在红外波段的折射率和复介电常数的色散曲线。 然后研究红外电磁波在人体皮肤组织中的传输特性，利用了两种方法。一是基于皮肤组织的层状堆叠结构，利用薄膜光学的理论，对表皮和真皮分别建立了两种理想化周期结构模型，推导了皮肤组织一维周期结构的特征矩阵法公式，进而利用特征矩阵公式分析了红外线的入射角、折射率的色散以及皮肤厚度对于红外线辐射人体皮肤组织的影响。二是利用传播矩阵法的传统理论，推导了普通分层介质的传播矩阵法求解公式，并利用传播矩阵法分析两种理想化的皮肤组织模型的电磁特性，包括不含细胞间质的单层结构和包含细胞间质的三层结构。分析了两种结构在近红外频段电磁特性随入射角、频率以及结构厚度的变化。对于三层结构，还分析了电磁特性随细胞间质厚度比的变化。 最后建立红外电磁波在人体皮肤组织中传输的全波数值仿真模型，是基于时域有限差分法（FDTD）的色散介质仿真模型。皮肤组织是Debye色散介质，由文献得到红外频段下人体皮肤的Debye介质参数，本文研究了递归卷积的RC-FDTD和分段线性递归卷积PLRC-FDTD两种仿真模型，利用仿真结果分析了皮肤介质中的红外电磁波的衰减、反射和透射性质。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 选题背景及研究意义

1.2.1 红外辐射的特点

1.2.2 人体皮肤组织红外线辐射效应

1.2.3 人体红外辐射数值算法的研究进展

1.3 本文的主要内容

第二章 人体皮肤组织的结构及电磁参数

2.1 人体皮肤组织的生理结构

2.2 红外线辐射人体皮肤组织的分析

2.3 人体皮肤组织的复折射率

2.3.1 人体皮肤组织的折射率

2.3.2 人体皮肤组织的消光系数

2.4 人体皮肤组织的电磁参数

2.4.1 人体皮肤组织的复介电常数

2.5 本章小结

第三章 光学特征矩阵法分析

3.1 光学特征矩阵法的简介

3.2.1 基本物理量

3.2.2 多层介质特征矩阵公式的推导

3.3.1 表皮层的理想光学模型

3.3.2 入射角变化的影响

3.3.3 色散特性的影响

3.3.4 厚度变化的影响

3.4.1 真皮层的理想光学模型

3.4.2 入射角变化的影响

3.4.3 色散特性的影响

3.4.4 细胞间质层厚度变化的影响

3.4.5 总厚度变化的影响

3.5 本章小结

第四章 传播矩阵法分析

4.1 传播矩阵法的简要介绍

4.2 分层介质传播矩阵法的公式推导

4.3 表皮层的电磁特性

4.3.1 入射角的影响

4.3.2 色散特性的影响

4.3.3 厚度的影响

4.4 真皮层的电磁特性

4.4.1 入射角的影响

4.4.2 色散特性的影响

4.4.3 厚度的影响

4.5 本章小结

第五章 时域有限差分法仿真

5.1 时域有限差分法概述

5.1.1 基本原理

5.1.2 特点分析

5.2 递归卷积时域有限差分法仿真

5.2.1 公式推导

5.2.2 仿真结果分析

5.3 分段线性递归卷积时域有限差分法仿真

5.3.1 公式推导

5.3.2 仿真结果分析

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献