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基于声学不均匀特性的磁感应磁声成像声压解析
目的 依据人体声学参数,探索磁声耦合成像声信号在声学非均匀媒介中的传播对检测结果的影响.方法 参考人体组织声学特性建立仿真模型,借助有限元分析工具进行电磁场仿真,采用时域有限差分方法求解磁声信号在仿真模型中的传播,并在自由空间采集声压信号.后,对比研究磁声信号在声学均匀模型和声学非均匀模型中的传播过程.结果 在两个声学模型中声源分布相同,声学非均匀模型中采集的声压信号峰值数量多于声源边界,且声压峰值间的时间间隔与声源边界之间的距离不匹配.结论 初步揭示了声学非均匀特性对磁感应磁声成像的影响,为声学非均匀媒介的重建算法研究奠定了一定基础.
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高场和超高场MR下人体内B1场均匀性及SAR随场强变化规律的研究
高场和超高场磁共振成像(MRI)具有高的信噪比,可获得高分辨率的图像,成为磁共振的发展趋势.在磁共振成像系统中,射频线圈产生的射频磁场(B1场)均匀性将直接影响图像质量,且人体组织对射频能量的过多吸收会给受检者带来安全问题,因此研究高场和超高场MR下人体组织B1场均匀性和特定能量吸收率(SAR)随场强变化的关系意义重大.为了准确分析不同场强下人体组织B1场均匀性和SAR值分布,采用时域有限差分法,以真实女性盆腔电磁模型作为磁共振系统中TEN体线圈的负载,在磁通密度为1.5、3、7T下分别对盆腔内部B1场和SAR进行数值计算,比较分析不同场强下人体内部B1场分布均匀性和SAR的变化规律.数值计算结果表明:磁通密度由1.5T分别增加到3和7T时,B1场的均匀性分别降低11.54％和49.97％,盆腔各组织SAR的平均值大提高4.7和24.14倍,局部大值大提高5.5和22倍；而且随着场强增高,人体内深层组织吸收的射频能量显著增加,7T时皮肤、肌肉和组织液的SAR已经超出了安全阈值.可见,B1场均匀性和SAR值随场强增高变化显著,需要根据实际需要对TEM线圈进行优化,以提高成像效果并确保受检者安全.
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植入式医疗设备电磁共振无线能量传输系统天线对人体电磁辐射安全影响的研究
电磁耦合谐振式无线电能传输技术利用两个具有相同谐振频率、高品质因数的线圈,当其处于谐振状态时,通过电磁振荡、依靠非辐射场来实现能量的高效传输,因具有较好的距离、空间自由度和效率优势,成为人体植入式装置无线能量供给的创新方法.针对心脏起搏器能量无线传输问题,设计一种新型的植入式天线系统.为验证其人体辐射安全性,针对人体胸腔构建3层介质模型,应用时域有限差分(FDTD)方法,使用HFSS软件对胸腔比吸收率(SAR)进行数值仿真.结果表明,在线圈间距10 mm,中间具有0.1mm空气层、0.2 mm皮肤层和约9.7 mm肌肉层,激励为9.17 MHz、1W的条件下,利用这个天线系统对人体植入式设备进行无线能量传输,正常工作情况下10 g生物组织的平均SAR值为0.009W/kg,非正常工作情况下10 g生物组织的平均SAR值大为0.823 W/kg,均低于国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)制定的安全标准,从而验证该植入式天线系统对人体影响的安全性.
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50 MHz～3 GHz电磁辐射下人体中枢神经系统比吸收率计算
目的:计算并比较不同频率电磁波作用下人体中枢神经系统比吸收率(specific absorption rate,SAR)分布特点,为寻找损伤靶点和设计试验提供剂量学依据.方法:采用时域有限差分法计算人体仿真模型比吸收率及其分布.模型身高1.70 m,体重63 kg,由42种组织器官共1.4×107个网格单元构成.结果:给出了50 MHz～3 GHz频率范围、平面波、前后向照射、E和H极化条件下人体中枢神经系统SAR,其中脊髓、小脑和大脑分别在90 MHz、250 MHz和900 MHz 达到SAR峰值,分别为0.57,0.28和0.32 W/kg.结论:中枢神经系统中的大脑、小脑和脊髓分别在不同的频率处具有高电磁能量的吸收.
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基于DDA和FDTD算法的银纳米球及其阵列LSPR现象分析
目的:分析不同半径的银纳米球及其组合阵列的消光现象和耦合现象,探索局域表面等离子体共振(localized surface plasmon resonance,LSPR)发生的原因.方法:采用离散偶极近似(discrete dipole approximation,DDA)得到不同半径银纳米球及其阵列的消光光谱及其消光效率(Q_ ext)、吸收效率(Q_abs)和散射效率(Q_sca)等;在此基础上,利用时域有限差分(finite difference time domain,FDTD)方法研究了双纳米球阵列的耦合作用及其电场分布.结果:对于单纳米粒子,随着半径的增大,散射效率占总的消光效率的比重增加.对于2个纳米颗粒,当入射光垂直于轴线,且纳米颗粒之间间距较小时,耦合的作用较大.对于纳米颗粒阵列,消光光谱的灵敏度与纳米颗粒的大小以及间距有关,当颗粒间距很小的时候会出现多峰形式的消光谱.结论:LSPR与纳米颗粒的种类、大小、形状、阵列及所处的介质环境等有关.
关键词： 局域表面等离子体共振 离散偶极近似 时域有限差分 银纳米球 -
时域有限差分法研究长骨中的超声导波
目的 基于时域有限差分(finite-difference time-domain,FDTD)法研究长骨弹性模量对超声导波传播特性的影响,为早期骨质疲劳的超声导波检测方法提供理论依据.方法 对长骨进行理论建模,并对不同弹性模量下的长骨模型进行FDTD仿真；通过对仿真数据的分析,计算出不同模式导波的相速度、群速度、中心频率及能量等特性参数.结果 长骨的弹性模量与超声导波的传播特性参数密切相关,各个导波模式的相速度、群速度、中心频率和能量均随弹性模量的减小而减小,其中L(0,5)模式的变化趋势为显著.结论 超声导波的传播特性参量能够反映出长骨弹性模量的变化,进而为长骨早期疲劳诊断提供了一种可能的方法.
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磁感应方法检测脑组织电导率的FDTD仿真研究
为进一步优化和改进MIT(magnetic induction tomography,MIT)实验系统,采用FDTD(finite difference time domain)方法,对MIT单通道测量系统进行仿真研究.根据天线理论,将激励线圈近似为螺线管,模拟为一系列电磁源.脑模型考虑颅骨、脑脊液、脑组织和水肿.在10MHz频率,测量与激励线圈同轴时,对自由空间、均匀脑模型、三层脑模型和含水肿的三层脑模型进行仿真计算,获得了上述四种情况下测量线圈上的电流值和激励电流与测量电流的相位差值.
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单极子微波热疗天线在生物组织中产生的温度分布的调控
微波热疗的关键是实现微波能量长时间较均匀加热肿瘤组织.采用连续加热方法,在不改变天线结构及插入位置的条件下,很难实现对治疗区域的长时间均匀加热.我们结合电磁场的时域有限差分(Finite Difference Time Domain,FDTD)和温度场的有限差分方法模拟微波热疗天线在生物组织中产生的温度分布,通过调整天线的加热功率,并采用分时间隔加热的治疗方法,实现了微波能量对一定区域组织的长时间较均匀加热.
