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混合MOM/FDTD电磁分析方法及其在MR射频线圈设计中的应用
研究的目的在于增强磁共振射频线圈仿真的真实性,提高射频线圈设计水平,从而提高线圈的成像质量.充分利用矩量法(MOM)在计算复杂结构线圈上电流分布的优势,以及时域有限差分(FDTD)方法在仿真人体模型等复杂的不均匀电磁介质中的优势,通过惠更斯等效面将MOM和FDTD有机地结合到一起,形成混合MOM/FDTD射频线圈设计方法,并提出一种新的真实人体电磁模型建立方法,融入到混合方法中,充分考虑线圈与真实人体组织之间复杂的电磁相互作用.由该方法设计的原型线圈扫描图像的信噪比达到193.4dB,相比先前未考虑人体与线圈之间作用的方法,所以得到的图像信噪比提高了38.7 dB,从而验证了仿真设计的正确性.
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磁刺激中脑内感应电场的计算
本研究建立了脑部分层模型,提出了传统感应电场计算方法与时域有限差分法相结合计算磁刺激中脑部各点瞬态感应电场值的方法,对圆形线圈和8字形线圈在头内产生的感应电场进行了理论推导,有助于进一步探索脑部磁刺激佳刺激方式和作用机理.
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移动通信手机天线对人体作用的温度分布研究
应用时域有限差分法和包括人头、胸、手在内的分辨率为0.655cm的人体非均匀立方块模型,本文在900MHz分析了λ/4移动通信手机天线在6种使用方式下对人体作用的比吸收率(SAR)分布.在考虑人体内基础新陈代谢率、吸收电磁能等热源,组织间通过传导和血液灌流进行的热传递,及与外界通过辐射、对流、无感觉出汗等进行的热交换的因素下,用交替方向隐式有限差分法求解生物热传导方程,得到手机作用下人体内的温度分布.分析表明,辐射功率约为1W的手机,在两种典型使用方式下,在脑内和眼内的大温升分别为0.039℃和0.066℃,落于人体核心温度变化的正常范围内(37.0±0.5℃).
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高功率脉冲微波照射时大鼠体内SAR值计算
目的计算高功率脉冲微波照射条件下大鼠体内的比吸收率(Specific Absorption Rate,SAR)分布.方法在建立的脉冲辐射场及大鼠电磁模型的基础上,采用时域有限差分法计算大鼠体内的感生电场分布,进而得到比吸收率.结果计算了不同脉宽和重复频率条件下的峰值比吸收率和平均比吸收率,并按防护标准的要求分别计算了SAR1、SAR10和WBA-SAR.结论照射条件相同,仅改变微波脉冲宽度,峰值比吸收率变化很小;在同一次照射中,比吸收率按SAR1 Max、SAR10Max和全身平均SAR值依次下降,存在局部"热点";在相同的远场照射条件下,实验动物越小,全身平均SAR值越大.
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微波暴露下实验用鼠体重与电磁能量吸收关系研究
目的 探讨实验用鼠暴露于3 GHz微波时,其体重与全身平均比吸收率以及电磁能量吸收之间的关系.方法 首先基于鼠核磁共振三维解剖图像,建立了包含45种生物组织的鼠电磁模型,再通过改变模型的单元尺寸来改变模型的大小与体重,得到长度9～24 cm,相应体重16～334 g共16个鼠电磁模型;然后采用时域有限差分法计算3 GHz微波照射下各个鼠模型体内的感生电场分布,进而得到鼠模型吸收的电磁能量与比吸收率.结果 在3 GHz微波照射下,鼠体重与全身平均比吸收率的关系可分为3个区域,每个区域均可拟合成一条直线;其中,小鼠区域全身平均比吸收率变化剧烈,中等鼠区域变化趋于平缓,大鼠区域变化更为平缓.鼠体重与电磁能量吸收的关系可以拟合成一条二次曲线,当鼠模型较小时,吸收的电磁能量大致相同,当鼠模型逐渐增大时,鼠吸收的电磁功率也逐渐增大,但增大的幅度小于体重增加的幅度.结论 动物越大,其在电磁场中吸收的电磁功率也越大,但其全身平均比吸收率却越小.在相同的照射条件下,大鼠因体重变化而产生的受照剂量差异比小鼠小很多,因此建议使用大鼠作为电磁生物效应实验用鼠.
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MRI中电磁场对人体心脏影响的模型仿真研究
运用时域有限差分法(FDTD),通过电磁场对人体心脏影响的模型仿真,计算出心脏体段由磁共振成像(MRI)时变梯度场感应的涡流,并与已有的心脏刺激阈值进行比较.结果表明,心脏感应涡流的峰值离推荐阈值尚有一定距离.人体在常用的梯度场和几千赫兹的切换频率下感应出的电流不足以引发心室震颤,但是,梯度场切换频率的提高可能会引发心室震颤.
关键词： 时域有限差分法 吸收边界条件 磁共振成像(MRI) 感应涡流 -
血流对高强度聚焦超声治疗时温度场影响的仿真实验
实验于2007-10/2008-07在天津医科大学生物医学工程系超声医学实验室完成.依据森田长吉等人提出的非线性传播的时域有限差分仿真方法,结合生物热传导方程,仿真计算高强度聚焦超声靶区温度的分布.结果显示有血管时聚焦区域内血管处的温升明显低于无血管时周边组织的温升;随着血管直径的增加,血管周边组织的大温升降低,60℃以上的可治疗区域在减小.血管直径大小对血管周围组织的温升影响很大,在高强度聚焦超声肿瘤治疗时,应该考虑因治疗靶区不同管径血管对高强度聚焦超声温升的影响而导致小同的治疗效果.
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稳态平面波作用下人体比吸收率分布研究
应用FDTD(时域有限差分法)计算稳态平面波在不同的入射方向和场极化方向时人体的比吸收率(specific absorp-tion rates,SAR)分布,通过计算、模拟、仿真获得了一些结论;对电磁波的生物学效应、生物电磁剂量学研究进行有益的尝试.
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电磁波作用下人体的电场应力计算
本文从电场应力的角度研究稳态平面波和脉冲波对人体作用的计算,主要讨论了振幅为100、随正弦规律变化的稳态平面波以及核爆炸脉冲波作用下人体内电场应力的分布,并给出了部分计算结果.
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高频低能电磁环境头颅内电场应力分析
电磁辐射会对人体产生什么作用一直是人们关心的问题.鉴于电磁波会在不连续媒质中产生电场应力,文中采用时域有限差分(FDTD)法数值研究处于辐射功率1W、双频(900 MHz和1 800 MHz)PIFA天线产生的高频低能环境中头颅内的电场应力及其分布,并从是否达到人的听觉阀值的角度对手机辐射安全性进行了评价.结果表明:两种高频低能环境中头颅内介电常数不同的组织界面处均存在电场应力,且大电场应力点均位于手机侧的皮肤和空气界面处,颅骨处产生的电场应力峰值均未达到由骨组织传导引起听觉的阀值,故不能产生听觉效应.
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细胞培皿内毫米波辐照剂量的时域有限差分法分析
对细胞层次上进行的毫米波(MMW)生物学效应实验中使用的培皿内的毫米波辐照剂量进行了分析.以一种常用的培皿为代表,通过时域有限差分法计算了在6 mm波长时培皿内辐照到细胞上的毫米波功率密度和细胞对毫米波的功率吸收密度分布的数据,并对结果进行了定性和定量分析.计算和分析结果表明,辐照到细胞上的毫米波功率密度和细胞对毫米波的功率吸收密度在培皿内的分布情况比较复杂,呈现出明显的不均匀性,不同位置毫米波辐照剂量差异明显,对实验结果的影响不可忽略,因此辐照剂量的准确测定是相关实验中需要开展的重要工作.
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辐照到培皿中细胞单层上的毫米波功率流密度分析
涉及到细胞层次上的毫米波生物学效应的实验使用了内含细胞单层的培皿,并使毫米波从下方进行辐照.针对培皿直径远大于毫米波波长的情况,分析了辐照到细胞单层上的毫米波功率流密度与培皿厚度、毫米波波长以及培皿和培养液的电磁参数等影响因素的关系;使用电磁场时域有限差分法分析了一种典型的直径与波长相近的小口径培皿的结构对辐照到细胞单层上的毫米波功率流密度的影响.结果表明此类实验需要对辐照到细胞单层上的毫米波功率流密度进行严格分析、精确测量和准确计算,而且实验中使用大直径培皿比小口径培皿更加有利.
