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高功率脉冲微波辐照大鼠体内电场分布的数值模拟和实验验证

作　者: 王连坤
导　师: 陈树德
学　校: 华东师范大学
专　业: 生物物理学
关键词: 高功率脉冲微波 时域有限差分法 大鼠 电场分布
分类号: Q64
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 33次
引　用: 1次
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内容摘要


本文在建立大鼠电磁模型的基础上,用FDTD方法计算了2.71GHz和9.33GHz高功率脉冲微波(HPPM)分别在背部,腹部,侧部,头部,尾部方向入射条件下大鼠体内及心脏,大脑,肝脏等组织的电场强度分布,并实验研究2.71GHz HPPM从头部方向辐照和9.33GHz HPPM从背部方向辐照时大鼠心脏组织形态学变化,比较分析由数值模拟得到的场强分布与实验结果之间的关系,进一步对脉冲微波生物效应的量效关系进行理论分析和探讨。数值模拟结果表明,在场强相同的辐照条件下,大鼠体内的电场强度分布与入射波频率和辐照方式有关。由于2.71 GHz HPPM比9.33GHz HPPM的趋肤深度大,2.71 GHz HPPM各方向辐照时,大鼠体内各处的电场强度都比较高,在腹部和侧部方向辐照时心脏处的电场强度最大值最高；背部,尾部和头部方向辐照时大脑处的电场强度平均值和最大值均为最高。五种入射方式中大脑的电场强度平均值均为最高,并且在大脑的下部中间区域电场强度较高。9.33GHz HPPM各方向辐照时,由于该入射波趋肤深度较小,大鼠体内各处的电场强度都比较低。全身电场强度平均值明显比心脏、肝脏的电场强度平均值高,但与大脑的电场强度平均值接近,并且大脑皮层区域电场强度较高。实验结果表明,2.71GHz HPPM头部方向辐照时,左心室内膜损伤程度随辐照脉冲个数的增加而增加,但左心室外膜无明显变化。9.33GHz HPPM背部方向辐照时,心脏内、外膜均无明显损伤,且外部脉冲电场强度变化时心脏也无损伤。将数值模拟结果与实验结果相比较,发现心脏中电场强度较高的区域(E≥8.1kv/m)有损伤效应,电场强度较低的区域(E≤2.8kv/m)无损伤效应。以上的数值模拟结果和实验结果表明：在外部脉冲电场强度和微波频率都相同的辐照条件下,以不同的辐照方式辐照时,生物体内的场强分布是不同的；在外部脉冲电场强度和辐照方式都相同的辐照条件下,以不同的微波频率辐照时,生物体内的场强分布也是不同的；在外部脉冲电场强度、微波频率和辐照方式都相同的辐照条件下,同一器官或组织中不同区域的场强分布不同,由此引起同一器官不同区域的损伤效应也不同。这些结果表明,当波长与辐照对象尺度相当时,既不能用体外的辐照剂量(如平均功率密度),也不能用体内的平均辐照剂量(如体内的平均SAR)来合理地表述这类电磁辐射的量效关系。必须用体内的局域辐照剂量才能科学合理地表述这类电磁辐射的生物效应的量效关系。本文研制了体内局域辐照剂量的模拟计算方法,并实验验证了方法的正确性,该模拟计算方法为进一步模拟研究电磁辐射人体生物效应及电磁辐照人体安全限值提供了合理可靠的方法。

全文目录


摘要  6-8
ABSTRACT  8-10
目录  10-11
第一章 绪论  11-21
  1.1 电磁脉冲的生物效应  11-13
  1.2 微波的生物效应  13-16
  1.3 高功率脉冲微波的生物效应  16-17
  1.4 高功率脉冲微波对心血管、中枢神经、消化系统的影响研究现状  17-19
  1.5 本论文的研究内容及意义  19-21
第二章 数值模拟方法和高功率脉冲微波辐照系统及实验平台  21-29
  2.1 时域有限差分法  21-23
  2.2 2.71GHz和9.33GHz脉冲微波辐照系统  23-26
  2.3 3T核磁共振成像仪  26-27
  2.4 石蜡切片机及光学显微镜  27-29
第三章 2.71GHz和9.33GHz高功率脉冲微波辐照大鼠的数值模拟  29-57
  3.1 模型与方法  29-31
  3.2 程序验证  31-32
  3.3 2.71GHz脉冲微波数值模拟  32-45
  3.4 9.33GHz脉冲微波数值模拟  45-56
  3.5 本章讨论  56-57
第四章 2.71GHz和9.33GHz高功率脉冲微波对大鼠心脏组织形态学影响  57-66
  4.1 2.71GHz脉冲微波头部方向辐照对大鼠心脏组织形态学影响  57-59
  4.2 9.33GHz脉冲微波背部方向辐照对大鼠心脏组织形态学影响  59-61
  4.3 大鼠体内电场分布的数值模拟结果  61-64
  4.4 本章讨论  64-66
第五章 总结与展望  66-68
  5.1 总结  66-67
  5.2 展望  67-68
附录  68-69
参考文献  69-72
致谢  72-73

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中图分类: > 生物科学 > 生物物理学 > 生物电磁学
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