【摘要】：電磁現(xiàn)象和電磁技術(shù)與現(xiàn)代生產(chǎn)和生活緊密相關(guān)，，電磁波作為信息和能量傳播的載體廣泛應(yīng)用于高科技的各種領(lǐng)域，電磁環(huán)境與人類健康日益受到關(guān)注。研究電磁場(chǎng)生物效應(yīng)在認(rèn)識(shí)自然規(guī)律及防護(hù)與應(yīng)用兩個(gè)方面都有很重要的意義。 一般將電磁場(chǎng)生物效應(yīng)分為熱效應(yīng)與非熱效應(yīng)。熱效應(yīng)有非常明確的物理學(xué)和生物學(xué)意義，其基本規(guī)律已逐漸為人們掌握，目前的研究工作主要集中在應(yīng)用和防護(hù)上。非熱效應(yīng)的研究還很不成熟，在它的確認(rèn)、描述和解釋等方面學(xué)者們的爭(zhēng)論相當(dāng)激烈，需要進(jìn)一步探討的問題很多，這些都成為當(dāng)前生物電磁學(xué)研究的熱門領(lǐng)域。 雖然按照由簡(jiǎn)到繁的認(rèn)知規(guī)律，應(yīng)該把時(shí)諧場(chǎng)生物效應(yīng)放在研究的突出位置，但實(shí)際應(yīng)用中的電磁波廣泛以脈沖的形式存在，且很多試驗(yàn)表明，它們更易產(chǎn)生生物效應(yīng)。基于這種認(rèn)識(shí)，我們?cè)敿?xì)研究了方波脈沖和核電磁脈沖兩種不同形式的場(chǎng)源對(duì)人肝細(xì)胞、成纖維細(xì)胞的作用，考察了它對(duì)細(xì)胞增殖，膜的流動(dòng)性和酪氨酸磷酸化水平等重要生理活動(dòng)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，1)非熱效應(yīng)廣泛存在于不同脈沖輻照環(huán)境；2)非熱效應(yīng)的表現(xiàn)與輻照脈沖波形緊密相關(guān)；3)同樣脈沖源輻照，非熱效應(yīng)的表現(xiàn)程度因細(xì)胞種類不同而異；4)脈沖電場(chǎng)可直接對(duì)細(xì)胞作用產(chǎn)生生物效應(yīng)，也可以在胞外改變具有重要生理功能的生物大分子的構(gòu)象，使其正常的功能無法在胞內(nèi)實(shí)現(xiàn)，從而影響到細(xì)胞正常的生命活動(dòng)。對(duì)一種典型的細(xì)胞信號(hào)分子——胰島素介導(dǎo)的脈沖電場(chǎng)非熱生物效應(yīng)的考察顯示，細(xì)胞信號(hào)系統(tǒng)可能是脈沖電場(chǎng)對(duì)生物體作用的重要靶體。對(duì)脈沖電場(chǎng)作用生物系統(tǒng)劑量的描述是認(rèn)識(shí)機(jī)理和對(duì)它進(jìn)行防護(hù)和應(yīng)用的前提，我們提出用比電沖量(脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)作用在介質(zhì)中單位電荷上的沖量，SEI)描述脈沖電場(chǎng)的作用，建立模型，統(tǒng)一了所有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。只要效應(yīng)描述量選擇合理，脈沖作用量SEI與效應(yīng)量之間有最簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，其中的比例常數(shù)包含了作用靶體的一切因素，使用非常方便。與已提出的脈沖作用描述量——比吸收能量(SA)的比較表明，SEI更容易反映脈沖電場(chǎng)對(duì)生物系統(tǒng)的作用。 細(xì)胞和分子水平研究的目的在于認(rèn)識(shí)現(xiàn)象背后的機(jī)理，并最終將結(jié)果推廣到人體。進(jìn)行這種推廣的前提是需要對(duì)脈沖場(chǎng)作用人體的劑量有很好的認(rèn)識(shí)。由于安全和技術(shù)限制，目前還無法對(duì)脈沖場(chǎng)作用人體的劑量進(jìn)行直接測(cè)量。建立模型，進(jìn)行數(shù)值模擬被認(rèn)為是比較可行的方案。理論上，這個(gè)問題可以歸結(jié)為人體模型的構(gòu)造和Maxwell方程的求解，但實(shí)際操作需要解決兩個(gè)棘手的困難：1)人體組織復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)和介質(zhì)構(gòu)成；2)脈沖場(chǎng)作用下復(fù)雜的人體組織色散關(guān)系。雖然基于人體三維核磁共振成像的模型建立和電磁場(chǎng)時(shí)域有限差分(FDTD)方法靈活的網(wǎng)格模擬能力基本上能夠使第一個(gè)問題得到解決，然而FDTD為模擬復(fù)雜幾何形狀而采用大量的網(wǎng)格單元，以及在時(shí)域直接積分不可避免地受到穩(wěn)定性條件的限制，使它在模擬電磁脈沖作用人體上消耗的大量計(jì)算資源為一般條件無法承受。對(duì)第二個(gè)問題，目前基本還沒有很好的解決方法。 因此，非常需要開發(fā)高效的、能夠處理復(fù)雜色散介質(zhì)的脈沖場(chǎng)電磁計(jì)算方法。FDTD是生物電磁劑量學(xué)中應(yīng)用最廣泛的數(shù)值方法，被認(rèn)為是這方面最優(yōu)秀的模擬技術(shù)之一。我們對(duì)它進(jìn)行了詳細(xì)的考察，從不同介質(zhì)空間電磁波模式匹配的新角度推導(dǎo)了與之配合使用的高效吸收邊界條件——完全匹配層(PML)吸收邊界條件，并分析了它在離散空間的特性。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步完成了對(duì)共形FDTD方程進(jìn)行了改進(jìn)，通過將空間坐標(biāo)和場(chǎng)量結(jié)合，解決了圓柱和球坐標(biāo)系下FDTD方程的奇點(diǎn)問題，開發(fā)出與之相應(yīng)的PML邊界條件，數(shù)值驗(yàn)證了方案的可靠性。在周期延拓近似的基礎(chǔ)上，提出并實(shí)現(xiàn)了處理任意色散介質(zhì)的差分方法，為模擬脈沖場(chǎng)作用復(fù)雜色散介質(zhì)打開思路。 將Maxwell方程中電磁場(chǎng)量的含時(shí)部分用Laguerre多項(xiàng)式構(gòu)造的規(guī)范正交函數(shù)基展開， 華東師范大學(xué)博士學(xué)位論文(摘要) 空間和時(shí)間變量分離，避免了直接時(shí)域積分計(jì)算所遇到的穩(wěn)定性條件限制，把問題轉(zhuǎn)化為空 間變量的求解。鑒于近年來發(fā)展的矢量有限元方法不僅具有基于節(jié)點(diǎn)的有限元方法所具有的 模擬任何復(fù)雜幾何形狀的能力，而且克服了它帶來的偽模，邊界難以處理等缺陷，用它實(shí)現(xiàn) 了對(duì)空間變量的求解。在這一過程中，由于墓函數(shù)的特殊性質(zhì)，所有空間變量方程具有相同 的系數(shù)矩陣，一次求逆可存儲(chǔ)起來重復(fù)使用，使運(yùn)算量大幅度降低。由于時(shí)間變量處理的手 段是解析的，這種方法的精度很高。采用特殊技巧使這種方法能夠與P州[L邊界條件配合使 用，當(dāng)然也可以用來計(jì)算一般標(biāo)準(zhǔn)模型描述的色散介質(zhì)。此外，還采用了差分方法實(shí)現(xiàn)了空 間變量方程的求解，它的優(yōu)點(diǎn)在于具有一定的形體模擬能力外，空間方程的構(gòu)造比較容易， 數(shù)學(xué)原理簡(jiǎn)單。 在方法研究的基礎(chǔ)上依據(jù)人尸體三維核磁共振圖像建立真實(shí)人體色散介質(zhì)模型，模擬計(jì) 算了核電磁脈沖對(duì)人體的作用，結(jié)合細(xì)胞學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了討論。 作為電磁輻射防護(hù)研究和應(yīng)用的探討，建立了簡(jiǎn)單的三層橢圓柱人體模型，數(shù)值模擬了 各種電磁介質(zhì)對(duì)輻照人體電磁波的屏蔽性能，為工程設(shè)計(jì)提供了理論參考。實(shí)驗(yàn)上研制了軟 磁納米鐵基絲紡織材料，
【圖文】：

在該頻段內(nèi)，隨著f的升高，(sAR)Iocal的主要分布區(qū)域由肌肉層的背照射面逐步轉(zhuǎn)移到受照射面，(sAR)lond最低的區(qū)域由靠近受照面向背照面移動(dòng)。2)不同材料屏蔽下，(sAR)to司分布圖的模式具有很高的相似性。圖7.是模型橫截面上各點(diǎn)的比吸收率分布灰度圖，在各圖的最大值和最小值之間等間隔畫出20條等值線，A:未屏蔽B:￡=5.0二10圖7.橫截面上(SAR)~分布4.結(jié)論
【學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2004
【分類號(hào)】：Q64

【引證文獻(xiàn)】

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2 黃雋;胡云安;張浩然;金焱;;低頻電磁脈沖對(duì)復(fù)雜電大目標(biāo)耦合效應(yīng)[J];強(qiáng)激光與粒子束;2010年11期

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3 王連坤;高功率脈沖微波輻照大鼠體內(nèi)電場(chǎng)分布的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[D];華東師范大學(xué);2010年

4 程煜;脈沖微波對(duì)乳鼠心肌細(xì)胞及大鼠心臟組織的影響[D];華東師范大學(xué);2012年

本文編號(hào)：2688583