【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。研究電磁場生物效應(yīng)在認(rèn)識自然規(guī)律及防護(hù)與應(yīng)用兩個方面都有很重要的意義。 一般將電磁場生物效應(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。 雖然按照由簡到繁的認(rèn)知規(guī)律，應(yīng)該把時諧場生物效應(yīng)放在研究的突出位置，但實際應(yīng)用中的電磁波廣泛以脈沖的形式存在，且很多試驗表明，它們更易產(chǎn)生生物效應(yīng)�；谶@種認(rèn)識，我們詳細(xì)研究了方波脈沖和核電磁脈沖兩種不同形式的場源對人肝細(xì)胞、成纖維細(xì)胞的作用，考察了它對細(xì)胞增殖，膜的流動性和酪氨酸磷酸化水平等重要生理活動的影響。實驗結(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)脈沖電場可直接對細(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)實現(xiàn)，從而影響到細(xì)胞正常的生命活動。對一種典型的細(xì)胞信號分子——胰島素介導(dǎo)的脈沖電場非熱生物效應(yīng)的考察顯示，細(xì)胞信號系統(tǒng)可能是脈沖電場對生物體作用的重要靶體。對脈沖電場作用生物系統(tǒng)劑量的描述是認(rèn)識機理和對它進(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)描述脈沖電場的作用，建立模型，統(tǒng)一了所有的試驗數(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對生物系統(tǒng)的作用。 細(xì)胞和分子水平研究的目的在于認(rèn)識現(xiàn)象背后的機理，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脈沖場作用人體的劑量有很好的認(rèn)識。由于安全和技術(shù)限制，目前還無法對脈沖場作用人體的劑量進(jìn)行直接測量。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，但實際操作需要解決兩個棘手的困難：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時域有限差分(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算資源為一般條件無法承受。對第二個問題，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)的脈沖場電磁計算方法。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)一步完成了對共形FDTD方程進(jìn)行了改進(jìn)，通過將空間坐標(biāo)和場量結(jié)合，解決了圓柱和球坐標(biāo)系下FDTD方程的奇點問題，開發(fā)出與之相應(yīng)的PML邊界條件，數(shù)值驗證了方案的可靠性。在周期延拓近似的基礎(chǔ)上，提出并實現(xiàn)了處理任意色散介質(zhì)的差分方法，為模擬脈沖場作用復(fù)雜色散介質(zhì)打開思路。 將Maxwell方程中電磁場量的含時部分用Laguerre多項式構(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) 空間和時間變量分離，避免了直接時域積分計算所遇到的穩(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，用它實現(xiàn) 了對空間變量的求解。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，一次求逆可存儲起來重復(fù)使用，使運算量大幅度降低。由于時間變量處理的手 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現(xiàn)了空 間變量方程的求解，它的優(yōu)點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人體色散介質(zhì)模型，模擬計 算了核電磁脈沖對人體的作用，結(jié)合細(xì)胞學(xué)實驗對計算結(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)對輻照人體電磁波的屏蔽性能，為工程設(shè)計提供了理論參考。實驗上研制了軟 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。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)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2004
【分類號】：Q64

【引證文獻(xiàn)】

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2 黃雋;胡云安;張浩然;金焱;;低頻電磁脈沖對復(fù)雜電大目標(biāo)耦合效應(yīng)[J];強激光與粒子束;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)電場分布的數(shù)值模擬和實驗驗證[D];華東師范大學(xué);2010年

4 程煜;脈沖微波對乳鼠心肌細(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：2688583