本文關(guān)鍵詞：THz波輻射生物組織效應(yīng)的研究

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【摘要】：生物電磁學(xué)是近幾年逐漸興起的一門電磁場理論與生物醫(yī)學(xué)的交叉學(xué)科，主要研究與生命組織相關(guān)的電、磁及電磁效應(yīng)，可應(yīng)用于醫(yī)學(xué)上的疾病探測、診斷和治療。隨著人們對電磁波譜研究的深入及高科技的不斷發(fā)展，THz輻射逐漸成為人們的研究重點(diǎn)。THz波具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，其低能性、非電離性，使其不會對材料造成破壞；而且THz波對極性分子(特別是水分子)呈現(xiàn)的強(qiáng)烈的吸收性，，使得研究THz波段下生物組織的特性，具有很大的研究意義和廣闊的應(yīng)用前景，特別是太赫茲成像技術(shù)(TPI)在癌變組織的無損診斷方面有著巨大的應(yīng)用潛力。 基于以上的應(yīng)用背景，本文主要研究兩方面的內(nèi)容，分別為基于異向介質(zhì)結(jié)構(gòu)高增益THz天線的設(shè)計和THz波對生物組織作用的研究。 在第一部分有關(guān)THz天線的研究中，本文提出在天線的介質(zhì)中加入一種人工負(fù)折射率材料——異向介質(zhì)，利用其在某一頻點(diǎn)上折射率為0帶來的垂直折射特性可匯聚天線所輻射的電磁波，從而實現(xiàn)高定向性高增益的天線。基于以上思想，在了解異向介質(zhì)理論基礎(chǔ)后，本文首先設(shè)計典型方形SRR諧振環(huán)結(jié)構(gòu)及其幾種變形結(jié)構(gòu)，并分析它們的結(jié)構(gòu)對負(fù)折射率特性的影響。然后，分別將這些異向介質(zhì)結(jié)構(gòu)嵌入到所設(shè)計的THz天線的基質(zhì)中仿真和分析。仿真結(jié)果表明，與無異向介質(zhì)加載的THz參考天線相比，加載了異向介質(zhì)結(jié)構(gòu)的THz天線能明顯提高增益，減小副瓣電平。最后，本文從理論上解釋異向介質(zhì)能夠提高天線增益的原理。 第二部分是研究THz波段下生物組織的特性。首先簡單介紹了生物電磁學(xué)中應(yīng)用最廣的電磁場數(shù)值計算方法——時域有限差分法(FDTD)的基本原理，概述了生物電磁學(xué)的基本知識。在淺談生物組織在THz波段的特性時，利用雙德拜模型理論分析THz波段下色散媒質(zhì)的介電常數(shù)隨頻率變化的規(guī)律，并推導(dǎo)出其FDTD表達(dá)式。同時，給出了雙德拜模型的實際應(yīng)用，研究分析了水、甲醇、皮膚三種極性物質(zhì)在THz波段內(nèi)的傳輸特性，主要表現(xiàn)是折射率和吸收系數(shù)。同理，也分析了人體健康皮膚細(xì)胞組織和皮膚基底細(xì)胞癌(BCC)的折射率和吸收系數(shù)，其中明顯的差異為THz在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中癌癥鑒別的應(yīng)用提供支持。此外，以人體健康皮膚組織為例，進(jìn)一步討論了雙德拜模型參數(shù)對媒質(zhì)折射率和吸收系數(shù)的依賴性分析。最后，建立含有BCC癌癥組織的簡單皮膚模型，計算平均SAR值的分布，根據(jù)平面分布和縱面分布，可以清晰的看到兩種組織之間的分界線，揭示了THz在醫(yī)學(xué)中的癌癥診斷的潛在應(yīng)用價值。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：R310;TN822

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本文編號：1191100