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全人体电磁模型及其在电磁场生物效应中的初步应用研究

作　者: 陶贵生
导　师: 夏灵
学　校: 浙江大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 时域有限差分法(FDTD) 人体电磁场模型吸收边界条件梯度线圈并行计算
分类号: R35
类　型: 硕士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

本文简述了生物电磁学的发展概况，分析了磁共振成像(MRI)中由时变梯度场感应的涡流对人体外周神经刺激(PNS)和心脏刺激等生物效应机理。由此提出建立全人体电磁模型进行仿真研究的必要性。基于电磁场的时域有限差分法(FDTD)和人体实测电磁特性参数构造出全人体电磁仿真模型软件包，建立本课题所需要的适合于时域有限差分法在网格空间中进行计算的三维数值化人体电磁模型，实现了人体高度任一截面的等磁导线和等电导线图形的显示。针对时域有限差分法中的吸收边界条件的设定这一关键技术，考虑提高计算机的计算速度、节省内存、提高计算精度，对几类典型的吸收边界条件进行了仿真，并对仿真结果进行分析比较，得出使用完全匹配层(PML)比较理想。进行MRI系统中纵向梯度线圈生物效应的初步仿真研究：结合人体电磁场模型，通过用“Maxwell对”实现纵向梯度线圈仿真，计算出全人体的感应涡流分布，得出的结果和阈值进行比较，发现感应涡流已很接近人体刺激阈值。因此，应把感应涡流值作为梯度线圈的优化设计的重要参数。文章最后结合在课题研究中遇到的实际问题进行了分析和思考，提出了优化改进的办法。从节约计算机内存和提高计算速度方面考虑，电磁场数值计算建议采用时域伪谱算法(PSTD)来代替时域有限差分法(FDTD)，并进行了相应的比较和分析。提出采用现在比较流行的并行计算方法应用于仿真计算。

全文目录

目录  2-5
摘要  5-6
ABSTRACT  6-8
第一章绪论  8-15
  1.1 引言  8-12
    1.1.1 电磁场的生物效应的研究概况  8-9
    1.1.2 射频电磁场的生物学效应  9-11
    1.1.3 MRI系统中梯度磁场的生物效应  11-12
  1.2 选题及其意义  12-13
  1.3 本文构成  13-15
第二章人体电磁场数值计算的方法介绍  15-21
  2.1 电磁场数值计算方法的分类  15-16
  2.2 时域有限差分法的基本知识  16-19
    2.2.1 时域有限差分法基本原理  16-19
  2.3 FDTD数值解的求解  19-20
  2.4 数值稳定性分析  20-21
第三章吸收边界条件设定的研究  21-32
  3.1 吸收边界条件的定义  21-22
  3.2 几种典型的吸收边界条件  22-29
    3.2.1 Mur吸收边界条件  22-23
    3.2.2 超吸收技术  23-24
    3.2.3 局域边界条件  24-26
    3.2.4 驻波-行波截断边界条件(STWBC)  26
    3.2.5 PML(完全匹配层)  26-29
  3.3 几种吸收边界条件(ABC)的数值验证及评价  29-31
    3.3.1 用反射系数的评价办法对各种吸收边界的比较  29-30
    3.3.2 用衰减率的评价办法对各种吸收边界的比较  30-31
  3.4 结论  31-32
第四章全人体电磁模型  32-39
  4.1 三维数值化人体电磁模型的建立  32-33
    4.1.1 生物组织的电磁特性  32-33
  4.2 人体电磁模型的研究背景  33-34
  4.3 研究方法  34-36
    4.3.1 基本思路  35-36
  4.4 研究结果  36-38
  4.5 结论  38-39
第五章 MRI梯度场生物效应的初步仿真研究  39-58
  5.1 梯度磁场的生物效应  39-40
    5.1.1 梯度场的心血管效应  39-40
    5.1.2 梯度场的有关安全标准  40
  5.2 梯度和梯度磁场的概念  40-41
  5.3 梯度磁场的作用及产生  41-42
  5.4 涡流的影响  42-43
  5.5 梯度线圈的技术要求和计算方法  43-47
    5.5.1 梯度线圈的主要技术要求  43-47
  5.6 梯度线圈作用于人体电磁模型的仿真  47-58
    5.6.1 仿真模型  47
    5.6.2 激励源的设置  47-48
    5.6.3 边界条件的设置  48-50
    5.6.4 梯度场中的涡流计算  50-51
    5.6.5 仿真结果和讨论  51-58
第六章讨论和展望  58-65
  6.1 本文主要完成的工作  58-59
  6.2 算法的优化和评价体系改进的思考  59-63
    6.2.1 PSTD算法  59-61
    6.2.2 PSTD中的吸收边界条件  61-63
  6.3 采用并行算法  63
  6.4 评价参数的SAR优点和局限  63-65
    6.4.1 SAR的定义  63-64
    6.4.2 SAR的应用及其局限性  64-65
参考文献  65-69
致谢  69

全人体电磁模型及其在电磁场生物效应中的初步应用研究

内容摘要

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