計算電磁學和并行算法解決生物電磁學關鍵技術的研究.pdf

1、生物電磁學(bioelectromagnetics)是研究生物體內(nèi)和生物體間電磁現(xiàn)象的一門新興學科。隨著技術的發(fā)展和電磁環(huán)境的復雜度的提高，電磁輻射產(chǎn)生的生物效應問題己經(jīng)成為人們關注的熱點。由于生物體的高度復雜性，科學技術界往往針對一個問題采用多種方法研究，采用計算機模擬是公認的必須的研究方法。該方法可以模擬生命體在自然狀態(tài)下的過程，這是其他方法所無法取代的。近些年來計算生物學技術已經(jīng)成為生命科學研究和生物醫(yī)學工程的關鍵技術，國內(nèi)外在該

2、領域的研究正逐步升溫。在國家自然科學基金重點項目和北郵創(chuàng)新基金項目的支持下，本文研究了計算電磁學和并行算法在生物電磁學仿真中的應用，特別是研究了人體天線設計和最為重要的阻抗方法和時域有限差分法。這些工作包括仿真了高壓輸電線、經(jīng)顱磁刺激對人體內(nèi)的感應電流密度分布，分析了藍牙通信系統(tǒng)在人體內(nèi)產(chǎn)生的比吸收率分布，建立了計算機顯示器輻射模型并分析了對人腦的影響，提出了可穿戴式網(wǎng)絡的概念，對窄帶藍牙可穿戴式網(wǎng)絡進行了估計，設計了用于可穿戴式網(wǎng)絡的

3、平面倒F天線和用于無線超寬帶通信的對稱平面偶極天線(CPD-UWB)。論文的主要貢獻包括以下內(nèi)容： 1 首次完成了阻抗方法的并行化研究，實現(xiàn)并驗證了并行阻抗算法?；贛axwell方程，通過離散化網(wǎng)格重新推導了三維阻抗方法，得到了可計算的電磁波波長和網(wǎng)格解析度之間的關系以及離散化計算方程的生成方式并給出了迭代解法。進一步給出了實現(xiàn)阻抗方法的并行化的通信方式并在8節(jié)點并行計算系統(tǒng)上通過消息傳遞界面(MPI)實現(xiàn)了并行阻抗方法。驗

4、證了并行阻抗算法的正確性并評估了并行計算效率。 2 根據(jù)時域有限差分法(FDTD)在生物電磁學領域中應用的需要，重新推導了分裂場形式的FDTD，給出了求解損耗媒質(zhì)中散射電磁場的FDTD方法。進一步對標準FDTD的數(shù)值色散進行分析，提出了修改介質(zhì)電參方式來降低網(wǎng)格數(shù)值色散的方法，最后對非均勻網(wǎng)格技術進行了討論。 3基于并行三維阻抗方法，建立了用于仿真暴露在電磁場環(huán)境中的人體內(nèi)感應電流密度的分布情況的通用的數(shù)值模型。進一

5、步又仿真了暴露于國際非電離輻射保護委員會(ICNRIP)建議的磁場限值100μT和0.4μT的磁場(流行病學報告顯示該磁場強度兒童患白血病的幾率會增加一倍)中仿真人體模型中感應電流密度的分布；仿真了暴露在實際高壓輸電線附近的人體內(nèi)的感應電流密度分布，仿真了重復經(jīng)顱磁刺激在高解析度的人體頭部產(chǎn)生的感應電流密度分布。 4 建立了基于可變網(wǎng)格時域有限差分法的仿真微波電磁場與人體近距離互作用的數(shù)值模型。仿真了用于藍牙通信系統(tǒng)的平面倒F

6、天線電磁輻射在人體中產(chǎn)生的比吸收率分布，分析了天線對人體的影響以及人體對天線輻射的影響，為構建人體中心網(wǎng)絡和可穿戴網(wǎng)絡提供了理論基礎。 5 基于運動電荷的電磁輻射原理針對計算機顯示器陰極射線管(CRT)建立了電子束輻射模型，得到了輻射場與電子束電流的對應關系，在此基礎上建立了計算機顯示器CRT輻射場的數(shù)值模型。利用建立的CRT電子束的輻射模型計算了人腦暴露于CRT監(jiān)視屏的電磁場環(huán)境下的比吸收率?；陲@示器CRT輻射模型針對一種

7、具體的計算機監(jiān)視器結構建立了輻射頻譜特性并將理論計算結果與實際偵收實驗得到的測量結果進行了比較。 6 隨著手機、藍牙耳機、無線網(wǎng)卡、無線路由器、可穿戴計算機等在人體附近使用的無線設備的逐漸普及，對于人體中心無線網(wǎng)絡技術的研究也在不斷升溫。為此，在人體中心網(wǎng)絡的基礎上提出了可穿戴式網(wǎng)絡的概念。仿真并設計了采用藍牙技術構成窄帶可穿戴式網(wǎng)絡的平面倒F天線，對基于藍牙窄帶的可穿戴式網(wǎng)絡的傳輸通道進行了測試和估計，分析了呼吸、佩戴金屬飾