計(jì)算電磁學(xué)和并行算法解決生物電磁學(xué)關(guān)鍵技術(shù)的研究.pdf

1、生物電磁學(xué)(bioelectromagnetics)是研究生物體內(nèi)和生物體間電磁現(xiàn)象的一門(mén)新興學(xué)科。隨著技術(shù)的發(fā)展和電磁環(huán)境的復(fù)雜度的提高，電磁輻射產(chǎn)生的生物效應(yīng)問(wèn)題己經(jīng)成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。由于生物體的高度復(fù)雜性，科學(xué)技術(shù)界往往針對(duì)一個(gè)問(wèn)題采用多種方法研究，采用計(jì)算機(jī)模擬是公認(rèn)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(guò)程，這是其他方法所無(wú)法取代的。近些年來(lái)計(jì)算生物學(xué)技術(shù)已經(jīng)成為生命科學(xué)研究和生物醫(yī)學(xué)工程的關(guān)鍵技術(shù)，國(guó)內(nèi)外在該

2、領(lǐng)域的研究正逐步升溫。在國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目和北郵創(chuàng)新基金項(xiàng)目的支持下，本文研究了計(jì)算電磁學(xué)和并行算法在生物電磁學(xué)仿真中的應(yīng)用，特別是研究了人體天線設(shè)計(jì)和最為重要的阻抗方法和時(shí)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(duì)人體內(nèi)的感應(yīng)電流密度分布，分析了藍(lán)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(jì)算機(jī)顯示器輻射模型并分析了對(duì)人腦的影響，提出了可穿戴式網(wǎng)絡(luò)的概念，對(duì)窄帶藍(lán)牙可穿戴式網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了估計(jì)，設(shè)計(jì)了用于可穿戴式網(wǎng)絡(luò)的

3、平面倒F天線和用于無(wú)線超寬帶通信的對(duì)稱(chēng)平面偶極天線(CPD-UWB)。論文的主要貢獻(xiàn)包括以下內(nèi)容： 1 首次完成了阻抗方法的并行化研究，實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證了并行阻抗算法。基于Maxwell方程，通過(guò)離散化網(wǎng)格重新推導(dǎo)了三維阻抗方法，得到了可計(jì)算的電磁波波長(zhǎng)和網(wǎng)格解析度之間的關(guān)系以及離散化計(jì)算方程的生成方式并給出了迭代解法。進(jìn)一步給出了實(shí)現(xiàn)阻抗方法的并行化的通信方式并在8節(jié)點(diǎn)并行計(jì)算系統(tǒng)上通過(guò)消息傳遞界面(MPI)實(shí)現(xiàn)了并行阻抗方法。驗(yàn)

4、證了并行阻抗算法的正確性并評(píng)估了并行計(jì)算效率。 2 根據(jù)時(shí)域有限差分法(FDTD)在生物電磁學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用的需要，重新推導(dǎo)了分裂場(chǎng)形式的FDTD，給出了求解損耗媒質(zhì)中散射電磁場(chǎng)的FDTD方法。進(jìn)一步對(duì)標(biāo)準(zhǔn)FDTD的數(shù)值色散進(jìn)行分析，提出了修改介質(zhì)電參方式來(lái)降低網(wǎng)格數(shù)值色散的方法，最后對(duì)非均勻網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)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(chǎng)環(huán)境中的人體內(nèi)感應(yīng)電流密度的分布情況的通用的數(shù)值模型。進(jìn)一

5、步又仿真了暴露于國(guó)際非電離輻射保護(hù)委員會(huì)(ICNRIP)建議的磁場(chǎng)限值100μT和0.4μT的磁場(chǎng)(流行病學(xué)報(bào)告顯示該磁場(chǎng)強(qiáng)度兒童患白血病的幾率會(huì)增加一倍)中仿真人體模型中感應(yīng)電流密度的分布；仿真了暴露在實(shí)際高壓輸電線附近的人體內(nèi)的感應(yīng)電流密度分布，仿真了重復(fù)經(jīng)顱磁刺激在高解析度的人體頭部產(chǎn)生的感應(yīng)電流密度分布。 4 建立了基于可變網(wǎng)格時(shí)域有限差分法的仿真微波電磁場(chǎng)與人體近距離互作用的數(shù)值模型。仿真了用于藍(lán)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(duì)人體的影響以及人體對(duì)天線輻射的影響，為構(gòu)建人體中心網(wǎng)絡(luò)和可穿戴網(wǎng)絡(luò)提供了理論基礎(chǔ)。 5 基于運(yùn)動(dòng)電荷的電磁輻射原理針對(duì)計(jì)算機(jī)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(chǎng)與電子束電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在此基礎(chǔ)上建立了計(jì)算機(jī)顯示器CRT輻射場(chǎng)的數(shù)值模型。利用建立的CRT電子束的輻射模型計(jì)算了人腦暴露于CRT監(jiān)視屏的電磁場(chǎng)環(huán)境下的比吸收率?；陲@示器CRT輻射模型針對(duì)一種

7、具體的計(jì)算機(jī)監(jiān)視器結(jié)構(gòu)建立了輻射頻譜特性并將理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際偵收實(shí)驗(yàn)得到的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了比較。 6 隨著手機(jī)、藍(lán)牙耳機(jī)、無(wú)線網(wǎng)卡、無(wú)線路由器、可穿戴計(jì)算機(jī)等在人體附近使用的無(wú)線設(shè)備的逐漸普及，對(duì)于人體中心無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究也在不斷升溫。為此，在人體中心網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上提出了可穿戴式網(wǎng)絡(luò)的概念。仿真并設(shè)計(jì)了采用藍(lán)牙技術(shù)構(gòu)成窄帶可穿戴式網(wǎng)絡(luò)的平面倒F天線，對(duì)基于藍(lán)牙窄帶的可穿戴式網(wǎng)絡(luò)的傳輸通道進(jìn)行了測(cè)試和估計(jì)，分析了呼吸、佩戴金屬飾