時域偽譜法（PSTD）在電磁場生物效應(yīng)研究中的初步應(yīng)用.pdf

1、由于低頻或射頻電子設(shè)備廣泛地應(yīng)用在工業(yè)、通信、醫(yī)學(xué)等各個領(lǐng)域，越來越多的人暴露在電子設(shè)備產(chǎn)生的電磁場之中，電磁場在人體引起的生物效應(yīng)開始受到生物醫(yī)學(xué)界的關(guān)注。直接在人體上進行電磁場生物效應(yīng)實驗較為困難，計算機建模仿真就成為該領(lǐng)域研究的重要手段。人體電磁模型和電磁場數(shù)值計算方法是進行電磁場對人體產(chǎn)生的生物效應(yīng)仿真的基本工具。 傳統(tǒng)的電磁場數(shù)值算法——時域有限差分(FDTD)法穩(wěn)定而易于實現(xiàn)，但由于FDTD采用中心差分近似Maxwe

2、ll旋度方程的微分，每個波長上需要取的網(wǎng)格數(shù)通常較多，而時域偽譜(PSTD)法采用偽譜法求微分，理論上每個波長只需要取兩個網(wǎng)格便可以達到較高的精度。在本文中，對這兩種數(shù)值算法分別在一維和三維情況下的計算結(jié)果進行了比較，對比了兩種方法在取相同網(wǎng)格數(shù)的條件下的精度，驗證了PSTD在取較少網(wǎng)格情況下的優(yōu)勢，同時也指出了在網(wǎng)格規(guī)模與FDTD方法中相同的條件下PSTD在運算速度上的劣勢，另外還指出了PSTD要求對激勵源進行特殊處理的不甚理想的一面

3、。作為加快PSTD運算速度的措施，本文提出了用從實數(shù)列到實數(shù)列的FFT/IFFT進行偽譜法求導(dǎo)，使PSTD的運算時間節(jié)省了一半。 在模擬磁共振系統(tǒng)梯度線圈產(chǎn)生的磁場的實驗中，分別用FDTD和PSTD進行了仿真。結(jié)果表明，在這類低頻、激勵源幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題中，傳統(tǒng)的FDTD在速度和精度上都要優(yōu)于PSTD。接下來的加入了人體電磁模型胸腹腔部位數(shù)據(jù)的仿真結(jié)果表明，F(xiàn)DTD可以穩(wěn)定而較快地收斂，而PSTD不僅單步運算的時間長，而且難以

4、收斂，對于造成這一現(xiàn)象的原因，本文給出了分析。在以電偶極子為激勵源模擬人體頭部的感應(yīng)電場、計算特異吸收率的實驗中，仿真結(jié)果表明PSTD方法處理這類激勵源結(jié)構(gòu)簡單且其加入方式經(jīng)過特殊處理的問題時可以收斂，在激勵源頻率較高時做粗略的數(shù)值估計具有一定的優(yōu)勢。 這幾個實驗的結(jié)果表明：在波長遠遠大于計算區(qū)域規(guī)模的這一類問題中，F(xiàn)DTD以其運算速度快、激勵源不需要特殊處理的優(yōu)點總是比PSTD有效得多。模擬磁共振系統(tǒng)梯度線圈產(chǎn)生的電磁場在人體