時域偽譜法（PSTD）在電磁場生物效應研究中的初步應用.pdf

1、由于低頻或射頻電子設備廣泛地應用在工業(yè)、通信、醫(yī)學等各個領域，越來越多的人暴露在電子設備產生的電磁場之中，電磁場在人體引起的生物效應開始受到生物醫(yī)學界的關注。直接在人體上進行電磁場生物效應實驗較為困難，計算機建模仿真就成為該領域研究的重要手段。人體電磁模型和電磁場數值計算方法是進行電磁場對人體產生的生物效應仿真的基本工具。 傳統的電磁場數值算法——時域有限差分(FDTD)法穩(wěn)定而易于實現，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格數通常較多，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格便可以達到較高的精度。在本文中，對這兩種數值算法分別在一維和三維情況下的計算結果進行了比較，對比了兩種方法在取相同網格數的條件下的精度，驗證了PSTD在取較少網格情況下的優(yōu)勢，同時也指出了在網格規(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列到實數列的FFT/IFFT進行偽譜法求導，使PSTD的運算時間節(jié)省了一半。 在模擬磁共振系統梯度線圈產生的磁場的實驗中，分別用FDTD和PSTD進行了仿真。結果表明，在這類低頻、激勵源幾何結構復雜的問題中，傳統的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據的仿真結果表明，FDTD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電場、計算特異吸收率的實驗中，仿真結果表明PSTD方法處理這類激勵源結構簡單且其加入方式經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值估計具有一定的優(yōu)勢。 這幾個實驗的結果表明：在波長遠遠大于計算區(qū)域規(guī)模的這一類問題中，FDTD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。模擬磁共振系統梯度線圈產生的電磁場在人體