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[硕士论文] 孙雨薇
电子与通信工程 西安电子科技大学 2015(学位年度)
摘要:本文主要研究如何提高2.4GHz细胞辐照系统中细胞层比吸收率(SAR)分布和细胞液SAR分布均匀度问题,并分析细胞层SAR分布均匀度较好情况下辐照系统的辐射效率。
  首先介绍了生物电磁学、FDTD时域有限差分算法基本理论及其相关内容,基于此建立了三个仿真模型,即培养皿模型、矩形波导谐振腔模型和TEM小室模型。分别对矩形波导谐振腔E极化和H极化下细胞SAR分布进行仿真计算,得到其细胞层SAR分布相对标准偏差(RSD)分别为33.84%和51.44%;其细胞液S AR分布RSD分别为60.16%和54.18%。
  然后为提高细胞 SAR分布均匀度,对培养皿置于磁场最大和电场最大两种情况,采取旋转矩形波导谐振腔的方式分别进行优化。仿真分析后得到当矩形波导谐振腔绕y轴旋转90度,将培养皿置于磁场最大处得到的细胞层 SAR分布 RSD为16.93%。当将矩形波导谐振腔绕x轴旋转10度,培养皿置于电场最大处得到的细胞液SAR分布RSD为44.65%。再分别对矩形波导谐振腔中细胞层SAR分布均匀度最优的四个设置方案,分析计算其辐射效率。
  最后,由于 TEM小室与矩形波导场分布存在相似性,因此对 TEM小室辐照系统是否适用于所提出的优化方案进行了仿真验证。得到当将TEM小室绕平行于y轴且穿过培养皿中心的轴线旋转142度时,细胞层SAR分布RSD为32.08%。当将TEM小室绕平行于x轴且穿过培养皿中心的轴线旋转50度时,细胞液SAR分布RSD为42.69%。并且对 TEM中细胞层 SAR分布均匀度最优情况,分析计算其辐射效率。由仿真结果可以看出,本文优化方法有助于提高细胞培养皿辐照均匀度。
[博士论文] 张亮
生物医学工程 国防科学技术大学 2015(学位年度)
摘要:生物组织介电特性是生物体吸收和耦合电磁能量的表征基础。因此,生物组织介电特性是研究生物电磁效应的基础要素,对于研究疾病诊断与治疗手段、生命活动规律等具有十分重要的意义。尽管自上个世纪以来,关于生物组织介电特性检测方面的研究已经积累了相当多的成果,但现有成果离实际应用层面仍然有一定的距离。
  本文考虑了生物组织结构特点,在射频段重点开展了对生物组织介电特性的探头检测方法及其参数模型拟合方面的研究工作。主要研究了以下几个方面的内容:
  改进了生物组织介电特性终端开路同轴探头检测计算方法。结合仿真实验结果修正了传统等效电路分析模型,并结合优化算法解决了修正后模型的计算问题。仿真与实测结果表明,修正后的模型解决了传统模型高频段计算误差较大、对标校物要求较高的问题,提高了检测结果的稳定性。
  提出了含有特异物质的非均匀生物组织介电特性检测与分析方法。通过仿真手段论证了终端开路同轴探头对非均匀生物组织介电特性检测的可行性,研究了特异物质的尺寸以及深度位置对介电特性检测结果的影响。引入了混合定律,解决了非均匀生物组织介电特性检测中的各物质介电特性之间关联问题。
  提出了各向异性生物组织介电特性检测方法。设计了新的检测探头,使其能够通过一次测量操作完成正交方向上被测物介电特性的检测工作,进而避免了多次测量操作引入的误差。通过仿真与实测验证了该探头对各向异性物质介电特性的检测能力以及探头实用的可行性。
  研究了生物组织介电特性在频域内分布的多阶 Debye参数模型。利用模拟退火算法对介电谱数据进行了参数模型的拟合,并通过动物实验对其拟合效果进行了验证。
  通过本文的研究,解决了传统生物组织射频段介电特性检测方法在高频存在误差且对标校物依赖程度较高等问题,并且进一步从生物组织结构特征出发提出了非均匀生物组织和各向异性生物组织介电特性检测方法,拓展了生物组织介电特性检测的研究思路。
[硕士论文] 李羲
生物物理学 中南林业科技大学 2015(学位年度)
摘要:生物电磁效应的研究为电磁辐射的生物效应的利用及防护提供更多的科学依据,同时也为医学诊治提供新的方法和手段。现有电磁与生物体作用的理论主要集中在研究一定频率和功率电磁波与生物体耦合效应方面,但在电磁波与生物体作用时生物体内部吸收的电磁波能量分布方面并没有详细研究。由于电磁波具有干涉衍射现象,导致生物体内各部位接受的辐射能量并不均匀。电磁波辐射能量分布对生物热效应影响很大,例如微波治疗肿瘤时,需将微波定向耦合到肿瘤处,正常组织则要求尽量降低吸收微波辐射能量,因此研究电磁波辐射能量在生物体内的分布规律非常有意义。本文以微波电磁场与杨木(Populus spp.)和镰形木荚苏木(E.falcata)两种原木相互作用为例,主要研究电磁波与生物体的耦合规律及其热效应。
  本文阐述了电磁波与生物体相互作用理论基础,其中包括微波与生物体作用的物理机理、微波的传输通道波导和耦合腔体谐振腔,并在此基础上创建各种谐振腔腔型的理论模型,引入有限元分析方法对耦合模型进行数值计算分析。分别研究了圆柱形谐振腔、正馈入矩形谐振腔、斜馈入矩形谐振腔和谐振腔尺寸对原木内温度分布均匀性和微波能量利用效率的影响,得出微波与原木的耦合规律。最后用实验验证模拟结果原木内温度分布的正确性。
  本文的重要结论总结如下:
  1.木材与微波耦合谐振腔设计。通常馈入口较多、谐振腔体积较大有利于提高木材内温度分布均匀性,但具体馈入口数和谐振腔体积还需具体分析;谐振腔尺寸与能量利用率有关,对于一定尺寸木材,存在最佳谐振腔尺寸范围:一般来说三口馈入微波木材耦合效果较其他馈入方式好,要注意微波波长与谐振腔的匹配。
  2.实验规律总结。微波与木材耦合时,三口馈入中心区域为各馈入微波的干涉加强区域,能量集中,中心区域比边缘区域升温快,这种温度分布有利于原木干燥且温度分布较为均匀,在馈入相同能量的条件下,过高的功率反而导致干燥效率降低,大功率在一定程度上会造成大损耗,不利于木材对微波能量的充分吸收。
  3.实验验证模拟结果。实验与模拟温度分布整体上是相符的,只是个别点有较大差别,这些差别的原因很可能是木材内部局部电学和热学性质的变化。实验验证了模拟的正确性,可以用模拟仿真的方法研究和设计微波谐振腔。
[硕士论文] 赵晓伟
电磁场与微波技术 厦门大学 2015(学位年度)
摘要:生物电磁学是研究电磁波与生物系统相互作用的边缘交叉学科,其研究涉及到社会及人们生活的方方面面,因此受到社会各界越来越多的关注。高强度短脉冲电场能诱导细胞及囊泡电融合,广泛应用于生物技术和医学方面。本文中我们利用粗粒化分子动力学方法模拟了在高强度短脉冲电场下,小型囊泡发生融合的不同方式,提出了对于囊泡在强脉冲电场中电融合的分子尺度细节的深刻理解。我们的模拟展现了囊泡在电场中三种不同的融合方式,根据融合过程中囊泡的演变分别命名为:修正杆状模型、开孔半融合模型和双开孔合并模型,这些融合方式可以由融合早期电穿孔时囊泡的破损情况来确定。我们的模拟结果表明高强度短脉冲电场诱导细胞或囊泡融合是一种快速、有效且可控的方法。
  此外,纳米生物电磁技术是也当前生物电磁学研究的一个重要领域,主要研究在纳米尺度下电磁生物效应以及纳米生物材料的电磁特性及应用等,为生物医学的应用发展及基础理论的研究提供了新的途径。近年来纳米生物技术成为国际生物技术领域的前沿和热点之一,其中,由于纳米生物材料在电磁学、光学、化学等方面都展现出独特的性质,而成为药物运输、靶向的基因治疗载体系统的良好介质。本文介绍了单分子C60及其聚合物穿过囊泡的粗粒化分子动力学研究,与平面膜相比,我们发现C60在穿透囊泡膜时表现出了独特的性质。富勒烯在囊泡双层膜中的最终位置附着在靠近囊泡膜的内层磷脂分子头部区域,这种特性能够通过勒纳德琼斯(LJ)相互作用能和C60沿径向穿过囊泡膜的自由能(由平均力势PMF表示)分布来得到验证。我们的研究还表明当水溶液中C60的浓度不高时,C60的穿透并未对囊泡膜的结构有较大的影响。我们的研究阐述了C60和囊泡相互作用的机制,同时为C60穿入囊泡膜提供了一个强有力的证据,可为药物或基因运输选择载体注入的最佳位置提供很好的蓝图。
[硕士论文] 徐德文
生物医学工程 河北工业大学 2014(学位年度)
摘要:电子系统受到复杂电磁环境的影响可能会导致失灵甚至损毁,而传统的电磁防护存在防护主动性和自我修复性差等缺点,因此急需寻找新的电子系统抗扰及防护方式。由于生物网络具有“自组织、自适应和自修复”等特性,使得生物体在复杂电磁环境中能够保持自身内环境的稳定性。因此,对生物网络的特性进行研究能够为电磁防护提供新的思想和解决方案。
  基因调控网络是一种重要的生物网络,具有复杂性、稳定性等特性,基因调控网络中具有代表性的是P53基因调控网络,本文基于布尔网络建模方法,对P53基因调控网络进行分析,研究网络的逻辑特性及数字化表达。主要工作如下:
  1、实现了P53基因调控网络的可视化,通过可视化得到了P53基因调控网络中各节点的入度分布,根据入度分布构建了单中心基因的连接类型及对应逻辑电路。
  2、对P53基因调控网络进行数据处理,通过编程实现了各节点连接类型的自动选择,并结合权值矩阵对各连接类型的输入进行判断,为P53网络中各基因选择了相关的连接类型及对应的逻辑电路,并对基因调控网络逻辑电路的稳定性进行了初步的分析。
  3、从模体的角度对P53基因调控网络进行了分析,构建了三种不同的随机网络,分别对P53基因调控网络进行模体检测,对检测到的模体进行了逻辑电路的转化,并对其稳定性进行了分析。
[硕士论文] 杨娜娜
生物医学工程 河北工业大学 2014(学位年度)
摘要:在信息化的大背景下,环境中充斥着各种各样的电磁场,电子系统在这样的环境中长期运行,会引起部件故障导致系统的工作性能下降。虽然人们采取了诸如接地、屏蔽、滤波等传统手段尽量降低电磁对电子系统的干扰,如何从根本上提高电子系统的可靠性是一个棘手的问题。面对复杂电磁环境,生物体在神经系统的调控下表现出的自组织、自修复、自适应的特性成为人们关注的焦点。本文围绕所构建的具有STDP机制的脉冲前馈神经网络对什么样的干扰有抗扰作用,抗扰能力有多大的问题展开研究。主要工作如下:
  (1)单个神经元的抗扰研究。通过对多突触前输入单个突触后输出连接模型中的突触后神经元添加噪声和减少突触前神经元的输入两种干扰,观察干扰对单个神经元信息编码的影响。研究结果表明,单个神经元对加噪声的刺激电流和突触前输入数量减少具有一定程度的频率抗扰能力。
  (2)脉冲神经元网络的抗扰研究。构建多层前馈神经元网络,进行网络输入层引入噪声和损伤输入层节点两种方式的仿真实验,探究网络的抗扰能力。结果表明,基于STDP机制的前馈脉冲神经网络对输入层刺激电流的噪声具有抗扰能力,对一定程度的节点损伤具有频率抗扰作用。
[硕士论文] 韩杰
生物物理学 东北林业大学 2014(学位年度)
摘要:利用不同强度磁场50mT,100mT,150mT,200mT,250mT,不同处理时间0.5h,1h,1.5h,2h,2.5h,处理大豆玉米,并对大豆玉米的生物学效应、过氧化物酶、淀粉酶活性和玉米蛋白酶活性、大豆中大豆异黄酮含量,进行了测定,得到以下几点:
  (1)磁场可以促进大豆和玉米的萌发,经磁场处理的大豆玉米其发芽势、发芽率、发芽指数均有不同程度的提高。磁场还可以促进大豆玉米的生长,对于大豆根长,200mT1h为能够促进大豆的生长最佳磁场处理强度,当磁场强度与处理时间的乘积为200mT·h到250mT·h时对大豆生长作用最好。同样的对于玉米200mT1h也是最佳的磁场强度,当磁场强度与处理时间的乘积为200mT·h对玉米生长作用最好。
  (2)磁场可以促进大豆玉米过氧化物酶的活性。对于大豆150mT1h为最佳磁场处理强度,当磁场强度与处理时间的乘积在100mT·h到200mT·h之间是大豆过氧化物酶活性的最佳范围。对于玉米,250mT1.5h为最佳磁场处理强度,当磁场强度与处理时间的乘积为375mT·h时对玉米过氧化物酶活性促进最大。
  (3)磁场还可以促进大豆玉米淀粉酶的活性。对于大豆150mT1h为最佳磁场处理强度,当磁场强度与处理时间的乘积为150mT·h到250mT·h之间是大豆淀粉酶活性的最佳范围。对于玉米50mT1.5h为最佳磁场处理强度,当磁场强度与处理时间的乘积为25mT·h时对玉米淀粉酶活性促进最大。
  (4)磁场对玉米蛋白酶,大豆次级代谢产物大豆异黄酮产生影响。对于玉米200mT为其最佳磁场强度,当磁场强度与处理时间的乘积在300mT·h时对玉米蛋白酶的活性促进作用最大。对于磁场对大豆异黄酮含量的影响,当磁场强度为150mT1h时大豆异黄酮含量最高为1.227mg/g相比对照提高了11.8%,当磁场强度与处理时间的乘积为150mT·h时大豆异黄酮含量最高。
  (5)磁场对大豆和玉米的影响是多方面产生的结果,本文认为磁场对酶的主侧链产生了扰动影响了酶的结构从而改变了酶的活性,磁场还可以影响次级代谢产物中的化学键,可以使化学键断裂或重合从而改变次级代谢产物的含量。磁场对大豆,玉米的影响并不是磁场强度越大,处理时间越长效果就越好,这是由磁场中处理对象本身的性质所决定的。
[硕士论文] 谭小飞
生物医学工程 中南大学 2014(学位年度)
摘要:粮食是人类赖以生存和发展的基本生活资料,在人民生活和国民经济发展中具有特殊的地位和作用。但在粮食的储藏过程中经常遭受虫、霉等有害生物的影响,造成了极大的损失,储粮害虫的绿色防治一直是国内外关注的重要研究课题之一。本文以磁场的非热生物学效应为理论研究基础,结合生物磁场理论,提出并设计研发了一种磁场靶向干扰灭虫装置。以虫卵为实验对象,进行一系列磁场靶向干扰实验,通过实验数据的采集,结合磁场生物学效应的机理进行综合分析,获得了储藏物害虫防治的理论与装置的研究成果。
  本文首先参考了大量前人的研究结果和资料,对磁场生物效应的机制有一定的了解,为自己的研究确定一个方向。在接下来的几个章节中分别介绍了磁场的搭建、干扰装置硬件和软件系统的设计、磁场干扰实验等内容。在磁场的搭建中,首先对单块永磁体、双磁体激发的空间磁场进行分析,推导出解析表达式;接着对永磁体的磁场进行了实际测量,证明了解析式的正确性;最后运用matlab软件对磁场的空间进行仿真,来指导构建均匀磁场。干扰装置的设计重点在于通过单片机控制直流电动机,带动培养平台在磁场中旋转,达到磁场干扰的目的。通过软硬件系统的设计,实现了电动机的键盘控制和转速实时显示,包括了启动、停止、正/反转、加/减速等功能。在磁场干扰实验中,以蚕卵为实验对象,设定以磁场强度、干扰频率、干扰时间为参量的靶向干扰系数,当干扰系数接近或等于靶标值时,能对蚕卵的孵化造成极大的影响,包括了蚕卵里胚子发育的“滞后”和蚕卵孵化率的降低等。实验的结果证明了干扰装置的有效性,同时也证明磁场干扰对蚕卵的孵化有杀伤作用。
[硕士论文] 霍转转
生物学 中南大学 2014(学位年度)
摘要:趋磁螺菌因其能形成磁小体而具有趋磁特性,本文致力于自行设计并组装一种趋磁螺菌群体磁性检测仪,并以趋磁螺菌Magnetospirillum gryphiswaldense MSR-1为测试对象,利用该检测仪半定量检测其群体磁性,以解决趋磁螺菌群体的胞内磁小体形成情况难以表征的困难,为趋磁细菌的磁性表征提供方便、快捷、灵敏的检测手段。
  首先,本文基于光散射原理自行构建了趋磁螺菌群体磁性检测仪,包括磁系统和光电检测系统。磁系统由永磁体、硅钢片和纯铁片组成,产生42 mT匀强磁场;光电检测系统由可充电蓄电池、发光二极管、硅光电池、精密万用表、支架等构成,分别检测趋磁螺菌在匀强磁场与光线平行和垂直时的光散射值。所构建匀强磁场用MATLAB偏微分方程工具箱和ANSYS软件建模并分析后,结果均显示该磁场为匀强磁场,且磁感应强度的实际值与模拟值无显著性差异,具有一致性;光电检测系统具有良好的稳定性和灵敏性。
  然后,对Magnetospirillum gryphiswaldense MSR-1的培养条件进行了优化研究,以期在具有较高生物量的同时可获得高产量磁小体。分别探索了接种浓度、装瓶量、补充铁源、Zn2+等因素对该菌生长及磁小体形成的影响。结果表明,初始接种浓度为1×106个/mL时延滞期较短且稳定期较长,较为适宜;不充氮气仅通过装瓶量控制氧浓度不能满足该菌生长的需要;在对数期中期补充铁源可以有效增加磁小体产量,平均每个菌体增加4.3个磁小体;补充Zn2+不但不能提高最大生物量和磁小体产量,却扰乱磁小体链状。
  最后,本文利用以上检测仪检测MSR-1群体磁性,以验证仪器性能。制备梯度样品,使含磁小体菌体占总菌体百分比分别为0%,20%,40%,60%,80%,100%,并测其在平行与垂直磁场下的光散射值,分别记为OD//和OD⊥,定义磁性物理量:Cmag=(OD///OD⊥)-1。结果显示,含磁小体菌体百分比与Cmag呈线性相关,一元回归方程为y=2.2029x+0.0519,R2=0.9383;经F检验,回归方程线性在0.01水平上具有显著性;t检验的P值0.001460028<0.0015,说明其回归系数置信度达99.85%以上。
[硕士论文] 王周鹏
工程力学 重庆大学 2014(学位年度)
摘要:传统的药物传递系统通常采取静脉注射的方式将药物运送到血管中,然后通过血液自身的流动将注射的药物带动到全身以及病变的区域,由于药物分散到全身,在病变区域的相对浓度较低,所能达到的治疗效果相对较低,可能导致治疗周期性延长,治愈效果减弱。如欲获得更理想的治疗效果,就必须加大药物剂量,这样就能在目标区域得到治疗的理想浓度,但是药物对正常细胞会产生负面效果,对人体带来一定程度的损伤。为了克服传统医学上的这些问题,人们提出了许多药物靶向递送的方法,但是这些方法都还处于理论和模拟阶段,应用到临床中尚需时日。其中的一种方法,即将治疗药物包裹到磁性纳米颗粒上,然后通过外部条件的控制有效地实现颗粒在体内有目的的传送、聚集和对已经病变的区域实现靶向性的治疗。实用上,可将治疗药物裹覆在集群磁性颗粒的表面,通过外部放置磁场的定向引导,最终将药物递送到体内发生病变的区域目的性的释放。如此不仅降低了传统递送的缺点以及毒副作用,而且更直接地增加了局部区域的药物浓度,有利于提高治疗,降低药物对正常细胞的副作用。这些药物靶向输运的优越性无疑对包括癌症在内的疾病的治疗具有巨大的应用前景和市场需求。
  本文介绍了在血液的粘性和外磁场作用下载药物微粒在血管中的流动、聚集等力学特性,建立了一个数学模型。进而忽略颗粒的重力、浮力等影响以及颗粒之间的相互作用,重点分析了粘性阻力和磁场力对颗粒流动的作用,提出了载体颗粒的流动模型。模型从理论上描述了磁性载体颗粒在血管中流动时磁矩对颗粒轨迹的影响以及微粒半径对颗粒捕捉效率以及与磁场强度的关系。借助Matlab数值分析了磁性载体微粒的运动过程;用计算流体力学方法和 Fluent软件模拟了磁矩、颗粒半径等对磁颗粒捕获的作用;仿真结果与数值结果基本一致,得到了三维空间中不同条件的捕获效率。
  由于外部磁场条件的导向,取得了治疗药物目的性聚集的效果。数学模型模拟结果和仿真结果有相似的颗粒聚集特征。因此,本文中提出的数学模型在一定条件下描述了载药颗粒的流动、聚集与外部磁场强度的关系。利用所提出的流体动模型分析了磁性载体的流动与颗粒半径和磁矩的关系,可为磁性药物靶向递送的应用提供参考。
  
[硕士论文] 张渊
外科学(神经外科) 第三军医大学 2014(学位年度)
摘要:前言:目前手机已经成为人们日常生活中不可缺少的基本工具,手机辐照是否会对人体造成影响,会造成何种影响,其影响机制如何,有何防护手段等问题也被人们时常提及却还未得到根本解决。目前也有较多关于手机辐照对机体影响的研究,但各个实验室之间实验结果差别较大,因此需要对手机射频电磁场的生物学效应做进一步研究。
  目的:本实验主要探索手机辐照对大鼠空间学习记忆能力、脑组织超微结构和对血脑屏障通透性等的影响,并对结果进行综合分析探讨指标的相互联系,增加实验的说服性。
  方法:采用工作频率为900MHz,功率密度为1mW/cm2的射频电磁场发生仪,来模拟市面上最常用的移动电话的使用环境。将48只成年雄性SD大鼠随机分为辐照组和假辐照组两个大组,每个大组又由实验14天及实验28天将动物随机分为两个小组,每个小组共12只大鼠。实验大鼠在柔性大鼠固定器下每天接受辐照或假辐照3小时。完成辐照或假辐照后,分别采用Morris水迷宫实验测量每组大鼠空间学习记忆能力变化、透射电镜观察大鼠脑组织超微结构改变,并使用脑组织血浆白蛋白渗出来评价血脑屏障通透性变化,以及应用HO-1免疫组化染色来反映大鼠脑组织氧化应激水平。
  结果:Morris水迷宫实验空间探索阶段,辐照28天组大鼠平台所在位置的穿越次数明显减少,通过目标象限时间的百分比和路程百分比也明显低于其他各组大鼠。透射电镜下见辐照组大鼠脑组织皮层和海马区出现明显的神经元损伤以及血管结构受损。脑组织白蛋白免疫组化染色和 HO-1免疫组化染色也发现辐照组大鼠脑组织出现大量阳性表达,其中尤以辐照28天组更为明显。
  结论:手机所产生的射频电磁场辐照可以造成大鼠空间学习记忆能力明显下降,脑组织超微结构破坏,引起脑内氧化应激水平的增高。以上改变可能与手机辐照造成的血脑屏障通透性增高有关。
[硕士论文] 韩曙光
生物化学及分子生物学 电子科技大学 2014(学位年度)
摘要:长期血糖过高破坏了人体的内环境,影响多个脏器的功能,严重影响到了人类的生活质量,在各种治疗高血糖疾病的研究中采用生物电磁学的手段研究相对较少。本课题针对上述现象,在成功构建了高血糖动物模型的基础上,对这些模型分别进行了磁场照射、远红外照射、磁化水处理以及协同处理,然后检测了血液以及组织的生理特性及电学特性,结果发现:
  (1)磁化水处理及远红外照射后高血糖大鼠血液中的血糖浓度及糖基化血红蛋白值含量降低;
  (2)磁化水处理及远红外照射后与对照组对比,高血糖模型血液、肝脏、肾脏、全脑和睾丸的介电常数降低、电导率提高,但不同组织变化程度有所不同;而磁场照射并未获得上述结果;
  (3)傅立叶变换红外光谱结果显示磁化水处理、远红外处理导致血液成分和蛋白含量发生一定变化;此外,通过比较不同条件下的高血糖大鼠模型血液傅里叶变换红外比值I1221cm-1/I1640cm-1,发现磁化水处理后数值更接近与对照组数值。
[博士论文] 杜现礼
生物医学工程 国防科学技术大学 2014(学位年度)
摘要:自然界中一些动物具有精妙的地磁导航本能,是目前人工地磁导航技术所无法比拟的。本文以典型地磁导航鸟类—鸽子为生物样本,针对磁敏蛋白的地磁场信号感知与传导开展生物学研究,获得了新的发现,取得了阶段性进展。
  依据鸟类磁敏蛋白—隐花色素的序列保守性,成功克隆了鸽子隐花色素基因并将其命名为clCRY1,该基因信息已被Genebank数据库收录(序列号KF280584)。采用杆状病毒表达系统,表达并纯化了具有生理活性的clCRY1蛋白。分析了鸟类隐花色素高度保守的结构与其功能的相关性,并对磁敏感信号的感知与传递起关键作用的FAD辅基进行了深入分析讨论。
  针对生物磁敏感过程所必需的光激发等关键因素,分析了不同条件下clCRY1蛋白的光谱特性及分子内光致氧化还原反应。在此基础上,本文利用时间分辨荧光光谱技术研究clCRY1的磁敏感特性。在模拟地磁场的人工磁场环境中,clCRY1在常温常压条件下表现出对μT级磁场的特异性响应。该结果是鸟类隐花色素具备地磁场响应能力的直接证据,相关技术方法及结果均未见国内外报道。随后,从原理上解释了clCRY1蛋白瞬态荧光光谱受磁场影响的机制,分析了clCRY1分子内磁罗盘的几个关键要素,并提出了鸟类隐花色素磁敏感过程的两种光化学反应机理。
  本文进一步从蛋白质相互作用的角度探索了隐花色素磁敏信号的传导机制。通过酵母双杂交文库筛选的方法,获得了8个与clCRY1蛋白发生相互作用的下游受体蛋白。考察了光照及磁场条件的影响,并结合这些clCRY1互作蛋白的功能分析,对其参与磁信号通路的可能性进行了分析预测,为深入研究生物磁敏感信号传导机制提供了重要参考。
  本文还利用隐花色素广泛存在于各类生物体内的特点,在植物样本拟南芥中,开展了隐花色素融合蛋白、PHR结构域及突变体的功能与活性研究,从而回避了鸽子体系难以进行体内研究的问题,为动物磁敏感生物学机理研究方法进行了新的探索。
[硕士论文] 崔郁洁
生物物理学 复旦大学 2014(学位年度)
摘要:电磁场是一种以光子为传播介质的场,从地球本身的电磁场到日常生活中用电设备产生的电磁场,从广播到X射线、伽玛射线和宇宙射线,都是电磁场的存在形式。随着越来越多的用电设备投入使用,如手机、Wi-Fi、可穿戴设备如Google眼镜等,人们已经实际意义上被电磁辐照包围,公众对于电磁辐照是否存在负面效应尤其是对健康的影响的担忧也日益增加。目前公认的电磁场的生物学效应包括热效应和非热效应,学界已经对电磁辐照的热效应及其机制有了较为透彻的了解和应用,微波炉的普及就是最好的例证。但是对于非热效应的机制依然存在广泛的争议,尤其是对于极低频电磁场来说,如何利用能量较弱的光子来实现其非热效应,仍然是一个困扰众多科学家的谜题,但是随着研究手段的越来越先进和多样化,科学家们正在接近极低频电磁辐照影响生物学功能现象背后的本质。
  近年来,钙稳态成为极低频电磁场生物学效应研究的焦点。有研究表明电压门控型钙通道可能是极低频电磁场的直接靶点之一。以往对极低频电磁场对电压门控型钙通道的作用研究主要集中在L型钙通道,如L型钙通道抑制剂之一尼福地平,可以抑制由极低频电磁场引起的大鼠嗜铬细胞的轴突状生长,又如通过增加L型和N型钙通道蛋白的表达,极低频电磁场促进了人神经瘤IMR32和大鼠垂体GH3细胞的增殖。另外,N型钙通道也参与极低频电磁场引起的生物学效应。尽管有以上诸多发现,目前还没有关于极低频电磁场辐照对T型钙通道作用的报道。
  本文中我们首先研究了极低频电磁场辐照(50Hz,0.2mT)对于表达在HEK293细胞系中的人T型钙通道(Cav3.1/3.2/3.3)的作用。与其对高电压激活钙通道的激发作用相反,极低频电磁场辐照抑制了T型钙通道的三种亚型,其中对Cav3.2通道的抑制效果最大,而且该抑制效应呈现出时间依赖性,在1小时达到峰值,在二小时后消失。辐照1小时后,Western blot结果显示,与对照组相比,Cav3.2通道蛋白的表达量没有显著变化,T型钙通道的稳态激活失活特性也没有发生显著改变。极低频电磁场辐照促进了花生四烯酸和白三烯E4从HEK293胞内的释放。分别阻断AA和LTE4释放的阻断剂CAY10502和bestatin能够高效地抵消极低频电磁场辐照对于Cav3.2通道的抑制作用。外源LTE4灌流给药亦可以模拟极低频电磁场辐照对于T型钙通道型的抑制作用,且同样偏好抑制Cav3.2通道。1小时极低频电磁场辐照还抑制了小鼠皮层神经元上内源表达的T型钙通道,外源LTE4灌流给药后,T型钙通道的电流也被抑制,且通道的激活失活特性也没有被改变。根据以上数据我们得出结论,1小时、50Hz极低频电磁场辐照通过花生四烯酸/白三烯E4信号通路抑制T型钙通道。
[硕士论文] 颜青
软件工程 中国海洋大学 2014(学位年度)
摘要:随着科技的发展,各类电磁设备产生的电磁辐射对人体安全的影响逐渐引起国内以及国际的普遍重视。人体在不同频率的高强度电磁辐射环境下会产生不同的病状,受到电磁辐射少可造成身体发热、神经疼痛,受到电磁辐射多可导致神经错乱、心脏衰竭、灼伤乃至致死。由于目前人体植入式医疗设备电源电量的有限性,对于将无线传能系统应用于人体植入式医疗设备进行无线能量补给的研究越来越多,因此人体在无线传能过程中系统产生的电磁辐射环境下的安全性研究就显得极为重要。
  为此,本文针对人体与植入式医疗设备无线能量传输系统电磁环境之间的相互作用原理和电磁仿真方法进行了比较详细地分析研究,主要的研究工作和创新点总结是:
  1.在介绍生物电磁学及生物电磁剂量学基本知识的基础上,对时域有限差分法的基本原理和要点作了归纳。
  2.提出了一种融入等效宽度技术的非均匀网格生成算法,在网格剖分软件中设置x,y,z以及Rx,Ry,Rz,若沿x轴缩小模型尺寸,x可以在符合数值色散公式的基础上设置的大一点进行粗网格剖分;由于非均匀网格剖分方法网格尺寸在x,y,z方向上是不断变化的,因此在获得实际模型的等效尺寸时,需要求得划分为粗网格方向的网格单元尺寸的平均值,即该方向上的模型尺寸与网格数的比值,通过此平均值将计算模型的尺寸在相应方向减小半个网格,得到等效尺寸模型;重复第一个步骤,进行网格剖分。通过实验验证,说明了融入等效宽度技术的非均匀网格剖分算法在FDTD仿真时的准确性和有效性。
  3.将融入等效宽度技术的非均匀网格生成算法应用于植入式医疗设备无线能量传输系统电磁环境下人体头部和人体比吸收率SAR计算当中,研究无线传能系统谐振天线位于人体不同部位时的SAR分布情况,然后将求解结果与现今的国际国内卫生标准进行了比较。
[硕士论文] 黄冬丽
计算机应用技术 广西大学 2013(学位年度)
摘要:随着各种家电、办公和移动通信设备的普及,人们长时间暴露于低强度环境磁场(主要由地磁、工频和射频磁场构成)的强度越来越大,其健康和寿命是否受到影响是全球极度关注的问题。心脏是人体的发动机,心肌细胞膜电压是反映细胞生命活力和功能的一个良好指标,电磁场的作用将改变人体心肌细胞膜电压,打破维持其正常生命活动的离子分布平衡状态,引起心肌细胞产生有利于或不利于其存活的生化和生理状态的改变,对人类健康产生相应的正效应或负效应。因此,在外电场作用下,建立心肌细胞膜电压的计算模型,对掌握细胞膜电压随不同外电场作用的变化规律,更好研究电磁场对人体健康长寿的影响意义重大。本文在研究外电场作用下心肌细胞膜电压和膜功率损耗计算模型的基础上,以世界著名的长寿乡—巴马县作为研究对象,研究电磁场作用对人体健康和长寿的影响,为人们研究和探索电磁场环境对人体健康长寿的影响提供有意义的理论和实验依据。本文的主要研究工作如下:
   (1)首先建立圆柱形心肌细胞的物理模型,在此基础上,建立了外直流电场作用下心肌细胞膜电压的计算模型。模型表明:心肌细胞膜电压的变化取决于外直流电场的大小、场点位置、细胞半径、膜厚度以及细胞质、细胞膜和细胞外液的电导率。
   (2)建立了外交流电场作用下心肌细胞膜电压变化的计算模型。模型表明:心肌细胞膜电压变化除和交流电场的强度、频率、场点位置及细胞半径有关外,还和细胞膜的电导率、介电常数以及细胞内外液的电导率有关。
   (3)基于所建立的心肌细胞膜电压计算模型,研究了外直流和交流电场作用下心肌细胞膜功率损耗的变化规律:细胞膜功耗随直流电场强度的增大而增大;细胞膜功耗在低频电场作用下随频率变化较小,当频率达到一定阈值时细胞膜的介质功率损耗剧增。外电场作用下心肌细胞膜功率损耗计算模型的建立,为心肌细胞电磁生物效应的机理研究奠定理论基础。
   (4)对广西长寿之乡—巴马县各村庄进行地磁和长寿率实地调查和检测,发现巴马长寿村分布呈现“长寿集落区”和“非长寿集落区”,前者地磁普遍较高,多分布在石山地区,而后者地磁普遍较低,主要分布在土坡地带。测试结果表明地磁可能是影响人类健康和长寿的一个重要因素。同时在调查中也发现,随着村民各类家电使用率的增加,巴马一些长寿村患心血管疾病的老人数量加大而长寿率下降,提示一定量的工频电磁场辐射可能会对人类健康和长寿产生负影响。最后基于物质的磁化特性、电磁生物效应存在的“窗口”特性以及电磁场对心肌细胞膜电压和跨膜离子运动的影响等观点,对电磁场对广西巴马人群健康和长寿的影响进行机理探讨,为人类研究电磁场的生物效应提供了有意义的实验和理论依据。
  
[硕士论文] 李宛露
电磁场与微波技术 哈尔滨工业大学 2013(学位年度)
摘要:生物电磁学是近几年逐渐兴起的一门电磁场理论与生物医学的交叉学科,主要研究与生命组织相关的电、磁及电磁效应,可应用于医学上的疾病探测、诊断和治疗。随着人们对电磁波谱研究的深入及高科技的不断发展,THz辐射逐渐成为人们的研究重点。THz波具有独特的优点,其低能性、非电离性,使其不会对材料造成破坏;而且THz波对极性分子(特别是水分子)呈现的强烈的吸收性,使得研究THz波段下生物组织的特性,具有很大的研究意义和广阔的应用前景,特别是太赫兹成像技术(TPI)在癌变组织的无损诊断方面有着巨大的应用潜力。
  基于以上的应用背景,本文主要研究两方面的内容,分别为基于异向介质结构高增益THz天线的设计和THz波对生物组织作用的研究。
  在第一部分有关THz天线的研究中,本文提出在天线的介质中加入一种人工负折射率材料——异向介质,利用其在某一频点上折射率为0带来的垂直折射特性可汇聚天线所辐射的电磁波,从而实现高定向性高增益的天线。基于以上思想,在了解异向介质理论基础后,本文首先设计典型方形SRR谐振环结构及其几种变形结构,并分析它们的结构对负折射率特性的影响。然后,分别将这些异向介质结构嵌入到所设计的THz天线的基质中仿真和分析。仿真结果表明,与无异向介质加载的THz参考天线相比,加载了异向介质结构的THz天线能明显提高增益,减小副瓣电平。最后,本文从理论上解释异向介质能够提高天线增益的原理。
  第二部分是研究THz波段下生物组织的特性。首先简单介绍了生物电磁学中应用最广的电磁场数值计算方法——时域有限差分法(FDTD)的基本原理,概述了生物电磁学的基本知识。在浅谈生物组织在THz波段的特性时,利用双德拜模型理论分析THz波段下色散媒质的介电常数随频率变化的规律,并推导出其FDTD表达式。同时,给出了双德拜模型的实际应用,研究分析了水、甲醇、皮肤三种极性物质在THz波段内的传输特性,主要表现是折射率和吸收系数。同理,也分析了人体健康皮肤细胞组织和皮肤基底细胞癌(BCC)的折射率和吸收系数,其中明显的差异为THz在生物医学领域中癌症鉴别的应用提供支持。此外,以人体健康皮肤组织为例,进一步讨论了双德拜模型参数对媒质折射率和吸收系数的依赖性分析。最后,建立含有BCC癌症组织的简单皮肤模型,计算平均SAR值的分布,根据平面分布和纵面分布,可以清晰的看到两种组织之间的分界线,揭示了THz在医学中的癌症诊断的潜在应用价值。
[硕士论文] 黄绮华
生物医学工程 南方医科大学 2013(学位年度)
摘要:磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)是一种断层成像技术,它通过MRI系统中的射频发射线圈产生的射频脉冲对置于静磁场中生物体内的氢质子进行激发,然后通过接收线圈探测生物体内具有空间编码信息的磁共振(magnetic resonance,MR)信号,这些信号通过谱仪和计算机系统处理可实现对体内组织器官的结构、生理与化学特征成像。MRI广泛应用于临床医学诊断和生命科学研究等领域中。相比其他的成像技术,MRI具有很多优势:第一,MRI具有良好的软组织分辨力;第二,MRI具有任意方向直接切层成像的能力,可对解剖结构或病变进行立体追踪;第三,MRI成像参数多,能够提供许多有价值的诊断信息,使MRI广泛应用于临床;第四,MRI图像不会出现气体及骨伪影;第五,MRI具有良好的空间分辨率和广阔成像视野等优势,用于胎儿成像能更清晰地显示胎儿结构,可以反映胎儿在子宫内代谢和发育信息,尤其在胎儿中枢神经系统异常的诊断中,能为临床医生提供更多有价值的诊断信息,是孕妇产前影像学检查的重要手段;最后,由于MRI激发氢质子成像使用的是射频电磁场,不存在电离辐射损伤,对人体相对更安全。
   近年来,高场和超高场MRI由于其高的空间和时间分辨率等突出优势而逐步广泛应用于临床,在神经、血管、骨关节等临床应用中显示出明显的诊断优势和应用价值,成为MRI系统发展的趋势。目前,临床上1.5 T和3 TMRI系统已经比较普遍,而7TMRI系统虽然还没有在临床普及,但是7 T MRI是当前的研究热点,中国科学院生物物理所于2010年引进了我国首台7 T MRI系统用于脑功能成像的科学研究。此外,胎儿MRI在胎儿中枢神经系统解剖结构及其异常诊断中具有明显的优势,在胎儿的呼吸、消化和泌尿系统均能为超声提供准确的补充信息,因而胎儿MRI是重要的胎儿影像学检查手段,具有重要的临床应用价值。然而,高场和超高场MRI也存在一些缺点,由于人体各组织器官具有各异的介电常数和电导率,MRI系统的射频线圈产生的使人体组织的氢质子发生MR现象的射频电磁场作用于人体时会产生由各组织器官介电性和电导性共同导致的复杂抗电效应,这种效应会导致人体不同部位的电磁波产生不同程度的衰减。此外,射频电磁场在人体内传播时,入射与反射电磁波叠加会产生驻波效应,合并上述的抗电效应,人体内的电磁波存在复杂的相长和相消干涉机制。因而,即使射频线圈在自由空间能产生均匀分布的射频B1场,加载人体后,B1场的分布会变得不均匀,这种不均匀性会降低图像的信噪比、对比度、均匀度和特定组织抑制效果,对图像质量产生一系列的影响,降低图像的诊断价值;其次,MRI射频系统使用的电磁波所属的波段决定了其不会引起电离辐射损伤,但是其与人体组织相互作用产生的抗电效应和驻波效应,会导致射频能量沉积,可引起局部或全身体温升高,带来非电离辐射热损伤。通常,国际上采用特定射频能量吸收率(specific absorption rate,SAR)来衡量人体对射频能量的吸收情况,并设定相应的阈值作为安全标准。因而,射频电磁场与人体组织的相互电磁作用会降低图像质量和可能带来安全问题,有必要结合临床应用需求加强相关的数值研究。
   结合MRI系统向高场和超高场的发展趋势以及胎儿MRI的重要临床应用价值,考虑到MRI系统中射频电磁场与人体之间复杂的相互电磁作用对图像质量和受检者安全的影响,而且B1场分布的均匀性和SAR相互联系且均与MRI系统的射频场与人体组织的相互作用直接关联,成像质量和保证受检者的安全对于MRI都很重要,因而加强高场和超高场MRI下人体组织内B1场分布的均匀性和SAR值随场强变化规律的研究以及对高场和超高场胎儿MRI可能存在的电磁问题进行分析和解决意义都很重大。MRI系统中B1场和SAR的研究涉及到工程实际电磁问题。这一问题往往很复杂,如边界的形状不规则、物质的结构复杂、材料的性能非线性等,求解这些问题需要采用一些电磁场数值计算方法,常用的数值方法主要有矩量法(method of moment,MOM)、有限元法(finite element method,FEM)和时域有限差分(finite difference time domain,FDTD)法。其中,MOM对电磁问题的求解主要是对存在电流分布的区域进行离散化,即用于线圈电流分布的计算,因而不能处理类似人体负载这样的复杂介质,而且求解代数方程组占用了MOM的主要计算时间,矩阵规模的大小直接影响到计算机占用内存的大小,在很大程度上关系到计算速度;FEM可分为前置处理、计算求解和后置处理三个阶段,其各个环节都可以实现标准化,获得通用的计算程序,但是FEM的计算程序复杂冗长,而且是区域性解法,分割的元素数和节点数较多,需要复杂繁多的初始数据,最终得到的方程组的元数也很大,这使得其需要占用较大的内存,数值计算时间也很长,其若应用于射频线圈与具有复杂解剖结构的人体构成的整体的电磁场进行计算势必会对计算机提出较高的要求并降低计算效率;FDTD法用有限差分式替代时域Maxwell旋度方程中的微分式,得到场分量的有限差分式。其具有容易对复杂媒质建模以及不受介质几何形状限制的优点,因而很适合用来对以具有复杂结构和形状的人体为负载的射频线圈所产生的电磁场进行实时计算,其次,其具有很好的宽频带响应优点,适合对瞬态响应进行分析,即其通过计算得到时域数据后,可借助傅里叶变换得到整个频带范围内的频率响应,因而其适用于在数值计算中对射频线圈进行实时调谐。因而,FDTD法提出后在电磁场工程仿真中得到广泛应用,本文也采用FDTD法对人体内射频B1场和SAR进行计算。采用FDTD电磁数值算法求解人体内B1场和SAR,还需要建立人体电磁模型以得到人体内的准确分布并对射频电磁场与人体组织间的复杂电磁作用进行准确分析,考虑到磁共振引导子宫肌瘤超声聚能热消融术的应用需求,以正常女性盆腔为例阐明了第一种三维人体电磁模型的建立方法,其以人体CT断层扫描图像为基础,首先通过精确的人工分割和体绘制的方式建立三维模型,然后对该三维模型进行有限元剖分和三角面片优化,最后通过赋予各组织相应的电磁属性建立三维人体电磁模型。考虑到胎儿MRI的临床应用价值,以孕妇盆腔为例阐明了第二种建模方法,其采用母体模型与胎儿模型相结合的方式重建孕妇盆腔模型,其中母体模型采用上述的女性盆腔模型,根据MRI协会下属的安全委员会关于允许孕后13周的胎儿行MRI检查的建议以及国际辐射防护委员会(International Commission on Radiological Protection,ICRP)提供的关于胎儿模型的参数建立了孕后13周的包含子宫在内的胎儿模型,其包含子宫、胎盘、羊水、胎儿身体和大脑,其中子宫呈梨形,由子宫体,子宫底和子宫颈组成,子宫体由截头圆锥体构成,子宫底和子宫颈分别由子宫体上下两端的半球组成,胎盘在子宫内的上方连接子宫内壁与胎儿,羊水介于子宫内壁与胎儿身体之间并包裹胎儿。
   本文研究的目的在于结合MRI朝高场和超高场发展以及胎儿MRI成为继超声之后又一重要的胎儿成像手段的临床应用需求,在充分考虑射频电磁场与人体组织之间的复杂电磁相互作用的前提下,在数值层面准确分析高场和超高场MRI中B1场分布均匀性和SAR值随场强变化的规律,指出高场和超高场MRI临床应用中应注意的问题;分析常规MRI扫描条件应用于高场胎儿MRI成像时可能存在的问题,指导高场胎儿MRI的实际扫描;分析和解决超高场胎儿MRI存在的安全和图像质量问题。研究表明:随着主磁场强度增加,射频线圈与人体的相互电磁作用增强,人体内B1场的均匀性变差,影响MRI的成像质量,SAR也急剧增加,而且人体对射频能量的吸收向体内组织集中,高场和超高场下各组织的SAR均有可能超出安全阈值并且局部最大值先于平均值超出限制值,危及患者的安全;相同的射频条件下孕妇盆腔内B1场的均匀性比未怀孕女性盆腔内差,孕妇盆腔内各组织的SAR值高于未怀孕盆腔相应组织的SAR值,而且胎儿各组织均具有较高的SAR值,考虑到胎儿组织对射频能量的耐受性比成年人低,因而对MRI系统下孕妇盆腔各组织的SAR值进行数值分析时需要着重考虑胎儿组织,在对孕妇做MRI检查的临床操作中,需要采取缩短检查时间等措施以充分保护胎儿;超高场胎儿MRI下采用合适的B1场匀场技术可有效解决其固有的抗电和驻波效应引起的B1场分布不均匀和SAR值过高的问题,在确保SAR值符合安全标准的前提下提高B1场分布的均匀性,得到适用于临床检查的最佳优化条件。
[硕士论文] 张子钊
信号与信息处理 天津工业大学 2012(学位年度)
摘要:随着移动通信业的快速发展,移动电话的使用人群日益扩大,产生电磁辐射的范围和强度不断提高。由于手机和人们的联系越来越紧密,手机电磁辐射对人体的影响成为近年来的研究热门。据研究,大脑是人体对微波辐射最为敏感的部位之一。手机工作时发出的辐射中,四分之一被大脑吸收。研究表明,GSM通信网络使用的900MHz电磁场影响人的神经行为,会引起神经衰弱等疾病。手机磁场暴露可对神经细胞状态及大脑认知、记忆等神经系统功能产生影响。目前磁场对人体的影响机制尚无定论,有必要在更深层次上研究手机辐射对脑神经的影响。
   本文采用全细胞膜片钳技术,研究900MHz射频磁场对小鼠脑皮层神经元钠离子通道的影响。利用AnsoftHFSS软件对6dB全向天线建模仿真,验证了距天线2-3cm处磁场分布均匀。使用AgilentE4400B信号源产生900MHz信号。经天线发出输出功率为39.81mW的电磁场,对细胞进行刺激。实验发现,900MHz射频磁场暴露5min、10min和15min对钠离子通道电流(Ina)有明显的影响:磁场暴露增大钠电流峰值,暴露组的钠通道激活电位与对照组相比向超极化方向移动了-10mV(n=10),峰值电位向超极化方向移动了-10mV(n=10)。磁场暴露改变钠通道的动力学特性:钠通道激活曲线向超极化方向移动,对照组与磁场暴露组半数激活电压分别为(-34.983±0.34)mV和(-43.137±0.56)mV(n=10,P<0.05),其斜率因子k分别为(2.334±0.15)mV和(2.339±0.36)mV;钠通道失活曲线向超极化方向移动,半数失活电压分别为(-55.809±0.189)mV和(-63.64±0.627)mV(n=10,P<0.05),斜率因子k分别为(4.40±0.147)mV和(5.737±0.54)mV(n=10,P>0.05)。
   结果表明,900MHz磁场暴露改变小鼠脑皮层神经元钠通道(I-V)特性和动力学特性,使得动作电位的开启提前并加快其快速上升阶段。900MHz磁场暴露提高了神经元细胞兴奋性,影响动作电位的形状和传导,改变其生理功能。
   本文应用膜片钳技术研究900MHz射频磁场对大脑皮层神经元钠离子通道的影响,有利于消除个体差异、环境变化等因素造成的误差。为进一步研究电磁场的生物学效应探索道路,奠定数据依据。
[硕士论文] 李珊珊
控制工程 天津大学 2012(学位年度)
摘要:随着当今社会生活节奏的不断加快,精神疾病代替传染病已经成为了威胁人类生命、消耗医药资源最大的疾病。精神疾病的主要体现是脑功能异常,而磁刺激可以影响脑功能。经颅磁刺激(TMS)是目前唯一能够无创式、精确定位治疗与探测脑功能的有效方法,但其机理尚不明确且存在定位困难、高强度等缺陷。在TMS基础上,本文提出一种无创性、低强度、弱磁场、多参数可调的深度经颅磁刺激(DTMS)并使用ANSYS有限元软件分析了其影响脑功能的机理。
  本文首先给出了不同类型、不同尺寸线圈产生的磁场分布图,然后详细分析了在大小、方向相同的电流作用下TMS圆线圈和DTMS双线圈的磁场分布图,给出了线圈中心点所在直线上的磁通密度分布曲线,并归纳总结了影响磁刺激感应磁场的因素,包括线圈尺寸、大脑内部组织的电导率、线圈与组织的相对位置。
  基于上述分析结果,本文提出了新的无创性磁刺激装置—DTMS磁刺激装置,并给出了该系统的总体设计方案,包括人际交互界面设计、线圈相关参数设计及控制电路设计。根据所需刺激强度的不同,本文对DTMS系统刺激波形进行了分析。通过动物和临床实验证明了DTMS磁刺激对神经系统的影响。
  为了研究 DTMS对大脑的作用机制,本文采用有限元分析方法进行电磁场的计算,给出了磁场参数与大脑参数之间的关系;利用ANSYS有限元分析软件,建立了DTMS系统的模型,详细分析了线圈与头部之间的距离及灰质边界电导率发生变化时对DTMS感应磁场的影响,发现了灰质的边界电导率是影响DTMS感应磁场的重要因素,这也是影响某些脑功能的关键因素。
  本文的研究结果为DTMS探测和治疗精神疾病的机制,刻画正常和精神疾病状态下某个皮层功能区域内以及区域之间的神经电活动特性差异提供了理论基础。
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