医用天线对人体头部电磁辐射影响的仿真研究

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随着科学技术的迅猛发展和人类生活水平的提高,使人们更加注重医疗和健康问题,医疗诊断及治疗设备也不断翻新,各种无线医疗设备及穿戴式诊断和监测设备也迅速出现在大小医院、康复中心、养老院及注重健康人群的家庭中。在给人们提供监测、康复治疗方便的同时,也会带来不容忽视的电磁辐射问题。因此研究医用天线带来的电磁辐射对人体的影响有着相当重要的理论和实际意义。本文采用数值求解电磁场的两种方法—有限元法和时域有限差分法,结合它们在生物电磁学研究中的应用,构建了两个适用于不同仿真软件的人脑电磁模型,利用COMSOL软件建立了形状和SAM模型相同的人脑电磁模型;应用Photoshop技术处理人体头部的MRI图片,构建了适用于FDTD软件仿真的人脑电磁模型。并设计了两种医用天线,其中一个是微带贴片天线,有GSM900/1800两个频段;另一个是中心工作频率为2.26 GHz的印刷八木天线,其S11参数可达到-16.95 dB。结合医用微带贴片天线和SAM人脑电磁模型构建COMSOL仿真模型,利用COMSOL软件对处于天线近场的人体头部模型吸收的电磁剂量进行了仿真计算,对人体头部模型处于不同的天线辐射环境下(不同的辐射频率、人体与天线的不同距离、天线的不同尺寸等)天线对人体的电磁辐射剂量参数SAR分布和温度T的变化等进行了研究。研究结果表明,电磁辐射对人体的影响与辐射源的发射频率,辐射源与人体的距离以及辐射源的大小都有着密切的关系。应用XFDTD软件对八木天线辐射对人脑的影响进行仿真,发现人脑不同组织的电磁辐射吸收剂量分布是不同的,人脑表面皮肤和一些含水量较高的组织中SAR分布较高,对于电磁波具有较强的吸收特性。我们将得到仿真数据与通用的辐射卫生标准进行了对比,结果表明,我们所设计的医用八木天线在当前的摆放方式下对人体的辐射剂量参数SAR值小于标准值。最后,就人体模型对天线辐射特性的影响,人脑模型的存在改变了天线的辐射方向等问题进行了讨论。
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