一种人脑受电磁辐射的高精度计算方法技术

本发明专利技术公开了一种人脑受电磁辐射的高精度计算方法，包括以下步骤：S1.对于人脑模型进行定义:主要考虑人脑模型的尺寸，模拟脑模型内部的生物组织结构，并根据脑模型所处的电磁环境特点，赋予生物组织对应的电磁参数值；S2.人脑模型定义完成之后，使用FCC网格对于目标模型进行网格剖分：剖分过程中首先依据模型特点设置网格大小，然后确定每一个电磁场节点的位置；S3.使用FCC网格对于模型进行剖分后，对于场值迭代过程中参数进行初始化;S4.对吸收层内的参数初始化；S5.设置完吸收层的参数之后，设定时间步长进行电磁场值的迭代计算。本发明专利技术对人脑暴露在电磁环境中可能存在的风险进行评估分析，并确保了人脑电磁辐射能量吸收的计算精度。收的计算精度。收的计算精度。

A high-precision calculation method of electromagnetic radiation on human brain

【技术实现步骤摘要】
一种人脑受电磁辐射的高精度计算方法


[0001]本专利技术涉及电磁辐射，特别是涉及人脑受电磁辐射的高精度计算方法。

技术介绍

[0002]针对日常生活中广泛存在的射频电磁环境，如使用手机上网、电话等情境将人体组织近距离长时间暴露在电磁辐射下，对人体健康造成了潜在的威胁。准确评估生物组织的电磁能量吸收对于衡量生物的电磁安全具有重要的意义。
[0003]时域有限差分(FDTD)方法利用差分方程处理麦克斯韦方程组中旋度方程，从时域角度出发解决电磁问题。因此FDTD方法在针对色散介质，如生物肌体组织、等离子体和雷达吸波材料时具有天然优势。传统FDTD方法计算精度主要受限于数值色散误差。基于面中心网格(FCC)的FCC
‑
FDTD方法采用类似化学上SiC的晶胞结构，从基础的元胞角度出发，降低了传统FDTD方法的数值色散误差。然而为了使用FCC
‑
FDTD方法评估脑模型受电磁辐射，需要开发一种高效率、高精度的吸收边界，从而达到在有限的计算内存中，使用FCC
‑
FDTD方法分析电磁辐射对于人脑的潜在风险。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种人脑受电磁辐射的高精度计算方法，对人脑暴露在电磁环境中可能存在的风险进行评估分析，并确保了人脑电磁辐射能量吸收的计算精度。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种人脑受电磁辐射的高精度计算方法，包括以下步骤：
[0006]S1.对于人脑模型进行定义:主要考虑人脑模型的尺寸，模拟脑模型内部的生物组织结构，并根据脑模型所处的电磁环境特点，赋予生物组织对应的电磁参数值；
[0007]进一步地，所述步骤S1中，依据电磁环境特点中的频率值，赋予生物组织对应的电磁参数值，所述电磁参数值包括介电常数值和磁导率值。
[0008]所述步骤S1中赋予生物组织对应的电磁参数值的过程包括：
[0009]S101.预先建立基于生物组织的频率与电磁参数对应表，表中包含多个频率，以及每一个频率对应的介电常数值和磁导率值；
[0010]S102.根据脑模型所处电磁环境的频率，从对应表中查找相应的介电常数值和磁导率值赋予生物组织。
[0011]S2.人脑模型定义完成之后，使用FCC网格对于目标模型进行网格剖分：剖分过程中首先依据模型特点设置网格大小，然后确定每一个电磁场节点的位置；
[0012]进一步地，所述步骤S2中，电磁场节点的位置包括电场节点坐标和磁场节点坐标；
[0013]设网格大小为Δx、Δy、Δz，FCC网格坐标为(i
s
Δx，j
s
Δy，k
s
Δz)，其中Δi(i＝x，y，z)为FCC网格在i方向上的大小；i
s
，j
s
，k
s
是当前网格在x、y、z三个方向上的编号；
[0014]其中分布的四种电场节点坐标分别为：
[0015]E1＝(i
s
Δx，j
s
Δy，k
s
Δz)
[0016]E2＝((i
s
+0.5)Δx，(j
s
+0.5)Δy，k
s
Δz)
[0017]E3＝((i
s
+0.5)Δx，j
s
Δy，(k
s
+0.5)Δz)
[0018]E4＝(i
s
Δx，(j
s
+0.5)Δy，(k
s
+0.5)Δz)
[0019]该网格内分布的四种磁场节点坐标分别为：
[0020][0021]S3.使用FCC网格对于模型进行剖分后，对于场值迭代过程中参数进行初始化；
[0022]进一步地，所述步骤S3中的初始化内容包括：将整个计算区域的四种电场值和四种磁场值初始化为零；
[0023]并依据人脑模型所处环境的频率值，确定辐射源类型：
[0024]预先建立频率值与辐射源类型的对应表，表中包含多个频率，以及每一个频率对应的辐射源类型；每一类辐射源均具有已知的时域波形和激励时长；
[0025]根据人脑模型所处环境的频率值，从频率值与辐射源参数的对应表中查找相应的辐射源类型，并确定该类辐射源的时域波形和激励时长。
[0026]S4.在计算区域初始化之后，对吸收层内的参数初始化。
[0027]进一步地，所述步骤S4的关键在于确定吸收层内每个网格中每个电磁场节点到吸收层和计算区域分界面的距离；
[0028]所述步骤S4包括以下子步骤：
[0029]S401.初始化吸收层内磁场节点到吸收层和分界面的距离；四类磁场节点到吸收层与计算区域的分界面有两类距离，分别为ρ
m，1
(k)＝(k
‑
0.25)Δi，ρ
m，2
(k)＝(k
‑
0.75)Δi，其中ρ
m，1
(k)、ρ
m，2
(k)表示从磁场节点到吸收层和计算区域分界面的距离，k表示磁场节点到吸收层和计算区域分界面的网格数；
[0030]S402.初始化吸收层内电场节点到吸收层和分界面的距离；四类电场节点到吸收层与计算区域的分界面有两种距离，分别为ρ
e，1
(k)＝kΔi，ρ
e，2
(k)＝(k
‑
0.5)Δi，ρ
e，1
(k)、ρ
e，2
(k)表示电场节点到吸收层和计算区域分界面的距离，其中k表示电场节点到吸收层和计算区域分界面的网格数。
[0031]S5.设置完吸收层的参数之后，设定时间步长Δt，进行电磁场值的迭代计算。
[0032]进一步地，所述步骤S5包括：
[0033]S501.设定时间步长Δt，n为当前时刻迭代步数，在(n+0.5)Δt时刻，更新计算区域和吸收层内的磁场值，对于第一类磁场节点H1，其迭代计算公式计算如下：
[0034][0035][0036][0037]其中μ为磁导率，和和的计算方式取决于FCC网格中磁场节点H1周围环绕的电场节点分布方式；
[0038]四类磁场节点H1～H4的计算迭代公式仅存在角标的区别，对于H2～H4进行迭代时，按照H1的计算方式进行，并将下角标进行替换；
[0039]S502.在更新完计算区域和吸收层内的磁场值之后，对吸收层的磁场进行再次更新；当x方向设有吸收层时，需要对x方向吸收层内H
y
，H
z
进行更新计算；当y方向设有吸收层时，需要对y方向吸收层内H
x
，H
z
进行更新计算；当z方向设有吸收层时，需要对z方向吸收层内H
x
，H
y
进行更新计算，依据给定的磁场节点；
[0本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种人脑受电磁辐射的高精度计算方法，其特征在于：包括以下步骤：S1.对于人脑模型进行定义：主要考虑人脑模型的尺寸，模拟脑模型内部的生物组织结构，并根据脑模型所处的电磁环境特点，赋予生物组织对应的电磁参数值；S2.人脑模型定义完成之后，使用FCC网格对于目标模型进行网格剖分：剖分过程中首先依据模型特点设置网格大小，然后确定每一个电磁场节点的位置；S3.使用FCC网格对于模型进行剖分后，对于场值迭代过程中参数进行初始化；S4.在计算区域初始化之后，对吸收层内的参数初始化；S5.设置完吸收层的参数之后，设定时间步长Δt，进行电磁场值的迭代计算。2.根据权利要求1所述的一种人脑受电磁辐射的高精度计算方法，其特征在于：所述步骤S1中，依据电磁环境特点中的频率值，赋予生物组织对应的电磁参数值，所述电磁参数值包括介电常数值和磁导率值。3.根据权利要求2所述的一种人脑受电磁辐射的高精度计算方法，其特征在于：所述步骤S1中赋予生物组织对应的电磁参数值的过程包括：S101.预先建立基于生物组织的频率与电磁参数对应表，表中包含多个频率，以及每一个频率对应的介电常数值和磁导率值；S102.根据脑模型所处电磁环境的频率，从对应表中查找相应的介电常数值和磁导率值赋予生物组织。4.根据权利要求1所述的一种人脑受电磁辐射的高精度计算方法，其特征在于：所述步骤S2中，电磁场节点的位置包括电场节点坐标和磁场节点坐标；设网格大小为Δx、Δy、Δz，FCC网格坐标为(i
s
Δx，j
s
Δy，k
s
Δz)，其中Δi(i＝x，y，z)为FCC网格在i方向上的大小；i
s
，j
s
，k
s
是当前网格在x、y、z三个方向上的编号；其中分布的四种电场节点坐标分别为：E1＝(i
s
Δx，j
s
Δy，k
s
Δz)E2＝((i
s
+0.5)Δx，(j
s
+0.5)Δy，k
s
Δz)E3＝((i
s
+0.5)Δx，j
s
Δy，(k
s
+0.5)Δz)E4＝(i
s
Δx，(j
s
+0.5)Δy，(k
s
+0.5)Δz)该网格内分布的四种磁场节点坐标分别为：5.根据权利要求1所述的一种人脑受电磁辐射的高精度计算方法，其特征在于：所述步骤S3中的初始化内容包括：将整个计算区域的四种电场值和四种磁场值初始化为零；并依据人脑模型所处环境的频率值，确定辐射源类型：预先建立频率值与辐射源类型的对应表，表中包含多个频率，以及每一个频率对应的辐射源类型；每一类辐射源均具有已知的时域波形和激励时长；根据人脑模型所处环境的频率值，从频率值与辐射源参数的对应表中查找相应的辐射源类型，并确定该类辐射源的时域波形和激励时长。
6.根据权利要求1所述的一种人脑受电磁辐射的高精度计算方法，其特征在于：所述步骤S4的关键在于确定吸收层内每个网格中每个电磁场节点到吸收层和计算区域分界面的距离；所述步骤S4包括以下子步骤：S401.初始化吸收层内磁场节点到吸收层和分界面的距离；四类磁场节点到吸收层与计算区域的分界面有两类距离，分别为ρ
m，1
(k)＝(k
‑
0.25)Δi，ρ
m，2
(k)＝(k
‑
0.75)Δi，其中ρ
m，1
(k)、ρ
m，2
(k)表示从磁场节点到吸收层和计算区域分界面的距离，k表示磁场节点到吸收层和计算区域分界面的网格数；S402.初始化吸收层内电场节点到吸收层和分界面的距离；四类电场节点到吸收层与计算区域的分界面有两种距离，分别为ρ
e，1
(k)＝kΔi，ρ
e，2
(k)＝(k
‑
0.5)Δi，ρ
e，1
(k)、ρ
e，2
(k)表示电场节点到吸收层和计算区域分界面的距离，其中k表示电场节点到吸收层和计算区域分界面的网格数。7.根据权利要求1所述的一种人脑受电磁辐射的高精度计算方法，其特征在于：所述步骤S5包括：S501.设定时间步长Δt，n为当前时刻迭代步数，在(n+0.5)Δt时刻，更新计算区域和吸收层内的磁场值，对于第一类磁场节点H1，其迭代计算公式计算如下：，其迭代计算公式计算如下：，其迭代计算公式计算如下：其中μ为磁导率，和和的计算方式取决于FCC网格中磁场节点H1周围环绕的电场节点分布方式；四类磁场节点H1～H4的计算迭代公式仅存在角标的区别，对于H2～H4进行迭代时，按照H1的...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈广志，王新松，李尧尧，杜万里，苏东林，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：