采用FDTD法进行乳腺肿瘤电磁辐射加温治疗及其优化问题的研究

论文摘要

乳腺肿瘤是一种常见病和多发病,也是引起女性死亡的主要原因之一。目前在临床上治疗方法大致分为手术治疗、化学合成药物治疗、放射性治疗这三大类。但是这三种方法的治愈率较低,毒副作用较大,对人体正常组织的伤害较大。随着生物电磁学的发展,电磁辐射在生物医学中的应用逐渐得到发展。应用电磁辐射将肿瘤中的温度提高到42℃～43℃,并维持足够的时间,从而造成肿瘤细胞的死亡。本文在前人体内、体外辐射进行肿瘤加温治疗研究成果的基础上,应用时域有限差分法分析天线阵在体外对乳腺肿瘤进行加温治疗。围绕此方法主要完成以下主要工作:首先,本文采用天线阵进行辐射加温治疗乳腺肿瘤。利用FORTRAN语言编制天线阵与乳腺肿瘤模型基于时域有限差分算法的计算程序,计算天线阵在乳腺肿瘤中产生的电磁场。并将FORTRAN编程计算的电场结果与商用的软件XFDTD的计算结果对比,对FORTRAN编写程序的正确性进行验证。其次,通过查阅的文献资料和图表,综合给出计算所需的人体组织相关数据,作为研究工作的基础。并利用自编FORTRAN程序及时域有限差分算法,计算天线阵作用下带有肿瘤的乳房组织的比吸收率SAR,并对结果进行分析。再次,本文应用遗传算法对由两根天线组成的天线阵的频率、幅值进行优化设计,以得出一定范围内天线阵的幅值和频率值,此时天线阵对乳房组织的加温效果最佳。最后,对全文进行总结,提出本文的不足之处和一些尚待解决的问题,并对下一步的研究提出一些建议。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 肿瘤治疗方法及其比较
• 1.3 课题研究的内容
• 第二章 FDTD法基本原理及细导线FDTD法
• 2.1 引言
• 2.2 FDTD方程
• 2.2.1 标量麦克斯韦方程
• 2.2.2 FDTD迭代方程
• 2.3 FDTD的数值理论
• 2.3.1 数值色散问题与空间步长
• 2.3.2 数值稳定性与时间步长
• 2.4 边界条件
• 2.5 激励源的类型和设置
• 2.6 细导线FDTD法
• 2.7 结论
• 第三章 肿瘤中电磁场及SAR值计算
• 3.1 散射目标的建模
• 3.1.1 简单物体的建模
• 3.1.2 复杂物体的建模
• 3.1.3 FDTD离散网格的确定
• 3.2 内存与时间步估计
• 3.2.1 FDTD计算所需内存的估计
• 3.2.2 计算时间步估计在
• 3.3 计算流程
• 3.4 肿瘤中电磁场计算
• 3.5 人体吸收电磁能量的机理
• 3.6 生物组织电特性的数据
• 3.7 人体组织中SAR近似表达式
• 3.8 FDTD算法计算天线阵作用下乳腺肿瘤的比吸收率SAR
• 3.8.1 人体组织模型的建立
• 3.8.2 网格剖分
• 3.8.3 三维FDTD差分方程
• 3.8.4 时间步长和时间步数
• 3.8.5 PML吸收边界条件
• 3.8.6 计算SAR
• 3.9 小结
• 第四章 应用遗传算法优化天线阵
• 4.1 遗传算法
• 4.1.1 遗传算法概述
• 4.1.2 遗传算法的特点
• 4.1.3 遗传算法的应用和研究
• 4.2 遗传算法对天线阵的优化设计
• 4.2.1 天线阵加温治疗乳腺肿瘤问题的描述
• 4.2.2 编码方法
• 4.2.3 初始群体
• 4.2.4 适应度函数
• 4.2.5 选择策略
• 4.2.6 交叉方法
• 4.2.7 变异方法
• 4.2.8 置换方法
• 4.2.9 算法流程
• 4.3 优化结果
• 4.4 结论
• 第五章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢