目的:设计一种单线型低温等离子消融电极，解决传统电极难以生成均匀、连续和稳定微气泡的问题，提高低温等离子体的消融与切割效果。方法:在SolidWorks 2021三维建模软件中对低温等离子三线型电极与单线型电极结构进行建模，并通过3D打印制作样机。通过COMSOL Multiphysics 6.1软件对2种电极消融过程进行电场和温度场的有限元分析，并通过温度测试实验验证有限元仿真模型的有效性和正确性；通过组织消融实验和低温等离子体激发实验分别比较2种电极的消融效果和等离子体激发过程。结果:有限元分析结果显示三线型与单线型电极的表面最高温度分别为70.2、63.3 ℃，其中单线型电极的表面温度更加理想，2种电极的表面最大电场强度均超过了1.0×10 7 V/m，达到了微气泡被击穿的电场条件。三线型电极工作电极2端的电场强度远高于其余区域，而单线型电极的电场强度则无明显突变与波动。2种电极表面和距离电极表面1 cm处温度的实验值与仿真值基本一致，拟合度良好，相对误差为3.2%。单线型电极作用在猪脂肪上的消融温度最高为46.8 ℃，消融后，形态上无焦化区域，在1 s内可达到0.5 mm的组织切割深度。接入能量平台后，单线型电极工作电极表面会产生微气泡；通电6 ms时，工作电极表面完全被微气泡覆盖；通电9 ms时，低温等离子体被激发，可以看到呈蓝紫色光的等离子体；通电25 ms时，产生的微气泡依然规则、稳定。 结论:设计了一种单线型低温等离子消融电极，可以生成均匀、连续和稳定的微气泡，实现了比传统电极更好的消融与切割效果。

在磁共振检查中,植入物与射频场相互作用会引起周围人体组织发热,甚至造成组织损伤.评估植入物射频热效应需要进行植入物电磁建模、电磁模型验证和虚拟人体仿真.其中,构建用于电磁模型验证的测试环境是射频热效应评估的重要环节.研究建立了包括射频发生系统、电磁场量测系统和机械臂定位系统的硬件环境,使用基于Python的软件开发平台实现了自动化控制软件环境,形成了高精度、自动化的集成测试环境.研究结果表明,该测试环境形成的电场与计算机仿真得到的电场具有较好的一致性,可以用于植入物射频热效应评估.

为优化电极阵列排布,提高肿瘤治疗电场(tumor treating fields,TTF)强度,以更有效地抑制肿瘤增殖,本研究以群智能算法为基础,提出了电极感知自适应(electrode-perceptive adaptive,EPA)算法,旨在优化位于胸部区域的四组电极阵列的贴放位置,提高治疗时的电场强度.EPA算法通过迭代搜索,动态地调整电极阵列布局,可最大化肿瘤部位的电场强度,从而提升TTF治疗效果.本研究对应用EPA算法得到的电极阵列优化布局与常规布局进行了仿真实验对比.实验结果表明,相较于常规布局,EPA优化布局可显著提高肿瘤部位的平均电场强度.

目的 研究植入式肿瘤电场治疗胶质母细胞瘤的可行性.方法 通过COMSOL有限元仿真,探索相位差、触点设置、电极数量和电压等参数对电场的分布的影响,逐步优化参数,探索电场覆盖范围的影响因素.结果 合理地设置相位差在相同电压下可以扩大电场覆盖的范围,并提出了一种双层环绕递增相差设置方法.以5根电极5 V电压为例,对比了不同数量的触点激活的电场分布范围,阐明了双层触点激活的优势及触点选择的方式.仿真了使1 V/cm的有效治疗电场覆盖不同大小残腔切除边缘所需的最少电极数量和最小整数电压,3根电极6 V的电压即可覆盖直径2 cm残腔的切除边缘,而直径5 cm的残腔需要5根电极和10 V的电压.针对直径3.5 cm的残腔探究了电极数量与电压的相互替代关系.结论 脑肿瘤切除术后通过植入式电极可以将中频交变电场聚焦在切除边缘附近,优化参数可以覆盖残腔表面,场强超过1 V/cm,表明植入式肿瘤电场治疗是一种潜在可行的治疗方案.该治疗方案的安全性、器械小型化和供能则仍需进一步的研究.

目的:对电磁脉冲引起人体血脑屏障开放的生物电磁剂量学进行研究.方法:基于典型暴露平台建立人体脑部剂量学研究环境,利用三维数字化人体模型并结合电磁仿真方法对生物电磁剂量进行仿真评估.结果:头部中心的电场峰值为1.49 kV/m,与激励电场相比衰减41.6 dB;鼻尖皮肤表面处空气中最大电场幅值为1795 kV/m;一次脉冲下头部空间的平均吸收率为4.16×10-8 J/kg;重复频率1000 s-1的极端条件下的头部平均比吸收率为4.16×10-5 W/kg.结论:局部高强度电场是临床应用中重要的安全隐患,需要结合血脑屏障开放的量效关系研究抑制局部高强度电场的手段,本研究的人体脑部生物电磁剂量数据可用于临床效应的可行性评估.

背景:目前心脏消融手术中主要使用三维磁场定位和三维电场定位两种导管定位方法,但所需设备均较昂贵.目的:将超声探头与消融导管组合起来提出一种新的消融导管定位方法.方法:通过人体全身解剖数据集获取人体心脏的三维数据,建立心内膜表面的三维矢量模型;设计计算定位用超生探头的基本参数及扫描策略,编制相应的仿真计算软件;以所建的三维心内膜矢量模型为照射目标,通过仿真计算获得超声探头的探测数据;对仿真得到的探测数据进行数据处理,获得由探测数据重建的目标表面特征;将重建的目标表面特征与所建矢量模型的表面特征进行匹配,最终反求确定探头的位置.结果与结论:基于解剖数据集建立了精确的心内膜三维模型,并通过对其的模拟超声照射获得了超声曲面探测数据,重建的曲面模型精度高,与所建的心内膜三维模型上的目标区域有较好的匹配性,反求出的探头位置与其理论位置误差满足定位精度要求.利用超声成像技术实现对消融导管探头的术中定位方法,能够实现导管探头在心脏中的精确定位,为手术实施提供精确可靠的导航作用.

外磁驱动轴流式血泵较强的磁场强度会对血液及周围组织细胞产生影响,因此对血泵及其周围红细胞进行电磁场理论计算和仿真分析.利用ANSYS Electronics Desktop中3D瞬态磁场模块对血泵进行瞬态磁场仿真,用理论方法建立细胞膜磁场分布模型,综合利用3D瞬态电场和磁场模块对红细胞膜及其内外电磁场进行研究.给出了血泵稳定状态时的3D和2D磁感应强度分布云图,得到了细胞膜受到的最大磁感应强度值;通过最大磁感应强度值和血泵工况特点得到红细胞膜电场时域上的分布规律和幅值;综合细胞膜静息电位得到细胞膜电场耦合分布规律;基于以上条件求得细胞膜上感应磁场分布及细胞膜所受最大磁场力.尽管钕铁硼材料剩余磁感应强度很大,但血液和红细胞所受最大磁感应强度值仅为812 mT.由此得到的各项红细胞电磁特性参数值可为红细胞受驱动磁场影响下受到的电磁损伤和血泵的临床应用以及优化设计提供理论基础.

改良电休克和磁休克均是重度抑郁症的有效治疗方法,改良电休克治疗疗效较好但会使患者产生认知和记忆障碍的副作用,而磁休克治疗几乎不会产生副作用,但疗效相比于改良电休克较弱.为研究造成这两种不同结果的原因,本文对比了改良电休克和磁休克治疗方法在真实大脑中产生的电场强度及其空间分布的差异,并通过有限元方法对由磁共振成像得到的真实头模型进行改良电休克和磁休克治疗的电场强度仿真计算.改良电休克治疗仿真的电极位置使用双边刺激的标准位置,磁休克治疗仿真的线圈形状为圆形线圈.使用电场强度与神经激活阈值的比值分布评估大脑中的刺激强度及刺激的聚焦性.结果显示,改良电休克治疗在脑区中产生的刺激强度比磁休克治疗更强,且激活脑区范围更广;其在灰质区域的刺激强度是磁休克治疗的 17.817 倍,在白质区域的刺激强度是磁休克治疗的 23.312 倍,在海马组织中产生的刺激强度是磁休克治疗的 35.162 倍.改良电休克治疗激活了超过 99.999％ 的脑区,然而磁休克治疗只激活了 0.700％ 的脑区.因此,与磁休克治疗相比,在脑区中产生的刺激强度更强、激活脑区范围更广可能是改良电休克治疗疗效更好的原因.另一方面,改良电休克治疗在海马组织中产生的高强度刺激可能是造成认知和记忆障碍副作用的原因.基于本文研究结果,期待未来可以研究更精确的临床量化治疗方案.

目的 研制一种能实时快速测量空气中氡浓度的连续监测仪,用于氡的在线监测及预警.方法 探测器的研制基于离子收集原理,分别采用ANSYS CFX软件和Ansoft Maxwell软件模拟并优化设计平行板电离室的流场、电场分布结构,提高探测器性能;通过高灵敏度静电计实时测量平行板电离所收集电离电流,以得到氡浓度的变化情况.结果 探测器对氡浓度变化的响应时间较快,仪器的测氡灵敏度约为0.23 fA/Bq·m-3.结论 测试表明,该型氡监测仪可应用到铀矿山巷道和地下室等高氡场所的实时氡浓度测量,以提醒相关人员做好氡防护.

目的:探究电极面积、形状、位置不同的经颅直流电刺激对颅去骨瓣减压术后大脑内部电场的影响.方法:运用医学影像及三维建模技术构建颅去骨瓣减压术后4层真实头模型,并通过有限元分析软件进行数值仿真,依次单一改变面积、形状、位置3个电极参数,观察模型内部电场的变化并分析变化特点.结果:在改变单一研究参数、固定其他参数的前提下,最大电场强度值与电极面积呈负相关,正方形电极产生的最大电场强度值大于圆形电极,电极左右放置时去骨瓣术后大脑内部电场不对称.结论:不同面积、形状、位置的电极参数对于模型内部电场具有显著影响.