生物医学电磁场数值分析

生物医学电磁场数值分析 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

出版者:机械工业出版社
作者:颜威利、徐桂芝/国别:中国大陆
出品人:
页数:286
译者:
出版时间:2006-9
价格:32.00元
装帧:简裝本
isbn号码:9787111197232
丛书系列:
图书标签:
  • 弱磁分析
  • 生物医学工程
  • 电磁场
  • 数值分析
  • 有限元
  • 数值计算
  • 医学物理
  • 生物电磁学
  • 电磁兼容
  • COMSOL
  • MATLAB
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具体描述

本书总结了作者及其学术团队10余年来对生物医学电磁场数值分析的主要科学研究和研究生教学成果,内容丰富,层次分明,系统性强。

本书主要叙述生物医学电磁场正问题和逆问题的数值分析方法,重点是脑电源定位和电阻抗成像的电流场正、逆问题求解。内容包括:生物医学电磁场基本方程、有限元分析、边界元与有限体元法、脑电信号源定位与头模型构建、电阻抗成像方法及装置、神经电活动和电磁场生物效应。本书展示了当代国际生物学电磁分析领域的热点问题。书中还包括较多的计算实例。

本书可作为生物医学工程及相关专业博士生和硕士生的教材,也可作为本科生和科研人员的参考用书。

好的,这是一份关于《生物医学电磁场数值分析》的图书简介,内容侧重于该领域的背景、核心方法、应用领域及其在现代医学工程中的重要性,旨在提供详尽且专业的描述,不涉及任何AI痕迹。 --- 图书简介:《生物医学电磁场数值分析》 本书旨在系统、深入地探讨在生物医学领域中,电磁场与复杂组织结构相互作用的数值建模、求解与分析方法。 随着医学成像、介入治疗和可穿戴设备技术的飞速发展,精确理解和预测电磁场在生物组织中的分布及效应,已成为现代生物医学工程和临床应用的关键瓶颈。本书即聚焦于解决这一核心挑战,为研究人员、工程师和临床医生提供一套严谨的理论框架和实用的计算工具。 第一部分:理论基础与电磁场生物学效应 本书伊始,首先奠定了理解生物医学电磁现象的理论基石。我们详尽阐述了电磁场在生物介质中传播的基本物理规律,包括麦克斯韦方程组在非均匀、各向异性、时变生物体模型中的具体形式。生物组织,如皮肤、肌肉、骨骼和血液,具有高度复杂的电磁特性(如复介电常数、电导率、磁导率),这些参数的准确获取和建模对后续的数值计算至关重要。 随后,我们深入剖析了电磁场与生物组织间的能量耦合机制。这包括热效应(如射频消融、微波热疗中的能量沉积与温度分布)、非热效应(如电刺激、磁刺激引起的神经元膜电位变化和离子流重组)以及电磁兼容性(EMC)问题。书中特别强调了生物组织电磁模型的尺度依赖性,从宏观的体模型到微观的细胞和分子水平,描述了不同尺度下的耦合机理,为选择恰当的数值方法提供了理论指导。 第二部分:核心数值方法与算法实现 本书的核心价值在于对生物医学电磁场计算中主流的数值方法进行详尽的梳理和比较。鉴于生物体几何形状的高度不规则性、材料参数的复杂性以及电磁场跨越多个尺度的特性,传统的解析解方法往往束手无策。因此,本书重点介绍了三种占据主导地位的全波数值技术: 1. 有限元法 (Finite Element Method, FEM): 侧重于复杂边界和不均匀介质的精确处理。详细介绍了如何构建高阶的矢量基函数,如何处理电磁场在介质界面上的连续性条件,以及如何有效求解大型稀疏线性方程组。特别讨论了在处理电磁场与温度场热耦合问题时,FEM在非线性热传导方程求解中的应用策略。 2. 时域有限差分法 (Finite-Difference Time-Domain, FDTD): 强调其在宽带、瞬态和时变问题中的优势。书中详细阐述了Yee算法及其在生物组织网格划分上的修正,包括如何处理完美匹配层 (PML) 以有效吸收边界处的辐射,以及如何将经典生物电学模型(如Cole-Cole模型) 动态地嵌入到时域求解框架中。 3. 矩量法 (Method of Moments, MoM) 与特定数值技术: 针对特定问题,如近场辐射分析、天线设计或局部电磁散射分析,本书也介绍了基于积分方程的MoM及其变体,例如在边界元法(BEM)中的应用,尤其是在处理开放边界或需要高精度表面电流密度计算的场景。 此外,本书对多尺度建模方法给予了充分关注,探讨了如何利用均匀化技术 (Homogenization) 或多网格策略来桥接从细胞到器官尺度的计算鸿沟,从而提高整体模型的计算效率和精度。 第三部分:关键生物医学应用实例与工程挑战 理论和方法的掌握最终需要服务于实际的工程应用。本书在后半部分聚焦于一系列具有重大临床意义的应用案例,展示了数值分析在指导实践中的力量: 1. 医学成像中的电磁场模拟: 磁共振成像 (MRI): 模拟射频 (RF) 场在人体内的分布,用于评估比吸收率 (SAR) 分布,优化线圈设计以提高信噪比(SNR),以及分析梯度场和接收线圈对成像质量的影响。 生物阻抗断层成像 (EIT): 模拟低频电流源注入与跨组织电阻抗图谱的重建过程,特别是针对肺部监测和早期肿瘤检测的算法验证。 2. 介入治疗中的电磁场控制: 射频与微波消融 (RFA/MWA): 精确模拟电极尖端产生的电磁场,计算组织内的焦耳热生成速率,并结合流体力学和热传导方程,预测凝固区域的几何形状和边界,这对确保肿瘤完全切除至关重要。 神经与肌肉刺激 (TMS/tDCS/tACS): 模拟经颅磁刺激或经皮电刺激装置产生的电场分布,精确计算目标皮层或神经束所感受到的跨膜电位 (V_tm),从而优化刺激参数以实现精确的神经调控。 3. 植入式和可穿戴设备的电磁兼容性 (EMC) 与安全性: 分析植入式医疗设备(如心脏起搏器、神经刺激器)在外部强电磁场(如MRI、蜂窝网络)干扰下的工作稳定性。 评估电磁场对电池寿命、器件性能的长期影响,并提出优化屏蔽和滤波的数值设计方案。 结论与展望 《生物医学电磁场数值分析》不仅仅是一本技术手册,它更是一座连接基础物理、高级计算科学与临床医学的桥梁。本书通过详尽的数学推导、清晰的算法描述和丰富的实际案例,致力于培养读者“用计算思维解决生物医学电磁难题”的能力。掌握书中的方法,将有助于科研工作者突破当前生物医学设备设计与安全评估中的核心瓶颈,加速新一代诊断和治疗技术的研发与临床转化。 ---

作者简介

目录信息

读后感

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用户评价

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这本书最让我惊喜的方面之一,是它对各种电磁场仿真软件的介绍和使用技巧的分享。作者并没有仅仅停留在理论层面,而是深入到实际操作层面,详细介绍了当前在生物医学领域广泛应用的几种主流仿真软件,比如COMSOL Multiphysics、ANSYS HFSS以及SimBio等。书中不仅讲解了这些软件的基本界面和操作流程,还分享了许多实用的建模技巧和后处理方法。例如,如何导入和编辑复杂的生物模型,如何设置准确的材料属性,如何定义合理的边界条件,以及如何对仿真结果进行可视化分析和解读。作者还提供了一些常用的脚本和宏命令,可以帮助用户自动化一些重复性的操作,提高仿真效率。更重要的是,书中还探讨了如何根据具体的生物医学问题选择最合适的仿真软件和仿真方法,以及如何对仿真结果进行验证和评估。我特别喜欢书中关于网格划分的讨论,作者详细介绍了不同网格类型(如四面体网格、六面体网格)的优缺点,以及如何在保证精度的前提下优化网格,从而缩短计算时间。这些关于软件使用的宝贵经验,对于我这样希望将理论知识转化为实际应用的研究者来说,简直是雪中送炭。

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书中关于电磁场的生物兼容性和安全性评估的讨论,也引起了我极大的兴趣。作者深入分析了不同频率和强度的电磁场对人体可能产生的各种影响,包括短期和长期的效应。书中引用了大量的流行病学研究和实验室研究数据,来评估职业暴露和环境暴露的风险。我了解到,并非所有的电磁场都会对人体产生负面影响,而且许多医疗设备使用的电磁场是经过严格安全评估的。作者还探讨了如何通过数值模拟来预测电磁场在人体内的分布和吸收情况,从而为制定安全标准提供依据。书中还提到了关于电磁场对生殖健康、神经系统和免疫系统可能产生的影响,并对一些争议性的议题进行了客观的分析。我尤其对书中关于电磁场防护的研究进行了深入的学习,例如如何设计屏蔽设备,以及如何在工作和生活中降低电磁场暴露。这本书让我对电磁场的安全问题有了更全面和科学的认识,也更加理解了在医疗应用中对安全性的严苛要求。

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这本书的写作风格非常吸引人,它将复杂的科学理论以一种通俗易懂的方式呈现出来,即使对于非专业读者来说,也能够轻松地理解。作者在解释每一个概念时,都力求严谨而清晰,并配以大量的图表和插图,这极大地提升了阅读体验。我特别欣赏作者在讲解过程中,所使用的类比和比喻,它们能够帮助我更好地理解那些抽象的物理概念。例如,在讲解有限元法的单元划分时,作者将生物组织比作一块被分割成许多小块的土地,每个小块都有自己的特性,而最终的计算结果则是将所有小块的特性叠加起来。这样的比喻使得原本晦涩的理论变得生动形象。书中还穿插了一些历史故事和科学家的轶事,这不仅增加了阅读的趣味性,也让我对这个领域的发展历程有了更深的认识。作者的严谨和创新精神,在书中得到了淋漓尽致的体现,这本书绝对是一本值得反复阅读的经典之作。

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我对这本书中关于电磁场在电生理学中的应用的论述尤为着迷。书中详细阐述了生物电信号的产生和传播机制,例如离子通道在膜电位变化中的作用,以及动作电势如何在神经纤维中快速传递。作者还介绍了如何利用数值方法来模拟这些电生理过程,比如通过 Hodgkin-Huxley 模型来描述神经元发放动作电位的过程,以及如何使用电位积分法来计算体表记录到的脑电图和心电图信号。我惊叹于作者能够将如此复杂的生物电现象,通过数学模型和数值计算变得如此清晰可见。书中还探讨了电磁场对细胞膜渗透性和离子运输的影响,以及这些影响如何与各种疾病相关联。我特别感兴趣的是书中关于心脏电生理模拟的部分,它揭示了心律失常的发生机制,以及如何通过数值模拟来预测和诊断这些疾病。作者还对电刺激疗法的原理进行了深入的探讨,例如心脏起搏器的工作原理,以及如何通过电刺激来治疗神经系统的疾病。这些内容不仅具有学术价值,也为临床实践提供了重要的理论基础。

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这本书的另一大亮点是它对计算电磁学领域最新发展趋势的展望。作者在书中不只停留在介绍现有技术,还对未来可能的研究方向和技术突破进行了探讨。例如,书中提到了基于机器学习和人工智能的电磁场仿真方法,以及如何利用这些新技术来提高仿真精度和效率。我还了解到,如何利用高性能计算和并行计算技术来处理更复杂、更大规模的生物医学电磁场问题。作者还展望了在个性化医疗、精准治疗和生物传感等领域,电磁场技术的应用前景。我尤其对书中关于新型材料在电磁场应用中的潜力感到兴奋,例如用于电磁屏蔽、吸波材料以及传感器件的新型复合材料。作者的远见卓识让我对这个领域未来的发展充满了期待,也激发了我参与到这些前沿研究中的热情。这本书为我打开了一个全新的视角,让我看到了电磁场技术在推动生物医学发展方面的巨大潜力。

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在阅读过程中,我深切地感受到作者对于生物医学电磁场领域的热情和深入研究。书中不仅仅是简单地罗列各种数值方法,而是将这些方法与具体的生物医学应用场景紧密地结合起来。例如,在讨论电磁场的生物效应时,书中详细介绍了低频磁场对骨骼愈合的影响,以及如何通过调整磁场参数来促进骨折的愈合。我还学习到了如何利用超声波和电磁场联合治疗疾病的方法,以及这些联合疗法在肿瘤治疗中的潜在应用。作者在描述这些应用时,引用了大量最新的研究文献和实验数据,这使得我能够了解到该领域的最新进展和发展趋势。我尤其对书中关于磁共振成像(MRI)成像原理和相关电磁场分析的章节印象深刻,它揭示了MRI技术背后复杂的物理原理和精密的数值计算过程,让我对这项无创诊断技术有了更深层次的理解。书中还探讨了电磁场在神经刺激和脑电图(EEG)分析中的应用,这对于理解和治疗神经系统疾病具有重要的指导意义。作者的叙述清晰流畅,逻辑严谨,即使是对于初学者来说,也能从中获得宝贵的知识和启示。

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总而言之,这本书为我打开了一个全新的科学视野,我从中学到了许多关于生物医学电磁场领域的知识,也激发了我对这个交叉学科的浓厚兴趣。作者的专业知识和丰富的经验,使得这本书内容翔实、逻辑清晰、观点独到。它不仅是一本理论性的教材,更是一本指导实践的应用指南。我从中受益匪浅,对如何运用数值分析来解决生物医学领域中的实际问题有了更深刻的理解。这本书的价值远超我的预期,它为我今后的学习和研究指明了方向。我相信,这本书不仅能够帮助我,也能够帮助所有对生物医学电磁场领域感兴趣的读者,获得宝贵的知识和启发。感谢作者的辛勤付出,为我们奉献了如此优秀的书籍,我将继续深入研读,并期待未来能够将书中学习到的知识应用于我的研究实践中。

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我尤其欣赏书中在介绍数值方法时,所采取的循序渐进的教学策略。作者首先从一些经典的数值积分和微分方程求解方法讲起,比如有限差分法,详细讲解了其基本原理、离散化过程以及误差分析。在解释有限元法时,书中用了很多篇幅来阐述如何将复杂的生物体模型划分为离散的单元,以及如何在这些单元上建立方程组,并通过组装和求解来获得电磁场的分布。这对于我这样初学者来说,无疑是极大的帮助。书中并没有回避那些复杂的数学推导,而是以清晰的逻辑和详细的步骤,引导读者一步步走近问题的核心。作者还针对生物医学领域中常见的几何形状和边界条件,给出了具体的建模方法,例如如何处理不规则的生物组织边界,以及如何模拟体外的电极激励。让我印象深刻的是,书中还探讨了如何处理多物理场耦合的问题,比如电磁场与热传导的耦合,以及电磁场与流体动力学的耦合,这些都是在实际生物医学应用中不可避免的挑战。作者还列举了大量的实例,比如如何模拟射频消融手术中电磁场在肿瘤组织中的分布和产生的热效应,以及如何设计治疗仪器的电极结构以获得最佳的治疗效果。这些案例的引入,不仅加深了我对数值方法的理解,也让我看到了这些理论知识在解决实际问题中的巨大价值。

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这是一本令人着迷的书,尽管我刚开始接触这个领域,但作者的讲解方式却能让我这个非专业人士也能逐渐理解那些复杂的概念。开篇就深入浅出地介绍了电磁场在生物体内的基本作用,比如细胞膜的电位差如何维持生命活动,神经信号的传递是如何利用电信号完成的,以及心脏跳动时的电生理活动,这些都让我对生物体内部精密的运作机制有了全新的认识。作者并没有直接跳入枯燥的数值方法,而是先铺垫了扎实的生物学背景,让你明白为什么我们需要进行这些数值分析。书中对不同生物组织在不同频率电磁场下的响应也进行了细致的描述,例如水分子在微波下的振动,以及这些振动如何转化为热能,这对于理解微波治疗和射频消融等技术至关重要。此外,书中还提到了低频电磁场对细胞增殖和基因表达的影响,虽然这部分内容我还在消化中,但已经能感受到其中蕴含的巨大潜力,或许未来我们能够通过精确控制电磁场来影响生物体的生长和修复。作者在解释电磁场与生物体相互作用时,始终紧密结合着实际的生物学现象,没有流于空泛的理论,这使得我对这本书的实用性充满了期待。我相信,即使是对生物医学电磁场一无所知的人,也能从这本书中获得启发,并对这个交叉学科产生浓厚的兴趣。

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这本书对于理解电磁场在生物组织中的热效应也提供了非常详尽的解析。作者在这一部分详细介绍了各种能量转换机制,比如当电磁波穿过生物组织时,哪些能量会以热量的形式被吸收,以及这些热量如何影响组织的温度分布。书中运用了大量的传热学方程和数值方法,例如有限差分法和有限元法,来模拟电磁场引起的温度升高过程。我尤其对书中关于微波加热和射频加热在医学治疗中的应用进行了深入的探讨,比如如何通过精确控制电磁场的频率、功率和照射时间,来达到杀死癌细胞的目的,同时尽量减少对周围健康组织的损伤。作者还详细介绍了生物组织的导热系数、比热容等热物理参数对温度分布的影响,以及如何根据这些参数来优化治疗方案。我从书中学习到了许多关于治疗剂量的计算方法,以及如何评估治疗过程中的安全性。书中还提到了电磁场与声场耦合产生的热效应,这在一些新兴的治疗技术中具有重要的应用前景。总之,这一部分的内容为我理解和应用电磁场进行热疗提供了坚实的理论基础。

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