Ім'я файлу: MatLab1 Biofizika.doc
Розширення: doc
Розмір: 1276кб.
Дата: 22.05.2020
скачати




Міністерство освіти і науки України

Національний аерокосмічний університет

ім. М. Є. Жуковського «ХАІ»
Звіт з лабораторної роботи


ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭМП С БИОЛОГИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ



Виконав:

студент групи 512

Коржиков О.В.

Перевірив:

Доцент Печерська А. І.

Харків 2020

1.1 Цель работы



Расчет и изучение основных количественных характеристик взаимодействия ЭМП с биологическими объектами и параметров, от которых они зависят.

1.2 Порядок выполнения работы



1.1 Аппроксимация зависимости относительной диэлектрической проницаемости
На рис. 1.1 представлена зависимость от . Необходимо получить уравнение, которое будет приблизительно описывать кривую и позволит вычислить значение для любой частоты.



Рисунок 2.1 – Зависимость диэлектрической проницаемости биообъекта от частоты
Запустите программу MatLab . Создайте новый M-file.

Код программы должен размещаться между операторами
function имя файла
end
Значения поместим в массив x, а найденные из графика соответственно в массив y:
function emf

%Исходные данные для диэлектрической проницаемости

x=[1 2 3 4 5 6 7 8 9 10];

y=[6 6.5 5 4.8 4.3 3.2 2.5 2 1.7 1.9];
Связать две переменные x и yмежду собой можно с помощью разных функций. Воспользуемся полиномиальной функцией:
, (1.1)
где - степень полинома;

- коэффициенты полинома.
MatLab имеет собственную встроенную функцию polyfit , которая позволяет найти коэффициенты для заданного (степень полинома)1.
%Коэффициенты для полинома

k=polyfit(x,y,6);
Теперь рассчитаем с помощью полиномиальной функции:
%Расчет ym с помощью полинома

ym=polyval(k,x);

Построим графики исходных данных и полученных в результате наших вычислений. Это поможет сравнить их и правильно подобрать степень полинома:
%Графики диэлектрической проницаемости

plot(x,y,x,ym);
Результат работы вашего программного кода отображен на рис. 1.2.


Рисунок 1.2 – Графики
Правильно подберите степень полинома, чтобы получить минимальное расхождение между кривыми.
Т.к. в дальнейших расчетах будем использовать , необходимо ее выразить.

Справедливо выражение:
.
Откуда

(1.2)

где .
Запишем (1.2) в виде программного кода2:

eps=8.85*10^(-12)*exp(ym)

1.2.1 Аппроксимация зависимости удельной проводимости



На рис. 1.3 показано, как изменяется электропроводность объекта в зависимости от частоты внешнего электромагнитного поля, в котором находится этот объект3.


Рисунок 1.3 – Зависимость удельной электропроводности биообъекта

от частоты ЭМП
Аналогично действиям, проведенными в п.1.2.1, получите аппроксимирующую функцию для удельной электропроводности.

Рекомендуемые переменные:
x1 – для массива значений ;

y1 – для массива значений (экспериментальные данные);

k1 – коэффициенты полинома;

sigma – для значений , рассчитанных с помощью полиномиальной функции (модельные данные).
Постройте графики для экспериментальных и модельных данных и правильно подберите степень полинома.

1.2.3 Блок констант



Для удобства создания программного кода введем константы, которые используются в ряде формул. Наиболее удобно описать их вначале программного кода.

В следующей строке после оператора function задайте константы:
function emf

%Константы

eps0=8.85*10^(-12);

c=3*10^8;
1.2.4 Вычисление тангенса диэлектрических потерь
Тангенс диэлектрических потерь показывает, какое количество поглощенной электромагнитной энергии преобразуется в другую форму. Вычисляется по формуле:
(1.3),
где удельная электропроводность;

- круговая частота;

- удельная диэлектрическая проницаемость среды.
Чтобы определить описанные показатели, необходимо сначала задать частоту. Т.к. конечной целью работы является получение частотных зависимостей показателей, нужно определить с частотным диапазоном, в пределах которого мы будем проводить вычисления.

Согласно графику на рис. 1.1, приведенная зависимость справедлива для , что соответствует Гц4.

Зависимость же для удельной электропроводности (рис. 1.3), приведена для и соответствует Гц.

Сравнивая два указанных частотных диапазона, определяем, что наш рабочий диапазон частот, в пределах которого с помощью формул можно корректно производить вычисления, имеет границы
. (1.4)
В соответствие с (1.4) задаем частоту, например, Гц. Вставим код в следующую строчку после функции построения графика удельной электропроводности:
%Задаем частоту ЭМП

f=5;
Далее вычисляем длину волны падающего излучения:
%Длина волны падающего излучения

lambda0=c/f;
и круговую частоту:
%Круговая частота

w=2*pi*f;
Теперь вычисляем натуральный логарифм заданной частоты , который необходим, чтобы найти удельную диэлектрическую проницаемость (см.п.1.2.1):
x=log(f)%Находим натуральный логарифм для заданной частоты
вычисляем с помощью полинома:
ym=polyval(k,x);
и находим :
eps=eps0*exp(ym);%удельная диэлектрическая проницаемость среды
Аналогичным образом рассчитываем значение удельной электропроводности для заданной частоты . Обращаем внимание, что в аппроксимирующем полиноме, полученный в п.1.2.2, в качестве переменной x1 выступает десятичный логарифм . Находим x1:
x1=log10(f)
и вычисляем :
sigma=polyval(k1,x1);
Имея все необходимые переменные из формулы (1.3), находим тангенс угла диэлектрических потерь:
%Тангенс диэлектрических потерь

delta=sigma/w/eps/eps0

1.2.5 Вычисление глубины проникновения излучения в ткани



Глубина проникновения излучения в ткань зависит от частоты и описывается формулой:

, (1.5)
где - длина волны падающего излучения;

- тангенс диэлектрических потерь;

- круговая частота;

- частота ЭМП в Гц;

м/с – скорость света.
Самостоятельно введите формулу для расчета глубины проникновения ЭПМ. Функция sqrt() вычисляет квадратный корень из выражения, заключенного в скобки.

1.2.6 Вычисление длины волны излучения в ткани



По мере проникновения излучения в ткань, длина волны изменяется в соответствие с формулой:

. (1.6)
Вычислите длину волны излучения в ткани.
1.2.7 Построение графических зависимостей
Изменяя частоту в диапазоне (1.4), получите значения показателей, занесите их в таблицу (выберите 10 – 15 разных значений частоты):
Таблица 1.1 – Результаты расчетов


Частота, Гц









, м

, нм

, нм

10

2.3026

1

30000000

-2.8199e+016

1.3645e+012

30000000

2.1717e+011

11

2.3979

1.0414

2.7273e+007

-1.8195e+016

9.4684e+011

2.7273e+007

1.5069e+011

12

2.4849

1.0792

25000000

-8.8046e+015

5.7598e+011

25000000

9.1670e+010

14

2.6391

1.1461

2.1429e+007

8.3357e+015

4.4211e+011

2.1429e+007

7.0364e+010

15

2.7081

1.1761

20000000

1.6129e+016

5.5341e+011

20000000

8.8079e+010

20

2.9957

1.3010

15000000

4.7923e+016

6.1977e+011

15000000

9.8640e+010

21

3.0445

1.3222

1.4286e+007

5.2976e+016

6.0671e+011

1.4286e+007

9.6560e+010

22

3.0910

1.3424

1.3636e+007

5.7643e+016

5.9151e+011

1.3636e+007

9.4141e+010

25

3.2189

1.3979

12000000

6.9549e+016

5.4108e+011

12000000

8.6115e+010

30

3.4012


1.4771

10000000

8.3661e+016

4.6034e+011

10000000

7.3265e+010

31

3.4340

1.4914

9.6774e+006

8.5793e+016

4.4574e+011

9.6774e+006

7.0942e+010

35

3.5553

1.5441

8.5714e+006

9.2530e+016

3.9304e+011

8.5714e+006

6.2554e+010



По полученным данным постройте графические зависимости в полулогарифмическом масштабе:

- ;

- ;

- .

1.2.7 Расчет поглощаемой мощности


Мощность излучения, поглощаемая объектом массой , будет рассчитываться по формуле:
. (1.7)




Рисунок 1.4 – Удельная поглощенная мощность (УМП) при разных положения объекта относительно линий напряженности ЭМП
В отношении - рост человека. Кривая соответствует облучению модели с интенсивностью мВт/см2. Чтобы вычислить УПМ для других значения, необходимо использовать коэффициент пропорциональности. Например, если мВт/см2, коэффициент равен 10.

Создайте новый M-file.

Следуя тому же алгоритму, что описан в п.1.2.1, найдите аппроксимирующие полиномиальные функции для кривых, представленных на рис. 1.4.

Рекомендуемые переменные и их назначение приведены в таблице 1.2.
Таблица 1.2 – Рекомендуемые переменные

Переменная в MatLab

Назначение

x2

Значения

ye

Значения кривой для положения

yh

Значения кривой для положения

yk

Значения кривой для положения

ke

Коэффициенты полинома для аппроксимации кривой

kh

Коэффициенты полинома для аппроксимации кривой

kk

Коэффициенты полинома для аппроксимации кривой

yme

Переменная для модельной кривой

ymh

Переменная для модельной кривой

ymk

Переменная для модельной кривой

m

Масса человека в кг

L

Рост человека в м

I

Интенсивность в мВт/см2

lambda0

Длина волны в м

Pe

Общая мощность поглощения при

Ph

Общая мощность поглощения при

Pk

Общая мощность поглощения при


В данном пункте следует задавать, но не рассчитывать м.
Получите общую мощность поглощения для трех разных . Найдите , соответствующее выбранной . Сравните с диапазоном (1.4).

1.3. Содержание отчета


При оформлении отчета следует придерживаться последовательности выполнения работы, изложенной в пункте «Порядок выполнения работы».

Отчет должен содержать:

1. Цель работы

2. Результаты, полученные в работе с приведением теоретического материала для их пояснения .

3. Графические зависимости, построенные в ходе работы:

- ;



- ;

- ;



- ;



- ;



- УМП (3 графика).

Графические зависимости следует выполнить в полулогарифмическом масштабе.






4. Выводы о проделанной работе.

Проаналізуйте відмінні особливості різних типів шкіри людини;

Існує 6 типів шкіри: Нормальна,суха,чутлива,комбінована,жирна,проблемна.

Нормальна шкіра: Шкіра не надто суха, не надто жирна. Зазвичай вона не має проблем з акне чи розширеними порами. Майже не буває подразненою та стягненою. Суха шкіра: Помітно суха, стягнена, лущиться, дещо загрубіла на дотик. Часто свербить. Для неї властива, чутливість до температурних змін. На сухій шкірі швидше з'являються зморшки..Чутлива: Часто з’являються неприємні пекучі відчуття на шкірі, почервоніння. Іноді можуть з’явитися прищі внаслідок подразнення. Комбінована: У Т-зоні комбінована шкіра більш жирна, а на інших ділянках вона радше суха. Жирна: Швидко стає жирною та сильно блищить. Страждає від розширених і забитих пір. Причиною такої шкіри є надмірна робота сальних залоз. Проблемна: Страждає від акне, чорних цяток і розширених пор. Текстура та тон шкіри неоднорідні.
Які процеси відбуваються в шкірі під час падіння на неї пучка випромінювання. Засмага — це спроба шкіри захиститися від пошкодження ультрафіолетовими променями. Для цього спеціальні клітини — меланоцити, синтезують пігмент меланін, і він поширюється в шкірі. Ми розрізняємося за здатністю утворювати меланін. Ультрафіолетові промені викликають мутації і цим збільшує ймовірність раку шкіри. Меланоцити можуть почати активно ділитися і перетворитися на меланому — найагресивнішу пухлину, схильну до метастазів. Крім цього, ультрафіолет буквально сушить шкіру. Цей процес називається фотостаріння. Ультрафіолет активує ферменти, що руйнують компоненти матриксу шкіри, які забезпечують її пружність: гіалуронову кислоту та колаген. При цьому гени, що відповідають за утворення нових гіалуронової кислоти та колагену, перестають працювати, тож нові молекули міжклітинного матриксу не утворюються. 

Проаналізуйте закон Бугера-Ламберта-Бера.

Закон експоненційного зменшення інтенсивності світла в середовищі в залежності від його товщини.



де I — інтенсивність світла на глибині x матеріалу, I0 — інтенсивність світла на поверхні, α — показник поглинання. Закон носить назву, пов'язану з іменами німецьких фізиків Августа БераЙоганна Ламберта та французького астронома П'єра Бугера.

В чому різниця між значеннями характеристик випромінювання, яке пройшло крізь різні шари шкіри?

Тривала дія на людину сонячного УФ-випромінювання може привести до гострих і хронічних наслідків для здоров'я - для шкіри, очей і імунної системи. Сонячний опік, або еритема - це найбільш добре відоме гостре наслідок надмірного впливу УФ-випромінювання. При дуже тривалому впливі УФ-випромінювання викликає дегенеративні зміни клітин шкіри, фіброзної тканини і кровоносних судинах. Це призводить до передчасного старіння шкіри, фотодерматозу і актинічний кератоз. УФ-излучение ослабляет также иммунную систему, повышенную восприимчивость организма к кожным инфекциям.
Охарактеризуйте основні параметри УЗ хвилі.

Ультразву́к — акустичні коливання, частота яких більша ніж високочастотна межа чутного звуку (понад 20 000 Гц) Верхня межа частот ультразвуку умовна. УЗ застосовують в медицині, Різка металу, Приготування сумішей, Застосування ультразвуку в дефектоскопії, Ультразвукове зварювання.
Як проявляється загасання УЗ?

Теперь легко зрозуміти,чому згасання є тим фактором,що визначає частоту,яку використовуют для отримання ультразвукового зображення,і,відповідно,роздільну здатність зображувальної системи. Сила ехосигналу,який відбився чи розсіявся від структур всередині тканини на будь-якій заданій глибині,залежить не лише від потужності ультразвуку,який передали в тіло,і від відбиваючої здатності поверхонь,але також від згасання ультразвуку,який проходить в обох напрямках через тканини,які лежать над досліджуваною тканиною. Середній рівень згасання в тканині становить 0,5дБ см-1 МГц-1; отже,наприклад,хвиля частотою 3МГц,яка проходить через 10 см тканини(туди і назад 20) поглинається приблизно на 30дБ.
Обґрунтуйте, чому модель сегмента тканини, в якій поширюється хвиля, розглядають у вигляді усіченого конуса.

Існує чотори основні типи фокусуючих систем: активні концентратори,рефрактори,рефлектори,дефлектори

Під впливом дифракції фокус буде не точковим,а областю кінцевих розмірів



Площа неекранованої частини лінзи:


А площа центрального максимуму дифраційного розподілу інтенсивності у фокальній площині: . Отже,інтенсивність ультразвукової хвилі у фокусі лінзи: .Згідно дифракційної теорії,напрям на перший максимум інтенсивності визначається за формулою: .Для прямих кутів можна записати: .Таким чином діаметр фокальної плями(Кола Ейрі): .
Запишіть формулу для визначення зміну температури тканини в результаті теплової дії УЗ.

УЗ поглинається тканинами, де спостерігаються зміна обмінних процесів біологічних клітин, іонні зрушення, утворення вільних радикалів, підвищення температури. У живій клітині є мінімум три частини, на які впливають фізичні чинники, забезпечуючи переключення потоків енергії в організмі: макромолекули зовнішньої оболонки клітини, мітохондрії і ядро. Під впливом УЗ відбувається мікровібрація або мікромасаж на клітинному і субклітинному рівнях, стимулюються процеси мікроциркуляції, збільшується проникність клітинних мембран. Зміни клітинних мембран у свою чергу призводять до змін концентрацій різних речовин в клітині і її найближчому оточенні, а також до зміни швидкості ферментативних реакцій (низьке активування і переважне пригнічення ферментативних реакцій в клітині внаслідок порушення оптимуму концентрацій речовин, необхідних для функціонування ферментів). У зв'язку з цим в клітині виникають і розвиваються сепаративні процеси.

Біологічна дія ультразвуку на тканини є результатом комплексної дії - теплової, механічної, хімічної, електрофізичної. Теплова дія пов’язана з поглинанням енергії ультразвукової хвилі. Тепло, яке виділяється в біологічній тканині, може привести до місцевого підвищення температури тканини, зміни швидкості протікання біохімічних процесів і, при великих інтенсивностях, до теплових пошкоджень тканин. При інтенсивності ультразвуку 1 Вт/см2 і частоті 1 МГц протягом 5 хв.,м’язева тканина може нагрітись на 5-70C.


Охарактеризуйте основні параметри ЕМП.

Біосфера протягом усієї своєї еволюції перебувала під впливом фонового електромагнітного випромінювання, спричиненого природними джерелами (Сонцем, зірками, планетами тощо). Це випромінювання включає в себе випромінювання радіочастотного діапазону, інфрачервоне (14), видиме, ультрафіолетове (УФ), рентгенівське та -{-випромінювання. За попереднє століття людство створило і все ширше використовує штучні електромагнітні поля (ЕМП), які значно перевищують природні і є тим несприятливим чинником, вплив якого на людину зростає з року в рік. У біосфері ЕМП відіграють універсальну роль носіїв інформації. Зв'язок на основі ЕМП найбільш інформативний та економічний. Порівняно зі звуковою, світловою та хімічною інформацією ЕМП як засіб зв'язку у біосфері мають такі переваги:• поширюються у будь-якому середовищі життя — воді, повітрі, ґрунті та тканинах організму;• мають максимальну швидкість поширення;• можуть поширюватися на будь-яку відстань;• можуть поширюватися за будь-якої погоди й незалежно від часу доби;• на них реагують усі біосистеми (на відміну від інших сигналів).ЕМП мають певну потужність, енергію і поширюються у вигляді електромагнітних хвиль.Основними параметрами електромагнітних коливань є:

1)довжина хвилі; 2) частота коливань; 3) швидкість розповсюдження.
Яка залежність між діелектричною проникністю біооб'єкта і частотою ЕМП?

Усі значимі для біооб’єкта зміни починаються й закінчуються на клітинному рівні, клітина є універсальним комплексом, початковим і кінцевим етапом реалізації всіх біологічних процесів. Джерелом і приймачем інформаційних ЕМП є жива клітина, яка є «великомасштабною» елементною базою для найскладнішого обладнання для обробки надвеликих масивів інформації. Жива клітина представляє рухливу саморегулюючу систему. Її внутрішня організація підтримується активними процесами, спрямованими на обмеження, попередження або усунення змін, викликаних різними впливами з навколишнього й внутрішнього середовища.
Яка залежність між електропровідністю об'єкта і частотою зовнішнього ЕМП?

Електропровідність або питома провідність — це обернений опір електричного опору. Він являє собою здатність матеріалу проводити електричний струм. Його зазвичай позначають грецькою літерою σ (сигмa), але іноді використовують κ (kaппa) (особливо в електротехніці) та γ (гамма). Одиниця електропровідності в системі СI — сименс на метр (См/м).Рухаючись в електричному полі,електрон змінює як свою координату,так і енергію,переходячи з одного рівня на іншій. При цьому кінетична енергія його збільшується на велечину .Накопичену енергію електрон може втратити при розсіюванні,повернувшись на більш низький рівень. В сильних електричниих полях порушується пропорційність між густиною струму в напівпровіднику й напруженістю зовнішнього електричного поля,тобто не віконується закон Ома. Критична напруженість поля,при якій можливі істотні відхилення від закону Ома . В області сильних полів рухливість носіїв заряду також змінюється. Залежно від температури вона може,як зменшуватись,так і зростати зі збільшенням напружености електричного поля Е. При напруженості електричного поля більше 106В/м у напівпровіднику починають з’являтися надлишкові носії заряду й питома провідність його зростає. Механізми збільшення концетрації носіїв: термоелектронна іонізація(при ): ударна іонізація (при Е ): тунельний ефект(Або електростатична іонізація – при Е )

Що показує тангенс діелектричних втрат?

характеризує втрати енергії електричного поля розсіюється в електроізоляційних матеріалів. Він визначається відношенням активної потужності до реактивної при синусоїдальній напрузі певної частоти.

Від чого залежить глибина проникнення випромінювання в тканину?

Встановлено, що набряклі тканини, а також ті, що добре постачаються кров’ю і мають високу діелектричну проникність (м’язи, печінка, мозок, нирки, селезінка), більш інтенсивно поглинають енергію НВЧ-випромінювання.

Як змінюється довжина хвилі у міру проникнення випромінювання в тканину?

Довжина хвилі випромінювання (діапазон перестроювання) від 700 до 900нм. Селективність дії світла на біологічний об'єкт у більшості випадків залежить від спектрального діапазону. Ультрафіолетове випромінювання переважно поглинається молекулами нуклеїнових кислот, білків і ліпідів. Світло видимої області спектру переважно поглинається хромофорними групами білкових молекул, частково киснем. Найбільш важлива роль належить гемоглобіну, меланіну і ряду ферментів. Світло ближньої інфрачервоної області (довжина хвилі 0,8.1,4 мкм) поглинається переважно молекулами білку і киснем. Характер взаємодії лазерного випромінювання з середовищем визначається щільністю потужності світлового потоку, що падає, оптичними і теплофізичними характеристиками біологічної тканини. Випромінювання широко використовуваних в лазерній терапії He - Ne і полупроводникових лазерів потрапляє в зону терапевтичного вікна (λ=500-1500 нм) [6], де процеси динамічного розсіювання однозначно переважають над процесами поглинання. Лазерний пучок у такому разі не поглинается в тонкому шарі шкіри, а розподіляється за об'ємом. З цієї причини отримання достовірної інформації про глибину проникнення лазерного пучка в матеріал, температурне поле і зона термічного впливу, а також поглиненій дозі 8 ускладнено складністю моделювання теплових джерел в тканині, неможливістю аналітичного рішення рівняння теплопровідності.

Від чого залежить питома поглинена потужність ЕМП?

Міжнародна комісія ICNIRP з 1992 р. під час розроблення та прийняття нормативнометодичних заходів з обмеження дії неіонізуючого випромінювання в умовах навколишнього і виробничого середовища вводить також обмеження значень таких показників як: щільність індукційного струму (J), питома поглинена потужність (SAR) і щільність потоку енергії (S), для яких визначаються відповідні контрольовані рівні.

де SAR – питома потужність поглинання випромінювання тілом людини, Вт/кг;  – питома електрична провідність тканини тіла людини, См/м; E – 78 середньоквадратичне значення напруженості електричного поля в тканині тіла людини, В/м;  – густина тканини тіла людини, кг/м3



1 Знак «;» ставится в конце оператора, если вы не хотите отображать результат его работы в окне MatLab

2 Вычисленные значения будут выведены в рабочем окне MatLab, т.к. оператор не заканчивается знаком «;»

3 Обратите внимание, что график дан в полулогарифмическом масштабе: по оси x откладывается lgf

4



скачати

© Усі права захищені
написати до нас