用于大剂量电磁辐照细胞非热效应实验的指数型细胞温度调控方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种用于大剂量电磁辐照细胞非热效应实验的指数型细胞温度调控方法及系统，涉及生物电磁学实验技术领域，解决了传统的自适应温控所需的复杂气流温度变化曲线难以用现有温控装置实现的问题。本方法包括：电磁建模仿真；温度建模仿真；平均比吸收率(SAR)的上限的计算；指数型温控的气流温度变化曲线的冗余范围的计算；指数型温控的实现。本发明专利技术应用于大剂量电磁辐照细胞非热效应实验，用指数型温控的气流温度变化曲线取代自适应温控的气流温度变化曲线，降低了曲线复杂度，参考温度利用系数和温变时间常数，获得一定的气流温度变化曲线的冗余范围，显著提高了温控的可行性。温控的可行性。温控的可行性。

【技术实现步骤摘要】
用于大剂量电磁辐照细胞非热效应实验的指数型细胞温度调控方法及系统


[0001]本专利技术属于生物电磁学实验
，特别涉及一种用于大剂量电磁辐照细胞非热效应实验的指数型细胞温度调控方法及系统。

技术介绍

[0002]在生物电磁学中，“热效应”指电磁能量被生物样品吸收、转化为热能，导致温度明显升高所引起的生物效应。“非热效应”则是电磁场能量直接引发的生物效应，与温度变化无关。电磁辐照下细胞的非热效应是生物电磁学的研究热点，可以深入揭示电磁波刺激与细胞反应的机理，为安全、有利地开发与应用各类电磁设备提供支持。
[0003]长期以来，电磁辐照细胞非热效应实验普遍存在着结果矛盾、效应的可重复性差的问题，主要原因之一是传统的电磁辐照实验装置可产生的非热效应很微弱，难以用现有的设备和技术成功检测。如Adair R K在其发表的论文“Biophysical Limits on Athermal Effects of RF and Microwave Radiation[J].Bioelectromagnetics,2003,24(1):39
‑
48”中所述，为了避免温度明显升高，实验允许的辐照剂量较低，导致生物样品获得的电磁能量与正常生命活动的热噪声能量基本持平，不能有效地激发非热效应。为了增强非热效应到可被成功检测的水平，实验需要显著加大辐照剂量，如将电磁波的入射功率密度提高到10mW/cm2以上，但由此引发的热效应会严重干扰对非热效应的甄别与检测。
[0004]为了避免热效应，目前的电磁辐照实验系统普遍采用热交换抑制细胞温升。Schuderer J等人在其发表的论文“In Vitro Exposure Systems for RF Exposures at 900 MHz[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2004,52(8):2067
‑
2075”中描述了瑞士IT
’
IS基金会研制的sXc900电磁辐照细胞实验系统，实验系统产生温度稳恒为细胞培养温度的气流，冷却波导谐振腔中的细胞样品，在电磁辐照下，细胞样品各处的温升受到抑制，每单位的辐照剂量，如1W/kg的SAR(Specific Absorption Rate，比吸收率，即单位质量细胞样品吸收的电磁功率)造成的细胞温升为0.014℃～0.019℃，当非热效应的温度变化阈值取0.1℃时，实验系统所允许的最大辐照剂量约为5W/kg。但这样的稳恒温控只用到温度的正向变化与调控，没有利用温度的负向变化与调控，对电磁辐照细胞非热效应实验允许的最大辐照剂量的提升程度很有限。
[0005]调变温控同时利用了温度的正向和负向的变化与调控。如Zhao J等人在其发表的论文“Adaptive Temperature Control Applied to a 900
‑
MHz In Vitro Exposure Setup for Nonthermal Effects of a High
‑
Level SAR[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2022,70(3):1658
‑
1673”中所述，用实验系统产生自适应温控气流，冷却TEM谐振腔中的细胞样品，细胞样品局部的温度上升，局部的温度下降，其最高温度变化始终不大于非热效应的温度变化阈值，最低温度变化始终不小于非热效应的温度变化阈值的相反值，即对消了细胞温升。以细胞样品中的平均SAR作为辐照剂量参考，调变温控相较于稳恒温控，将电磁辐照细胞非热效应实验允许的最大辐照剂量提高至
约2.43倍。但是，调变温控目前通过自适应温控实现，自适应温控经多步迭代生成的气流温度变化曲线在辐照开始阶段会出现明显的振荡，曲线形状复杂，实现这样的气流温度变化曲线需要大量的实验和调试，工作难度大，耗时长，可行性不佳。

技术实现思路

[0006]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种用于大剂量电磁辐照细胞非热效应实验的指数型细胞温度调控方法及系统。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0008]第一方面，本专利技术公开了一种用于大剂量电磁辐照细胞非热效应实验的指数型细胞温度调控方法，包括以下步骤：
[0009]S1、电磁建模仿真，使用电磁建模仿真软件，对装载细胞样品的电磁辐照实验装置建立电磁参数模型，仿真电磁辐照实验过程，获得电磁辐照实验装置中的电磁场场型和能量分布，计算细胞样品的SAR分布数据和样品承托介质组件的吸收功率分布数据；
[0010]S2、温度建模仿真，使用温度建模仿真软件，对气流作用下的细胞样品和样品承托介质组件建立热力学参数模型，使用S1所得的SAR分布数据和吸收功率分布数据，仿真电磁辐照实验过程中细胞样品和样品承托介质组件的发热、导热以及与气流的热交换，计算细胞样品在各个时刻的温度变化分布数据，获得各个时刻的细胞样品的最高温度变化和最低温度变化；
[0011]S3、平均SAR的上限的计算，记录S1所得的SAR分布数据，以及稳恒温控即气流温度稳定不变时S2所得的细胞样品的最高、最低温度变化曲线及其稳定值，根据非热效应的温度变化阈值与最高温度变化的稳定值的比值，以及最高温度变化的稳定值与平均SAR之间的正比关系，计算稳恒温控时最高温度变化的稳定值达到非热效应的温度变化阈值时，非热效应实验允许的平均SAR的上限，根据最高、最低温度变化的稳定值之差与平均SAR之间的正比关系，再取最高、最低温度变化的稳定值分别为非热效应的温度变化阈值及其相反值，即取最高、最低温度变化的稳定值之差为非热效应的温度变化阈值的2倍，计算调变温控即气流温度随时间调整时非热效应实验允许的平均SAR的上限；
[0012]S4、指数型温控的气流温度变化曲线的冗余范围的计算，取平均SAR小于调变温控允许的上限，使用指数型温控函数生成指数型温控的气流温度变化曲线，基于S2的温度建模仿真，计算电磁辐照实验过程中细胞样品的最高、最低温度变化曲线，调整温度利用系数和温变时间常数，使最高温度变化始终不大于非热效应的温度变化阈值，同时最低温度变化始终不小于非热效应的温度变化阈值的相反值，以此获得在所选的平均SAR下，对消细胞温升所需的指数型温控的气流温度变化曲线的冗余范围；
[0013]S5、指数型温控的实现，进行电磁辐照实验，在细胞样品中产生S4所选的平均SAR，调控细胞样品附近的气流温度，使气流温度变化曲线落于S4所得的指数型温控的气流温度变化曲线的冗余范围之内。
[0014]第二方面，本专利技术公开了一种用于大剂量电磁辐照细胞非热效应实验的指数型细胞温度调控系统，包括以下功能模块：
[0015]温度传感器100，用于采集大剂量电磁辐照细胞非热效应实验中指数型细胞温度调控方法及系统所需的温度数据，所述温度数据至少包括细胞样品附近的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于大剂量电磁辐照细胞非热效应实验的指数型细胞温度调控方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、电磁建模仿真使用电磁建模仿真软件，对装载细胞样品的电磁辐照实验装置建立电磁参数模型，仿真电磁辐照实验过程，获得电磁辐照实验装置中的电磁场场型和能量分布，计算细胞样品的SAR分布数据和样品承托介质组件的吸收功率分布数据；S2、温度建模仿真使用温度建模仿真软件，对气流作用下的细胞样品和样品承托介质组件建立热力学参数模型，使用S1所得的SAR分布数据和吸收功率分布数据，仿真电磁辐照实验过程中细胞样品和样品承托介质组件的发热、导热以及与气流的热交换，计算细胞样品在各个时刻的温度变化分布数据，获得各个时刻的细胞样品的最高温度变化和最低温度变化；S3、平均SAR的上限的计算记录S1所得的SAR分布数据，以及稳恒温控即气流温度稳定不变时S2所得的细胞样品的最高、最低温度变化曲线及其稳定值，根据非热效应的温度变化阈值与最高温度变化的稳定值的比值，以及最高温度变化的稳定值与平均SAR之间的正比关系，计算稳恒温控时最高温度变化的稳定值达到非热效应的温度变化阈值时，非热效应实验允许的平均SAR的上限，根据最高、最低温度变化的稳定值之差与平均SAR之间的正比关系，再取最高、最低温度变化的稳定值分别为非热效应的温度变化阈值及其相反值，即取最高、最低温度变化的稳定值之差为非热效应的温度变化阈值的2倍，计算调变温控即气流温度随时间调整时非热效应实验允许的平均SAR的上限；S4、指数型温控的气流温度变化曲线的冗余范围的计算取平均SAR小于调变温控允许的上限，使用指数型温控函数生成指数型温控的气流温度变化曲线，基于S2的温度建模仿真，计算电磁辐照实验过程中细胞样品的最高、最低温度变化曲线，调整温度利用系数和温变时间常数，使最高温度变化始终不大于非热效应的温度变化阈值，同时最低温度变化始终不小于非热效应的温度变化阈值的相反值，以此获得在所选的平均SAR下，对消细胞温升所需的指数型温控的气流温度变化曲线的冗余范围；S5、指数型温控的实现进行电磁辐照实验，在细胞样品中产生S4所选的平均SAR，调控细胞样品附近的气流温度，使气流温度变化曲线落于S4所得的指数型温控的气流温度变化曲线的冗余范围之内。2.根据权利要求1所述用于大剂量电磁辐照细胞非热效应实验的指数型细胞温度调控方法，其特征在于，所述S1，搭建装载细胞样品的电磁辐照实验装置的CAD模型，自适应剖分成网格模型，在细胞样品的网格中，SAR由其组成材料的电导率σ、质量密度ρ和网格中心的电场振幅计算，在样品承托介质组件的网格中，吸收功率由其组成材料的电导率σ和网格中心的电场振幅计算。3.根据权利要求2所述用于大剂量电磁辐照细胞非热效应实验的指数型细胞温度调控方法，其特征在于，所述S2，使用S1得到的网格模型，设置网格模型中各组成材料的热力学参数，设置发热源和气流温度，对电磁辐照实验过程进行温度仿真，计算细胞样品在各个时刻的温度变化分布数据，在各个时刻，逐网格寻找细胞样品的最高温度变化和最低温度变化；所述设置发热源，即采用S1所得的SAR分布数据和吸收功率分布数据计算发热功率的分
布，细胞样品网格的发热功率等于其SAR乘以质量密度ρ，样品承托介质组件网格的发热功率等于其吸收功率。4.根据权利要求1或2或3所述用于大剂量电磁辐照细胞非热效应实验的指数型细胞温度调控方法，其特征在于，所述稳恒温控时非热效应实验允许的平均SAR的上限的计算公式如下：式中，ΔT
th
为非热效应的温度变化阈值，...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵建勋，李帅，韦熙成，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：