波動理論及其在生物醫(yī)學(xué)工程的應(yīng)用

前言

　　物理學(xué)的發(fā)展推動著社會和人類文明的進(jìn)步，物理學(xué)的研究成果和研究方法，在自然科學(xué)的各個領(lǐng)域起著重要的作用，許多高新技術(shù)如現(xiàn)代通信技術(shù)、激光技術(shù)、現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)、電子與計(jì)算機(jī)技術(shù)、航空航天技術(shù)等都與物理學(xué)的發(fā)展密不可分。生物醫(yī)學(xué)工程（Biomedical Engineering，BME）是近代發(fā)展起來的一門用自然科學(xué)和工程技術(shù)的理論方法，研究解決醫(yī)學(xué)防病治病，增進(jìn)人民健康的一門理、工、醫(yī)相結(jié)合的綜合性交叉邊緣學(xué)科。生物醫(yī)學(xué)工程的基本任務(wù)是運(yùn)用工程技術(shù)手段，研究和解決生物學(xué)和醫(yī)學(xué)中的有關(guān)問題，揭示人體奧秘，造福人類。多學(xué)科的交叉，使它不同于那些經(jīng)典的學(xué)科，也有別于生物醫(yī)學(xué)和純粹的工程學(xué)科，它在保障人類健康和為疾病的預(yù)防、診斷、治療、康復(fù)等方面起著巨大作用。　　物理學(xué)是生物醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)，物理學(xué)中的研究手段和方法對生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展起著重要的促進(jìn)作用，同時，生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展又對研究技術(shù)和研究方法提出了更高的要求，進(jìn)一步促進(jìn)了物理學(xué)的進(jìn)步，物理知識是知識結(jié)構(gòu)中不可缺少的重要組成部分。波動是自然界最常見的一種運(yùn)動形式，波動理論主要討論由振動產(chǎn)生波的物理機(jī)制、振動狀態(tài)與能量的傳播規(guī)律等問題，在工程技術(shù)和近代科學(xué)研究中有著廣泛的應(yīng)用。生物醫(yī)學(xué)工程的研究領(lǐng)域離不開物理學(xué)知識，均或多或少地與波動理論有關(guān)，不可避免地要應(yīng)用有關(guān)的基礎(chǔ)知識和技術(shù)?！　”緯鴱牟▌蝇F(xiàn)象的基本理論及其應(yīng)用入手，重點(diǎn)介紹了波動現(xiàn)象的共性知識，內(nèi)容包括有關(guān)機(jī)械和電磁振動及波動現(xiàn)象基本理論，揭示與波動相關(guān)的物質(zhì)狀態(tài)及能量傳輸?shù)墓残砸?guī)律，學(xué)習(xí)分析與求解波動方程、特征參數(shù)的數(shù)學(xué)物理知識，掌握其在生物醫(yī)學(xué)檢測、診斷和治療領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)。書中第2章至第5章主要介紹了波動現(xiàn)象的共性規(guī)律。其內(nèi)容包括無阻尼自由振動、阻尼振動、受迫振動等基本振動物理機(jī)制；波動的數(shù)學(xué)表達(dá)式、能量傳播方式、波的反射與折射、多普勒效應(yīng)等特性；電磁波的輻射、反射與折射及多普勒效應(yīng)等傳播特點(diǎn)；波的疊加、干涉與衍射等傳播規(guī)律。第6章、第7章分別介紹了典型機(jī)械波——超聲和典型電磁波——射頻與微波的特性及其在生物醫(yī)學(xué)工程中的主要應(yīng)用。最后第8章則介紹了波動理論及其應(yīng)用的新近發(fā)展動態(tài)。書末附錄了作者歸納的振動一覽表、電磁波譜圖、矢量算法及場論初步等?！　”緯亲髡邽樯镝t(yī)學(xué)工程專業(yè)開設(shè)了十幾年的專業(yè)基礎(chǔ)課程的教材之一，主要內(nèi)容取材于醫(yī)用物理學(xué)及近年來科研課題所涉及的新技術(shù)、新成果。作者在編著時注重選材內(nèi)容的基礎(chǔ)性、簡明性、共通性及其潛在的應(yīng)用價(jià)值。全書所涉及的科學(xué)問題都是相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域所共同關(guān)心或在科研實(shí)踐中常遇到的知識需求。為適應(yīng)研究型教學(xué)特點(diǎn)和培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，在理論與方法的引導(dǎo)上，側(cè)重于介紹科學(xué)問題的理論背景、相關(guān)知識及分析問題的基本方法；在應(yīng)用方面則主要介紹實(shí)際需求、應(yīng)用條件與可能途徑，以促進(jìn)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、增強(qiáng)理科素養(yǎng)。本書旨在加強(qiáng)工科學(xué)生的理科基本素養(yǎng)，培養(yǎng)具有寬厚基礎(chǔ)理論、扎實(shí)專門知識并能聯(lián)系實(shí)際、有創(chuàng)新動力的復(fù)合型人才，既可作為生物醫(yī)學(xué)工程本科或研究生專業(yè)基礎(chǔ)課教材，也可作為相關(guān)專業(yè)的教師、科研及工程技術(shù)人員的參考書。期望本書所提供的有關(guān)波動理論及其在生物醫(yī)學(xué)工程中應(yīng)用的知識能對讀者有所幫助。

內(nèi)容概要

本書從波動現(xiàn)象的基本理論及其應(yīng)用入手，重點(diǎn)介紹了波動現(xiàn)象的共性知識，內(nèi)容包括基本振動物理機(jī)制、振動所產(chǎn)生波動的數(shù)學(xué)方程、波動參數(shù)和能量傳播特性、波動與生命物質(zhì)相互作用效應(yīng)以及波動理論在生物醫(yī)學(xué)工程中的主要應(yīng)用。本書是作者為生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)開設(shè)了十幾年的專業(yè)基礎(chǔ)課程的教材之一，主要內(nèi)容取材于醫(yī)用物理學(xué)及近年來科研課題所涉及的新技術(shù)、新成果，旨在加強(qiáng)工科學(xué)生的理科基本素養(yǎng)，培養(yǎng)具有寬厚基礎(chǔ)理論、扎實(shí)專門知識并能聯(lián)系實(shí)際、有創(chuàng)新動力的復(fù)合型人才。本書可作為生物醫(yī)學(xué)工程本科或研究生專業(yè)基礎(chǔ)課教材，也可作為相關(guān)專業(yè)的教師、科研及工程技術(shù)人員的參考書。

書籍目錄

前言第1章  緒論  1.1  物理學(xué)與生物醫(yī)學(xué)的關(guān)系    1.1.1  物理學(xué)知識是探討生命體物理運(yùn)動狀態(tài)、性質(zhì)和過程的基礎(chǔ)    1.1.2  物理學(xué)方法和技術(shù)是基礎(chǔ)生物醫(yī)學(xué)研究、診斷治療和向現(xiàn)代化發(fā)展的工具  1.2  生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)的研究任務(wù)與領(lǐng)域    1.2.1  生物醫(yī)學(xué)工程的研究任務(wù)    1.2.2  生物醫(yī)學(xué)工程研究的重要領(lǐng)域  1.3  波動分類與應(yīng)用概述    1.3.1  波動類型及頻段分布    1.3.2  各類波動應(yīng)用概述  1.4  本書內(nèi)容安排    1.4.1  波動共性描述    1.4.2  波動應(yīng)用介紹及展望  本章小結(jié)  問題與思考第2章  振動  2.1  諧振動    2.1.1  諧振動的表達(dá)式    2.1.2  諧振動的矢量圖示法和復(fù)數(shù)表達(dá)式  2.2  無阻尼自由振動    2.2.1  機(jī)械振動    2.2.2  電磁振動    2.2.3  電磁振動與機(jī)械振動類比  2.3  阻尼振動    2.3.1  阻尼振動方程    2.3.2  阻尼振動的能量損耗和系統(tǒng)Q值  2.4  受迫振動、共振    2.4.1  受迫振動方程及穩(wěn)態(tài)解    2.4.2  共振現(xiàn)象及其意義    2.4.3  隨機(jī)共振  2.5  振動的合成與分解    2.5.1  同方向、同頻率簡諧振動的合成    2.5.2  差拍現(xiàn)象與干擾電療儀    2.5.3  相互垂直、同頻率簡諧振動的合成    2.5.4  相互垂直、不同頻率簡諧振動的合成    2.5.5  Fourier分析與頻譜    2.5.6  線性運(yùn)動系統(tǒng)的疊加原理  本章小結(jié)  問題與思考第3章  波的傳播  3.1  波的描述    3.1.1  波的基本物理量    3.1.2  三維簡諧波    3.1.3  簡諧波的復(fù)數(shù)表示法、復(fù)振幅  3.2  波動方程和波速    3.2.1  弦振動產(chǎn)生橫波    3.2.2  固體中的彈性波    3.2.3  理想流體中的聲波  3.3  波的能量傳輸    3.3.1  波能和波能密度    3.3.2  能量通量、能流密度和波強(qiáng)度  3.4  波的反射和折射    3.4.1  惠更斯原理和反射、折射定律    3.4.2  反射波、透射波的振幅和相位  3.5  多普勒效應(yīng)    3.5.1  聲學(xué)多普勒原理    3.5.2  超聲多普勒血流速度測量  本章小結(jié)  問題與思考第4章  電磁波  4.1  電磁波的波動方程    4.1.1  真空中的平面電磁波    4.1.2  非導(dǎo)電媒質(zhì)中的電磁波、色散現(xiàn)象    4.1.3  折射率隨頻率變化機(jī)制  4.2  電磁波的能量、動量    4.2.1  電磁波的能量傳輸、坡印廷矢量    4.2.2  電磁波的動量、輻射壓力    4.2.3  波阻抗、聲波與電磁波類比    4.2.4  媒質(zhì)對電磁波的吸收  4.3  電磁輻射    4.3.1  電磁輻射一般概念與電偶極子近場、遠(yuǎn)場特點(diǎn)    4.3.2  電偶極子輻射總功率    4.3.3  微波偶極子輻射的熱場分布  4.4  電磁波的反射、折射    4.4.1  反射、折射波的振幅——菲涅耳公式    4.4.2  反射、折射波的相位、強(qiáng)度和能通量  4.5  電磁波的多普勒效應(yīng)    4.5.1  電磁波多普勒效應(yīng)的基本特點(diǎn)    4.5.2  電磁波多普勒頻移公式及與聲波的比較    4.5.3  激光多普勒血流速度測量  本章小結(jié)  問題與思考第5章  波的干涉與衍射  5.1  非簡諧波的傳播    5.1.1  波的疊加原理與線性媒質(zhì)    5.1.2  波的疊加和分解    5.1.3  相速度與群速度  5.2  駐波    5.2.1  駐波的形成及其特點(diǎn)    5.2.2  電磁駐波的產(chǎn)生  5.3  波的干涉    5.3.1  干涉現(xiàn)象和相干條件    5.3.2  相干條件討論和干涉能量分布  5.4  波的衍射    5.4.1  電磁波復(fù)數(shù)表示與空間頻率概念    5.4.2  基爾霍夫衍射理論——球面波描述方式    5.4.3  衍射的角譜理論——平面波描述方式    5.4.4  兩種衍射理論的比較  本章小結(jié)  問題與思考第6章  超聲波在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用  6.1  聲波和超聲    6.1.1  超聲產(chǎn)生的壓電原理    6.1.2  超聲換能器的特性與結(jié)構(gòu)  6.2  超聲在生物組織內(nèi)的傳播特性    6.2.1  超聲振子輻射聲場的特點(diǎn)    6.2.2  超聲在生物組織內(nèi)傳播和衰減特性    6.2.3  超聲對生物組織的作用  6.3  醫(yī)學(xué)超聲診斷技術(shù)    6.3.1  超聲脈沖反射法與相控陣掃描    6.3.2  醫(yī)學(xué)超聲成像儀器的類型與原理特點(diǎn)    6.3.3  超聲多普勒診斷技術(shù)  6.4  醫(yī)學(xué)超聲治療技術(shù)    6.4.1  醫(yī)用超聲治療儀器    6.4.2  高強(qiáng)度聚焦超聲治癌技術(shù)  本章小結(jié)  問題與思考第7章  電磁波在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用  7.1  電磁波生物效應(yīng)    7.1.1  電磁波生物效應(yīng)的類型和特點(diǎn)    7.1.2  電磁波生物效應(yīng)的作用機(jī)理    7.1.3  電磁波生物效應(yīng)的應(yīng)用與防護(hù)  7.2  電磁波熱療治癌技術(shù)    7.2.1  腫瘤溫?zé)岑煼?   7.2.2  電容射頻熱療    7.2.3  微波熱療技術(shù)  本章小結(jié)  問題與思考第8章  波動理論應(yīng)用新進(jìn)展  8.1  隨機(jī)共振    8.1.1  隨機(jī)共振現(xiàn)象    8.1.2  隨機(jī)共振在生物醫(yī)學(xué)工程中的應(yīng)用  8.2  THz波    8.2.1  什么是THz波    8.2.2  THz波的產(chǎn)生    8.2.3  THz波在生物醫(yī)學(xué)工程中的應(yīng)用  8.3  無線供電    8.3.1  共振磁耦合原理    8.3.2  無線供電在生物醫(yī)學(xué)工程中的應(yīng)用  8.4  結(jié)束語  本章小結(jié)  問題與思考附錄  附錄A  振動一覽表  附錄B  電磁波譜圖  附錄C  矢量算法    C.1  矢量代數(shù)    C.2  矢量分析  附錄D  場論初步    D.1  場的基本概念及其特征參量    D.2  場的特征參量在不同坐標(biāo)系中的表達(dá)式    D.3  矢量積分定理參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　第1章 緒論　　物理學(xué)的發(fā)展推動著社會和人類文明的進(jìn)步，物理學(xué)的研究成果和研究方法，在自然科學(xué)的各個領(lǐng)域起著重要的作用，許多高新技術(shù)如航空航天技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)、激光技術(shù)、現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)、電子與計(jì)算機(jī)技術(shù)等都與物理學(xué)密不可分。如18世紀(jì)蒸汽機(jī)的發(fā)明讓人類進(jìn)入機(jī)械化時代；19-20世紀(jì)在電磁學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展的電力開發(fā)與利用，給社會生產(chǎn)和生活帶來了深刻的變革，使人類進(jìn)入電氣化、信息化時代；20世紀(jì)核電技術(shù)的出現(xiàn)使人類社會步入核能時代。當(dāng)前科學(xué)中最引人矚目的課題，如生命科學(xué)、宇宙起源、材料科學(xué)等，都與物理學(xué)的研究成果和研究方法密切相關(guān)?？梢哉f，社會的每一次巨大進(jìn)步都是建立在物理學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)之上?！　∥锢韺W(xué)是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和物質(zhì)運(yùn)動規(guī)律的科學(xué)。各種自然現(xiàn)象（如天體運(yùn)動、化學(xué)運(yùn)動、動植物的生長和生殖過程等）都是不同形態(tài)的物質(zhì)運(yùn)動的表現(xiàn)。物質(zhì)的運(yùn)動形態(tài)是多種多樣的，既服從共同普遍的規(guī)律，又具有其獨(dú)特性，對于各種不同的物質(zhì)運(yùn)動形態(tài)的研究，形成了自然科學(xué)的各個分類。最簡單的物質(zhì)運(yùn)動形態(tài)是機(jī)械運(yùn)動，稍微復(fù)雜一點(diǎn)的運(yùn)動形態(tài)有物理的和化學(xué)的現(xiàn)象，而生命現(xiàn)象是物質(zhì)世界中的高級運(yùn)動形態(tài)，不管生命活動多么復(fù)雜，其中必定涉及一些物理現(xiàn)象，例如，細(xì)胞、分子、電子之間都遵守萬有引力定律，人體的代謝遵從能量守恒和轉(zhuǎn)換定律，生物電的電學(xué)性質(zhì)符合電磁學(xué)的規(guī)律等。因此，物理學(xué)是生物醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)，物理學(xué)中的研究手段和方法對生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展起著重要的促進(jìn)作用，同時生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展又對研究技術(shù)和研究方法提出了更高的要求，進(jìn)一步促進(jìn)了物理學(xué)的進(jìn)步。物理知識是知識結(jié)構(gòu)中不可缺少的重要組成部分，物理素質(zhì)是必備的科學(xué)素質(zhì)。2l世紀(jì)需要具有創(chuàng)新意識和開拓能力的科技人才，這就要求生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的學(xué)生不僅掌握扎實(shí)的現(xiàn)代物理學(xué)知識，更需要掌握現(xiàn)代物理學(xué)的思想和方法。雖然物理學(xué)的內(nèi)容并不直接用于解決生物醫(yī)學(xué)工程中存在的具體問題，但它是后續(xù)醫(yī)學(xué)實(shí)踐的基礎(chǔ)。因此，掌握物理學(xué)提供的、與醫(yī)學(xué)緊密結(jié)合的一些系統(tǒng)知識，對一名生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的學(xué)生來說是必不可少的?！　　?/pre>








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