有限差分法在細(xì)胞介電譜中的應(yīng)用【優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計】

1、<p><b>　　本科畢業(yè)設(shè)計</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　有限差分法在細(xì)胞介電譜中的應(yīng)用</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級 數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)

2、 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘　要</b></p&g

3、t;<p>　　【摘要】交流電作用于細(xì)胞體系產(chǎn)生介電弛豫效應(yīng)。文中將該系統(tǒng)等效成電容與電阻并聯(lián)而成的模型，根據(jù)復(fù)介電常數(shù)虛部的定義（即表示在電場變化一個周期中的能量損失），通過等效電路中的電阻及相關(guān)參數(shù)來計算。在等效模型中，電容在電場變化一個周期所儲存的能量復(fù)介電常數(shù)實部有關(guān)，建立相應(yīng)函數(shù)關(guān)系，通過所給的相關(guān)參數(shù)計算復(fù)介電常數(shù)實部。利用此電磁學(xué)原理建立三維模型，以有限差分法對生物細(xì)胞介電弛豫進(jìn)行模擬。最后將模擬結(jié)果與PS方

4、程對比。對比結(jié)果的相對誤差為，的相對誤差為。</p><p>　　【關(guān)鍵詞】有限差分法；介電弛豫；PS方程；復(fù)介電常數(shù)；復(fù)電導(dǎo)率。</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　【ABSTRACT】While applying an alternating current electric field on biol

5、ogical cells,the cells produce dielectric relaxation effect.In this paper,this system is equivalent to the model which includes capacitance and resistors in parallel.According to the definition of the imaginary part of c

6、omplex permittivity which means the energy loss in a cycle,we can calculate the imaginary part by resistance in equivalent circuit and parameters.The real part of complex permittivity is related to energy chang</p>

7、<p>　　【KEYWORDS】Finite difference method;Dielectric relaxation;PS equation;Complex permittivity ;Complex conductivity.</p><p><b>　　目　錄</b></p><p><b>　　摘　要I</b><

8、;/p><p>　　AbstractI</p><p><b>　　目　錄II</b></p><p><b>　　1引言1</b></p><p>　　1.1細(xì)胞介電弛豫效應(yīng)1</p><p>　　1.2三維有限差分法1</p><p>

9、　　2介電基本理論2</p><p>　　2.1常用符號2</p><p>　　2.2宏觀電性質(zhì)3</p><p>　　2.2.1真空介電常數(shù)3</p><p>　　2.2.2電導(dǎo)率3</p><p>　　2.2.3界面極化3</p><p>　　2.2.4電磁學(xué)方程

10、3</p><p>　　3三維有限差分模型與算法5</p><p>　　3.1三維有限差分模型5</p><p>　　3.1.1模型原理5</p><p>　　3.1.2三維有限差分模型6</p><p>　　4三維有限差分模型的算法9</p><p>　　4.1三維差分模

11、型算法9</p><p>　　4.1.1建立位圖和導(dǎo)納元胞數(shù)組矩陣9</p><p>　　4.2超松弛迭代法求解電勢10</p><p>　　4.2.1Jacobi迭代10</p><p>　　4.2.2Seidel迭代11</p><p>　　4.2.3松弛迭代法11</p>&l

12、t;p>　　4.3超松弛程序框圖12</p><p>　　5單球殼模型計算12</p><p>　　5.1單球殼模型13</p><p>　　5.1.1單球殼模型13</p><p>　　5.1.2其他模型14</p><p>　　5.2算法改進(jìn)14</p><p>

13、;　　5.2.1改進(jìn)理論14</p><p>　　5.2.2改進(jìn)結(jié)果15</p><p>　　6結(jié)果與討論15</p><p>　　6.1Cole-Cole理論15</p><p>　　6.1.1Cole-Cole理論發(fā)展15</p><p>　　6.2PS理論16</p><

14、;p>　　6.2.1PS理論發(fā)展16</p><p>　　6.2.2基于參數(shù)PS求解16</p><p>　　6.3基于參數(shù)三維有限差分法求解17</p><p>　　6.4三維有限差分法與PS方程理論結(jié)果對比18</p><p>　　6.5三維有限差分法與PS方程理論三維結(jié)果對比21</p><

15、p><b>　　7結(jié)束語23</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)24</b></p><p>　　致謝錯誤!未定義書簽。</p><p><b>　　引言</b></p><p><b>　　細(xì)胞介電弛豫效應(yīng)</b></p&g

16、t;<p>　　細(xì)胞普遍存在著介電弛豫效應(yīng)[1](dielectric dispersion),即細(xì)胞的復(fù)介電常數(shù)和復(fù)電導(dǎo)率隨外加電場頻率變化發(fā)生的介電響應(yīng)。研究細(xì)胞介電弛豫可以了解細(xì)胞界面極化的性質(zhì)和細(xì)胞導(dǎo)電、絕緣的電生理學(xué)特性，有助于人們驗證生物細(xì)胞的數(shù)學(xué)模型和物理模型的正確性，深人了解生物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能。通常利用計算機(jī)控制的寬頻帶阻抗分析儀非損傷地測量細(xì)胞的介電常數(shù)和電導(dǎo)率,然后對計算機(jī)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行多種圖形處理和

17、非線性數(shù)值計算分析，建立生物細(xì)胞的介電參數(shù)。</p><p><b>　　三維有限差分法</b></p><p>　　有限差分方法(FDM：Finite Difference Method)是計算機(jī)數(shù)值模擬最早采用的方法，至今仍被廣泛運(yùn)用。該方法將求解域劃分為差分網(wǎng)格，用有限個網(wǎng)格節(jié)點代替連續(xù)的求解域。三維有限差分法以Taylor級數(shù)展開等方法，把控制方程中的導(dǎo)數(shù)用網(wǎng)

18、格節(jié)點上的函數(shù)值的差商代替進(jìn)行三維空間離散，從而建立以網(wǎng)格節(jié)點上的值為未知數(shù)的代數(shù)方程組[2]。該方法是一種直接將微分問題變?yōu)榇鷶?shù)問題的近似數(shù)值解法，表達(dá)簡單，數(shù)學(xué)概念直觀，是發(fā)展較早且比較成熟的數(shù)值方法。</p><p><b>　　介電基本理論</b></p><p><b>　　常用符號</b></p><p>　　

19、介電常數(shù)： 介電常數(shù)：</p><p>　　復(fù)介電常數(shù)實部： 復(fù)介電常數(shù)虛部：</p><p>　　電導(dǎo)率： 復(fù)電導(dǎo)率：</p><p>　　復(fù)電導(dǎo)率實部：

20、 復(fù)電導(dǎo)率虛： </p><p>　　真空中介電常數(shù)： 測定角頻率：</p><p>　　所加交流電場頻率： 虛數(shù)單位：</p><p>　　直流電壓： 交流電壓：</p><p>　　電容器電容：

21、 所帶電荷：</p><p>　　大立方體變成： 細(xì)胞體積分?jǐn)?shù)：</p><p>　　相鄰網(wǎng)格點間距： 細(xì)胞半徑：</p><p><b>　　細(xì)胞膜厚度為：</b></p><p>

22、　　網(wǎng)格點元素坐標(biāo)： 網(wǎng)格點的電勢： </p><p>　　溶液復(fù)電導(dǎo)率實部： 細(xì)胞質(zhì)復(fù)電導(dǎo)率實部：</p><p>　　細(xì)胞膜復(fù)電導(dǎo)率實部： 溶液復(fù)介電常數(shù)實部：</p><p>　　細(xì)胞質(zhì)復(fù)介電常數(shù)實部：

23、 細(xì)胞膜復(fù)介電常數(shù)實部： </p><p>　　流經(jīng)和邊界電流： 流經(jīng)和邊界電流： 流經(jīng)和邊界電流： 流經(jīng)和邊界電流： 流經(jīng)和邊界電流： 流經(jīng)和邊界電流：</p><p>　　在和之間元素導(dǎo)納： 在和之間元素導(dǎo)納：</p><p>　　在和

24、之間元素導(dǎo)納： 在和之間元素導(dǎo)納：</p><p>　　在和之間元素導(dǎo)納： 在和之間元素導(dǎo)納：</p><p><b>　　宏觀電性質(zhì)</b></p><p>　　一般的，材料的宏觀電性質(zhì)可以由介電常數(shù)和電導(dǎo)率來表征。</p><p><b>　　真空介電常數(shù)</b><

25、/p><p>　　將直流電壓加在一真空平行板電容器上，在極板上產(chǎn)生一定數(shù)量的電荷 ，此時真空電容器的電容為：</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　而電容大小與電壓無關(guān)，只與其幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)，每個極板的面積為，極板間距為，則</p><p><b>　?。?.2）</b>&l

26、t;/p><p>　　比例系數(shù)稱為真空介電常數(shù)，其值為[3]。</p><p>　　當(dāng)電容器中充滿電介質(zhì)時，極板上的電荷增加到，電容器電容比真空狀態(tài)下增加了倍，即</p><p><b>　?。?.3）</b></p><p>　　比例系數(shù)稱為相對介電常數(shù)，表征電介質(zhì)儲存電能的能力大小。</p><p&g

27、t;<b>　　電導(dǎo)率</b></p><p>　　表征溶液傳導(dǎo)電流的能力，在直流電導(dǎo)中主要由質(zhì)子、離子和電子傳導(dǎo)機(jī)制引起，電導(dǎo)通過介電損失來發(fā)生，介電損失是一種交流電現(xiàn)象。</p><p><b>　　界面極化</b></p><p>　　當(dāng)材料中的自由電荷（正、負(fù)離子或電子）在兩種材料的相界面上或者在一種材料內(nèi)兩個不同

28、區(qū)域積聚時，將形成材料中空間電荷的不均勻分布，產(chǎn)生宏觀偶極矩，這種極化稱為界面。界面極化在一定程度上可以等效地看成偶極矩取向極化，界面極化主要存在于具有相界面的不均勻材料和具有缺陷、顆粒和雜質(zhì)的材料中錯誤!未找到引用源。。界面極化機(jī)制如圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1 界面極化機(jī)制示意圖</p><p><b>　　電磁學(xué)方程</b></p>

29、<p>　　細(xì)胞在交變電場作用下產(chǎn)生極化，由于存在介電質(zhì)致使極化過程產(chǎn)生相位差，而此時電束密度也產(chǎn)生相應(yīng)的相位差[15]。為方便推導(dǎo)，交流電場用復(fù)數(shù)表示：</p><p><b>　?。?.4）</b></p><p><b>　　電束密度為：</b></p><p><b>　　（2.5）</

30、b></p><p>　　若定義復(fù)介電常數(shù)為：</p><p><b>　?。?.6）</b></p><p><b>　　則，</b></p><p>　　這與通過直流電時形式一致。在復(fù)介電常數(shù)中實部表示在靜態(tài)時介電常數(shù)。</p><p><b>　　通過系

31、統(tǒng)的電流</b></p><p><b>　?。?.7）</b></p><p>　　參考靜電場中形式，定義復(fù)電導(dǎo)率：</p><p><b>　?。?.8）</b></p><p>　　所以復(fù)介電常數(shù)和復(fù)電導(dǎo)率關(guān)系：</p><p><b>　?。?.

32、9）</b></p><p>　　三維有限差分模型與算法 </p><p><b>　　三維有限差分模型</b></p><p>　　有限差分法在數(shù)值計算中應(yīng)用廣泛，本文將其推廣應(yīng)用于三維空間模擬，對細(xì)胞介電參數(shù)進(jìn)行計算分析。在之前三維有限差分法已經(jīng)應(yīng)用于計算混合系統(tǒng)的等效介電常數(shù)[6][7]，在這里將其推廣至覆蓋有原生質(zhì)膜的生物細(xì)

33、胞[8]。</p><p><b>　　模型原理 </b></p><p>　　對細(xì)胞介電性質(zhì)研究包括復(fù)介電常數(shù)和復(fù)電導(dǎo)率，復(fù)介電常數(shù)和電導(dǎo)率的關(guān)系為：</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　而復(fù)電導(dǎo)率的計算公式為：</p><p><b&

34、gt;　　（3.2）</b></p><p>　　其中為電導(dǎo)率，為相對介電常數(shù)，在實驗中可有相應(yīng)實驗儀器測出，對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行計算可得相應(yīng)的細(xì)胞介電特性。</p><p>　　將包含細(xì)胞的培養(yǎng)液進(jìn)行極化時，把系統(tǒng)看成平行板電容器與電阻并聯(lián)的系統(tǒng)。電容器的極板面積為，極板間距為，而流經(jīng)整個系統(tǒng)的電流：</p><p>　　圖一.系統(tǒng)的等價電路</p&g

35、t;<p><b>　?。?.3）</b></p><p>　　在該模型中，電容器在交流電場中儲存能量：</p><p><b>　?。?.4）</b></p><p>　　而復(fù)介電常數(shù)的虛部表示電場變化一個周期的能量損失，主要以電阻產(chǎn)生焦耳熱的損失。</p><p><b>

36、;　　（3.5）</b></p><p>　　根據(jù)計算公式，在此建立三維有限差分模型對細(xì)胞進(jìn)行數(shù)字模擬，從而進(jìn)行細(xì)胞介電特性分析，對細(xì)胞結(jié)構(gòu)分析、細(xì)胞介電弛豫分析提供可靠的依據(jù)。在對模型進(jìn)行數(shù)字分析，計算出相應(yīng)的參數(shù)和與之實驗進(jìn)行對比。</p><p><b>　　三維有限差分模型</b></p><p>　　細(xì)胞置于三維平行板電容

37、器中，將所在區(qū)域三維分割實現(xiàn)差分網(wǎng)格，在每個差分網(wǎng)格點都位于立方體元素的中心，其分割圖如圖（3.1）所示。整個三維系統(tǒng)擁有個網(wǎng)格點，每個網(wǎng)格點相距為，每個網(wǎng)格所在的立方體元素體積為。</p><p>　　圖3.1差分網(wǎng)格圖 圖3.2網(wǎng)格點</p><p>　　對于每個網(wǎng)格點來說，其電勢可由周圍六個網(wǎng)格點的電勢和所在的立方體的復(fù)電導(dǎo)率計算得到。如圖3.2

38、所示，為網(wǎng)格所在點，為各網(wǎng)格點的電勢，灰色部分為細(xì)胞內(nèi)部（復(fù)電導(dǎo)率），白色部分為細(xì)胞外部培養(yǎng)液（復(fù)電導(dǎo)率），兩者相交處為細(xì)胞膜（復(fù)電導(dǎo)率，厚度）。</p><p>　　假設(shè)一個網(wǎng)格點的立方體元素處于均勻平行電場中，電場位于網(wǎng)格點和之間，流過立方體元素和邊界的電流的計算公式為[9]：</p><p><b>　?。?.6）</b></p><p>

39、;　　上式中為處于立方體元素和的導(dǎo)納，其計算公式為：</p><p><b>　?。?.7）</b></p><p>　　同理流過網(wǎng)格點的其他五個邊界的電流和相應(yīng)的導(dǎo)納計算為：</p><p><b>　?。?.8）</b></p><p><b>　　（3.9）</b><

40、;/p><p><b>　?。?.10）</b></p><p><b>　　（3.11）</b></p><p><b>　?。?.12）</b></p><p><b>　?。?.13）</b></p><p><b>　

41、?。?.14）</b></p><p><b>　?。?.12）</b></p><p><b>　　（3.13）</b></p><p><b>　?。?.14）</b></p><p>　　在網(wǎng)格點處電流的流進(jìn)和流出量相同，其矢量和為零，因此得出的一個差分方程：

42、</p><p><b>　　（3.15）</b></p><p><b>　　整理得：</b></p><p><b>　?。?.16）</b></p><p>　　當(dāng)有細(xì)胞膜處于立方體元素和之間,導(dǎo)納的計算可有下式表示:</p><p><b&

43、gt;　　(3.17)</b></p><p>　　對有限差分劃分的每個網(wǎng)格電流分析，得出相應(yīng)的差分方程，聯(lián)立方程得到關(guān)于電勢的差分方程組，通過超松弛法求解。將相應(yīng)的電勢代入方程（3.4），（3.5）求得相應(yīng)的介電特性參數(shù)。</p><p>　　三維有限差分模型的算法 </p><p><b>　　三維差分模型算法</b></

44、p><p>　　在計算三維差分模型時，首先得建立原始位圖以便于導(dǎo)納的計算，其次計算各個網(wǎng)格點電勢，求出相應(yīng)電勢后計算系統(tǒng)總電流，最后對細(xì)胞復(fù)電導(dǎo)率和復(fù)介電常數(shù)進(jìn)行求解，分析相應(yīng)的特性。</p><p>　　建立位圖和導(dǎo)納元胞數(shù)組矩陣</p><p>　　將細(xì)胞置于立方體內(nèi)進(jìn)行劃分差分網(wǎng)格，網(wǎng)格點整個系統(tǒng)內(nèi)要么在細(xì)胞內(nèi)部，或在細(xì)胞外部的培養(yǎng)液中。通過簡化模型，處于細(xì)胞內(nèi)和

45、培養(yǎng)液之間的立方體元素為細(xì)胞膜，注意計算時導(dǎo)納的區(qū)分。</p><p>　　建立原始位圖矩陣，其內(nèi)部元素只有或，判斷標(biāo)準(zhǔn)為網(wǎng)格點處于細(xì)胞內(nèi)部為，否則為，對位圖矩陣計算可得出相應(yīng)細(xì)胞占溶液的體積分?jǐn)?shù)。</p><p>　　對導(dǎo)納計算公式由式（3.4），（3.10）-（3.14），（3.17）可得，我們由原始位圖矩陣分析可計算出每個網(wǎng)格點相應(yīng)的個導(dǎo)納，建立導(dǎo)納矩陣。</p>&l

46、t;p>　　考慮邊界問題，我們以網(wǎng)格點為例進(jìn)行處理以便于統(tǒng)一導(dǎo)納矩陣元素的格式，網(wǎng)格點的示意圖如圖3.3所示。</p><p>　　圖3.3 元素(1,1,1)位置</p><p>　　網(wǎng)格點的上部不存在與之相鄰的網(wǎng)格點元素，我們將其令為，故，</p><p>　　同理，，以此為原則對系統(tǒng)內(nèi)所有網(wǎng)格點元素導(dǎo)納進(jìn)行計算，網(wǎng)格點的導(dǎo)納在Matlab中以元胞數(shù)組進(jìn)

47、行存儲：。每個網(wǎng)格點內(nèi)擁有六個導(dǎo)納即元胞內(nèi)擁有六個元素為：，，，，，。所以網(wǎng)格點的導(dǎo)納為：。對系統(tǒng)的導(dǎo)納以上述規(guī)則計算并存儲，以備求解電勢所用。</p><p>　　超松弛迭代法求解電勢</p><p>　　在均勻介質(zhì)中，電流流過導(dǎo)體時其電勢呈現(xiàn)線性關(guān)系。由于在稀薄溶液中，細(xì)胞對電勢影響不大，我們假設(shè)在兩塊電極板之間的電勢變化為線性梯度，即從電極板正極到負(fù)極呈單調(diào)遞減形，以此建立初始電勢矩

48、陣。</p><p><b>　　設(shè)原始方程組為：</b></p><p><b>　?。?.1）</b></p><p><b>　　以矩陣形式表示為：</b></p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　

49、其中 為系數(shù)矩陣,非奇異,是右端項,為解向量。</p><p><b>　　假設(shè),令</b></p><p><b>　　(4.3)</b></p><p>　　則方程(3.22)可整理為:</p><p><b>　　(4.4)</b></p><p>

50、;<b>　　Jacobi迭代</b></p><p>　　令 ， ， （4.5）</p><p>　　所以方程式（4.4）可表示為：</p><p><b>　?。?.6）</b></p><p>　　選取初始矩陣，代入式（4.4）右端可得一組新向量，記為：.如此迭代下去，迭代

51、格式為：</p><p>　?。?.7）以上迭代為簡單迭代，即Jacobi迭代。</p><p><b>　　Seidel迭代</b></p><p>　　基于上述Jacobi迭代法則，假設(shè)先采用代入式（4.4）第一個方程右端，計算出，然后用新算出的第一個分量代替，用代入式（4.4）第二個方程右端，計算出，用代入式（4.4）第三式右端計算，如此

52、類推直到所有變量用取代。</p><p><b>　　迭代過程為：</b></p><p><b>　?。?.8）</b></p><p><b>　　令</b></p><p>　　， （4.9）</p>&l

53、t;p>　　迭代過程用用矩陣表示：</p><p><b>　?。?.10）</b></p><p><b>　　將上式整理得：</b></p><p><b>　?。?.11）</b></p><p>　　上述迭代稱為Seidel迭代法，這種迭代既可節(jié)省存儲空間又給編程

54、帶來方便[10]。</p><p><b>　　松弛迭代法</b></p><p>　　對Seidel迭代法關(guān)系處理，令</p><p>　　（4.12）于是我們可得 （4.13） <

55、/p><p>　　對Seidel迭代法來說，是加上一修正項而得到的。若在修正項前加入一參數(shù)便得到松弛法的計算公式：</p><p><b>　?。?.14）</b></p><p>　　其中稱為松弛因子，當(dāng)時稱為超松弛，當(dāng)時即為Seidel迭代法[11]。</p><p>　　定理1：對任何初始向量,和常數(shù)項,有迭代格式&l

56、t;/p><p>　　產(chǎn)生向量序列收斂且極限與初值無關(guān)的充分必要條件為（為矩陣譜半徑.）</p><p>　　收斂最快的松弛因子稱為最優(yōu)松弛因子1,記為,其計算公式為:</p><p><b>　　(4.15)</b></p><p><b>　　超松弛程序框圖</b></p><p

57、><b>　　單球殼模型計算</b></p><p><b>　　單球殼模型</b></p><p>　　細(xì)胞本身是含有細(xì)胞膜和細(xì)胞質(zhì)的非均勻體系，細(xì)胞膜含有蛋白質(zhì)磷脂雙分子層，它具有很低的離子通透性，為非導(dǎo)電的外殼。而細(xì)胞質(zhì)具有導(dǎo)電性，圖過細(xì)胞質(zhì)在電性質(zhì)上均一的，那么電模型就是一個被絕緣性的殼包裹的到點球，稱為單球殼模型[12]。<

58、/p><p><b>　　單球殼模型</b></p><p>　　單球殼模型主要用來解釋細(xì)胞懸浮液中源于細(xì)胞膜的界面極化而產(chǎn)生的色散。細(xì)胞膜內(nèi)部的細(xì)胞質(zhì)同時包含細(xì)胞器和蛋白質(zhì)等大分子成份，也是個非均勻體系，因此細(xì)胞質(zhì)的電性質(zhì)也依賴測量時的頻率，應(yīng)該產(chǎn)生弛豫現(xiàn)象。 </p><p>　　細(xì)胞的單球殼模型如圖4.1所示，</p><

59、;p>　　圖4.1 細(xì)胞單球殼模型示意圖</p><p>　　球殼半徑為，細(xì)胞膜厚度為，將復(fù)介電常數(shù)分別為和的細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞膜構(gòu)成的球殼</p><p>　　模型視為均一體，其等效復(fù)介電常數(shù)為：</p><p><b>　　（5.1）</b></p><p><b>　?。?.2）</b><

60、;/p><p>　　根據(jù)Wagner理論，該粒子以體積分?jǐn)?shù)分散到復(fù)介電常數(shù)為的介質(zhì)中所構(gòu)成的懸浮液的復(fù)介電常數(shù)為：</p><p><b>　　（5.3）</b></p><p>　　通常情況下， ，以及的條件滿足，高頻弛豫條件的強(qiáng)度很小，幾乎可忽略，而且 介電色散可以近似地看成單一弛豫時間表示。</p><p><b

61、>　　其他模型</b></p><p>　　對于具有細(xì)胞膜外基質(zhì)的細(xì)胞，例如菌類、酵母菌等，用單球殼模型不能很好解釋其相應(yīng)的介電性質(zhì)，此時將細(xì)胞壁和連續(xù)的介質(zhì)視為具有相同電性質(zhì)，提出帶細(xì)胞壁的細(xì)胞模型[13]。</p><p>　　該模型如圖5.2所示：</p><p>　　圖5.2 細(xì)胞雙球殼模型示意圖</p><p>　

62、　為整個球體的等價復(fù)介電常數(shù)，為細(xì)胞壁的復(fù)介電常數(shù)，為細(xì)胞壁厚度，為整個球體的外半徑。整個球體的復(fù)介電常數(shù)：</p><p><b>　?。?.5）</b></p><p><b>　?。?.6）</b></p><p><b>　　算法改進(jìn)</b></p><p>　　以單球

63、殼形為例進(jìn)行計算，在進(jìn)行劃分差分網(wǎng)格時，由于該系統(tǒng)為三維系統(tǒng)，劃分次數(shù)與總網(wǎng)格點數(shù)呈立方級上升。</p><p><b>　　改進(jìn)理論</b></p><p>　　我們考慮計算機(jī)儲存能力，對之前算法中的導(dǎo)納以元胞數(shù)組進(jìn)行儲存。對迭代方程式（3.16）研究，其系數(shù)矩陣為：</p><p>　　對迭代系數(shù)矩陣觀察得，共有個元素，但是每行最多只有六個

64、非零元素，系數(shù)陣為稀疏陣，為減少存儲量，設(shè)計壓縮存儲方式進(jìn)行存儲，格式見表圖5.3 。</p><p>　　圖5.3壓縮存儲格式</p><p>　　空格放位置方程的系數(shù)，中放置，以此類推到存放；</p><p>　　空格放位置方程中未知數(shù)在行向量中的位置（對應(yīng)系數(shù)的相應(yīng)位置），中放置在行向量中的位置，以此類推到。當(dāng)處在立方體邊界位置時，對應(yīng)不存在的等的位置設(shè)定為，

65、對應(yīng)的系數(shù)值為。</p><p><b>　　改進(jìn)結(jié)果</b></p><p>　　按照圖5.3壓縮存儲格式，在計算中不僅節(jié)省了存儲空間，也提高了運(yùn)算效率。將改進(jìn)存儲算法與原算法進(jìn)行對比，結(jié)果見表5.4 。</p><p>　　表5.4 壓縮存儲與原算法存儲對比表</p><p>　　有上表分析得，當(dāng)劃分差分格數(shù)越多，壓

66、縮存儲的優(yōu)勢越明顯。在理論上當(dāng)時，原算法僅迭代系數(shù)矩陣所占內(nèi)存為，目前對于普通的PC來說達(dá)不到計算的要求。</p><p><b>　　結(jié)果與討論</b></p><p>　　Cole-Cole理論</p><p>　　在對生物細(xì)胞介電譜研究中，K. S. Cole 和 R. H. Cole于1941年提出的經(jīng)驗公式[14]，為細(xì)胞介電弛豫研究

67、提供介電特性的方法。</p><p>　　Cole-Cole理論發(fā)展</p><p>　　如果在交流電場作用下，可得到頻率依存的平均偶極矩：</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　進(jìn)而得到復(fù)介電常數(shù)的頻率依存性：</p><p><b>　?。?.2）<

68、;/b></p><p>　　其中為靜態(tài)介電常數(shù)，光學(xué)介電常數(shù)，為：</p><p><b>　?。?.3）</b></p><p>　　滿足式（5.2）的弛豫現(xiàn)象稱為Debye型弛豫[15]。</p><p>　　K. S. Cole 和 R. H. Cole在1941年提出的經(jīng)驗公式，由于電導(dǎo)率包括直流電導(dǎo)率，

69、損耗因子通過從中減去低頻限制電導(dǎo)率計算得到（見方程（6.2））</p><p><b>　　(6.4)</b></p><p><b>　　(6.5)</b></p><p>　　其中是的實部，為弛豫時間， 為Cole—Cole參數(shù)，特征頻率定義為。該曲線擬合已經(jīng)通過最小二乘法算出，該計算方法最大限度的使誤差的平方和最小，

70、方差的計算如下式：</p><p><b>　　(6.6)</b></p><p>　　其中是第個角頻率，下標(biāo)從（6.4）式中估計得到。</p><p><b>　　PS理論</b></p><p>　　在單球殼模型中，Pauly 和 Schwan將 式（5.1）和式（5.3）聯(lián)立稱為PS方程[12

71、]。這也是對單球殼模型介電性質(zhì)研究的理論方程，對于其他方法對單球殼模型介電性質(zhì)研究起著基準(zhǔn)的作用。</p><p><b>　　PS理論發(fā)展</b></p><p>　　P．S理論是針對稀薄形系統(tǒng)提出，此后Hanai提出將方程（5.1）代入Hanai方程[16]：</p><p><b>　?。?.7）</b></p

72、><p>　　將式（5.1）和式（6.7）聯(lián)立，稱為HAK方程。該方程是針對細(xì)胞高濃度下（），PS方程不適用的情形提出的，在一定程度對PS的繼承和發(fā)展。</p><p><b>　　基于參數(shù)PS求解</b></p><p>　　在參數(shù)下[7]，對PS進(jìn)行計算，可以求出在特定體積分?jǐn)?shù)下細(xì)胞介電弛豫，其復(fù)相對介電常數(shù)實部，復(fù)電導(dǎo)率實部如圖6.1所示。&

73、lt;/p><p>　　圖6.1 PS方程復(fù)相對介電常數(shù)實部和復(fù)電導(dǎo)率實部</p><p>　　有上圖分析可得，對于復(fù)介電常數(shù)實部在頻率從時，其趨勢為平緩。從理論上來說，在低頻段時細(xì)胞的內(nèi)部電荷活動不大，對于復(fù)電導(dǎo)率分析同樣可得電導(dǎo)性變化緩慢，在低頻段影響較小。當(dāng)頻率從時，電性質(zhì)變化不大，此時在高頻段細(xì)胞壁和膜已經(jīng)擊穿，整個細(xì)胞的電性質(zhì)和培養(yǎng)液一樣。在頻率從時，細(xì)胞在電場作用下其電荷發(fā)生定向移

74、動，出現(xiàn)極化作用，細(xì)胞兩頭電壓變化明顯致使細(xì)胞在高頻段發(fā)生擊穿，此時的電特性為過渡階段隨著頻率的改變而發(fā)生變化。</p><p>　　基于參數(shù)三維有限差分法求解</p><p>　　在參數(shù)下，對PS進(jìn)行計算，可以求出在特定體積分?jǐn)?shù)下細(xì)胞介電弛豫，其復(fù)相對介電常數(shù)實部，復(fù)電導(dǎo)率實部如圖6.2所示。</p><p>　　圖6.2 PS方程復(fù)相對介電常數(shù)實部和復(fù)電導(dǎo)率實部

75、</p><p>　　將細(xì)胞進(jìn)行數(shù)字模擬其介電性質(zhì)的變化如圖所示，在頻率從時細(xì)胞介電性質(zhì)基本不變，其頻率對細(xì)胞產(chǎn)生影響很小，當(dāng)頻率從時，同樣電性質(zhì)變化不大，此時在高頻段細(xì)胞壁和膜已經(jīng)擊穿，整個細(xì)胞的電性質(zhì)和培養(yǎng)液一樣。</p><p>　　三維有限差分法與PS方程理論結(jié)果對比</p><p>　　我們分析細(xì)胞在理論方程下和數(shù)字模擬情況系，其整體介電性質(zhì)基本相同，所以

76、將其對照比較，其圖形見圖6.3。 </p><p>　　圖6.3 PS方程與3D-FDM模擬對照圖</p><p>　　在上圖中，實線表示PS理論方程圖，圓圈表示3D-FMD數(shù)字模擬的圖。對細(xì)胞復(fù)介電常數(shù)實部對照，其吻合程度很高。在頻率從時細(xì)胞介電性質(zhì)基本不變，外加電壓頻率對細(xì)胞產(chǎn)生影響很小，當(dāng)頻率從時，同樣電性質(zhì)變化不大，此時在高頻段細(xì)胞壁和膜已經(jīng)擊穿，整個細(xì)胞的電

77、性質(zhì)和培養(yǎng)液一樣。對于細(xì)胞的電導(dǎo)率在頻率時出現(xiàn)一段不吻合情況，3D-FMD模擬細(xì)胞在此時出現(xiàn)上翹情況，而PS理論曲線則是平緩。對此結(jié)果分析，當(dāng)細(xì)胞在高頻段時，細(xì)胞幾乎完全電解，細(xì)胞的結(jié)構(gòu)已經(jīng)打破可以近似看成和培養(yǎng)液的電性質(zhì)相同，這是理論上的分析[17]。但實際上細(xì)胞在極化后還存在著相應(yīng)的細(xì)胞器，此時的細(xì)胞培養(yǎng)液的電導(dǎo)性和之前細(xì)胞未極化存在差別，而3D-FMD模擬在這里很好的模擬出來這樣的情況。</p><p>　

78、　我們分析兩種方法的電性質(zhì)相似性可驗證數(shù)字模擬很高準(zhǔn)確和吻合度，下圖6.4為復(fù)相對介電常數(shù)實部，復(fù)電導(dǎo)率實部的誤差圖：</p><p>　　圖6.5 前圖為的誤差圖，后圖為的誤差圖</p><p>　　對模擬數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)的誤差進(jìn)行計算，的平均誤差為，其中最大誤差點誤差為，的平均誤差為，其中最大誤差點誤差為。從誤差上來看，數(shù)字模擬3D-FDM的效果和PS方程吻合度很高。</p>

79、<p>　　細(xì)胞介電特性中，在復(fù)平面上復(fù)相對介電常數(shù)的點即（）如下圖6.6所示。</p><p><b>　　圖6.6 </b></p><p>　　將細(xì)胞復(fù)介電常數(shù)中虛部進(jìn)行對比，虛部即為極化過程的介電損耗值，反映電介質(zhì)在交變電場下，將一部分電能轉(zhuǎn)換成熱能損耗。如圖6.7所示。</p><p><b>　　圖6.7

80、 </b></p><p>　　在交變電場作用下，電介質(zhì)在低頻段時產(chǎn)生的能量損耗3D-FDM模擬比理論上的損失多，在高頻段時其能量損失值幾乎相同[18]。當(dāng)細(xì)胞處于高頻段時，細(xì)胞完全極化，其介電性質(zhì)和培養(yǎng)液相同所以兩種模型所反映的能量損失值相同，而在低頻段時細(xì)胞由于自身的所帶電荷干擾，極化過程沒有理論上來的迅速和均勻，所以理論模型和3D-FDM模擬有差距。</p><p>　　

81、三維有限差分法與PS方程理論三維結(jié)果對比</p><p>　　綜合上述考慮細(xì)胞在極化過程與外加交流電頻率有關(guān)，同時在不同的細(xì)胞體積分?jǐn)?shù)下，細(xì)胞整體系統(tǒng)的介電弛豫結(jié)果也不相同。在之前利用給定參數(shù)計算細(xì)胞介電特性參數(shù)，結(jié)果比較準(zhǔn)確，在此我們利用所建立的3D-FDM模型模擬三維參數(shù)，在不同細(xì)胞體積分?jǐn)?shù)和外加交流電頻率計算相應(yīng)細(xì)胞節(jié)點特性參數(shù)，同時與理論模型對照。</p><p>　　將PS理論方

82、程在頻率作用下，不同細(xì)胞體積分?jǐn)?shù)情況下的細(xì)胞介電弛豫，由圖6.8三維曲面所示。黑色網(wǎng)格所示為PS理論方程下的曲面，彩色網(wǎng)格為3D-FDM模型的曲面。從圖上可以看出細(xì)胞處于低頻段時，不同的作用下，其復(fù)介電常數(shù)實部吻合效果不是很好，而在其他頻率段時吻合效果相對較好。這與之前分析在特定下，低頻段的吻合有點差距類似，與細(xì)胞內(nèi)在電荷有關(guān)，在外加電場作用下不能迅速發(fā)生改變，而是通過內(nèi)在電荷調(diào)整。在同一頻率下，不同的的吻合程度在相對低時吻合較好，這與

83、Wagner理論稀疏系統(tǒng)理論吻合[19]。</p><p>　　圖6.8 三維對照圖</p><p>　　同理按上述方法對系統(tǒng)復(fù)電導(dǎo)率進(jìn)行多變量研究，在頻率作用下，不同細(xì)胞體積分?jǐn)?shù)情況下的細(xì)胞介電弛豫，由圖6.9三維曲面所示。黑色網(wǎng)格所示為PS理論方程下的曲面，彩色網(wǎng)格為3D-FDM模型的曲面。從圖上可以看出細(xì)胞處于高頻段時，不同的作用下，復(fù)電導(dǎo)率的吻合效果不佳，而在低頻率段時吻合效果

84、較好，與圖6.3中分析的結(jié)果類似。當(dāng)細(xì)胞極化后其內(nèi)部細(xì)胞器對培養(yǎng)液電導(dǎo)率的影響，導(dǎo)致所測電導(dǎo)率與理論上有差距。</p><p>　　圖6.9 三維對照圖</p><p><b>　　結(jié)束語</b></p><p>　　本文從介電參數(shù)的定義出發(fā)，利用三維有限差分法模擬細(xì)胞介電弛豫現(xiàn)象，建立模型對細(xì)胞所在整個系統(tǒng)的介電特性進(jìn)行模擬計算，同時以單

85、球殼模型為例對細(xì)胞的介電特性和計算，以PS理論方程為基準(zhǔn)進(jìn)行對比。在對模型分析求解過程中對原先模型算法提出改進(jìn)，大大提高了計算速度和減少了內(nèi)存容量。對結(jié)果分析，三維有限差分法數(shù)字模擬與PS理論方程的結(jié)果很近，誤差在之內(nèi)。最后將以頻率作為單變量的模擬擴(kuò)展值雙變量（頻率，體積分?jǐn)?shù)）模擬對比，三維曲面吻合結(jié)果較好。</p><p>　　但是鑒于三維有限差分法在計算時的誤差比較大，在之后研究中以三維有限元法對其進(jìn)行完善和

86、補(bǔ)充，提高結(jié)果的吻合度。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　Foster K R, Schwan H P, Dielectric Properties of tissues [M].Boca Ratun FL: CRC Press 1996.</p><p>　　曾攀.有限元分析及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社

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97、t;/p><p><b>　　附錄</b></p><p>　　matlab計算電勢分布</p><p>　　%%建立seidel迭代矩陣中B（B表示方程的系數(shù)矩陣）采用壓縮存儲</p><p>　　Y1=cell(n,n);%把Y第一層賦給Y1的第一層（節(jié)省空間），在之后的迭代中有用，而Y在下面給出Y是將會改變，</

98、p><p>　　%Y1=Y; % 下面要修正Y，暫時將Y備份到Y(jié)1中。其實，這里保留Y的第一層數(shù)據(jù)即可，可壓縮。</p><p><b>　　for j=1:n</b></p><p><b>　　for k=1:n</b></p><p>　　Y1{j,k}=Y{1,j,k};</p>

99、<p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b></p><p>　　for j=1:n % 修正Y第一層，因為在B中對應(yīng)第一層的phi為已知的，已經(jīng)放在g中故令為0</p><p><b>　　for k=1:n</b></p><p&g

100、t;　　Y{1,j,k}(1)=[0];Y{1,j,k}(2)=[0];Y{1,j,k}(3)=[0];Y{1,j,k}(4)=[0];Y{1,j,k}(5)=[0];Y{1,j,k}(6)=[0];</p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b></p><p>　　B=zeros

101、((n^3-2*n^2),12);h=1;S1=0;%B表示方程的系數(shù)矩陣，h控制行數(shù)，S1用來放sum（Y{i,j,k}）</p><p>　　for i=2:n-1</p><p><b>　　for j=1:n</b></p><p><b>　　for k=1:n</b></p><p>　

102、　S1=sum(Y{i,j,k});</p><p>　　%計算{i,j,k}，在一行矩陣中對應(yīng)的位置</p><p>　　i1=(i-2)*n^2+(j-1)*n+k; %phi(i-1,j,k)在n^3維向量中的坐標(biāo)</p><p>　　i2= i*n^2+(j-1)*n+k; %phi(i+1,j,k)在n^3維向量中的坐標(biāo)</p>&

103、lt;p>　　i3=(i-1)*n^2+(j-2)*n+k; %phi(i,j-1,k)在n^3維向量中的坐標(biāo)</p><p>　　i4=(i-1)*n^2+ j*n+k; %phi(i,j+1,k)在n^3維向量中的坐標(biāo)</p><p>　　i5=(i-1)*n^2+(j-1)*n+k-1;%phi(i,j,k-1)在n^3維向量中的坐標(biāo)</p><p

104、>　　i6=(i-1)*n^2+(j-1)*n+k+1;%phi(i,j,k+1)在n^3維向量中的坐標(biāo) </p><p>　　%n^3+1表示系統(tǒng)邊界外的，技巧性設(shè)置</p><p>　　if (j==1) i3=n^3+1; end </p><p>　　if (j==n) i4=n^3+1; end</p><p

105、>　　if (k==1) i5=n^3+1; end</p><p>　　if (k==n) i6=n^3+1; end</p><p>　　%第一到第六列放Y{i,j,k}（1..6）</p><p>　　B(h,1)=(Y{i,j,k}(1))/S1;</p><p>　　B(h,2)=(Y{i,j,k}(2))/S1;</p

106、><p>　　B(h,3)=(Y{i,j,k}(3))/S1;</p><p>　　B(h,4)=(Y{i,j,k}(4))/S1;</p><p>　　B(h,5)=(Y{i,j,k}(5))/S1;</p><p>　　B(h,6)=(Y{i,j,k}(6))/S1;</p><p>　　%7--12列放對應(yīng)的在B中位

107、置</p><p>　　B(h,7)=i1;</p><p>　　B(h,8)=i2;</p><p>　　B(h,9)=i3;</p><p>　　B(h,10)=i4;</p><p>　　B(h,11)=i5;</p><p>　　B(h,12)=i6; </p><p

108、>　　h=h+1;%行數(shù)增一</p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b></p><p>　　4 %步驟%%進(jìn)行迭代計算 %計算w %超松弛迭代%初始化電勢圖</p&

109、gt;<p>　　A=zeros(1,n^3+1); %電勢， n^3+1技巧性設(shè)置為0</p><p>　　%A的初始值為線性的，最上面為1，最下面為0</p><p>　　for i=1:n^2 %最上層電勢初始化為1</p><p><b>　　A(1,i)=1;</b></p><p><

110、;b>　　end</b></p><p>　　for i=n^3-n^2+1:n^3 %最下層電勢初始化為0</p><p><b>　　A(1,i)=0;</b></p><p><b>　　end</b></p><p>　　%A(1,n^3+1)=0</p>

111、<p>　　for i=2:n-1 % 線性電勢梯度 </p><p>　　for j=(i-1)*(n^2)+1:i*n^2</p><p>　　A(1,j)=1-i/n;</p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b></p>

112、<p>　　A1=zeros(1,n^3+1);A1=A;%建立A1用于迭代存放電勢，功能和A相同</p><p><b>　　%迭代過程</b></p><p>　　for j=1:8%迭代次數(shù)</p><p>　　j %打印當(dāng)前迭代次數(shù)</p><p>　　for i=1:n^3-2*n^2

113、 </p><p>　　j1=B(i,7);j2=B(i,8);j3=B(i,9);j4=B(i,10);j5=B(i,11);j6=B(i,12);</p><p>　　A(1,n^2+i)=(1-w)*A(1,n^2+i)+w*(B(i,1)*A(1,j1)+B(i,2)*A(1,j2)+B(i,3)*A(1,j3)+B(i,4)*A(1,j4)+B(i,5)*A(1,j5)

114、+B(i,6)*A(1,j6));</p><p>　　if (i<=n^2) A(1,n^2+i)=A(1,n^2+i)+g(i,1)*w;</p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b></p><p>　　if max(abs(A1-A))<

115、;0.0001, break;%判斷條件</p><p>　　else A1=A;</p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　clear A1</b></p><p>　　A1=z

116、eros(n,n,n);%將迭代后的結(jié)果轉(zhuǎn)化成[n,n,n]形式</p><p><b>　　for i=1:n</b></p><p><b>　　for j=1:n</b></p><p><b>　　for k=1:n</b></p><p>　　A1(i,j,k)=A(

117、1,n^2*(i-1)+n*(j-1)+k);</p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　%Y=Y1;</b></p>&l

118、t;p><b>　　for i=1:n</b></p><p><b>　　for j=1:n</b></p><p>　　Y{1,i,j}=Y1{i,j};</p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b>&l

119、t;/p><p>　　I1=0 %計算電流，給定初始0</p><p>　　for i=1:n-1</p><p><b>　　for j=1:n</b></p><p><b>　　for k=1:n</b></p><p>　　I1=I1+Y{i,j,k}(2)*(A1(i,

120、j,k)-A1(i+1,j,k));% 電流方向? 我們這里是以i正方向為準(zhǔn)，與文中相反</p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　l1=l1+1;&

121、lt;/b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b></p><p>　　2.maple 畫結(jié)果圖</p><p>　　> restart;</p><p>　　with(plots):</p><

122、;p>　　> #A:=((ε[b]-ε[p])/(ε[a]-ε[p]))^3*(ε[a]/ε[b])-(1-P)^3=0;</p><p>　　> ε[p]:=ε[m]*(2*(1-v)*ε[m]+(1+2*v)*ε[c])/((2+v)*ε[m]+(1-v)*ε[c]):</p><p>　　> #ε[p]=p1+q1*I;</p><p>

123、;　　ε[m]:=p2+q2*I:</p><p>　　ε[c]:=p3+q3*I:</p><p>　　ε[a]:=p4+q4*I:</p><p>　　#ε[b]:=p+q*I;</p><p>　　q2:=-k[m]/(2*Pi*f*ε[0]):</p><p>　　q3:=-k[c]/(2*Pi*f*ε[0])

124、:</p><p>　　q4:=-k[a]/(2*Pi*f*ε[0]):</p><p>　　> v:=(1-d/R)^3:</p><p>　　> p2:=5: p3:=80:p4:=80: d:=5*10^(-9): R:=5*10^(-6): P:=0.29: p2 := 5:k[m]:=10^(-7): k[c]:=1: k[a]:=1:ε[0

125、]:=8.854*10^(-12):evalc(Re(ε[p])):</p><p>　　> q1:=evalc(Im(ε[p])):</p><p>　　> ε[b]:=ε[a]*(2*(1-P)*ε[a]+(1+2*P)*ε[p])/((2+P)*ε[a]+(1-P)*ε[p]):</p><p><b>　　> ε[b]:</