波动理论及其在生物医学工程的应用

前言

第1章 绪论

1.1 物理学与生物医学的关系

1.1.1 物理学知识是探讨生命体物理运动状态、性质和过程的基础

1.1.2 物理学方法和技术是基础生物医学研究、诊断治疗和向现代化发展的工具

1.2 生物医学工程学的研究任务与领域

1.2.1 生物医学工程的研究任务

1.2.2 生物医学工程研究的重要领域

1.3 波动分类与应用概述

1.3.1 波动类型及频段分布

1.3.2 各类波动应用概述

1.4 本书内容安排

1.4.1 波动共性描述

1.4.2 波动应用介绍及展望

本章小结

问题与思考

第2章 振动

2.1 谐振动

2.1.1 谐振动的表达式

2.1.2 谐振动的矢量图示法和复数表达式

2.2 无阻尼自由振动

2.2.1 机械振动

2.2.2 电磁振动

2.2.3 电磁振动与机械振动类比

2.3 阻尼振动

2.3.1 阻尼振动方程

2.3.2 阻尼振动的能量损耗和系统Q值

2.4 受迫振动、共振

2.4.1 受迫振动方程及稳态解

2.4.2 共振现象及其意义

2.4.3 随机共振

2.5 振动的合成与分解

2.5.1 同方向、同频率简谐振动的合成

2.5.2 差拍现象与干扰电疗仪

2.5.3 相互垂直、同频率简谐振动的合成

2.5.4 相互垂直、不同频率简谐振动的合成

2.5.5 Fourier分析与频谱

2.5.6 线性运动系统的叠加原理

本章小结

问题与思考

第3章 波的传播

3.1 波的描述

3.1.1 波的基本物理量

3.1.2 三维简谐波

3.1.3 简谐波的复数表示法、复振幅

3.2 波动方程和波速

3.2.1 弦振动产生横波

3.2.2 固体中的弹性波

3.2.3 理想流体中的声波

3.3 波的能量传输

3.3.1 波能和波能密度

3.3.2 能量通量、能流密度和波强度

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 多普勒效应

3.5.1 声学多普勒原理

3.5.2 超声多普勒血流速度测量

本章小结

问题与思考

第4章 电磁波

4.1 电磁波的波动方程

4.1.1 真空中的平面电磁波

4.1.2 非导电媒质中的电磁波、色散现象

4.1.3 折射率随频率变化机制

4.2 电磁波的能量、动量

4.2.1 电磁波的能量传输、坡印廷矢量

4.2.2 电磁波的动量、辐射压力

4.2.3 波阻抗、声波与电磁波类比

4.2.4 媒质对电磁波的吸收

4.3 电磁辐射

4.3.1 电磁辐射一般概念与电偶极子近场、远场特点

4.3.2 电偶极子辐射总功率

4.3.3 微波偶极子辐射的热场分布

4.4 电磁波的反射、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、强度和能通量

4.5 电磁波的多普勒效应

4.5.1 电磁波多普勒效应的基本特点

4.5.2 电磁波多普勒频移公式及与声波的比较

4.5.3 激光多普勒血流速度测量

本章小结

问题与思考

第5章 波的干涉与衍射

5.1 非简谐波的传播

5.1.1 波的叠加原理与线性媒质

5.1.2 波的叠加和分解

5.1.3 相速度与群速度

5.2 驻波

5.2.1 驻波的形成及其特点

5.2.2 电磁驻波的产生

5.3 波的干涉

5.3.1 干涉现象和相干条件

5.3.2 相干条件讨论和干涉能量分布

5.4 波的衍射

5.4.1 电磁波复数表示与空间频率概念

5.4.2 基尔霍夫衍射理论——球面波描述方式

5.4.3 衍射的角谱理论——平面波描述方式

5.4.4 两种衍射理论的比较

本章小结

问题与思考

第6章 超声波在生物医学中的应用

6.1 声波和超声

6.1.1 超声产生的压电原理

6.1.2 超声换能器的特性与结构

6.2 超声在生物组织内的传播特性

6.2.1 超声振子辐射声场的特点

6.2.2 超声在生物组织内传播和衰减特性

6.2.3 超声对生物组织的作用

6.3 医学超声诊断技术

6.3.1 超声脉冲反射法与相控阵扫描

6.3.2 医学超声成像仪器的类型与原理特点

6.3.3 超声多普勒诊断技术

6.4 医学超声治疗技术

6.4.1 医用超声治疗仪器

6.4.2 高强度聚焦超声治癌技术

本章小结

问题与思考

第7章 电磁波在生物医学中的应用

7.1 电磁波生物效应

7.1.1 电磁波生物效应的类型和特点

7.1.2 电磁波生物效应的作用机理

7.1.3 电磁波生物效应的应用与防护

7.2 电磁波热疗治癌技术

7.2.1 肿瘤温热疗法

7.2.2 电容射频热疗

7.2.3 微波热疗技术

本章小结

问题与思考

第8章 波动理论应用新进展

8.1 随机共振

8.1.2 随机共振现象

8.1.2 随机共振在生物医学工程中的应用

8.2 THz波

8.2.1 什么是THz波

8.2.2 THz波的产生

8.2.3 THz波在生物医学工程中的应用

8.3 无线供电

8.3.1 共振磁耦合原理

8.3.2 无线供电在生物医学工程中的应用

8.4 结束语

本章小结

问题与思考

附录

附录A 振动一览表

附录B 电磁波谱图

附录C 矢量算法

C.1 矢量代数

C.2 矢量分析

附录D 场论初步

D.1 场的基本概念及其特征参量

D.2 场的特征参量在不同坐标系中的表达式

D.3 矢量积分定理

参考文献

《波动理论及其在生物医学工程的应用》从波动现象的基本理论及其应用人手，重点介绍了波动现象的共性知识，内容包括基本振动物理机制、振动所产生波动的数学方程、波动参数和能量传播特性、波动与生命物质相互作用效应以及波动理论在生物医学工程中的主要应用。《波动理论及其在生物医学工程的应用》是作者为生物医学工程专业开设了十几年的专业基础课程的教材之一，主要内容取材于医用物理学及近年来科研课题所涉及的新技术、新成果，旨在加强工科学生的理科基本素养，培养具有宽厚基础理论、扎实专门知识并能联系实际、有创新动力的复合型人才。《波动理论及其在生物医学工程的应用》可作为生物医学工程本科或研究生专业基础课教材，也可作为相关专业的教师、科研及工程技术人员的参考书。