（生物医学工程专业论文）手机与人体相互作用的数值模拟研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n gw i t hr a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n dh u g ei m p r o v e m e n t o ft h el i f el e v e l ，t h ep o s s e s s i o nm a s so fh a n d s e th a v ei n c r e a s e ds w i f t l y ，w h i c hh a v e b e c a m ea ni n d i s p e n s a b l et 0 0 if o rc o m m u n i c a t i o ni nm o d e r ns o c i e t y m e a n w h i l e ，i th a s b e e naf o c u st h a tw h e t h e rt h er a d i a t i o no fh a n d s e th u r t sh u m a nh e a l t h a l t h o u g ht h e r a d i a t i o np o w e ro fh a n d s e ti sl i t t l e t h eh e a di s l i k e l y t ol o c a t ei nt h es t r o n g e l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o nf i e l dw h e nh a n d s e ti so p e r a t e d 晰t l li t sa n t e n n ac l o s et o h u m a nh e a d t h ee x p e r i m e n t si n d i c a t et h a tt h ee l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o nm a yi n d u c e t h e r m a la n dn o n - t h e r m a le f f e c t si nh u m a nt i s s u e s ，c o n s e q u e n t l y ，f o r map o s s i b l e d a m a g e t oh u m a n b o d y t h er e s e a r c ho nc o u p l i n go f h a n d s e tw i t hh u m a n b o d yi sac o m p l e xt o p i ci n v o l v i n g e x t e n s i v ef a c t o r s i t sm a i nr e a s o n sa r et h a tt h es e a r c hr e f e r st ot h ep r o b l e m so f n e a rf i e l d f r o mt h et h e o r yo fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l do fv i e w , a n dt h e r eh a v ea n o m a l i s t i cb o u n d a r y a m o n gh u m a nt i s s u e st h a th a v ed i f f e r e n te l e c t r i c a la n dd i s p e r s i v ec h a r a c t e r i s t i cf r o m b i o l o g yo fv i e w i tm e a n st h er e s e a r c hs h o u l du s es y n t h e t i c a l l ya n dc r o s s l yk n o w l e d g e o f t h e o r y o f e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ，a n t e n n at h e o r y ，n u m e r i c a l s o l u t i o no f e l e c t r o m a g n e t i cb o u n d a r ya n db i o m e d i c i n e t h e s er e s e a r c hp r o j e c t si n c l u d et w om a i n c o n t e n t s ：p o s i t i v ep r o b l e ma n dc o n t r a r yp r o b l e m 1 1 1 ep o s i t i v ep r o b l e mi s w h a t a b s o r p t i o nc h a r a c t e r i s t i ct h eh e a dt oe l e c t r o m a g n e t i cp o w e ri nt h er a d i a t i o nn e a rf i e l do f h a n d s e th a s ，n a m e l y ，t h ep r o b l e ma b o u ta n a l y z i n ga n dc a l c u l a t i n gd i s t r i b u t i n gs p e c i f i c a b s o r p t i o nr a t e ( s a r ( o ) a n da v e r a g es p e c i f i ca b s o r p t i o nr a t e ( s a r a v ) ，a n de v a l u a t i n g w h e t h e rt h eh a r mo fh a n d s e tr a d i a t i o ne x i s t st oh u m a nb o d y t h ec o n t r a r yp r o b l e mi s w h a ti n f l u e n c eo nt h eh a n d s e ta n t e n n at h eh e a di nt h er a d i a t i o nn e a rf i e l do f h a n d s e tc a n c a u s e t h er e s e a r c hr e s u l to ft h ep o s i t i v ep r o b l e mp r o v i d e sn u m e r i c a lf o u n d a t i o nf o rt h e a p p l i c a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l dt ob i o m e d i c a le n g i n e e r i n ga n de s t a b l i s h i n g a s t a n d a r do fn o n i o n i z i n gr a d i a t i o np r o t e c t i o n t h er e s e a r c hr e s u l to ft h ec o n t r a r y p r o b l e mp r o v i d e sr e f e r e n c ef o re x p l o i t i n gn e wp r o d u c t i o n so fh a n d s e ta n di m p r o v i n g h a n d s e tp e r f o r m a n c e 1 1 1 i sp a p e rc o n c l u d e st h er a t i o n a l ea n dt h eg i s to ff d t do nt h eb a s eo fi n t r o d u c i n g t h ek n o w l e d g eo f b i o e l e c t r o m a g n e t i c sa n db i o e l e c t r o m a g n e t i cd o s i m e t r y o nt h eb a s eo f d i s c u s s i n gt h em o d e l i n gm e t h o do fh u m a n ，t h i sp a p e re m p h a s i z e sd e s c r i b i n gt h e t r a n s f o r mp r o c e s so ff d t dg c o m e t r i ca n de l e c t r o m a g n e t i cm e s hf r o mm r ia n a t o m i c i n l a g e s b a s e do ns e t t i n gg e o m e t r i ca n de l e c t r o m a g n e t i cm o d e l o fh u m a nh e a d ， e l e c t r o m a g n e t i cd o s i m e t r ya b s o r b e db yt h eh e a di nt h er a d i a t i o nn e a rf i e l do f h a n d s e ti s 2手机与人体相互作_ i l j 的数值模拟研究 e m u l a t e da n dc a l c u l a t e d t h i sp a p e ra n a l y s e st h ee f f e c t so fh u m a nb o d yo i lh a n d s e t a n t e n n ao nt h eb a s eo fa n a l y z i n gp l a n a ri n v e r t e d fa n t e n n ac h a r a c t e r i s t i c s f i n a l l y ，t h e c a l c u l a t i n gr e s u l t sa r cg i v e ni nb o t in u m e r i c a la n dg r a p h i cw a y s k e y w o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i cm o d e lo fh u m a nb o d y ；s p e c i f i ca b s o r p t i o nr a t e ( s a r ) ； r a d i a t i o no fp l a n a ri n v e r t e d - fa n t e n n a ( p i f a ) ； f i n i t ed i f i e f e n c et i m ed o m a i n ( f d t d ) 声明 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特另, jj 3 n 以标注和致谢中罗列的内容以外论文中不包 含其它人已经发表和撰写过的研究成果：也不包含为获得西安电子科技大学或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究做的任 何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：毯日期：盘丑：三：l 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在 校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西安电子科技大学。本人保证毕业 离校后，发表论文和使用论文工作成果时的署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期：丞塑l ：! ：2 同期：皇塑2 ：之也 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文选题的背景及意义 自1 9 7 3 年出现移动电话以来，移动通信事业的发展十分迅猛到2 0 0 4 年美 国手机普及率已达6 0 ，而中国有2 亿多手机用户。十多年前，手机是身份与地 位的象征，而今已如王榭掌i j 燕，飞入寻常百姓家目前，移动通信已经成为现 代社会的标志之一，它不仅使人们随时随地都可以保持和外界的沟通联系，而且 还可以通过手机接入互联网，为人们的日常生活和经济工作带来了极大的便利 可以说，这一广泛覆盖的移动通信网络正是现代信息化社会的基础之一。然而， 手机在带给人们便捷畅快的通信自由的同时，也为人们增添了烦恼手机辐射 引发的健康问题令世人关注。 在移动通信发展初期，人们已开始重视手机辐射对人体作用的研究。自1 9 9 3 年美国佛罗里达州全球首宗移动电话索赔案以来，有关移动电话的电磁辐射损害 使用者健康的诉讼屡有报道，激发了人们对这一问题研究的重视，国内外学术界 围绕此问题进行了大量艰辛的探索，但由于应用的数学工具、建模方法和实验条 件等有所不同，迄今为此，对手机辐射是否对人体健康构成危害，至今尚未定论。 对其产生人体生物学效应的机理更是知之甚少，导致各国制订的手机辐射防护标 准版本繁多，差异不小。 随着我国发展成为世界上最大的移动通信消费市场，手机电磁辐射问题已成 为社会关注的焦点，外界电磁场与生物体的相互作用非常复杂，但只有进入生物 体内直接与生物系统发生相互作用的电磁场才是产生生物学效应的直接因素，因 此确定进入生物体内的电磁场分布显得十分重要，而这一任务正是由生物电磁剂 量学来完成。为保障理论计算准确性，人体和手机的建模是一个关键环节。本课 题的研究具有重要的现实意义和广泛的应用前景，首先，通过预测手机对人体的 电磁辐射作用剂量，可以直接与各种电磁辐射卫生标准进行比较，为建立符合我 国实际的辐射卫生杯准提供价值的资讯数据：其次，通过模拟手机操作时的真实 情况，为评价当前的手机辐射是否符合现有的卫生标准提供依据；最后，为提供 手机辐射中人体受到最大伤害的部位及分布提供理论结果，找出手机操作的最佳 方式，降低手机辐射对人体的损害。 1 2 生物电磁学及生物电磁剂量学简介 电磁场对生物特别是对人体是否产生影响及产生何种影响的研究促成了一门 2手机与人体相互作用的数值模拟研究 交叉学科“生物电磁学”的产生。生物电磁学是研究电磁场与生物系统相互 关系和作用规律的学科，从一般意义上讲，指的是外界电磁场( 波) 与生物系统 的相互作用，涉及以下六个方面的主要内容：一是电磁场的生物学效应，主要研 究生物体吸收电磁波后所产生的与生命现象( 生理、生化、结构、功能等) 有关 的响应：二是电磁场的生物学效应机理，主要研究电磁场作用下生物系统发生效 应的原因；三是生物电磁剂量学，主要研究在多大的电磁作用量条件下j 会发生 生物学效应；四是生物组织的电磁特性，主要研究在将生物组织作为电磁媒质看 待时它的电磁参数及色散特征；五是电磁场的医学、生物学应用，主要研究生物 学效应可在何处应用及如何应用；六是对基于新发现的电磁场生物学效应的临床 设备的研制开发以及为防止电磁场的负面效应而制定合理的，各行各业都应遵守 的辐射限值国家标准。 生物电磁学的量化基础是生物电磁剂量学。生物电磁剂量学是电磁波生物学 效应研究的的提，是效应机理研究的基础，是应用研究的依据。 生物电磁剂量学的含义是电磁波( 场) 给予被作用生物系统的电磁作用量。 其研究内容是：( 1 ) 选取何种物理量来描述给予生物系统的电磁作用量，即选择 科学合理的剂量学量；( 2 ) 用什么方法得到这一物理量，即研究生物系统获得这 一剂量学量的大小及该量在生物系统内如何分布的方法。 1 3f d t d 法概述 f d t d 法在研究生物电磁学领域问题时显示出其独特的优越性，成为研究手机 辐射问题一致首选方法。f d t d 法是由y e e 在六十年代首先提出的，后经t a f l o v e 、 h o l a n d 和k u n z 等人发展起来的一种电磁波数值计算方法，它利用中心差分近似， 通过对m a x w e l l 方程组在时空中近似离散化处理，来求解复杂的电磁系统，时域 有限差分法具有应用数学原理较少、自动满足边界条件、适于模拟复杂的金属或 介质结构的特点，被很快应用于人体电磁生物效应的数值计算中。具体内容将在 第三章中详细说明。 1 4 三维人体模型简介 人体是由多种形状、多种电磁特性的生物组织构成的非常复杂的电磁系统， 而生物组织都是非均匀的色散媒质。这意味着，表征生物组织电特性的电导率。 和介电常数e 不仅是频率的函数，也是空间坐标的函数，因而用f d t d 法研究生 物电磁剂量学的第一步就是建立包括结构模型和电磁模型两方面的三维人体数字 模型。其中人体的结构模型给出人体的形态，各组织的大小及其在人体内的位置； 第一章绪论3 人体的电磁模型用来表征人体各组织的电参数 电磁模型建立在结构模型的基础上，在建立好的人体结构模型中，用不同的 颜色来代表不同的组织，这样我们可以通过颜色与组织的电磁参数建立- - - - 对应 关系。进而把结构模型和电磁模型联系在一起详细内容将在第四章介绍 i 5 本文的研究内容和目标 研究内容： 第一章绪论介绍相关背景知识和研究目标； 第二章介绍生物电磁学； 第三章介绍时域有限差分法 第四章介绍人体模型的建立； 第五章介绍手机天线及具体计算结果和分析； 第六章结论和讨论。 目标： ( 1 ) 模拟手机操作时的真实情况，用理论剂量学方法计算该情况下吸收场剂 量。为评价当前的手机辐射是否符合现有的卫生标准提供依据。 ( 2 ) 根据计算结果对电磁辐射防护标准的进行分析讨论、提出合理化建议： 找出手机操作的最佳方式，降低手机辐射对人体的损害。 第二章生物电磁学概要 第二章生物电磁学概要 2 1 引言 生物电磁学( b i o e e c t r o m a g n e t i c s ) 作为一门独立学科是从二十世纪五十年代 逐步发展和确立起来的生物医学工作者与物理学家之间的密切合作，使得大量 物理学研究成果和技术渗透到了生物医学领域中，随着物理学的迅速发展。物质 非平衡态和非线性电动力学在基本生物组织上的应用，为细胞生物学和分子生物 学研究开创了新的局面人们越来越关注电磁场对生物体的作用及其微观机理 近年来生物电磁学发展十分迅速，研究领域不断拓宽，地位日益重要，展示了广 阔的发展前景。 生物电磁学综合应用物理学和有关工程技术的理论与方法，从工程科学的角度 研究生物、人体的结构和功能以及功能与结构之间的相互关系。生物电磁学的介 入是双向的：一方面将物理电子科学用于生物和医学领域，使这些领域的研究方 式从定性提高到定量：另一方面生命过程中揭示出的许多规律，特别是经过遗传 进化而形成的生物信息处理的优异特性将会给电子学科以重要的启示，这不仅会 推动电子学科的发展，还将会使信息科学发生革命性的变革。生物电磁学作为一 门新兴的学科，把物理学和生命科学紧紧结合在一起，使我们清楚地看到生物组 织是基于原子水平的物理过程，而不是基于生物分子问的反应。这些物理过程可 有力地调制生物化学反应的产物。电磁场对生物体的作用也不仅仅是电磁能在生 物体内的简单转化，理论和实验表明，电磁场对生物体的作用产生了许多复杂的 生物物理效应。 2 2 生物组织的电磁特性 在研究电磁场与生物体的相互作用时，必须首先了解作为电磁场媒质的生物 组织的电磁特性。所谓媒质的电磁特性，就是媒质作为一种物质对电磁场的响应 特性。现代电生理技术，尚无法测量生物体内的微观场。例如神经生理学家使用 的微电极，其尖端尺寸虽可小到1 0 m ，但仍远大于原子尺寸，用它所测量到的 场强是大于( 1 0 4 c m ) 3 = lo - 。2 c m 3 体积范围内的平均值。而典型的原子体积为 1 0 “c 矗量级，因而电极尖端所占体积中至少含有1 0 1 2 个原子，所测得的场是一定 宏观体积内的平均值，故只研究其宏观响应特性。研究表明，除个别鸟类，几乎 所有生物组织都是非磁性物质，即对外加磁场不产生响应。所以我们只需研究各 种生物组织的电特性。当然我们这里指的是生物组织作为一种物质的特性，不产 6 手机与人体相互作_ 【f j 的数值模拟研究 生磁响应而由各种生物组织构成的生物活体内部，由于存在着复杂的电磁过程， 生物活体( 例如人体) 对外加磁场是会发生响应的。物质电特性包括导电( 传导) 特性和介电特性前者是组织内自由电荷( 可自由运动的电子和各种离子) 对外 加电场的响应特性，而后者是生物分子中的束缚电荷( 只能在分子限度范围内运 动的电荷) 对外加电场的响应特性 2 2 1 生物组织的导电特性 生物组织的导电特性是组织内的自由电子对外加电场的响应特性，用电导率 盯表述，单位是s m 只要得知各生物组织的口，又求得各点的电场强度e ，就可 由欧姆定律的微分形式了= d p c , 4 1 m 2 ) 计算出生物组织中任一点的电流密度：又可 由焦耳定律的微分形式p = 豆了= o 匹2 ( 形，坍3 ) 求得单位体积的生物组织内的损耗 功率( 转变为焦耳热的功率) ，由于生物组织的不均匀性，盯是位置的函数，由于 生物组织的色散特性，盯也是频率的函数。 2 1 2 生物组织的介电特性 介电特性是生物分子中的束缚电荷对外加电场的响应特性。媒质的介电特性 用介电常数占表示，单位是f m ，或用相对介电常数占，= s i c o 表示，式中氏为真空 的介电常数。因为不同生物组织由不同结构和功能的细胞组成，鉴于细胞及构成 细胞的生物大分子的多样性和复杂性，因此，生物组织的介电特性很难用理论方 法作出准确的计算和分析。不仅如此，生物组织的电导率盯和介电常数占在活体的 情况下与离体的情况下也是完全不同的，而就离体情况而言，也会随离体时目j 的 长短而变。 就物理本质而言，媒质的介电特性是其在电场作用下被极化的反映。占是其描 述的宏观参量。从微观角度，又可将极化分为电子极化，离子极化，取向极化和 空间电荷极化，实际上它们是可以在同一媒质中同时存在的。在此应该强调指出， 无论是哪种极化形式，均需经历一定的时间才能达到稳定状态，这一过程称为弛 豫过程，该段时间称为弛豫时间。正是由于弛豫现象的存在，使不导电的所谓介 质对在其内传播的电磁波也会产生损耗。为了描述介质的这一特性，可将介电常 第二章生物电磁学概要 7 数表示成复数形式享= ，一弦。，其中，一被称为介电常数实部或介电常数，其物 理意义如同前述的占；，被称为介电常数虚部或损耗因子从另一角度讲，( 或 前文中的占) 是介质储存电场能的描述参数，这可以从介质中单位体积内具有的电 场能表达式h = o 5 c e 2 ( j i m 3 ) 看出；，是介质损耗电场能的描述参数，这可从介 质中单位体积内的损耗功率表达式只= c a s * e 2 ( w i r e 3 ) 看出，式中珊为电磁波的角 频率 另外，生物组织是集导体与介质于一身的媒质，因而它的损耗来自两个方面， 一是导电损耗，起因于宏观运动的电子与晶格的碰撞；二是介质损耗，起因于极 化弛豫，或直观理解为来自于分子偶极矩随时变外电场不断改变其方向过程中的 碰撞。事实上，在实际问题的处理中，人们无法区分也无需对二者加以区分，因 而在应用时，提出了相互等效的描述方法，比如，当把介质损耗等效为导电损耗 时，其总损耗参数用等效电导率盯。描述：以= 盯+ 0 3 8 。，又当把导电损耗等效为介 质损耗时，其总的损耗参数用等效介电常数虚部描述：杉= o + e 。这样，便 6 - 0 可用等效复介电常数瓦= 6 - - j s ；描述生物组织的电特性。媒质的介电常数与外加 场的频率及弛豫时间的关系可由德拜( d e b y e ) 方程描述如下： e , ( c 0 ) 2 器谢盟1 + j o o r ( 2 - 1 ) 其中，气是当频率趋于无限大时的介电常数，即是在阶跃电压作用后零时问 限上观察的值；t 是零频率下的介电常数：f 是弛豫时间。将z 的实部和虚部分 开，有： 荆= t 一2 厶+ 啦! + j c o r ( 2 2 ) 其中 蠢2 氏+ 祷 如心+ 篙等 人体不同组织的电特性是不一致的，电特性是频率的函数也随位置而变目 前，在实际问题中均采用的实验测试数据在人体内的电磁波传播特性时，赋于 人体模型不同网格不同的电参数。因此需要知道各频率点处各种组织的电参数。 8 手机与人体相互作用的数值模拟研究 z 为相对介电常数，z 为损耗因子，也就是在介质弛豫过程中吸收能量的量 度，与介质损耗有关可见复介电常数具有色散特性实际上，大多数生物组织 不光是有一个时间常数的弛豫状态，可能并行发生具有不同弛豫时问的多重弛豫 过程。设存在线性响应，则对于阶跃变化的e 场，媒质的介质响应可以表示为一 阶过程的叠加，由此得 如m 一嚣( - o c a 嚆篙l c o l 协， = +、 式中c r 0 是呻0 时电导率的极限值。式( 2 - 2 ) 即是式( 2 3 ) 的特例。由上式可以 得到， t = 气+ 喜祷 吒= c r o + 0 3 2 8 0 喜窘 q 削 式中( 2 - 3 ) 是描述生物组织的d e b y e 多项式。实验测量得到的相对介电常数和 电导率即是式( 2 4 ) 中的占：和吒。吒为等效电导率，包括生物组织的两种损耗： 即介质损耗和导电损耗。人体不同组织电性质是非均匀的，电导率和介电常数都 随频率变化，目前均采用生物组织的实验测试参数。根据有关文献提供的不同生 物组织在1 0 h z 一1 0 0 g h z 的实验数据，可以利用德拜方程或者多项式，拟合出不 同组织在不同频率点上的电参数。 2 3 射频电磁场生物学效应机理 射频电磁场生物学效应机理研究的目的，不仅在于解释微波生物学效应的各 种现象，而且在于为微波在生物医学领域的丌发和利用，为制定合理的微波卫生 标准提供理论根据。通常，人们把微波生物学效应分为热效应和非热效应，这显 然是从相互作用机理观点出发划分的。本节着重阐述非热效应的机理。 2 3 1 热效应概述 所谓热效应，是指进入生物系统的微波能转化为热能，由热能引起的生物响 应。由于微波能的热转化，往往引起生物系统整体或局部的温度升高，但有时却 第二章生物电磁学概要 9 因生物系统或环境系统的热平衡调节，及时将转化的热能带走而并不伴随整体或 局部的温度升高生物系统调节的主要方式是血液流动；环境系统调节的主要方 式是辐射、对流和传导，以及对环境温度的人为控制微波能的热转化，除了具 有速度快、分佰不均匀的物理特征外，在“热”的本质上与其它的加热方式并无 区别这是因为热能的热力学定义是：宏观上除机械的或电磁的方式作功以外， 是系统内能增加的那种能量。该种形式的能量微观上由分子碰撞或辐射方式来传 递因而微波对于生物系统靶目标的热作用可用生理学中涉及的有关热作用机理 说明 2 3 2 非热效应的机理 所谓非热效应，过去曾用“n o n - t h e r m a le f f e c t ”这一术语表示，定义是：当生 物系统吸收电磁能后，产生的不直接与热的生成有关的生物学变化。基于新的知 识，现在非热效应用“a t h e r m a le f f e c t ”这一术语表示，定义是：当生物系统吸收 电磁能量后，产生的不可归属于温度变化的生物学变化非热效应也称为场的特 异性效应。 在理解非效应时应注意：( 1 ) 即使入射场确已引起生物系统温度升高，也不 能排除场的特异性效应部分的存在，正像热效应并不一定伴随有温度升高一样， 例如，h e l l e r 等( 1 9 5 9 ) 观察到，亚细胞颗粒和微生物在射频电磁场照射下沿电力 线取向，并观察到不同物质中的微粒链的形成即珠链效应。之后，s c h w a n ( 1 9 r 7 ) 在实验中发现，若细胞尺寸不超过1 0 0 a n ，引起珠链效应时介质中的场强为1 v c m ， 显然与之相应的环境功率密度远远超过与热效应相关的功率密度( l o o m w c m 2 ) 。 然而，在低于与热效应相关的功率密度下，s c h w a n ( 1 9 7 0 ) ，m i c h a c l s o n ( 1 9 7 0 ) 反而 未发现此种效应。( 2 ) 人们并不怀疑在弱场照射下生物系统中会形成“热点”，也 不怀疑效应有可能起源于热点，但这只是能量的分布问题，热点的存在不是机理 的本质，源于热点的效应不能统称为热效应。 现在已有充分的证据证明，在生物系统中非热效应不仅是可能的，而且在强 场和弱场两个领域都能产生。 当前，高功率密度( 2i o o m w c m 2 ) 照射的热效应功效已被公认，然而对低功 率密度( 1 0 m w c m 2 ) 照射下生物学效应机理的说明确存在争议。从热力学观点 出发，热效应应该是由分子碰撞或辐射方式传递的那种能量产生的效应，而非热 效应应该是直接由机械的或电磁的能量形式产生的效应。因而两种效应的本质区 别在于，是何种形式的能量最终作用于生物靶目标而产生的效应热效应的特点 是：发生在热平衡态附近，对场强度的一个很宽范围( o - l o “q l m ) 都显示出线性响 应特征，系统生成的热量正比于电场强度的平方，效应的本质与其它加热方式并 1 0手机与人体相互作用的数值模拟研究 无区别，效应的能源是外部电磁场在生物系统内部转化的热能非热效应的特点 是：发生在远离平衡状态，生物系统对满足一定条件的电磁波的响应是非线性的， 并表现出频率特异性和功率特异性效应的能源有时来自于生物系统内部，而外 部电磁场仅起触发信号的作用。 非热效应是一个内涵很广的概念，其原因是，非热形式的能量不止一种，生 物靶目标的结构和功能各异因而作用方式也会不同这就意味着不可能用一种 统一的模式概括非热效应的全部内容，而要根据不同作用对象建立不同的生物学、 物理学和数学模型在尊重实验事实的基础上，对模型进行有理论根据的研究无 疑是促使非热效应机理发展的有效方法。 2 4 生物电磁剂量学量s a r 生物电磁学的量化基础是生物电磁剂量学。生物电磁剂量学是电磁波生物学 效应研究的前提，是效应机理研究的基础，是应用研究的依据。 人们把作用于生物系统的电磁学量称为生物电磁剂量学量，简称剂量学量。 严格地说，选用电磁理论和工程中常用的电场强度雪，磁场强度疗，感应电流密 度7 或功率( 流) 密度雪( 生物电磁剂量学中习惯于称其为环境功率密度，并以p 表示) 等作为剂量学量是不科学的，这是因为： 只有被生物系统吸收的电磁作用量j 。是产生生物学效应的真正动因，而上述 的电磁学量不能描述被生物系统“吸收的量”，甚至它们与“吸收的量”之间不存 在一种简单而通用的关系( 源于不同的生物组织有不同的色散特性) 。为了体现“被 生物系统吸收”这一关键，人们提出了比吸收率s a r ( s p e c i f i ca b s o r p t i o nr a t e ) 这- - n 量学量，其含意是：单位质量生物组织吸收的电磁功率与生物组织质量之 比。该量现已被各国研究工作者普遍认可和接受。值得说明的是，从科学性和合 理性角度出发，最理想的情况是既给出s a r 的大小，又给出s a r 在生物组织内的 分布，但由于生物体在结构上的极端复杂性和各生物组织电( 磁) 特性的极端不 一致性，目i j f 要想从微分意义上得到s a r 在生物体内的分布，无论在理论分析上 还是在实际测量上都是不可实现的，因而权宜的方法是根据具体问题的需要而采 用不同方法去获得不同含意的s a r 。三种含意的s a r 分别是： ( 1 ) 全身平均比吸收率w b a - s a p , ( w h o l eb o d y a v e r a g es p e c i f i ca b s o r p t i o n r a t e ) ，其定义是：生物体吸收的总电磁功率与其总质量之比，表达式为 p w 队- s a r = 二旦( w 堙) ( 2 5 ) 巩 第二章生物电磁学概要 式中，己是生物体吸收的总电磁功率，m 。是生物体的总质量由于：( 1 ) 该量描 述的是生物体实际吸收的电磁功率而不是生物体所处的电磁环境，( 2 ) 可方便的对 同种动物不同辐射条件下的生物学效应进行归一化，可对不同实验动物不同辐射 条件下的生物学效应进行比较，因而该量被作为基本的生物电磁剂量学量。当然， i 幺量的缺陷也是不言而喻的，那就是，它只反映出生物体对电磁功率的吸收而没 有分映出电磁功率在生物体内的分布。为此人们提出了分布比吸收率s a r ( f ) 。 ( 2 ) 分布比吸收率s a r f f ) ，其定义是生物体内任意一点f 邻域内单位质量生 物组织吸收的电磁功率，表达式为 黝酮2 丽1 + ，j , k ) e ( ，j , k ) + 盯，( 7 ，j , k ) 咖，j , k ) ( 2 6 ) + 盯，( f ，j ，七) e ；( ，j ，七) 】 上式中，e x ，e y 和e z 分别表示电场三个分量的振幅，c r i 、盯，和巳是与之相对 应的电导率；p ( i ，_ ，t ) 为( i ，j ，k ) 点处生物组织的质量密度。显然，求得了s a r f f ) 后，要求w b a - s a r 是比较方便的。严格地说，s a r f f ) 描述的是微分意义下的分布， 是一个人们所期望的、最科学的剂量学量，然而，由于前面所提到的生物组织在 结构上的极端复杂性和各生物组织电( 磁) 特性的极端不一致性，所以，该量在 实际上是无法获得的。为了既反映“被生物组织吸收”又反映“吸收在生物组织 内的分御”，既要概念上“科学合理”又要实际中“可以求出”，人们把微分意义 下的分布用局部区域意义下的分布代替，从而提出了局部平均比吸收率s a r a 。 ( 3 ) 局部平均比吸收率s a r a ( 1 0 c a la v e r a g es p e c i f i c a b s o r p t i o nr a t e ) ，其定 义是：生物体的某一部分吸收的电磁功率与其质量之比。表达式为 翩也2 习蚕三面若蕊丽+ 莩莩；q l e o ( 2 7 ) + 仃( f ，j ，七) e ；( f ，j ，七) + 仃：( f ，工七) - e ；( f ，七) 】j 3 ( ，七) ) 式中的求和是对要讨论的那个局部进行的。值得指出的是，这里所说的体积单元 扩“f ，_ ，七) 并不是趋于零的体积元，而是根据各研究者的条件所取的尽可能小的有 限体积可以肯定，随着实验条件特别是计算机功能的强大，这一有限体积会越 来越小，即有限体积内的局部平均s a r a 将越来越趋于分布s a r f f ) 局部平均比吸 1 2 手机与人体相互作h j 的数值模拟研究 收率s a r 口是当前既科学又可操作的剂量学量 在确定了概念上科学合理、实践中切实可行的生物电磁剂量学量s a r 之后， 下一步的问题是如何得到s a r 。目前，获得s a r 的方法( 被称为生物电磁剂量学) 有两种，一是理论剂量学，二是实验剂量学所谓理论剂量学实际上就是以人 体为对象，在给定的人体边界条件下求解m a x w e l l 方程，但由于前述的人体在结 构上的极端复杂性和各生物组织电( 磁) 特性的极端不一致性，严格的求解是不 可能。早期，是对十分简化的人体模型进行解析求解，例如把头部用单一的均匀 媒质球模型代替，身体和四肢用均匀媒质圆柱模型代替等。对于较真实的人体而 吉，通用的方法是数值求解。当前，以时域有限差分( f d t d ) 法最为盛行。其思 路是，先用人体的结构模型和电磁模型组成的人体数字模型，再用f d t d 法求解 已知电磁波照射下生物体内的电磁场分布，继而依据生物组织的色散特性求得 s a r 。所谓实验剂量学，实际上就是通过实际测量的方法获得s a r 。应该强调的 是，由于活体生物对外界刺激的应激反应而改变生物组织的电磁特性，因而在活 体生物体上的测量既不可行又不可能，较为可行的思路是，先合成一系列各自的 电磁特性与生物体各组织相同的材料，再利用这些材料制作出生物体的仿真模型， 然后在给定的电磁波照射条件下测量仿真模型内的电磁场分布，继而依据生物组 织的色散特性求得s a r 。 显然，实验剂量学的优点是，由它所得到的量是客观数掘，而运用它所遇到 的困难是：( 1 ) 人们难以合成一系列各自的电磁特性与生物体各组织相同的材料； ( 2 ) 生物体的仿真模型中应预留一系列孔洞以便放入测量天线，而过多的孔洞会 影响仿真模型的真实性，过少的孔洞又不能反映场的详细分稚，因而场量测量结 果的精度和分布特征的分辨率都极为有限。理论剂量学的优点是，可处理十分接 近于人体的复杂模型，而运用它所遇到的困难是：如何评价结果的可靠性和真实 性。基于实验剂量学和理论剂量学各自的优势和困难，目前，人们是这样运用它 们的：在简单模型条件下，用实验剂量学作为检验某一理论剂量学方法的标准， 再将被检验过的这一理论剂量学方法用于真实的、复杂的、具体的生物模型中求 解其内的s a r 。 2 5 射频辐射卫生标准研究 生物电磁学研究，从其开始就有着明确的应用目的。电磁场的生物学效应研 究，则为应用研究提供基础资料，这些资料包括可能产生的有益和有害效应及其 产生条件和机理。为了防止射频电磁场的有害效应对人类健康的危害，研究人们 接受照射的安全电平和各种射频设备的容许漏能电平，从而制定出射频辐射卫生 第二章生物电磁学概要 标准制定，为环境控制和预防医学服务 世界卫生组织和许多国家都有自己的非电离辐射防护标准在国际上现有两 个s a r 限值标准，个是在欧洲采用的通行标准国际非电离性照射保护委员 会( i n t e m a t i o n a lc o m m i s s i o no nn o ni o n i z i n gr a d i a t i o np r o t e c t i o n i c n i r p ) 规定 i e e e l 5 2 8 s a r 2 0 0 x 标准；另一个是美国国家标准化协会( a n s i ) 规定的a n s i 1 e e e 安全标准。其中应用较为广泛的是美国制订的a n s i i e e e c 9 5 1 - 1 9 9 2 安全标准以 1 克组织为测量单位，该文献定出人体暴露于r f 辐射( 3 k h z 至3 0 0 g h z ) 下的安 全标准为，“对于公众场合下的照射，在任意连续3 0 分钟内。人体全身平均s a r 应小于0 0 8 w k g ，任意l 克肌体中最大s a r 应小于1 6 w k g 。”这一标准是目前国 际电信业界的通行标准，欧洲采用的测试标准的测量单位是1 0 克，1 9 9 8 年国际非 电离防护委员会( i c n i r p , i n t e r n a t i o n a lc o m m i s s i o n0 nn o ni o n i z i n gr a d i a t i o n p r o t e c t i o n ) 公布了一个文件即( 随时间变化的电场、磁场和电磁场暴露限制的导 则) ，对于1 0 m h z - 1 0 g h z 频段规定的限值是：头部和躯干部位：公众暴露每1 0 克s a r 限值：2 w k g 。美国已要求新出厂的手机必须经测试符合美国通信协会( f c c ) 的辐射安全标准方可上市，欧洲则于1 9 9 9 年2 月1 日起开始实施手机( 同时含无 绳电话、对讲机、个人通信气，星通信系统) 电磁辐射防护标准。但是，这些标 准均尚未引入我国，有关实验数据也无法取得，我国至今仍未明确制定手机专用 的安全卫生标准，各种不同的测试方法很难得以确认和比较。现有的卫生部标准 ( g b 9 1 7 5 - 8 8 ) ( 环境电磁波卫生标准) ( 该标准适用于一切人群经常居住和流动场 所的环境电磁辐射) ，规定平均功率密度不超过4 0 jw c m 2 ，显然不适合作为手机 的卫生安全标准。 第三章时域有限差分法( f d t d ) 概述 第三章时域有限差分法( f d t d ) 概述 3 1 引言 时域有限差分( f d t d ) 法自y 曲于1 9 6 6 年首次提出以来发展迅速，目前已 获得十分广泛的应用f d t d 法以y e e 网格为空自j 电磁场离散单元，将m a x w e l l 旋度方程转化为差分方程，在时间轴上逐步推进地求解，表述简明，容易理解， 结合计算及技术能处理十分复杂的电磁问题 f d t d 法用于计算复杂电磁系统的散射问题是十分有效的。因为f d t d 法是 基于将计算空间在时域中划分成很多小块，而每个小块都可以赋予它各不相同的 电参数，如电导率、介电常数、磁导率等因此，这种数值法可用于解决不规则 形状，非均匀介质的有关电磁问题由于f d t d 法对复杂的多种物质组成的不规 则形体的计算具有灵活性和有效性，目前作为分析生物电磁学定量问题的首选方 法之一，在研究手机辐射闯题的数值计算中显示出其独特的优越性。 3 2 1y e e 氏算法 3 2f d t d 法的基本原理 在f d t d 中，首先把空间划分成网格，以便把空间上连续分布的物理量离散化， 并只计算网格节点上的物理量。用于计算电磁场的f d t d 法是直接从麦克斯韦旋度 方程出发，计算电场和磁场