面向防電磁輻射服裝設(shè)計(jì)的生物電磁建模方法

馬亮,張欣,應(yīng)柏安,吳龍

(西安工程大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，陜西 西安 710048)

醫(yī)學(xué)研究表明，電磁輻射對人體內(nèi)器官組織的影響不容忽視，可導(dǎo)致腦萎縮、白內(nèi)障、造血和淋巴器官發(fā)育不全、生殖系統(tǒng)障礙等[1-2]。目前較少采用計(jì)算機(jī)仿真的方法研究防電磁輻射服裝對人體防護(hù)作用，研究主要集中在防電磁輻射服裝對人體體表防護(hù)效能的機(jī)理分析和仿真研究上。

在防電磁輻射服裝的機(jī)理分析方面，汪秀琛等[3-4]結(jié)合人體特征和服裝結(jié)構(gòu)特點(diǎn),研究了防電磁輻射服裝結(jié)構(gòu)及影響防電磁輻射效果的一些主要因素；汪秀琛等[5]通過測試4種防輻射樣布，對影響防電磁輻射服屏蔽效能顯著的因素進(jìn)行了分析；史曉寧[6]應(yīng)用基于屏蔽室法的材料電磁屏蔽效能簡易測試方法，對影響因素進(jìn)行了分析；肖紅等[7]同樣采用屏蔽室法對樣品測試，發(fā)現(xiàn)電磁場的方向性和樣品的放置方向?qū)y試結(jié)果影響顯著，進(jìn)而研究了金屬紗線排列方式對屏蔽效能的影響。

在計(jì)算機(jī)仿真研究方面，陳家奎[8]采用CST軟件對簡易人體模型穿著服裝情況下的屏蔽效能進(jìn)行了仿真分析；劉暢[9]利用Ansoft HFSS 軟件建立簡單的屏蔽服模型，并從遠(yuǎn)場和近場兩個(gè)方面對服裝的屏蔽效能進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)；蘇鎮(zhèn)濤等[10]采用國外解剖學(xué)人體模型，分析了電磁防護(hù)服的電磁參數(shù)對防護(hù)效能的具體影響，并將防護(hù)服設(shè)計(jì)為簡單的立方體形狀，用以模仿防護(hù)衣罩；蔡明娟[11]制作了人體模型，并仿真計(jì)算了模型穿著與其形狀相同的防護(hù)服時(shí)電磁能量吸收的分布；張麗麗等[12]利用Ansoft HFSS軟件建立測試仿真模型，分析了孕婦不同孕期體型變化對服裝電磁防護(hù)性能的影響；張書軼[13]采用CST軟件建立簡易人體模型，服裝模型與人體模型基本重合，并設(shè)置多個(gè)接收探頭，仿真分析各接收點(diǎn)的電場強(qiáng)度。張偉偉[14]通過三維電磁仿真軟件CST，對市場上常見的6款防輻射孕婦服建立了仿真模型，但對于實(shí)際物理實(shí)驗(yàn)的測量方法與測量環(huán)境欠缺說明。孫麗芳[15]在真實(shí)人體解剖學(xué)模型的基礎(chǔ)上，分析著裝狀態(tài)人體的電磁吸收及防護(hù)服開口大小對其電磁防護(hù)性能的影響。張永恒[16]利用CATIA軟件建立了女性人體模型，仿真分析不同孔、縫對電磁屏蔽服裝屏蔽效能的影響規(guī)律。對于低頻電磁場而言,由于電磁感應(yīng)輻射頻率比較小、磁場強(qiáng)度比較強(qiáng)，為了更好地達(dá)到屏蔽電磁輻射的效果，常采用多層防電磁輻射服裝進(jìn)行屏蔽，但在這方面的仿真研究相對較少。

采用物理檢測的方法測試電磁輻射對人體組織的影響較為復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)成本較高，被測試人群也會產(chǎn)生健康方面的擔(dān)憂。隨著服裝智能設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的發(fā)展，用仿真技術(shù)解決基于人體的特種功能性服裝設(shè)計(jì)問題將成為主要途徑。文中應(yīng)用電磁場有限元技術(shù)，建立了包含皮膚層、脂肪層、骨骼層、肌肉層、心臟層的局部簡化人體電磁模型，以及服裝模型、天線模型和環(huán)境模型。應(yīng)用所建立的仿真模型，采用比吸收率、電場強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度3個(gè)評價(jià)指標(biāo)，分析0.4,1.2 GHz發(fā)射頻率下對人體的電磁輻射，及近場環(huán)境中1.2 GHz發(fā)射頻率下，著裝與不著裝時(shí)電磁輻射對人體組織層面的影響，旨在為數(shù)字化設(shè)計(jì)與評價(jià)防電磁輻射服裝屏蔽效能提參考。

1 電磁輻射對人體的影響

電磁輻射對人體的影響主要體現(xiàn)在熱效應(yīng)與非熱效應(yīng)兩個(gè)方面[17]。電磁輻射的熱效應(yīng)是指：人體在受到電磁波的輻射后，引發(fā)人體組織器官升溫的現(xiàn)象。因?yàn)槿梭w中含有大量的水分，交變電磁場導(dǎo)致水等極性分子發(fā)生電磁場感應(yīng)下的極化及運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生摩擦進(jìn)而發(fā)熱[18-19]。非熱效應(yīng)是指：由作用時(shí)間長、能量電平低的電磁輻射所產(chǎn)生的一種生物電磁效應(yīng)?；谶@兩種效應(yīng)對人體的影響，根據(jù)流行病學(xué)的調(diào)查,電磁輻射對人體健康的影響比較廣泛,能引起神經(jīng)、生殖、心血管、免疫功能及眼睛等方面的改變，如神經(jīng)衰弱、脫發(fā)、肌體免疫力下降、晶狀體渾濁等。調(diào)查表明,使用移動(dòng)電話可引起胸悶、惡心、食欲減退,對睡眠質(zhì)量、神經(jīng)行為及運(yùn)動(dòng)反應(yīng)等方面均有不良影響[20-22]。因此需要建立一個(gè)包含皮膚層、脂肪層、骨骼層、心臟層的人體電磁模型，對服裝的防電磁輻射屏蔽效果進(jìn)行仿真分析。表1列出了常見輻射源的發(fā)射頻率，文中主要針對表1所示的常見頻段對人體輻射情況進(jìn)行研究。

表1 常見電子產(chǎn)品的主要輻射頻率

2 防電磁輻射服裝的屏蔽機(jī)理與屏蔽效能指標(biāo)分析

2.1 防電磁輻射服裝機(jī)理分析

穿著防電磁輻射服裝是為了阻隔信號源經(jīng)由天線輻射出的電磁波，使得電磁場的強(qiáng)度在防護(hù)服裝內(nèi)大幅度衰減。防電磁服裝屏蔽機(jī)理如圖1所示。由圖1可以看出，電磁波在到達(dá)防電磁服裝表面后一部分電磁波發(fā)生反射未進(jìn)入服裝層、一部分電磁波被服裝吸收、一部分電磁波在服裝內(nèi)部多次反射,只有一部分電磁波穿過防電磁輻射服裝對人體造成損害。其中入射波到達(dá)服裝表面的角度，防護(hù)服裝距離信號發(fā)射源的距離，防護(hù)服的厚度、結(jié)構(gòu)、材料等都會對防電磁輻射服裝的屏蔽效能產(chǎn)生一定影響。根據(jù)電磁波傳播距離與發(fā)射信號的波長長短，電磁輻射分為近場輻射和遠(yuǎn)場輻射[23]。日常生活中人們所接觸到的電磁輻射源往往離人體較近，如電腦、手機(jī)等，因此文中首先研究近場電磁輻射對人體的影響。

圖1 防電磁服裝屏蔽機(jī)理Fig.1 Electromagnetic radiation shielding mechanism

2.2 防電磁輻射服屏蔽效能指標(biāo)分析

防電磁輻射服裝屏蔽效能(shielding effectiveness，SE)特指的是場屏蔽效能，定義為：未穿著屏蔽服裝時(shí)的電磁輻射場值與經(jīng)屏蔽后剩余的電磁輻射場值之比的分貝數(shù)。在近場分析過程中，電場和磁場的輻射情況不同，根據(jù)近場屏蔽原理將其分為電場屏蔽效能、磁場屏蔽效能兩類。

2.2.1防電磁輻射服裝對電場屏蔽效能的指標(biāo) 防電磁輻射服裝電場屏蔽是指利用傳導(dǎo)性能良好的防電磁輻射服裝削弱或者消除電場耦合對人體各組織器官造成的不利影響，使得發(fā)射源發(fā)射的電場線無法全部到達(dá)人體。在電場屏蔽時(shí)，防電磁輻射服裝的結(jié)構(gòu)要盡量減少開口，拉鏈等部位盡量改為魔術(shù)貼的形式進(jìn)行完整粘合，以防止電場泄露。以電場強(qiáng)度的形式表示屏蔽效能，其表達(dá)式為

(1)

式中：SE(E)為電場屏蔽效能，單位為dB；E0,E1分別為未穿著和穿著防電磁輻射服裝時(shí)某一點(diǎn)的電場強(qiáng)度，單位為V/m。

2.2.2防電磁輻射服裝對磁場屏蔽效能的指標(biāo) 防電磁輻射服裝磁場屏蔽是指利用傳導(dǎo)性能良好的防電磁輻射服裝，削弱(或消除)信號發(fā)射源(或干擾源)與被干擾回路間的磁場耦合對人體各組織器官造成的不利影響。磁場屏蔽的方法對應(yīng)不同的頻率會有所不同,但其原理都是通過穿著屏蔽服裝使得磁場發(fā)射的信號無法全部到達(dá)人體。在磁場頻率較低時(shí)，防電磁輻射服裝多采用磁導(dǎo)率遠(yuǎn)小于空氣的磁性材料，將磁力線約束在屏蔽材料內(nèi)；在磁場頻率較高時(shí)，會在含有良導(dǎo)體的防電磁輻射服裝中形成渦電流，這種渦電流會產(chǎn)生與初始磁場方向相反的磁場，兩者之間相抵消，從而實(shí)現(xiàn)防電磁輻射服裝對磁場的屏蔽作用。用磁場強(qiáng)度的形式來表示屏蔽效能，其表達(dá)式為

(2)

式中：SE(H)為磁場屏蔽效能，單位為dB；H0，H1分別為未穿著和穿著防電磁輻射服裝時(shí)某一點(diǎn)的磁場強(qiáng)度，單位為A/m。

2.2.3防電磁輻射服裝對人體生物組織屏蔽效能的指標(biāo) 在外電磁場作用下，人體內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電磁場，因?yàn)槿梭w各器官均為有耗介質(zhì)，所以體內(nèi)電磁場將產(chǎn)生電流并吸收和耗散電磁能量，生物計(jì)量學(xué)中常用比吸收率(specific absorption rate,SAR)來表征這一物理過程[20]。比吸收率定義為：單位質(zhì)量的人體組織所吸收的電磁波功率。比吸收率是一個(gè)單一量，場屏蔽效能是比值量，兩者不適合直接比較。為了能夠更直觀、更明確地用比吸收率的觀點(diǎn)表征出屏蔽服屏蔽性能的好壞，將場屏蔽效能式(1)的形式運(yùn)用在比吸收率上，則基于比吸收率的屏蔽效能表示為

(3)

式中：aSAR為比吸收率衰減系數(shù)，單位為dB;SAR0，SAR1分別為未穿著和穿著防電磁輻射服裝時(shí)某點(diǎn)處的比吸收率，單位為W/kg。

3 電磁仿真建模

電磁仿真建模是由4部分組成，包括人體生物電磁模型、服裝模型、天線模型和環(huán)境模型。電磁仿真模型如圖2所示。

圖2 整體仿真模型 Fig.2 Simulation model

3.1 人體生物電磁模型建立

由于人體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在建立人體生物電磁模型時(shí)進(jìn)行了簡化，具體如圖3所示。根據(jù)服裝與人體的關(guān)系，將人體胸部水平基準(zhǔn)面的形狀簡化成為橢圓形，并確定了心臟所在的位置，建立了一個(gè)由多層不同厚度的橢圓柱嵌套組成的簡化模型。根據(jù)實(shí)體測量，男體胸圍為920 mm,設(shè)定模型最外層橢圓的長半徑為142 mm、長短半徑之比為1.5、橢圓柱體高為200 mm。由圖3可以看出，模型共包含5層幾何結(jié)構(gòu)，由外向內(nèi)為：皮膚層(2 mm)、脂肪層(10 mm)、骨骼層(10 mm)、肌肉層(10 mm)和心臟層(半徑為5 mm)，均為實(shí)體結(jié)構(gòu)。在模型驗(yàn)證中，保持天線的主瓣方向與人體胸部的水平基準(zhǔn)面平行。

圖3 簡化人體生物電磁模型 Fig.3 Simplified human body model

在幾何模型基礎(chǔ)上對模型賦予生物電磁屬性，使之成為生物電磁模型。生物組織的電磁特性是生物組織作為一種物質(zhì)對電磁場的響應(yīng)特性[21]。生物組織的電磁特性分為電特性和磁特性兩個(gè)方面，其中電特性包括電導(dǎo)率與介電常數(shù)兩個(gè)部分，分別用σ和ε表示。模型不同組織電磁特性[24]設(shè)置見表 2。

表2 人體各組織電磁特性

3.2 服裝模型建立

防電磁輻射服裝模型是在模型皮膚層外增加厚度為3mm的服裝層。參考市面上常見的防電磁輻射服裝[25]，服裝層采用實(shí)體幾何模型，上下開口，銀質(zhì)材料。該服裝模型的主要目的在于驗(yàn)證防電磁輻射服裝在仿真分析中的可行性。通過在人體電磁模型基礎(chǔ)上建立該服裝模型，可以對比分析防電磁輻射服裝的屏蔽效能，以及該服裝對人體各個(gè)組織的保護(hù)效果，為防電磁輻射服裝的開發(fā)提供參考依據(jù)，相對磁導(dǎo)率用μ表示。服裝電磁特性見表3，服裝模型如圖4所示。

表3 服裝電磁特性

圖4 服裝模型 Fig.4 Clothing model

3.3 天線模型建立

天線是輻射和接受電磁波的工具。文中采用矩形口徑的喇叭天線進(jìn)行仿真分析。喇叭天線是一種應(yīng)用廣泛的微波天線，其優(yōu)點(diǎn)主要有：結(jié)構(gòu)簡單、頻帶寬、功率容量大、調(diào)整與使用方便，此外合適的喇叭天線可以獲得良好的輻射特性、尖銳的主瓣、較小的副瓣以及較大的增益[26-27]。喇叭天線是由矩形波導(dǎo)E面和H面的兩臂張開而形成的。幾何模型主要由喇叭模型、波導(dǎo)模型和饋線模型3部分組成，具體如圖5所示。電磁信號由饋線傳入喇叭產(chǎn)生電磁波輻射。

圖5 天線模型 Fig.5 Antenna model

3.4 環(huán)境模型建立

環(huán)境模型的建立是仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的基礎(chǔ)，為仿真的情景設(shè)定最合理的邊界?？臻g邊界設(shè)置為輻射邊界，主要是為了仿真模擬真空無磁環(huán)境，并且保證外表面邊界距其內(nèi)部模型的距離不小于1/4 λ(λ為波長)。天線模型除了將饋線的端口面、天線的端口面和天線的口徑面設(shè)置為理想邊界條件外，其余部分全部設(shè)置為輻射邊界，以保證天線模型的正常工作狀態(tài)。仿真環(huán)境設(shè)置如圖6所示。

圖6 仿真環(huán)境設(shè)置 Fig.6 Simulation environment conditions

4 電磁模型在仿真計(jì)算中的應(yīng)用

應(yīng)用建立的局部簡化人體電磁模型、服裝模型、天線模型和環(huán)境模型，采用比吸收率、電場強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度3個(gè)評價(jià)指標(biāo)，仿真分析0.4，1.2 GHz下人體接收的電磁輻射值，及在定位發(fā)射天線距人體0.5 m的近場環(huán)境中，1.2 GHz發(fā)射頻率下著裝與不著裝時(shí)電磁輻射對人體組織層面的影響。

4.1 兩種發(fā)射頻率的電磁輻射仿真分析

電場輻射以人體胸部水平基準(zhǔn)面為例，隨著輻射頻率的增大，人體接受最大輻射的位置發(fā)生變化。通過對人體胸部水平基準(zhǔn)面、人體胸部矢狀切面仿真結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)發(fā)射頻率在0.4 GHz時(shí)，胸部左右兩側(cè)位置受到的電場輻射強(qiáng)度要明顯大于胸部中心；距離胸部中心上下各8～9 cm處接受到的電場輻射強(qiáng)度大于胸部中心位置；隨著發(fā)射頻率的增加，最強(qiáng)電場輻射區(qū)域逐漸向胸部靠近，這是由于不同頻率的電磁波在真空中傳播的波長不同，以及電磁波到達(dá)服裝的入射角度不同所致。根據(jù)λ=v/f,可知隨著發(fā)射頻率的增加,電磁波波長逐漸變短，輻射位置向中心靠近。通過胸部水平基準(zhǔn)面和矢狀切面仿真分析結(jié)果可以看出，由于人體各組織的電磁特性不同，電場輻射在不同人體組織層面的分布情況也有一定差異，電場輻射仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 電場輻射仿真結(jié)果 Fig.7 Simulation results of the electric radiation filed

磁場輻射仿真結(jié)果如圖8所示。通過仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)整體的分布趨勢和電場輻射相近。但是在0.4 GHz低頻電磁輻射條件下，磁場對于皮膚層和脂肪層的影響非常小，骨骼層所受到的輻射強(qiáng)度最大；隨著輻射頻率的加強(qiáng)，電場輻射區(qū)域逐漸向脂肪層靠近，且靠近發(fā)射天線的一面受到較強(qiáng)磁場輻射。

圖8 磁場輻射仿真結(jié)果 Fig.8 Simulation results of the magnetic radiation filed

同樣以0.4 GHz和1.2 GHz電磁輻射進(jìn)行比吸收率仿真分析，將人體胸部水平基準(zhǔn)面最前端(前側(cè)皮膚層)作為起點(diǎn)，將人體胸部水平基準(zhǔn)面的最后端(后側(cè)皮膚層)作為終點(diǎn)，仿真分析胸部水平基準(zhǔn)面從前向后的局部比吸收率和平均比吸收率。0.4 GHz和1.2 GHz下局部比吸收率與平均比吸收率如圖9、圖10所示。0.4 GHz下胸部水平基準(zhǔn)面上各個(gè)組織的比吸收率變化較小，從前端到后端整體呈下降趨勢，在脂肪層比吸收率有明顯的下降，骨骼層有明顯上升。在1.2 GHz下從前端到后端比吸收率整體成下降趨勢，但在前側(cè)脂肪層有明顯的下降，骨骼層有明顯的上升，并且其幅度都比0.4 GHz明顯。

圖9 0.4 GHz下局部SAR與平均SARFig.9 Local SAR and average SAR under 0.4 GHz conditions

圖10 1.2 GHz下局部比吸收率與平均比吸收率 Fig.10 Local SAR and average SAR under 1.2 GHz conditions

4.2 發(fā)射頻率1.2 GHz下的著裝與不著裝

防電磁輻射服裝加入銀質(zhì)服裝層結(jié)構(gòu)之后，對于電場、磁場有著很好地屏蔽效果，從而對人體各組織器官能夠起到明顯的保護(hù)作用。發(fā)射頻率1.2 GHz下，服裝對電場和磁場的屏蔽效能仿真分析結(jié)果如圖11和圖12所示。該材質(zhì)的防電磁輻射服裝屏蔽良好，在一定頻段范圍內(nèi)有著良好的防護(hù)作用。

通過對比對應(yīng)點(diǎn)的電場強(qiáng)度，利用式(1)、式(2)可以發(fā)現(xiàn)該材質(zhì)服裝的屏蔽效能滿足對電磁防護(hù)的要求。與李慶國等[25]研究結(jié)果相近，但文中主要為了驗(yàn)證生物電磁模型的可行性,因此服裝相對簡單，在之后的數(shù)字化設(shè)計(jì)中將會重點(diǎn)討論。

為了更加直觀地表征銀質(zhì)防電磁輻射服裝對于人體皮膚層、脂肪層、骨骼層、肌肉層的防護(hù)效能，將1.2 GHz輻射條件下各個(gè)實(shí)驗(yàn)的仿真結(jié)果采用曲線圖進(jìn)行了對比，具體如圖13、圖14所示。由圖13和圖14可以看出，1.2 GHz輻射下電場最大輻射區(qū)域在脂肪層，磁場最大輻射區(qū)域在肌肉層，結(jié)果顯示骨骼層對于電場和磁場有著很好的屏蔽作用。此外，人體各個(gè)組織層面電場輻射強(qiáng)度遠(yuǎn)大于磁場輻射強(qiáng)度。而當(dāng)電磁波傳遞到肌肉層時(shí)，其電場輻射強(qiáng)度和磁場輻射強(qiáng)度均產(chǎn)生明顯衰減。無防護(hù)服裝和有防護(hù)服裝人體組織各層比吸收率仿真結(jié)果如圖15和圖16所示。

基于比吸收率的防電磁輻射服裝的屏蔽效能分析，基本原理是通過比較穿著防電磁輻射服裝前后電磁輻射在人體各組織器官所引起的熱效應(yīng)。如果電磁強(qiáng)度增大，由人體感應(yīng)外電場所引起的熱效應(yīng)會對人體的組織器官造成一定的傷害。仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)銀質(zhì)服裝有著良好的隔離效果。以1.2 GHz輻射為例，通過分層查看的方法可以清晰地表示出電磁場對人體組織層面所引起的熱分布狀況。對穿著防電磁輻射服裝后各層面的熱分布情況的分析，也可以明顯的看出銀質(zhì)防電磁輻射服護(hù)的屏蔽效能。

圖11 服裝對電場的屏蔽效能Fig.11 Electric field shielding effectiveness of clothing

圖12 服裝對磁場的屏蔽效能Fig.12 Magnetic field shielding effectiveness of clothing

圖13 1.2 GHz服裝對電場的屏蔽效能Fig.13 Electric field shielding effectiveness of clothing under 1.2 GHz conditions

圖14 1.2 GHz服裝對磁場的屏蔽效能Fig.14 Magnetic field shielding effectiveness of clothing under 1.2 GHz conditions

圖15 無防護(hù)服裝人體組織各層SAR仿真結(jié)果Fig.15 SAR simulation results of tissue without protective clothing

圖16 有防護(hù)服裝人體組織各層SAR仿真結(jié)果Fig.16 SAR simulation results of tissue with protective clothing

5 結(jié)語

通過仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)射頻率為0.4 GHz時(shí)胸部左右兩側(cè)部位受到的電場輻射強(qiáng)度要明顯的大于胸部中心所受到的電場輻射強(qiáng)度。當(dāng)發(fā)射頻率為1.2 GHz時(shí)，隨著發(fā)射頻率的增加，最強(qiáng)電場輻射區(qū)域逐漸向胸部靠近。從不同的人體組織層面來看，骨骼層受到的電磁輻射強(qiáng)度高于其他組織層。加入服裝層以后，不同組織層面所受到的電磁輻射均有所減弱。1.2 GHz輻射下電場最大輻射區(qū)域在脂肪層，磁場最大輻射區(qū)域出現(xiàn)在肌肉層，結(jié)果顯示服裝對骨骼層受到的電場和磁場有著很好的屏蔽作用。從比吸收率來看，在1.2 GHz的發(fā)射頻率下，加入服裝層后脂肪層的比吸收率明顯降低。仿真實(shí)驗(yàn)可以分析不同頻率下的電磁輻射對人體各個(gè)組織層面的影響；加入服裝層之后，可以反映出服裝的屏蔽效能，所建模型和仿真方法可以服務(wù)于防電磁輻射服裝的數(shù)字化設(shè)計(jì)，同時(shí)可以進(jìn)一步應(yīng)用于數(shù)字化評價(jià)防電磁輻射服裝對人體生物組織屏蔽效能的研究。