1～6 GHz 射頻暴露平臺(tái)的設(shè)計(jì)及劑量特征

杜 丹 李 靜 苗 霞 徐勝龍 郭 娟 何 偉 林加金

1（空軍軍醫(yī)大學(xué)軍事預(yù)防醫(yī)學(xué)系輻射防護(hù)醫(yī)學(xué)教研室 西安 710032）

2（陜西中醫(yī)藥大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院 咸陽(yáng) 712000）

射頻（Radio frequency，RF）表示可以輻射到空間的電磁頻率，頻率范圍為300 kHz～300 GHz。射頻輻射廣泛應(yīng)用于廣播、電視、通信、交通運(yùn)輸、電力、醫(yī)療、科研等領(lǐng)域。近些年來(lái)，隨著第4 代通訊［1］的普及和第5 代通訊的推廣［2］，射頻輻射已成為威脅人員健康［3?4］的重要環(huán)境因素之一［5?6］。流行病調(diào)查發(fā)現(xiàn)，射頻輻射對(duì)通訊和雷達(dá)等職業(yè)人群有較大的負(fù)面影響［7?9］，特別是在神經(jīng)、生殖等人體系統(tǒng)方面。因此，隨著通訊系統(tǒng)的升級(jí)和對(duì)職業(yè)人群健康的關(guān)注，開(kāi)展寬頻譜條件下的復(fù)雜電磁環(huán)境對(duì)生物體的影響已成為作業(yè)人群健康維護(hù)研究的重點(diǎn)。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室研究主要集中于800～2 450 MHz 頻段。如Maskey［10］采用喇叭天線設(shè)計(jì)了835 MHz暴露裝置，大鼠的體內(nèi)全身平均比吸收率（Whole body average specific absorption rate，WBA SAR）為1.6 W/kg；Kesari［11］設(shè)計(jì)了2 450 MHz 暴露裝置，大鼠體內(nèi)的WBA SAR 為0.11 W/kg。傳統(tǒng)射頻暴露平臺(tái)的暴露頻率點(diǎn)單一［12?13］且頻率上限值較低［14?15］，頻率點(diǎn)一般為800 MHz、900 MHz、1 800 MHz、2 450 MHz。此外，傳統(tǒng)暴露平臺(tái)一般只關(guān)注WBA SAR數(shù)據(jù)，而對(duì)于作用靶點(diǎn)的組織比吸收率（Tissue specific absorption rate，TSAR）涉及較少。

為開(kāi)展寬頻譜條件下射頻生物效應(yīng)研究，我們研制一套寬頻譜生物電磁暴露平臺(tái)，并開(kāi)展相應(yīng)暴露條件下的劑量評(píng)估是生物效應(yīng)研究的首要條件。本工作基于通訊和雷達(dá)等職業(yè)作業(yè)的常見(jiàn)暴露頻率，建立了1～6 GHz寬頻譜射頻暴露平臺(tái)，測(cè)定了暴露功率密度、對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的WBA SAR、TSAR 等劑量參數(shù)進(jìn)行了模擬仿真研究。

1 平臺(tái)設(shè)計(jì)及暴露參數(shù)

1.1 平臺(tái)設(shè)計(jì)

暴露平臺(tái)主要包括信號(hào)源、功放器、天線等。其中，功放器型號(hào)為BLMA0860-100，輸出頻段為800 MHz～6 GHz，最大輸出功率50 dBm；天線為雙脊喇叭天線，型號(hào)為XJT-DR10180，可用頻段為1～18 GHz，天線對(duì)角長(zhǎng)度（D）為280 mm。圖1 為暴露平臺(tái)的設(shè)計(jì)示意圖，其中，天線輻射的極化方向?yàn)榇怪睒O化。

圖1 暴露平臺(tái)的設(shè)計(jì)示意圖Fig.1 Design diagram of exposed platform

依據(jù)天線遠(yuǎn)場(chǎng)的產(chǎn)生條件［16］，在天線尺寸D<λ/2 時(shí)，則近場(chǎng)/遠(yuǎn)場(chǎng)的分界距離由式（1）確定，在D>λ/（2π）時(shí)，分界距離見(jiàn)式（2）。

考慮目標(biāo)處的實(shí)際暴露尺寸限制，目標(biāo)處與天線口面的距離設(shè)置為70 cm，滿(mǎn)足以上遠(yuǎn)場(chǎng)條件。

1.2 暴露參數(shù)

輻射場(chǎng)的暴露參數(shù)主要包括功率密度和半功率波束寬度等。其中，半功率波束寬度也稱(chēng)3 dB 波束寬度或半功率角，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)天線的相對(duì)輻射功率大于二分之一。在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，各頻段處雙脊喇叭天線波瓣圖的半功率波束寬度θ可由式（3）預(yù)估［17］。

式中：G為天線的增益，dBi；θ為半功率波束寬度，°。

采用森馥綜合場(chǎng)強(qiáng)儀SEM600對(duì)暴露平臺(tái)目標(biāo)處的功率密度進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試時(shí)功放器輸出功率為44 dBm 左右，在50 dBm 額定功率下的輻射場(chǎng)強(qiáng)度可依據(jù)低功率下的測(cè)試功率進(jìn)行遞推計(jì)算。

表1 給出了輻射場(chǎng)的天線增益、半功率波束寬度、測(cè)試功率密度和額定功率密度參數(shù)。在1～6 GHz下，70 cm處的額定功率密度為63.3～149.0 W/m2。由于天線增益隨頻率變化，因此，目標(biāo)處的功率密度也隨之變化，其中，4 GHz附近可以獲得較高的功率密度。

表1 輻射場(chǎng)基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of radiation field

2 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物劑量學(xué)特點(diǎn)

2.1 劑量學(xué)仿真條件

對(duì)實(shí)驗(yàn)室常用的輻照動(dòng)物進(jìn)行了比吸收率的劑量仿真研究。仿真環(huán)境為Sim4Life生物電磁仿真軟件，動(dòng)物為大鼠/小鼠模型。其中，大鼠性別為雄性，類(lèi)型為Sprague dawley，長(zhǎng)度為185 mm，質(zhì)量為198 g，組織數(shù)目為52 種；小鼠為雄性，類(lèi)型為Nude normal，長(zhǎng)度為86 mm，質(zhì)量為28 g，組織數(shù)目為43種。

文獻(xiàn)［18］研究表明，電場(chǎng)極化方向沿動(dòng)物長(zhǎng)軸方向可以獲得較高的比吸收率值。本文對(duì)比研究了長(zhǎng)軸極化下背部照射和側(cè)面照射對(duì)比吸收率的影響。平面波極化方向及入射方向的具體設(shè)置條件如圖2 所示。在仿真中，平面波的激勵(lì)電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)為1 V/m；邊界條件為理想吸收邊界。

圖2 長(zhǎng)軸極化下不同照射方向的示意圖：（a）頂部照射方向；（b）側(cè)向照射方向Fig.2 Schematic diagram of different irradiation directions under long axis polarization:(a)top direction;(b)side direction

比吸收率（Specific absorption ratio，SAR）是用來(lái)衡量生物體內(nèi)能量沉積速率的重要量，是射頻生物學(xué)研究的標(biāo)準(zhǔn)劑量。SAR值與生物體內(nèi)的電場(chǎng)均方值E相關(guān)，見(jiàn)式（4）。

2.2 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物全身平均比吸收率

WBA SAR 是指生物體全身比吸收率的均值。表2 給出了不同照射方向、不同照射動(dòng)物對(duì)WBA SAR 值仿真結(jié)果。其中，不同方向上的比吸收率差異V可表達(dá)為式（5）。

分析表2 數(shù)據(jù)可知：（1）相對(duì)于大鼠，小鼠在1～6 GHz 內(nèi)可以獲得更高的WBA SAR 值，高出約一個(gè)數(shù)量級(jí)；（2）在長(zhǎng)軸極化條件下，頂部照射和側(cè)向照射對(duì)WBA SAR 的影響較小，大鼠的差異值最大為0.731 dB，小鼠的差異值最大為0.276 dB。

表2 不同照射方向、不同照射動(dòng)物的全身平均比吸收率Table 2 Specific absorption rate of animals exposed in different directions (W·kg?1)

2.3 主要組織器官的組織比吸收率

文獻(xiàn)［19］采用綜述的方式歸納了射頻對(duì)人體健康的影響，人體對(duì)射頻較敏感的器官主要包括眼睛、腦部和雄性睪丸等。在激勵(lì)電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)1 V/m、邊界條件為理想吸收邊界的暴露條件下，探究了不同照射方向下不同照射動(dòng)物的主要器官組織比吸收率（TSAR）特點(diǎn)。表3和表4分別給出了大鼠和小鼠主要組織器官的TSAR值結(jié)果。結(jié)果表明：在長(zhǎng)軸極化下，頂部照射和側(cè)向照射的TSAR存在明顯差異。其中，大鼠晶狀體的差異相對(duì)最大值可達(dá)到5.96 dB，大鼠睪丸的差異最大值可達(dá)到4.64 dB，大鼠大腦半球的差異最大值可達(dá)到11.02 dB；小鼠眼部的差異最大值可達(dá)到10.73 dB，小鼠睪丸的差異最大值可達(dá)到2.71 dB，小鼠腦部的差異最大值可達(dá)到8.06 dB。

表3 大鼠的主要組織器官在不同照射條件下的TSAR值Table 3 TSAR difference of tissues and organs of rat under different irradiation conditions (W·kg?1)

表4 小鼠的主要組織器官在不同照射條件下的TSAR值Table 4 TSAR difference of tissues and organs of mouse under different irradiation conditions (W·kg?1)

3 分析討論

3.1 WBA SAR的頻率相關(guān)性

根據(jù)文獻(xiàn)［20］的研究結(jié)論，全身平均比吸收率存在著共振頻率，共振頻率點(diǎn)需滿(mǎn)足式（6）。

式中：L為動(dòng)物長(zhǎng)軸的長(zhǎng)度，m；λ為入射電磁波的波長(zhǎng)，m。

本文中大鼠的長(zhǎng)度為185 mm，小鼠的長(zhǎng)度為86 mm；相應(yīng)的共振頻率點(diǎn)分別為0.65 GHz 和1.4 GHz。依據(jù)2.2 節(jié)和2.3 節(jié)的數(shù)據(jù)，圖3 給出了大鼠和小鼠分別在頂部和側(cè)向照射下的比吸收率隨頻率變化的趨勢(shì)。對(duì)于WBA SAR而言，具有明顯的規(guī)律性。對(duì)于大鼠，1～6 GHz超過(guò)0.65 GHz的共振頻率點(diǎn)，WBA SAR值隨頻率升高而緩慢降低；對(duì)于小鼠，共振頻率點(diǎn)1.4 GHz 落在1～6 GHz 區(qū)間內(nèi)，WBA SAR 值存在著明顯的峰值拐點(diǎn)，但略大于1.4 GHz，大約在2～3 GHz 區(qū)間內(nèi)。表2 的對(duì)比結(jié)果也表明，頂部照射和側(cè)向照射對(duì)WBA SAR 值影響較小，大鼠的差異值最大為0.731 dB，小鼠的差異值最大為0.276 dB，可忽略不計(jì)。因此，以上結(jié)果表明，在長(zhǎng)軸極化下，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的WBA SAR 值存在著頻率相關(guān)性，WBA SAR值對(duì)照射方向的改變不敏感。

圖3 比吸收率隨頻率變化趨勢(shì)：(a)大鼠頂部照射；(b)大鼠側(cè)向照射；(c)小鼠頂部照射；(d)小鼠側(cè)向照射Fig.3 Variation trend of SAR with frequency:(a)rat⊤(b)rat&side;(c)mouse⊤(d)mouse&side

3.2 TSAR的照射條件分散性

對(duì)于局部組織器官而言，TASR 的特點(diǎn)存在著明顯差異。對(duì)于大鼠，盡管WBA SAR值隨頻率增加而減小，TSAR值也存在著明顯的峰值拐點(diǎn)，主要位于2～4 GHz區(qū)間內(nèi)。而對(duì)于小鼠，TSAR的峰值頻率點(diǎn)要略高于WBA SAR 的共振頻率點(diǎn)，且在峰值頻率點(diǎn)前還存在著極低值拐點(diǎn)。表3 和表4 的結(jié)果差異對(duì)比值也表明，不同照射條件下，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的主要組織器官的TASR值差異大多大于3 dB。因此，以上結(jié)果表明，在長(zhǎng)軸極化下，TSAR值對(duì)照射方向的改變較敏感；TSAR 值的峰值頻率點(diǎn)略大于WBA SAR的全身共振頻率點(diǎn)。

3.3 實(shí)驗(yàn)室評(píng)估

在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中，人體損傷閾值被定義在全身平均比吸收率為4 W/kg；職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)閾值被定義在全身平均比吸收率為0.4 W/kg；公眾標(biāo)準(zhǔn)閾值被定義在全身平均比吸收率為0.08 W/kg。暴露實(shí)驗(yàn)必須要預(yù)先給出全身平均比吸收率的數(shù)值。

本研究在最大暴露值條件下，可以對(duì)不同實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的劑量值進(jìn)行評(píng)估。估算公式見(jiàn)式（7）。

式中：SARMax為預(yù)估劑量，W/kg；SARS為仿真劑量，W/kg；PMax為最大暴露功率密度，W/m2，PS為仿真功率密度，W/m2；SARS、PMax、PS均為已知值。

表5 給出了最大暴露值條件下的WBA SAR 評(píng)估值。大鼠和小鼠的WBA SAR均超過(guò)職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其中小鼠的WBA SAR超過(guò)了損傷閾值4 W/kg。

表5 最大暴露值條件的WBA SAR評(píng)估值Table 5 WBA SAR evaluation value for maximum exposure condition (W·kg?1)

4 結(jié)論

對(duì)于建立的1～6 GHz寬頻譜生物電磁暴露平臺(tái)開(kāi)展了劑量研究和評(píng)估，探討了暴露頻段內(nèi)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的劑量學(xué)特征。研究結(jié)果表明：在長(zhǎng)軸極化下，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的全身平均比吸收率存在著頻率相關(guān)性，對(duì)照射方向的改變不敏感；組織比吸收率對(duì)照射方向的改變較敏感，峰值頻率點(diǎn)略大于全身平均比吸收率的共振頻率點(diǎn)；在最大暴露值條件下，大鼠和小鼠的全身平均比吸收率均超過(guò)職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其中小鼠的全身平均比吸收率已超過(guò)4 W/kg的損傷閾值。相對(duì)于傳統(tǒng)文獻(xiàn)報(bào)道的實(shí)驗(yàn)裝置，該暴露平臺(tái)具有頻率上限值高、頻譜范圍寬等特點(diǎn)；在劑量評(píng)估方面，對(duì)主要靶點(diǎn)器官的組織比吸收率進(jìn)行了計(jì)算和對(duì)比。該實(shí)驗(yàn)裝置可用于通訊和雷達(dá)等職業(yè)作業(yè)常見(jiàn)頻率的在體效應(yīng)研究；實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的體內(nèi)劑量可依據(jù)仿真計(jì)算的基本數(shù)據(jù)進(jìn)行推算評(píng)估。

作者貢獻(xiàn)說(shuō)明 林加金和杜丹提出了研究思路和實(shí)驗(yàn)方案；徐勝龍和何偉完成了實(shí)驗(yàn)場(chǎng)的建立和測(cè)量；苗霞和郭娟為劑量仿真提供了指導(dǎo)；林加金和李靜完成了劑量仿真及評(píng)估工作。所有作者均已閱讀并認(rèn)可該論文最終版的所有內(nèi)容。