面向防電磁輻射服裝設計的生物電磁建模方法

馬亮,張欣,應柏安,吳龍

(西安工程大學 服裝與藝術設計學院，陜西 西安 710048)

醫學研究表明，電磁輻射對人體內器官組織的影響不容忽視，可導致腦萎縮、白內障、造血和淋巴器官發育不全、生殖系統障礙等[1-2]。目前較少采用計算機仿真的方法研究防電磁輻射服裝對人體防護作用，研究主要集中在防電磁輻射服裝對人體體表防護效能的機理分析和仿真研究上。

在防電磁輻射服裝的機理分析方面，汪秀琛等[3-4]結合人體特征和服裝結構特點,研究了防電磁輻射服裝結構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行了分析；史曉寧[6]應用基于屏蔽室法的材料電磁屏蔽效能簡易測試方法，對影響因素進行了分析；肖紅等[7]同樣采用屏蔽室法對樣品測試，發現電磁場的方向性和樣品的放置方向對測試結果影響顯著，進而研究了金屬紗線排列方式對屏蔽效能的影響。

在計算機仿真研究方面，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，并從遠場和近場兩個方面對服裝的屏蔽效能進行仿真實驗；蘇鎮濤等[10]采用國外解剖學人體模型，分析了電磁防護服的電磁參數對防護效能的具體影響，并將防護服設計為簡單的立方體形狀，用以模仿防護衣罩；蔡明娟[11]制作了人體模型，并仿真計算了模型穿著與其形狀相同的防護服時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，并設置多個接收探頭，仿真分析各接收點的電場強度。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，但對于實際物理實驗的測量方法與測量環境欠缺說明。孫麗芳[15]在真實人體解剖學模型的基礎上，分析著裝狀態人體的電磁吸收及防護服開口大小對其電磁防護性能的影響。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律。對于低頻電磁場而言,由于電磁感應輻射頻率比較小、磁場強度比較強，為了更好地達到屏蔽電磁輻射的效果，常采用多層防電磁輻射服裝進行屏蔽，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雜，實驗成本較高，被測試人群也會產生健康方面的擔憂。隨著服裝智能設計與制造技術的發展，用仿真技術解決基于人體的特種功能性服裝設計問題將成為主要途徑。文中應用電磁場有限元技術，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、天線模型和環境模型。應用所建立的仿真模型，采用比吸收率、電場強度、磁場強度3個評價指標，分析0.4,1.2 GHz發射頻率下對人體的電磁輻射，及近場環境中1.2 GHz發射頻率下，著裝與不著裝時電磁輻射對人體組織層面的影響，旨在為數字化設計與評價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在熱效應與非熱效應兩個方面[17]。電磁輻射的熱效應是指：人體在受到電磁波的輻射后，引發人體組織器官升溫的現象。因為人體中含有大量的水分，交變電磁場導致水等極性分子發生電磁場感應下的極化及運動，從而產生摩擦進而發熱[18-19]。非熱效應是指：由作用時間長、能量電平低的電磁輻射所產生的一種生物電磁效應。基于這兩種效應對人體的影響，根據流行病學的調查,電磁輻射對人體健康的影響比較廣泛,能引起神經、生殖、心血管、免疫功能及眼睛等方面的改變，如神經衰弱、脫發、肌體免疫力下降、晶狀體渾濁等。調查表明,使用移動電話可引起胸悶、惡心、食欲減退,對睡眠質量、神經行為及運動反應等方面均有不良影響[20-22]。因此需要建立一個包含皮膚層、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行仿真分析。表1列出了常見輻射源的發射頻率，文中主要針對表1所示的常見頻段對人體輻射情況進行研究。

表1 常見電子產品的主要輻射頻率

2 防電磁輻射服裝的屏蔽機理與屏蔽效能指標分析

2.1 防電磁輻射服裝機理分析

穿著防電磁輻射服裝是為了阻隔信號源經由天線輻射出的電磁波，使得電磁場的強度在防護服裝內大幅度衰減。防電磁服裝屏蔽機理如圖1所示。由圖1可以看出，電磁波在到達防電磁服裝表面后一部分電磁波發生反射未進入服裝層、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。其中入射波到達服裝表面的角度，防護服裝距離信號發射源的距離，防護服的厚度、結構、材料等都會對防電磁輻射服裝的屏蔽效能產生一定影響。根據電磁波傳播距離與發射信號的波長長短，電磁輻射分為近場輻射和遠場輻射[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 防電磁服裝屏蔽機理Fig.1 Electromagnetic radiation shielding mechanism

2.2 防電磁輻射服屏蔽效能指標分析

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：未穿著屏蔽服裝時的電磁輻射場值與經屏蔽后剩余的電磁輻射場值之比的分貝數。在近場分析過程中，電場和磁場的輻射情況不同，根據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 防電磁輻射服裝電場屏蔽是指利用傳導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，使得發射源發射的電場線無法全部到達人體。在電場屏蔽時，防電磁輻射服裝的結構要盡量減少開口，拉鏈等部位盡量改為魔術貼的形式進行完整粘合，以防止電場泄露。以電場強度的形式表示屏蔽效能，其表達式為

(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某一點的電場強度，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 防電磁輻射服裝磁場屏蔽是指利用傳導性能良好的防電磁輻射服裝，削弱(或消除)信號發射源(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射的信號無法全部到達人體。在磁場頻率較低時，防電磁輻射服裝多采用磁導率遠小于空氣的磁性材料，將磁力線約束在屏蔽材料內；在磁場頻率較高時，會在含有良導體的防電磁輻射服裝中形成渦電流，這種渦電流會產生與初始磁場方向相反的磁場，兩者之間相抵消，從而實現防電磁輻射服裝對磁場的屏蔽作用。用磁場強度的形式來表示屏蔽效能，其表達式為

(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某一點的磁場強度，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 在外電磁場作用下，人體內將產生感應電磁場，因為人體各器官均為有耗介質，所以體內電磁場將產生電流并吸收和耗散電磁能量，生物計量學中常用比吸收率(specific absorption rate,SAR)來表征這一物理過程[20]。比吸收率定義為：單位質量的人體組織所吸收的電磁波功率。比吸收率是一個單一量，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，單位為dB;SAR0，SAR1分別為未穿著和穿著防電磁輻射服裝時某點處的比吸收率，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

由于人體結構復雜，在建立人體生物電磁模型時進行了簡化，具體如圖3所示。根據服裝與人體的關系，將人體胸部水平基準面的形狀簡化成為橢圓形，并確定了心臟所在的位置，建立了一個由多層不同厚度的橢圓柱嵌套組成的簡化模型。根據實體測量，男體胸圍為920 mm,設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層幾何結構，由外向內為：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)，均為實體結構。在模型驗證中，保持天線的主瓣方向與人體胸部的水平基準面平行。

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對電磁場的響應特性[21]。生物組織的電磁特性分為電特性和磁特性兩個方面，其中電特性包括電導率與介電常數兩個部分，分別用σ和ε表示。模型不同組織電磁特性[24]設置見表 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]，服裝層采用實體幾何模型，上下開口，銀質材料。該服裝模型的主要目的在于驗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組織的保護效果，為防電磁輻射服裝的開發提供參考依據，相對磁導率用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行仿真分析。喇叭天線是一種應用廣泛的微波天線，其優點主要有：結構簡單、頻帶寬、功率容量大、調整與使用方便，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生電磁波輻射。

圖5 天線模型 Fig.5 Antenna model

3.4 環境模型建立

環境模型的建立是仿真實驗進行的基礎，為仿真的情景設定最合理的邊界。空間邊界設置為輻射邊界，主要是為了仿真模擬真空無磁環境，并且保證外表面邊界距其內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置為理想邊界條件外，其余部分全部設置為輻射邊界，以保證天線模型的正常工作狀態。仿真環境設置如圖6所示。

圖6 仿真環境設置 Fig.6 Simulation environment conditions

4 電磁模型在仿真計算中的應用

應用建立的局部簡化人體電磁模型、服裝模型、天線模型和環境模型，采用比吸收率、電場強度、磁場強度3個評價指標，仿真分析0.4，1.2 GHz下人體接收的電磁輻射值，及在定位發射天線距人體0.5 m的近場環境中，1.2 GHz發射頻率下著裝與不著裝時電磁輻射對人體組織層面的影響。

4.1 兩種發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面為例，隨著輻射頻率的增大，人體接受最大輻射的位置發生變化。通過對人體胸部水平基準面、人體胸部矢狀切面仿真結果的分析，發現當發射頻率在0.4 GHz時，胸部左右兩側位置受到的電場輻射強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度大于胸部中心位置；隨著發射頻率的增加，最強電場輻射區域逐漸向胸部靠近，這是由于不同頻率的電磁波在真空中傳播的波長不同，以及電磁波到達服裝的入射角度不同所致。根據λ=v/f,可知隨著發射頻率的增加,電磁波波長逐漸變短，輻射位置向中心靠近。通過胸部水平基準面和矢狀切面仿真分析結果可以看出，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，電場輻射仿真結果如圖7所示。

圖7 電場輻射仿真結果 Fig.7 Simulation results of the electric radiation filed

磁場輻射仿真結果如圖8所示。通過仿真結果發現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度最大；隨著輻射頻率的加強，電場輻射區域逐漸向脂肪層靠近，且靠近發射天線的一面受到較強磁場輻射。

圖8 磁場輻射仿真結果 Fig.8 Simulation results of the magnetic radiation filed

同樣以0.4 GHz和1.2 GHz電磁輻射進行比吸收率仿真分析，將人體胸部水平基準面最前端(前側皮膚層)作為起點，將人體胸部水平基準面的最后端(后側皮膚層)作為終點，仿真分析胸部水平基準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下胸部水平基準面上各個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服裝層結構之后，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作用。發射頻率1.2 GHz下，服裝對電場和磁場的屏蔽效能仿真分析結果如圖11和圖12所示。該材質的防電磁輻射服裝屏蔽良好，在一定頻段范圍內有著良好的防護作用。

通過對比對應點的電場強度，利用式(1)、式(2)可以發現該材質服裝的屏蔽效能滿足對電磁防護的要求。與李慶國等[25]研究結果相近，但文中主要為了驗證生物電磁模型的可行性,因此服裝相對簡單，在之后的數字化設計中將會重點討論。

為了更加直觀地表征銀質防電磁輻射服裝對于人體皮膚層、脂肪層、骨骼層、肌肉層的防護效能，將1.2 GHz輻射條件下各個實驗的仿真結果采用曲線圖進行了對比，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域在脂肪層，磁場最大輻射區域在肌肉層，結果顯示骨骼層對于電場和磁場有著很好的屏蔽作用。此外，人體各個組織層面電場輻射強度遠大于磁場輻射強度。而當電磁波傳遞到肌肉層時，其電場輻射強度和磁場輻射強度均產生明顯衰減。無防護服裝和有防護服裝人體組織各層比吸收率仿真結果如圖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。如果電磁強度增大，由人體感應外電場所引起的熱效應會對人體的組織器官造成一定的傷害。仿真實驗發現銀質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防電磁輻射服護的屏蔽效能。

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 無防護服裝人體組織各層SAR仿真結果Fig.15 SAR simulation results of tissue without protective clothing

圖16 有防護服裝人體組織各層SAR仿真結果Fig.16 SAR simulation results of tissue with protective clothing

5 結語

通過仿真實驗發現，當發射頻率為0.4 GHz時胸部左右兩側部位受到的電場輻射強度要明顯的大于胸部中心所受到的電場輻射強度。當發射頻率為1.2 GHz時，隨著發射頻率的增加，最強電場輻射區域逐漸向胸部靠近。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域在脂肪層，磁場最大輻射區域出現在肌肉層，結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。仿真實驗可以分析不同頻率下的電磁輻射對人體各個組織層面的影響；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于防電磁輻射服裝的數字化設計，同時可以進一步應用于數字化評價防電磁輻射服裝對人體生物組織屏蔽效能的研究。