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如何评估人体暴露于电磁场中时的安全风险

近年来，普通人暴露于电磁场（EMF）的比例呈指数级增长，引起了人们对身体健康可能面临的风险的关注。因此，评估生物组织上的电磁能量沉积对于评估辐射源是否可以在人体附近或与人体接触时安全使用至关重要。SAR（瓦特/千克）定义作为度量这一评估的指标。

由于与人体紧密放置或直接接触的辐射设备的使用急剧增加，因此需要准确估计局部加热。为此，国际标准中还引入了对 10 g 组织的平均峰值 SAR 值的限制。这些本地 SAR 限制是通过将基本 WBA 范围增加 25 倍来获得的。因此，局部的 SAR 限值设定为工人 10 W/kg，公众 2 W/kg。

人体暴露在电磁场中的仿真研究

SAR 评估和相关剂量学研究不能在实际人体上进行实验，因为这种评估实际上不可行。此外，实现能够实际复制人体组织不均匀性的生物模型仍然是一个挑战。因此，为了克服这些限制，已经开发了极其精确的拟人化数字模型，从层析成像数据开始，用于 SAR 评估。

人体模型的开发

美国国立卫生研究院（U.S. National Institute of Health）,美国食品和药物管理局、社会信息技术研究基金会以及其他学术和工业合作伙伴开发了多种通过使用高分辨率磁共振成像（MRI）技术在真实人体上获取高保真解剖细节的数字化人体模型。常用的模型的数据概览如下所示，

参考文献

[1] E. Canicattì, D. Brizi, A. Masi, N. Fontana and A. Monorchio, "Body Feature Intercomparison of Specific Absorption Rate Induced by High-Power, Portable, and Broadband Electromagnetic Sources [Bioelectromagnetics]," in IEEE Antennas and Propagation Magazine, vol. 65, no. 4, pp. 79-89, Aug. 2023, doi: 10.1109/MAP.2023.3280840.

来源：微波工程仿真

微带天线的基础设计--小型化和性能之间的权衡问题

贴片天线已被广泛使用了几十年。现如今可以使用商业电磁软件进行精确建模，如HFSS、FEKO或CST。利用这些仿真工具，能够准确的确定性能参数，包括辐射效率、增益和带宽。辐射效率和增益是评估天线损耗的关键性能指标。然而，如何权衡小型化和性能之间的关系是仍旧是一直以来备受关注的重点。目录微带贴片天线性能的建模性能边界参考文献 MPAAs shown below👇微带贴片天线性能的建模微带贴片天线的几何形状如下图所示，其中辐射贴片区域Ω位于自由空间与xoy面无限大的介质基板之间的界面上。基板的相对介电常数εr，厚度h，地板为一个无线大的PEC平面。Ω以矩形为例，其辐射效率和增益可以表示如下，耗散功率Pd可以由三种不同的损耗分析，其中，贴片上的欧姆损耗由PΩ给出，介电损耗和表面波引起的衬底损耗由Pε给出。在实际制造中，介电衬底尺寸是有限的，还会导致边缘表面波衍射的辐射。对于一个给定的微带贴片天线的几何形状和馈电，总耗散功率（Pd）可以从输入的电压和电流中确定。但是为了研究电流优化问题，所有的辐射贴片电流都需要与耗散功率建立关联。因此，使用矩量法，利用格林函数建立了如下表达式， J(r)为电流密度。那么关联区域电压和电流的阻抗矩阵可以表达为，ZI=V电阻矩阵和电抗矩阵用阻抗矩阵表示为辐射效率和增益所需的耗散功率可以从贴片电流和电阻矩阵计算，将电流与任意方向的远场联系起来（θ，ϕ）为，一个方向上的辐射强度（θ，ϕ）可以用于计算增益，表示如下，性能边界辐射效率和增益的上限下图显示了计算的具有εr = 4和损耗切线tan δ∈{0.001,0.01,0.1}的PEC微带贴片天线的辐射效率上界。区域Ω的尺寸为ℓy=0.77ℓx，衬底厚度为h=0.05ℓx，除此之外，为区域内所有可能的几何形状提供了性能限制的评估。结果显示，当介电损耗切线减小或电的尺寸增大时，最大辐射效率增大。小型化可以通过增加基板的相对介电常数和/或不同的贴片的几何形状来实现。但，较高的相对介电常数衬底比较低的介电常数衬底具有更大的辐射效率边界，更进一步的研究结果可以阅读下面的参考资料。参考文献 [1] B. A. P. Nel, A. K. Skrivervik, and M. Gustafsson, “Radiation Efficiency and Gain Bounds for Microstrip Patch Antennas,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, pp. 1–1, 2024, doi: 10.1109/TAP.2024.3514318. 来源：微波工程仿真

如何评估人体暴露于电磁场中时的安全风险

目录

全身SAR标准

实验数据表明，SAR 值大于 4 W/kg，取总体体积（即 WBA-SAR）的平均值，可导致不可逆的生物效应。

因为当暴露超过 30 分钟时，这种能量沉积很容易产生约 1 °C 的整体体温升高。

因此，该值已在国际标准中用作参考安全裕度。

特别是，特殊场景工人的全身暴露（WBA-SAR）限值被设定为 0.4 W/kg（比上述阈值低 10 倍）和普通公众分别为 0.08 W/kg（比上述阈值低 50 倍）。

局部SAR标准

除全身暴露外，另一个要考量的是局部 SAR 分布进行局部近场暴露评估。

参考文献

微带天线的基础设计--小型化和性能之间的权衡问题

如何评估人体暴露于电磁场中时的安全风险

目录

全身SAR标准

实验数据表明，SAR 值大于 4 W/kg，取总体体积（即 WBA-SAR）的平均值，可导致不可逆的生物效应。

因为当暴露超过 30 分钟时，这种能量沉积很容易产生约 1 °C 的整体体温升高。

因此，该值已在国际标准中用作参考安全裕度。

特别是，特殊场景工人的全身暴露 （WBA-SAR） 限值被设定为 0.4 W/kg（比上述阈值低 10 倍）和普通公众分别为 0.08 W/kg（比上述阈值低 50 倍）。

局部SAR标准

除全身暴露外，另一个要考量的是局部 SAR 分布进行局部近场暴露评估。

参考文献

微带天线的基础设计--小型化和性能之间的权衡问题

特别是，特殊场景工人的全身暴露（WBA-SAR）限值被设定为 0.4 W/kg（比上述阈值低 10 倍）和普通公众分别为 0.08 W/kg（比上述阈值低 50 倍）。