面向防电磁辐射服装设计的生物电磁建模方法

马亮,张欣,应柏安,吴龙

(西安工程大学 服装与艺术设计学院，陕西 西安 710048)

医学研究表明，电磁辐射对人体内器官组织的影响不容忽视，可导致脑萎缩、白内障、造血和淋巴器官发育不全、生殖系统障碍等[1-2]。目前较少采用计算机仿真的方法研究防电磁辐射服装对人体防护作用，研究主要集中在防电磁辐射服装对人体体表防护效能的机理分析和仿真研究上。

在防电磁辐射服装的机理分析方面，汪秀琛等[3-4]结合人体特征和服装结构特点,研究了防电磁辐射服装结构及影响防电磁辐射效果的一些主要因素；汪秀琛等[5]通过测试4种防辐射样布，对影响防电磁辐射服屏蔽效能显著的因素进行了分析；史晓宁[6]应用基于屏蔽室法的材料电磁屏蔽效能简易测试方法，对影响因素进行了分析；肖红等[7]同样采用屏蔽室法对样品测试，发现电磁场的方向性和样品的放置方向对测试结果影响显著，进而研究了金属纱线排列方式对屏蔽效能的影响。

在计算机仿真研究方面，陈家奎[8]采用CST软件对简易人体模型穿着服装情况下的屏蔽效能进行了仿真分析；刘畅[9]利用Ansoft HFSS 软件建立简单的屏蔽服模型，并从远场和近场两个方面对服装的屏蔽效能进行仿真实验；苏镇涛等[10]采用国外解剖学人体模型，分析了电磁防护服的电磁参数对防护效能的具体影响，并将防护服设计为简单的立方体形状，用以模仿防护衣罩；蔡明娟[11]制作了人体模型，并仿真计算了模型穿着与其形状相同的防护服时电磁能量吸收的分布；张丽丽等[12]利用Ansoft HFSS软件建立测试仿真模型，分析了孕妇不同孕期体型变化对服装电磁防护性能的影响；张书轶[13]采用CST软件建立简易人体模型，服装模型与人体模型基本重合，并设置多个接收探头，仿真分析各接收点的电场强度。张伟伟[14]通过三维电磁仿真软件CST，对市场上常见的6款防辐射孕妇服建立了仿真模型，但对于实际物理实验的测量方法与测量环境欠缺说明。孙丽芳[15]在真实人体解剖学模型的基础上，分析着装状态人体的电磁吸收及防护服开口大小对其电磁防护性能的影响。张永恒[16]利用CATIA软件建立了女性人体模型，仿真分析不同孔、缝对电磁屏蔽服装屏蔽效能的影响规律。对于低频电磁场而言,由于电磁感应辐射频率比较小、磁场强度比较强，为了更好地达到屏蔽电磁辐射的效果，常采用多层防电磁辐射服装进行屏蔽，但在这方面的仿真研究相对较少。

采用物理检测的方法测试电磁辐射对人体组织的影响较为复杂，实验成本较高，被测试人群也会产生健康方面的担忧。随着服装智能设计与制造技术的发展，用仿真技术解决基于人体的特种功能性服装设计问题将成为主要途径。文中应用电磁场有限元技术，建立了包含皮肤层、脂肪层、骨骼层、肌肉层、心脏层的局部简化人体电磁模型，以及服装模型、天线模型和环境模型。应用所建立的仿真模型，采用比吸收率、电场强度、磁场强度3个评价指标，分析0.4,1.2 GHz发射频率下对人体的电磁辐射，及近场环境中1.2 GHz发射频率下，着装与不着装时电磁辐射对人体组织层面的影响，旨在为数字化设计与评价防电磁辐射服装屏蔽效能提参考。

1 电磁辐射对人体的影响

电磁辐射对人体的影响主要体现在热效应与非热效应两个方面[17]。电磁辐射的热效应是指：人体在受到电磁波的辐射后，引发人体组织器官升温的现象。因为人体中含有大量的水分，交变电磁场导致水等极性分子发生电磁场感应下的极化及运动，从而产生摩擦进而发热[18-19]。非热效应是指：由作用时间长、能量电平低的电磁辐射所产生的一种生物电磁效应。基于这两种效应对人体的影响，根据流行病学的调查,电磁辐射对人体健康的影响比较广泛,能引起神经、生殖、心血管、免疫功能及眼睛等方面的改变，如神经衰弱、脱发、肌体免疫力下降、晶状体浑浊等。调查表明,使用移动电话可引起胸闷、恶心、食欲减退,对睡眠质量、神经行为及运动反应等方面均有不良影响[20-22]。因此需要建立一个包含皮肤层、脂肪层、骨骼层、心脏层的人体电磁模型，对服装的防电磁辐射屏蔽效果进行仿真分析。表1列出了常见辐射源的发射频率，文中主要针对表1所示的常见频段对人体辐射情况进行研究。

表1 常见电子产品的主要辐射频率

2 防电磁辐射服装的屏蔽机理与屏蔽效能指标分析

2.1 防电磁辐射服装机理分析

穿着防电磁辐射服装是为了阻隔信号源经由天线辐射出的电磁波，使得电磁场的强度在防护服装内大幅度衰减。防电磁服装屏蔽机理如图1所示。由图1可以看出，电磁波在到达防电磁服装表面后一部分电磁波发生反射未进入服装层、一部分电磁波被服装吸收、一部分电磁波在服装内部多次反射,只有一部分电磁波穿过防电磁辐射服装对人体造成损害。其中入射波到达服装表面的角度，防护服装距离信号发射源的距离，防护服的厚度、结构、材料等都会对防电磁辐射服装的屏蔽效能产生一定影响。根据电磁波传播距离与发射信号的波长长短，电磁辐射分为近场辐射和远场辐射[23]。日常生活中人们所接触到的电磁辐射源往往离人体较近，如电脑、手机等，因此文中首先研究近场电磁辐射对人体的影响。

图1 防电磁服装屏蔽机理Fig.1 Electromagnetic radiation shielding mechanism

2.2 防电磁辐射服屏蔽效能指标分析

防电磁辐射服装屏蔽效能(shielding effectiveness，SE)特指的是场屏蔽效能，定义为：未穿着屏蔽服装时的电磁辐射场值与经屏蔽后剩余的电磁辐射场值之比的分贝数。在近场分析过程中，电场和磁场的辐射情况不同，根据近场屏蔽原理将其分为电场屏蔽效能、磁场屏蔽效能两类。

2.2.1防电磁辐射服装对电场屏蔽效能的指标 防电磁辐射服装电场屏蔽是指利用传导性能良好的防电磁辐射服装削弱或者消除电场耦合对人体各组织器官造成的不利影响，使得发射源发射的电场线无法全部到达人体。在电场屏蔽时，防电磁辐射服装的结构要尽量减少开口，拉链等部位尽量改为魔术贴的形式进行完整粘合，以防止电场泄露。以电场强度的形式表示屏蔽效能，其表达式为

(1)

式中：SE(E)为电场屏蔽效能，单位为dB；E0,E1分别为未穿着和穿着防电磁辐射服装时某一点的电场强度，单位为V/m。

2.2.2防电磁辐射服装对磁场屏蔽效能的指标 防电磁辐射服装磁场屏蔽是指利用传导性能良好的防电磁辐射服装，削弱(或消除)信号发射源(或干扰源)与被干扰回路间的磁场耦合对人体各组织器官造成的不利影响。磁场屏蔽的方法对应不同的频率会有所不同,但其原理都是通过穿着屏蔽服装使得磁场发射的信号无法全部到达人体。在磁场频率较低时，防电磁辐射服装多采用磁导率远小于空气的磁性材料，将磁力线约束在屏蔽材料内；在磁场频率较高时，会在含有良导体的防电磁辐射服装中形成涡电流，这种涡电流会产生与初始磁场方向相反的磁场，两者之间相抵消，从而实现防电磁辐射服装对磁场的屏蔽作用。用磁场强度的形式来表示屏蔽效能，其表达式为

(2)

式中：SE(H)为磁场屏蔽效能，单位为dB；H0，H1分别为未穿着和穿着防电磁辐射服装时某一点的磁场强度，单位为A/m。

2.2.3防电磁辐射服装对人体生物组织屏蔽效能的指标 在外电磁场作用下，人体内将产生感应电磁场，因为人体各器官均为有耗介质，所以体内电磁场将产生电流并吸收和耗散电磁能量，生物计量学中常用比吸收率(specific absorption rate,SAR)来表征这一物理过程[20]。比吸收率定义为：单位质量的人体组织所吸收的电磁波功率。比吸收率是一个单一量，场屏蔽效能是比值量，两者不适合直接比较。为了能够更直观、更明确地用比吸收率的观点表征出屏蔽服屏蔽性能的好坏，将场屏蔽效能式(1)的形式运用在比吸收率上，则基于比吸收率的屏蔽效能表示为

(3)

式中：aSAR为比吸收率衰减系数，单位为dB;SAR0，SAR1分别为未穿着和穿着防电磁辐射服装时某点处的比吸收率，单位为W/kg。

3 电磁仿真建模

电磁仿真建模是由4部分组成，包括人体生物电磁模型、服装模型、天线模型和环境模型。电磁仿真模型如图2所示。

图2 整体仿真模型 Fig.2 Simulation model

3.1 人体生物电磁模型建立

由于人体结构复杂，在建立人体生物电磁模型时进行了简化，具体如图3所示。根据服装与人体的关系，将人体胸部水平基准面的形状简化成为椭圆形，并确定了心脏所在的位置，建立了一个由多层不同厚度的椭圆柱嵌套组成的简化模型。根据实体测量，男体胸围为920 mm,设定模型最外层椭圆的长半径为142 mm、长短半径之比为1.5、椭圆柱体高为200 mm。由图3可以看出，模型共包含5层几何结构，由外向内为：皮肤层(2 mm)、脂肪层(10 mm)、骨骼层(10 mm)、肌肉层(10 mm)和心脏层(半径为5 mm)，均为实体结构。在模型验证中，保持天线的主瓣方向与人体胸部的水平基准面平行。

图3 简化人体生物电磁模型 Fig.3 Simplified human body model

在几何模型基础上对模型赋予生物电磁属性，使之成为生物电磁模型。生物组织的电磁特性是生物组织作为一种物质对电磁场的响应特性[21]。生物组织的电磁特性分为电特性和磁特性两个方面，其中电特性包括电导率与介电常数两个部分，分别用σ和ε表示。模型不同组织电磁特性[24]设置见表 2。

表2 人体各组织电磁特性

3.2 服装模型建立

防电磁辐射服装模型是在模型皮肤层外增加厚度为3mm的服装层。参考市面上常见的防电磁辐射服装[25]，服装层采用实体几何模型，上下开口，银质材料。该服装模型的主要目的在于验证防电磁辐射服装在仿真分析中的可行性。通过在人体电磁模型基础上建立该服装模型，可以对比分析防电磁辐射服装的屏蔽效能，以及该服装对人体各个组织的保护效果，为防电磁辐射服装的开发提供参考依据，相对磁导率用μ表示。服装电磁特性见表3，服装模型如图4所示。

表3 服装电磁特性

图4 服装模型 Fig.4 Clothing model

3.3 天线模型建立

天线是辐射和接受电磁波的工具。文中采用矩形口径的喇叭天线进行仿真分析。喇叭天线是一种应用广泛的微波天线，其优点主要有：结构简单、频带宽、功率容量大、调整与使用方便，此外合适的喇叭天线可以获得良好的辐射特性、尖锐的主瓣、较小的副瓣以及较大的增益[26-27]。喇叭天线是由矩形波导E面和H面的两臂张开而形成的。几何模型主要由喇叭模型、波导模型和馈线模型3部分组成，具体如图5所示。电磁信号由馈线传入喇叭产生电磁波辐射。

图5 天线模型 Fig.5 Antenna model

3.4 环境模型建立

环境模型的建立是仿真实验进行的基础，为仿真的情景设定最合理的边界。空间边界设置为辐射边界，主要是为了仿真模拟真空无磁环境，并且保证外表面边界距其内部模型的距离不小于1/4 λ(λ为波长)。天线模型除了将馈线的端口面、天线的端口面和天线的口径面设置为理想边界条件外，其余部分全部设置为辐射边界，以保证天线模型的正常工作状态。仿真环境设置如图6所示。

图6 仿真环境设置 Fig.6 Simulation environment conditions

4 电磁模型在仿真计算中的应用

应用建立的局部简化人体电磁模型、服装模型、天线模型和环境模型，采用比吸收率、电场强度、磁场强度3个评价指标，仿真分析0.4，1.2 GHz下人体接收的电磁辐射值，及在定位发射天线距人体0.5 m的近场环境中，1.2 GHz发射频率下着装与不着装时电磁辐射对人体组织层面的影响。

4.1 两种发射频率的电磁辐射仿真分析

电场辐射以人体胸部水平基准面为例，随着辐射频率的增大，人体接受最大辐射的位置发生变化。通过对人体胸部水平基准面、人体胸部矢状切面仿真结果的分析，发现当发射频率在0.4 GHz时，胸部左右两侧位置受到的电场辐射强度要明显大于胸部中心；距离胸部中心上下各8～9 cm处接受到的电场辐射强度大于胸部中心位置；随着发射频率的增加，最强电场辐射区域逐渐向胸部靠近，这是由于不同频率的电磁波在真空中传播的波长不同，以及电磁波到达服装的入射角度不同所致。根据λ=v/f,可知随着发射频率的增加,电磁波波长逐渐变短，辐射位置向中心靠近。通过胸部水平基准面和矢状切面仿真分析结果可以看出，由于人体各组织的电磁特性不同，电场辐射在不同人体组织层面的分布情况也有一定差异，电场辐射仿真结果如图7所示。

图7 电场辐射仿真结果 Fig.7 Simulation results of the electric radiation filed

磁场辐射仿真结果如图8所示。通过仿真结果发现整体的分布趋势和电场辐射相近。但是在0.4 GHz低频电磁辐射条件下，磁场对于皮肤层和脂肪层的影响非常小，骨骼层所受到的辐射强度最大；随着辐射频率的加强，电场辐射区域逐渐向脂肪层靠近，且靠近发射天线的一面受到较强磁场辐射。

图8 磁场辐射仿真结果 Fig.8 Simulation results of the magnetic radiation filed

同样以0.4 GHz和1.2 GHz电磁辐射进行比吸收率仿真分析，将人体胸部水平基准面最前端(前侧皮肤层)作为起点，将人体胸部水平基准面的最后端(后侧皮肤层)作为终点，仿真分析胸部水平基准面从前向后的局部比吸收率和平均比吸收率。0.4 GHz和1.2 GHz下局部比吸收率与平均比吸收率如图9、图10所示。0.4 GHz下胸部水平基准面上各个组织的比吸收率变化较小，从前端到后端整体呈下降趋势，在脂肪层比吸收率有明显的下降，骨骼层有明显上升。在1.2 GHz下从前端到后端比吸收率整体成下降趋势，但在前侧脂肪层有明显的下降，骨骼层有明显的上升，并且其幅度都比0.4 GHz明显。

图9 0.4 GHz下局部SAR与平均SARFig.9 Local SAR and average SAR under 0.4 GHz conditions

图10 1.2 GHz下局部比吸收率与平均比吸收率 Fig.10 Local SAR and average SAR under 1.2 GHz conditions

4.2 发射频率1.2 GHz下的着装与不着装

防电磁辐射服装加入银质服装层结构之后，对于电场、磁场有着很好地屏蔽效果，从而对人体各组织器官能够起到明显的保护作用。发射频率1.2 GHz下，服装对电场和磁场的屏蔽效能仿真分析结果如图11和图12所示。该材质的防电磁辐射服装屏蔽良好，在一定频段范围内有着良好的防护作用。

通过对比对应点的电场强度，利用式(1)、式(2)可以发现该材质服装的屏蔽效能满足对电磁防护的要求。与李庆国等[25]研究结果相近，但文中主要为了验证生物电磁模型的可行性,因此服装相对简单，在之后的数字化设计中将会重点讨论。

为了更加直观地表征银质防电磁辐射服装对于人体皮肤层、脂肪层、骨骼层、肌肉层的防护效能，将1.2 GHz辐射条件下各个实验的仿真结果采用曲线图进行了对比，具体如图13、图14所示。由图13和图14可以看出，1.2 GHz辐射下电场最大辐射区域在脂肪层，磁场最大辐射区域在肌肉层，结果显示骨骼层对于电场和磁场有着很好的屏蔽作用。此外，人体各个组织层面电场辐射强度远大于磁场辐射强度。而当电磁波传递到肌肉层时，其电场辐射强度和磁场辐射强度均产生明显衰减。无防护服装和有防护服装人体组织各层比吸收率仿真结果如图15和图16所示。

基于比吸收率的防电磁辐射服装的屏蔽效能分析，基本原理是通过比较穿着防电磁辐射服装前后电磁辐射在人体各组织器官所引起的热效应。如果电磁强度增大，由人体感应外电场所引起的热效应会对人体的组织器官造成一定的伤害。仿真实验发现银质服装有着良好的隔离效果。以1.2 GHz辐射为例，通过分层查看的方法可以清晰地表示出电磁场对人体组织层面所引起的热分布状况。对穿着防电磁辐射服装后各层面的热分布情况的分析，也可以明显的看出银质防电磁辐射服护的屏蔽效能。

图11 服装对电场的屏蔽效能Fig.11 Electric field shielding effectiveness of clothing

图12 服装对磁场的屏蔽效能Fig.12 Magnetic field shielding effectiveness of clothing

图13 1.2 GHz服装对电场的屏蔽效能Fig.13 Electric field shielding effectiveness of clothing under 1.2 GHz conditions

图14 1.2 GHz服装对磁场的屏蔽效能Fig.14 Magnetic field shielding effectiveness of clothing under 1.2 GHz conditions

图15 无防护服装人体组织各层SAR仿真结果Fig.15 SAR simulation results of tissue without protective clothing

图16 有防护服装人体组织各层SAR仿真结果Fig.16 SAR simulation results of tissue with protective clothing

5 结语

通过仿真实验发现，当发射频率为0.4 GHz时胸部左右两侧部位受到的电场辐射强度要明显的大于胸部中心所受到的电场辐射强度。当发射频率为1.2 GHz时，随着发射频率的增加，最强电场辐射区域逐渐向胸部靠近。从不同的人体组织层面来看，骨骼层受到的电磁辐射强度高于其他组织层。加入服装层以后，不同组织层面所受到的电磁辐射均有所减弱。1.2 GHz辐射下电场最大辐射区域在脂肪层，磁场最大辐射区域出现在肌肉层，结果显示服装对骨骼层受到的电场和磁场有着很好的屏蔽作用。从比吸收率来看，在1.2 GHz的发射频率下，加入服装层后脂肪层的比吸收率明显降低。仿真实验可以分析不同频率下的电磁辐射对人体各个组织层面的影响；加入服装层之后，可以反映出服装的屏蔽效能，所建模型和仿真方法可以服务于防电磁辐射服装的数字化设计，同时可以进一步应用于数字化评价防电磁辐射服装对人体生物组织屏蔽效能的研究。