1～6 GHz 射頻暴露平臺的設計及劑量特征

杜 丹 李 靜 苗 霞 徐勝龍 郭 娟 何 偉 林加金

1（空軍軍醫大學軍事預防醫學系輻射防護醫學教研室 西安 710032）

2（陜西中醫藥大學公共衛生學院 咸陽 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。射頻輻射廣泛應用于廣播、電視、通信、交通運輸、電力、醫療、科研等領域。近些年來，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］的重要環境因素之一［5?6］。流行病調查發現，射頻輻射對通訊和雷達等職業人群有較大的負面影響［7?9］，特別是在神經、生殖等人體系統方面。因此，隨著通訊系統的升級和對職業人群健康的關注，開展寬頻譜條件下的復雜電磁環境對生物體的影響已成為作業人群健康維護研究的重點。傳統的實驗室研究主要集中于800～2 450 MHz 頻段。如Maskey［10］采用喇叭天線設計了835 MHz暴露裝置，大鼠的體內全身平均比吸收率（Whole body average specific absorption rate，WBA SAR）為1.6 W/kg；Kesari［11］設計了2 450 MHz 暴露裝置，大鼠體內的WBA SAR 為0.11 W/kg。傳統射頻暴露平臺的暴露頻率點單一［12?13］且頻率上限值較低［14?15］，頻率點一般為800 MHz、900 MHz、1 800 MHz、2 450 MHz。此外，傳統暴露平臺一般只關注WBA SAR數據，而對于作用靶點的組織比吸收率（Tissue specific absorption rate，TSAR）涉及較少。

為開展寬頻譜條件下射頻生物效應研究，我們研制一套寬頻譜生物電磁暴露平臺，并開展相應暴露條件下的劑量評估是生物效應研究的首要條件。本工作基于通訊和雷達等職業作業的常見暴露頻率，建立了1～6 GHz寬頻譜射頻暴露平臺，測定了暴露功率密度、對實驗動物的WBA SAR、TSAR 等劑量參數進行了模擬仿真研究。

1 平臺設計及暴露參數

1.1 平臺設計

暴露平臺主要包括信號源、功放器、天線等。其中，功放器型號為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，型號為XJT-DR10180，可用頻段為1～18 GHz，天線對角長度（D）為280 mm。圖1 為暴露平臺的設計示意圖，其中，天線輻射的極化方向為垂直極化。

圖1 暴露平臺的設計示意圖Fig.1 Design diagram of exposed platform

依據天線遠場的產生條件［16］，在天線尺寸D<λ/2 時，則近場/遠場的分界距離由式（1）確定，在D>λ/（2π）時，分界距離見式（2）。

考慮目標處的實際暴露尺寸限制，目標處與天線口面的距離設置為70 cm，滿足以上遠場條件。

1.2 暴露參數

輻射場的暴露參數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3 dB 波束寬度或半功率角，在這個區域內天線的相對輻射功率大于二分之一。在本實驗系統中，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，°。

采用森馥綜合場強儀SEM600對暴露平臺目標處的功率密度進行了測試，測試時功放器輸出功率為44 dBm 左右，在50 dBm 額定功率下的輻射場強度可依據低功率下的測試功率進行遞推計算。

表1 給出了輻射場的天線增益、半功率波束寬度、測試功率密度和額定功率密度參數。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 輻射場基本參數Table 1 Basic parameters of radiation field

2 實驗動物劑量學特點

2.1 劑量學仿真條件

對實驗室常用的輻照動物進行了比吸收率的劑量仿真研究。仿真環境為Sim4Life生物電磁仿真軟件，動物為大鼠/小鼠模型。其中，大鼠性別為雄性，類型為Sprague dawley，長度為185 mm，質量為198 g，組織數目為52 種；小鼠為雄性，類型為Nude normal，長度為86 mm，質量為28 g，組織數目為43種。

文獻［18］研究表明，電場極化方向沿動物長軸方向可以獲得較高的比吸收率值。本文對比研究了長軸極化下背部照射和側面照射對比吸收率的影響。平面波極化方向及入射方向的具體設置條件如圖2 所示。在仿真中，平面波的激勵電場場強為1 V/m；邊界條件為理想吸收邊界。

圖2 長軸極化下不同照射方向的示意圖：（a）頂部照射方向；（b）側向照射方向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）是用來衡量生物體內能量沉積速率的重要量，是射頻生物學研究的標準劑量。SAR值與生物體內的電場均方值E相關，見式（4）。

2.2 實驗動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、不同照射動物對WBA SAR 值仿真結果。其中，不同方向上的比吸收率差異V可表達為式（5）。

分析表2 數據可知：（1）相對于大鼠，小鼠在1～6 GHz 內可以獲得更高的WBA SAR 值，高出約一個數量級；（2）在長軸極化條件下，頂部照射和側向照射對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［19］采用綜述的方式歸納了射頻對人體健康的影響，人體對射頻較敏感的器官主要包括眼睛、腦部和雄性睪丸等。在激勵電場場強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物的主要器官組織比吸收率（TSAR）特點。表3和表4分別給出了大鼠和小鼠主要組織器官的TSAR值結果。結果表明：在長軸極化下，頂部照射和側向照射的TSAR存在明顯差異。其中，大鼠晶狀體的差異相對最大值可達到5.96 dB，大鼠睪丸的差異最大值可達到4.64 dB，大鼠大腦半球的差異最大值可達到11.02 dB；小鼠眼部的差異最大值可達到10.73 dB，小鼠睪丸的差異最大值可達到2.71 dB，小鼠腦部的差異最大值可達到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的頻率相關性

根據文獻［20］的研究結論，全身平均比吸收率存在著共振頻率，共振頻率點需滿足式（6）。

式中：L為動物長軸的長度，m；λ為入射電磁波的波長，m。

本文中大鼠的長度為185 mm，小鼠的長度為86 mm；相應的共振頻率點分別為0.65 GHz 和1.4 GHz。依據2.2 節和2.3 節的數據，圖3 給出了大鼠和小鼠分別在頂部和側向照射下的比吸收率隨頻率變化的趨勢。對于WBA SAR而言，具有明顯的規律性。對于大鼠，1～6 GHz超過0.65 GHz的共振頻率點，WBA SAR值隨頻率升高而緩慢降低；對于小鼠，共振頻率點1.4 GHz 落在1～6 GHz 區間內，WBA SAR 值存在著明顯的峰值拐點，但略大于1.4 GHz，大約在2～3 GHz 區間內。表2 的對比結果也表明，頂部照射和側向照射對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。因此，以上結果表明，在長軸極化下，實驗動物的WBA SAR 值存在著頻率相關性，WBA SAR值對照射方向的改變不敏感。

圖3 比吸收率隨頻率變化趨勢：(a)大鼠頂部照射；(b)大鼠側向照射；(c)小鼠頂部照射；(d)小鼠側向照射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

對于局部組織器官而言，TASR 的特點存在著明顯差異。對于大鼠，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，主要位于2～4 GHz區間內。而對于小鼠，TSAR的峰值頻率點要略高于WBA SAR 的共振頻率點，且在峰值頻率點前還存在著極低值拐點。表3 和表4 的結果差異對比值也表明，不同照射條件下，實驗動物的主要組織器官的TASR值差異大多大于3 dB。因此，以上結果表明，在長軸極化下，TSAR值對照射方向的改變較敏感；TSAR 值的峰值頻率點略大于WBA SAR的全身共振頻率點。

3.3 實驗室評估

在國際標準中，人體損傷閾值被定義在全身平均比吸收率為4 W/kg；職業標準閾值被定義在全身平均比吸收率為0.4 W/kg；公眾標準閾值被定義在全身平均比吸收率為0.08 W/kg。暴露實驗必須要預先給出全身平均比吸收率的數值。

本研究在最大暴露值條件下，可以對不同實驗動物的劑量值進行評估。估算公式見式（7）。

式中：SARMax為預估劑量，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 評估值。大鼠和小鼠的WBA SAR均超過職業標準，其中小鼠的WBA SAR超過了損傷閾值4 W/kg。

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

4 結論

對于建立的1～6 GHz寬頻譜生物電磁暴露平臺開展了劑量研究和評估，探討了暴露頻段內實驗動物的劑量學特征。研究結果表明：在長軸極化下，實驗動物的全身平均比吸收率存在著頻率相關性，對照射方向的改變不敏感；組織比吸收率對照射方向的改變較敏感，峰值頻率點略大于全身平均比吸收率的共振頻率點；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職業標準，其中小鼠的全身平均比吸收率已超過4 W/kg的損傷閾值。相對于傳統文獻報道的實驗裝置，該暴露平臺具有頻率上限值高、頻譜范圍寬等特點；在劑量評估方面，對主要靶點器官的組織比吸收率進行了計算和對比。該實驗裝置可用于通訊和雷達等職業作業常見頻率的在體效應研究；實驗動物的體內劑量可依據仿真計算的基本數據進行推算評估。

作者貢獻說明 林加金和杜丹提出了研究思路和實驗方案；徐勝龍和何偉完成了實驗場的建立和測量；苗霞和郭娟為劑量仿真提供了指導；林加金和李靜完成了劑量仿真及評估工作。所有作者均已閱讀并認可該論文最終版的所有內容。