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        雙波源同向交替入射下大鼠的電磁暴露仿真

        2021-11-17 07:40:58彭懷禹李孟達(dá)齊紅新王向暉張杰
        關(guān)鍵詞:波源長(zhǎng)軸極化

        彭懷禹 李孟達(dá) 齊紅新 王向暉 張杰

        (華東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院生物物理實(shí)驗(yàn)室 上海 200241)

        21世紀(jì)以來(lái),以無(wú)線通信領(lǐng)域?yàn)榇淼目茖W(xué)技術(shù)發(fā)展迅速,從2G到5G,人們生活的電磁暴露環(huán)境日益復(fù)雜,這逐漸引起了人們對(duì)復(fù)雜場(chǎng)電磁暴露生物效應(yīng)的關(guān)注。研究者們針對(duì)不同的復(fù)雜電磁暴露環(huán)境開(kāi)展了生物效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究[1-2],其結(jié)果既有陰性的,也有陽(yáng)性的,如可以對(duì)細(xì)胞周期與凋亡信號(hào)通路產(chǎn)生影響、改變生物體內(nèi)活性氧水平等[3-5]。與單波源輻照下的生物效應(yīng)類似,復(fù)雜場(chǎng)電磁暴露生物效應(yīng)應(yīng)該也與生物體內(nèi)電磁暴露劑量有關(guān)[6-7]。但由于復(fù)雜場(chǎng)電磁環(huán)境比較復(fù)雜,其電磁暴露劑量方面的研究還比較少,為生物效應(yīng)的量-效作用關(guān)系和機(jī)理研究帶來(lái)一定困難。

        復(fù)雜電磁場(chǎng)是由不同頻率、不同波形、不同入射方向、以及不同相位關(guān)系的多個(gè)單波源電磁場(chǎng)疊加形成的。目前,國(guó)內(nèi)已在復(fù)雜電磁場(chǎng)仿真技術(shù)方面取得了一定進(jìn)展[8-9],同時(shí)也展開(kāi)了關(guān)于復(fù)雜電磁場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)研究。有研究者采用多個(gè)波源復(fù)合的方法構(gòu)建了混響室模型,通過(guò)“攪拌器”[10]實(shí)現(xiàn)對(duì)混響室內(nèi)電磁場(chǎng)的擾動(dòng),使得電磁場(chǎng)的能量、極化及相位等參數(shù)呈現(xiàn)規(guī)律排布[11-12],用于電磁暴露劑量和生物效應(yīng)的研究。例如,Wang等[13]設(shè)計(jì)出一種基于混響室的多頻復(fù)合電磁暴露系統(tǒng),研究了該系統(tǒng)在4個(gè)不同頻率(范圍為0.8~5.2GHz)的電磁波復(fù)合時(shí)大鼠的體內(nèi)電磁暴露劑量。由多波源復(fù)合形成的復(fù)雜場(chǎng),其生物體內(nèi)電磁暴露劑量不僅與形成復(fù)合場(chǎng)的各個(gè)波源自身的特性(頻率、波形等)和入射方式(入射方向、極化方向等)有關(guān),還與波源之間的組合暴露方式(入射方向組合、極化方向組合、頻率組合、復(fù)合暴露方式等)有關(guān)。本研究旨在弄清復(fù)合場(chǎng)電磁暴露與單波源電磁暴露之間的關(guān)系,探索不同的組合暴露方式對(duì)暴露劑量的影響規(guī)律,為復(fù)合電磁暴露生物效應(yīng)的量-效規(guī)律研究提供劑量學(xué)基礎(chǔ)。

        本研究在C波段和X波段各選取了一個(gè)具有代表性的頻率(1.5GHz和9.4GHz)作為波源,利用基于時(shí)域有限差分法(Finite difference timedomain,F(xiàn)DTD)[14-16]的雙波源電磁仿真程序,研究了當(dāng)兩個(gè)波源以同向交替入射的方式進(jìn)行復(fù)合時(shí),兩個(gè)波源的極化方向組合與交替時(shí)間間隔對(duì)大鼠全身平均比吸收率(Whole-body average specific absorption rate,SARw)和組織平均比吸收率(Tissue average specific absorption rate,SARa)的影響,探討了雙波源與單波源的電磁暴露劑量之間關(guān)系,旨在為雙波源復(fù)合場(chǎng)電磁暴露劑量的確定提供依據(jù)。

        1 FDTD算法實(shí)現(xiàn)和計(jì)算方法

        1.1 雙波源FDTD算法的實(shí)現(xiàn)

        將麥克斯韋方程的標(biāo)量形式寫(xiě)為式(1)、(2)。

        式中:Ex、Ey、Ez、Hx、Hy、Hz分別表示電場(chǎng)和磁場(chǎng)在x、y、z方向上的分量;ε、μ、σ分別代表電容率、磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率。對(duì)麥克斯韋方程的標(biāo)量形式做中心差分離散處理,得到電場(chǎng)與磁場(chǎng)各分量的時(shí)域迭代形式。為簡(jiǎn)述推導(dǎo),這里以式(1)中的第一個(gè)方程為例,簡(jiǎn)化方程得到的Ex時(shí)域迭代形式見(jiàn)式(3)。式中:n為時(shí)間步數(shù);(i,j,k)為元胞的坐標(biāo)索引。同理可得電場(chǎng)與磁場(chǎng)其他分量的迭代形式。

        在計(jì)算程序中采用總場(chǎng)-散射場(chǎng)方法實(shí)現(xiàn)雙波源輻照[16]。為減少散射波對(duì)仿真結(jié)果的影響,以各向異性完美匹配層作為截?cái)辔者吔纾?7-18]。

        1.2 仿真模型與場(chǎng)景構(gòu)建

        仿真模型是由IT’IS公司提供的198g SD大鼠的核磁共振斷層掃描成像模型,模型長(zhǎng)356mm、高60mm、寬54mm,空間分辨率為1mm,包含60種不同的組織。模型各組織的電磁參數(shù)來(lái)自于Gabriel等[19]的研究結(jié)果,其中主要組織與部分重要器官在1.5GHz和9.4GHz這兩個(gè)頻率下的電導(dǎo)率與相對(duì)介電參數(shù)見(jiàn)表1。當(dāng)雙波源交替入射時(shí),介質(zhì)的電參數(shù)隨著入射波頻率的變化進(jìn)行相應(yīng)的變換。波源位置和大鼠模型的空間體位如圖1所示。模型的長(zhǎng)、寬、高分別沿著坐標(biāo)軸的x、y、z方向。單波源入射時(shí)共有6種入射方式,以坐標(biāo)軸對(duì)應(yīng)的字母進(jìn)行標(biāo)識(shí):以第1個(gè)字母代表入射方向,第2個(gè)字母代表電場(chǎng)極化方向。例如XZ代表電磁波沿+x方向入射和傳播,其電場(chǎng)沿+z方向極化。雙波源同向交替入射時(shí)共有12種入射組合方式,仍然以坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的字母進(jìn)行標(biāo)識(shí):第1個(gè)字母代兩波源的入射方向,后面兩個(gè)字母代表兩個(gè)波源的極化組合方式。例如,圖1中的Y-ZZ,其第1個(gè)字母“Y”表示波沿+y方向入射和傳播,第2個(gè)字母“Z”表示波源1沿+z方向極化,第3個(gè)字母“Z”表示第2個(gè)波源也是沿+z方向極化。由于Z軸對(duì)應(yīng)的是大鼠的長(zhǎng)軸,因此,此時(shí)兩個(gè)波源復(fù)合方式為“背部入射,長(zhǎng)軸-長(zhǎng)軸極化組合”。另外,圖1中T表示交替輻照時(shí)的單位時(shí)間間隔,是兩個(gè)波源的固有周期之和。對(duì)于1.5GHz和9.4 GHz電磁波而言,T≈0.773ns。綜合考慮計(jì)算的收斂性與效率,本文將空間網(wǎng)格長(zhǎng)度設(shè)置為1mm。

        表1 大鼠模型中重要組織在1.5GHz和9.4GHz條件下對(duì)應(yīng)的電導(dǎo)率與相對(duì)介電常數(shù)[19]Table1 Electrical conductivity and relative permittivity of important tissues in a rat model under 1.5GHz and9.4GHz electromagnetic wave irradiation[19

        圖1 兩波源沿同方向交替入射示意圖Fig.1 Schematic diagram of double wave sources alternately incident in the same direction

        1.3 比吸收率計(jì)算

        采用比吸收率[20](SAR,單位質(zhì)量的生物組織單位時(shí)間內(nèi)吸收的輻射能量)作為體內(nèi)電磁暴露劑量的表征量,其表達(dá)見(jiàn)式(4)。式中:σ為電導(dǎo)率,S/m;ρ代表組織的密度,kg/m3;E是電磁場(chǎng)的振幅,V/m。

        大鼠模型的全身平均比吸收率(SARw)組織平均比吸收率(SARa)在仿真程序中按式(5)計(jì)算。

        式中:(i,j,k)是元胞的空間索引;Ex、Ey、Ez分別表示電場(chǎng)振幅在x、y、z方向上的分量;ρ(i,j,k)和V(i,j,k)分別表示相應(yīng)元胞內(nèi)的組織密度和體積;σx、σy、σz分別表示不同方向上的電導(dǎo)率。

        1.4 數(shù)據(jù)分析

        仿真數(shù)據(jù)由仿真程序計(jì)算獲取并導(dǎo)出,數(shù)據(jù)繪圖與分析使用Origin9.0軟件。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 單波源條件下的電磁暴露劑量

        表2為當(dāng)波源振幅為1V/m時(shí),1.5GHz單波源輻照條件下大鼠的SARw值與幾個(gè)重要器官的SARa值計(jì)算結(jié)果。在背部入射(+y方向)、側(cè)面入射(+x方向)和頭部入射(+z方向)時(shí)均含有兩種不同的極化方式,其中Z為長(zhǎng)軸極化,X、Y分別為高度和寬度方向的短軸極化。結(jié)果顯示:極化方式對(duì)大鼠的SARw值有一定的影響,長(zhǎng)軸極化時(shí)的SARw值均大于短軸極化時(shí)的SARw值,當(dāng)入射方向一定時(shí),長(zhǎng)軸極化的SARw值約為短軸極化時(shí)的1.5倍。各組織器官SARa與極化方向的關(guān)系不明顯,這是因?yàn)榻M織器官的解剖位置、尺寸和形狀各不相同,有些組織沒(méi)有明顯的長(zhǎng)、短軸,而有些組織(如脾)雖有長(zhǎng)短軸之分,但其長(zhǎng)軸方向與大鼠體長(zhǎng)方向并不一致,因此極化方向的影響并不顯著。

        表2 不同入射方式下,1.5GHz單波源對(duì)全身SARw與組織SARa值的影響Table2 SARw and SARa values of1.5GHz single wave sources under different incidence modes (μW/kg)

        當(dāng)波源振幅為1V/m時(shí),9.4GHz單波源條件下仿真結(jié)果如表3所示。與1.5GHz相比,9.4GHz單波源輻照下大鼠的SARw值相對(duì)較小。這是因?yàn)?.4GHz電磁波趨膚深度比1.5GHz時(shí)更小,穿透能力更低,從組織SARa值我們也可以看出,大多數(shù)的器官對(duì)于電磁波的能量吸收較少。但是,值得注意的是腦與睪丸由于外部包裹的組織層較薄,相較于其他器官仍然會(huì)有較大的吸收。另一方面,9.4GHz電磁波波長(zhǎng)約為3.2cm,大鼠體長(zhǎng)、寬、高均大于它的一個(gè)波長(zhǎng),此時(shí)極化方向?qū)τ赟ARw值的影響不如1.5GHz時(shí)顯著。不過(guò),相比于大鼠的整個(gè)身體組織器官尺寸更小,9.4GHz單波源輻照下不同極化方向的SARa值仍具有顯著差異。

        表3 不同入射方式下,9.4GHz單波源對(duì)全身SARw與組織SARa值的影響Table3 SARw and SARa values of9.4GHz single wave sources under different incidence modes (μW/kg)

        2.2 交替時(shí)間間隔對(duì)雙波源電磁暴露劑量的影響

        圖2是波源振幅為1V/m、1.5GHz與9.4GHz同向交替入射時(shí),不同入射方式下,交替時(shí)間間隔對(duì)大鼠SARw值的影響。從圖2可以看到,不同入射方式下,大鼠SARw值隨交替時(shí)間間隔增長(zhǎng)的變化趨于相同,均隨交替時(shí)間間隔的增長(zhǎng)而非線性地增大。這種變化可能是由于高頻部分具有較短的周期,在較短的交替時(shí)間中,高頻部分占波源的能量比重較大,當(dāng)交替時(shí)間增長(zhǎng)時(shí),高頻部分能量占比逐漸降低,根據(jù)§2.1中單波源的計(jì)算結(jié)果,由于趨膚效應(yīng),大鼠SARw值隨頻率的升高而降低,故當(dāng)高頻能量占比降低時(shí),SARw值也隨之升高。

        圖2 雙波源交替入射時(shí)交替時(shí)間間隔對(duì)SARw值的影響Fig.2 Influence of alternating time interval on SARw values

        2.3 入射組合方式對(duì)雙波源電磁暴露劑量的影響

        圖3展示了當(dāng)波源振幅為1V/m、交替時(shí)間間隔為10T時(shí),12種不同入射組合方式下大鼠SARw值的仿真結(jié)果。結(jié)果顯示:不同入射方式下SARw值差異明顯。其中,當(dāng)同向交替入射的兩波源中的1.5GHz波源處于長(zhǎng)軸極化時(shí),SARw值均高于其他入射組合方式。與相同入射方式下的單波源輻照相比(單波源與雙波源輻照的外場(chǎng)總能量相同),雙波源的SARw值介于兩個(gè)波源單獨(dú)輻照時(shí)的兩個(gè)SARw值之間。以X-ZZ這入射方式為例,XZ入射模式下,1.5GHz的SARw值為64.10μW/kg,9.4GHz的SARw值為22.90μW/kg,而此時(shí)雙波源在X-ZZ入射方式下的SARw值為39.58μW/kg,處于兩個(gè)波源單獨(dú)輻照時(shí)的SARw值之間。所有組合暴露方式下均是如此。這可以從能量的角度進(jìn)行解釋。由于是在單波源的空間場(chǎng)能量與雙波源的空間場(chǎng)總能量相同的情況下進(jìn)行比較的,而雙波源同向交替入射的能量是兩個(gè)單波源分量的能量疊加,因此不可能出現(xiàn)超過(guò)兩個(gè)單波源中SARw值較大的那種情況。

        圖3 不同入射方式下雙波源交替入射對(duì)全身SARw值的影響Fig.3 SARw values under frequency combination of1.5GHz and9.4GHz at different incidence modes

        單波源入射時(shí),極化方向?qū)﹄姶疟┞秳┝坑幸欢ǖ挠绊?。為此,我們分析了雙波源同向交替入射時(shí),不同的極化方向組合對(duì)電磁暴露劑量的影響。本文中雙波源的12種組合入射方式可以歸類為4種極化組合方式,我們用L代表長(zhǎng)軸極化,S代表短軸極化,S1表示沿寬度方向的短軸極化,S2表示沿高度方向的短軸極化。組合入射方式與極化組合方式之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表4所示。圖4展示了當(dāng)波源振幅為1V/m、交替時(shí)間間隔為10T時(shí),電場(chǎng)極化組合方式對(duì)SARa值的影響。

        圖4 雙波源同向交替入射時(shí)電場(chǎng)極化方向?qū)ARa值的影響Fig.4 SARa values of polarization direction of electric field under the frequency combination of1.5GHz and9.4GHz

        表4 輻照?qǐng)鼍芭c極化方向組合之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系Table4 Combination of incident direction and polarization direction under the condition of dual-wave source composite field

        表4中“L-S”表示1.5GHz為長(zhǎng)軸極化,9.4GHz為短軸極化;“S-L”表示1.5GHz為短軸極化,9.4GHz為長(zhǎng)軸極化。

        由表4可以看到,背部、側(cè)面和頭部入射組合方式下,無(wú)論極化方式如何,腦與睪丸組織均有較大的能量吸收,這是因?yàn)檫@兩種器官較為靠近體表。當(dāng)波源沿大鼠側(cè)面(+x)入射時(shí),肝、肺與睪丸能量吸收由大到小為L(zhǎng)-S>L-L>S-S>S-L,而脾、腎、胃則為S-S>S-L>L-S>L-S。說(shuō)明在相同的入射方向下,由于組織器官的長(zhǎng)短軸極化方向不一,對(duì)于波源能量的吸收也會(huì)發(fā)生變化。

        在空間場(chǎng)總能量相同的情況下,比較單波源與雙波源同向交替入射時(shí)的SARa值時(shí)發(fā)現(xiàn),部分組織SARa值在雙波源交替入射時(shí)會(huì)出現(xiàn)高于單波源輻照時(shí)的情況。例如脾臟組織,當(dāng)雙波源輻照方式為X-YY時(shí),SARa值約為9.2μW/kg,而1.5GHz與9.4GHz兩波源分別處于X-Y模式下SARa值為7.97μW/kg與0.08μW/kg,高出約15.4%。表5列出了雙波源同向交替入射時(shí)SARa值大于單波源輻照的幾個(gè)組織及其入射方式。可以看到,最大超出量為31.2%。由于介電參數(shù)設(shè)置以及網(wǎng)格選取等原因,理論計(jì)算具有一定的誤差,因此只有當(dāng)SARa值的偏差超過(guò)20%才時(shí)才具有一定的意義[20-22]。所以,可以認(rèn)為雙波源同向交替入射時(shí),絕大多數(shù)組織的電磁暴露劑量都不會(huì)超過(guò)單波源,只有個(gè)別組織如睪丸,在Y-XX入射方式下有可能會(huì)略微超過(guò),這有可能是因?yàn)楣舱裎占訌?qiáng)引起的。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,當(dāng)尺寸為波長(zhǎng)的0.4倍時(shí)會(huì)發(fā)生共振吸收現(xiàn)象,而9.4GHz波源波長(zhǎng)的0.4倍約為1.28cm,與睪丸尺寸相近,另外雙波源交替入射時(shí),由于散射在體內(nèi)的疊加也會(huì)發(fā)生變化,這都可能使得睪丸處的SARa在雙波源輻照時(shí)有所增大[23-24]。

        表5 雙波源同向交替入射時(shí)SARa值大于單波源的條件匯總表Table5 Summary of conditions SARa values larger than that of a single source when incident alternately in the same direction

        3 結(jié)論

        本文利用FDTD數(shù)值仿真研究了由1.5GHz和9.4GHz兩個(gè)同向交替入射時(shí),交替入射時(shí)間間隔、兩個(gè)波源的極化組合方式等對(duì)大鼠SARw和SARa值的影響。隨著交替時(shí)間間隔的增加,大鼠的SARw和SARa值均呈現(xiàn)非線性增加的趨勢(shì)。極化組合方式對(duì)大鼠的SARw和SARa值有一定影響。其中對(duì)SARw值的影響與兩個(gè)波源單獨(dú)輻照時(shí)極化方向的影響有關(guān);對(duì)SARa值的影響不如對(duì)SARw值影響明顯,這與大鼠器官的尺寸、位置等因素有關(guān)。在外場(chǎng)總能量相同的情況下進(jìn)行比較,雙波源同向交替入射時(shí)的SARw值介于兩個(gè)波源單獨(dú)輻照時(shí)的兩個(gè)SARw值之間。而部分器官的SARa值在某些入射組合方式下出現(xiàn)了超過(guò)單波源SARa值的情況,如睪丸SARa值在兩交替入射波源均為背部入射短軸極化時(shí),高出兩個(gè)波源單獨(dú)作用時(shí)SARa值31.2%,脾臟的SARa值則在1.5GHz波源為背部入射長(zhǎng)軸極化,9.4GHz波源為短軸時(shí),高出單獨(dú)入射18.9%。

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