复杂电磁暴露源建模及其生物电磁剂量学研究

Exposure of the human body to time-varying electromagnetic fields (EMF) induces internal body currents and energy absorption in tissues that may affect biological processes and potentially cause health problems. Therefore the International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection (ICNIRP) and the Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) have set international guidelines for limiting the exposure to EMF. The object of either ICNIRP guidelines or IEEE standards is to provide safety assessment criteria on electromagnetic exposure by defining the basic restrictions and reference levels for different working frequency, and the basic restrictions should not be violated in any conditions. The basic restriction limits the induced current density and electric fields (low frequency), and the specific absorption rate SAR (high frequency) in body tissues, which can be obtained only if the parameters of electromagnetic source are known. In some practical working places, the electromagnetic sources are complex and it is difficult to mathematically describe these sources. In this project, we will develop the pipelines for modeling the complex electromagnetic sources. Based on the measurements of only field amplitudes on a set of planes in the near field of the electromagnetic source, the equivalent electromagnetic source can be constructed by employing the phase retrieval methods. The obtained pipeline will be implemented to safety assessment of several complex source exposures such as welding machine, transformer station and mobile phone base station. We believe the developments of this project will provide the theoretical and technical supports for formulating the national safety guidelines of exposure to electromagnetic fields.

时变电磁场暴露作用于人体，会在人体组织中产生感应电流或能量吸收，从而影响到体内的生化过程，并可能导致健康问题。国际非电离辐射防护委员会、美国电子与电气工程师协会分别制订了电磁暴露的安全标准。对不同频段的电磁暴露设定了参考限值与基本限值，要求在任何时候电磁暴露水平均不能超过基本限值。基本限值涉及到人体组织中感应电流密度与电场(低频)，比吸收率SAR(高频)的大小及分布等。为了获得这些参数，需要已知电磁暴露源的几何尺寸及物理参数。在很多实际工作场所，电磁暴露源具有复杂的结构，很难用精确的数学模型直接描述。本项目以电磁暴露源近场幅值测量数据为基础，通过相位复原算法，建立复杂电磁暴露源的等效源模型。将这一方法应用于电焊机设备，变电站作业环境及无线通信基站等的复杂电磁暴露源的建模及安全评估中。通过该项目的实施，为国家相关部门和行业电磁暴露安全防护标准的制定提供理论与技术支撑。

随着科技的进步，电子信息技术被广泛应用在广播、电视、导航、交通运输、通讯、信息产业等领域。环境中电磁场暴露范围和强度不断提高。常见电磁辐射源的工作频率从工频几十赫兹到微波几千兆赫兹。国际非电离辐射防护委员会、美国电子与电气工程师协会分别制订了电磁暴露的安全标准。对不同频段的电磁暴露设定了参考限值与基本限值，要求在任何时候电磁暴露水平均不能超过基本限值。基本限值涉及到人体组织中感应电流密度与电场 (低频)，比吸收率SAR(高频)的大小及分布等。为了获得这些参数，需要已知电磁暴露源的几何尺寸及物理参数。但是在很多实际工作场所，电磁暴露源具有复杂的结构，很难用精确的数学模型直接描述。本项目通过建立空间电磁环境测量平台，以电磁暴露源近场幅值测量数据为基础，建立复杂电磁暴露源的等效源模型。将这一方法应用于高速铁路、特高压输电、高功率医疗设备、工业电焊机，5G手机，电磁防盗器、电动汽车等电磁暴露源建模及安全评估。.通过现场测量，系统研究了高速铁路升降弓电磁脉冲、弓网拉弧电磁脉冲特性及其公众电磁暴露安全评估。弓网电弧火花放电电磁脉冲主要分布在500MHz以内，其人体电磁暴露水平远低于ICNIRP限值。通过数值电磁值计量学方法，系统研究了深部经颅磁刺激对医护人员的职业电磁暴露水平，建议医护人员与磁刺激线圈的距离保持100cm以上。通过设计中心频率3.5GHz的5G手机模型，研究了5G手机天线辐照人体头部，在头部组织中比吸收率（SAR）和温度场的分布。辐照30分钟，头组织中的最大温升低于生物组织热损伤温度。通过该项目的实施，将为国家相关部门和行业电磁暴露安全评估标准的制定提供理论与技术支撑。