BAN电磁辐射比吸收率SAR的

摘 要 ：

体域网（BAN）的研究在远程医疗及远程医疗怎么写作方面起着重要的作用,由于无线传感器节点附着在人体表面,人体不可避免地会吸收可能有害的电磁波,因此,对人体处于BAN网络下的SAR值的研究变得格外重要.而由于BAN中通信距离很短,电磁波沿身体表面传播的通道与普通的无线信道不同,需要建立适用于BAN网络环境的计算模型.以FDTD有限时域差分法为依托,建立三维矩形人体组织网格模型以及三维站立式人体网格模型,采用半波偶极子天线在贴近人体皮肤表面处对矩形人体组织模型与站立式人体模型在不同频率下的SAR值进行仿真,得到了在0.9 GHz,2.4 GHz,5 GHz 3种频率下人体SAR值.

关 键 词 ：

体域网（BAN）；比吸收率（SAR）；有限时域差分法

中图分类号：TN915 文献标识码：A 文章编号：1005-3824（2014）01-0036-03

0 引 言

随着通信的快速发展,无线技术更广泛地运用到了人们的日常生活之中,如手机、蓝牙耳机等.为了进一步方便人们的生活与工作,近年来越来越多的学者致力于体域网的研究.为了实现对人体健康信息采集的即时性,用于收集人体参数的传感器被放置于人体的各个位置,以便用于测量人体参数,这些节点间的数据传输通常限于很短距离的范围内,这些传感器间组成的网络即称为体域网.体域网（body area work,BAN）是附着在人体身上的一种网络,由一套小巧、可移动,具有通信功能的传感器和一个身体主站（或称BAN协调器）组成,每一传感器既可佩戴在身上,也可植入体内[1].由于协调器既可以佩戴在身上又可以植入体内,BAN的应用必须满足生物安全,因为他们会导致电磁生物效应.比吸收率（SAR）是评估生物电磁辐射安全的指标,是人体组织暴露在电磁环境中的一般指标,因此如何精确地计算人体SAR值成为一个关键问题.

在国内外的研究中,大多数的研究都是针对身体某一部分（如头部,手臂等）的SAR值研究,还有一些是针对如何进行实际人体测量SAR值的研究.在参考文献[2]中作者设计了一个人体头部模型,对其暴露在0.5～5.5 GHz频率下时的比吸收率进行了研究,并得出随着频率的升高辐射效率降低.参考文献[3]提出一种采用双天线在900～6 000 MHz频率间的SAR值测量方法.参考文献[4]给出了日本研究儿童的人体模型暴露于2.4 GHz和5 GHz学校无线局域网络产生的电磁场环境中的SAR值.上述这些模型或方法均存在一定的不足,用于计算的材料简单,没有足够地精确模拟人体组织,且并不是针对BAN网络环境中的SAR值研究.

1.FDTD计算方法

本文主要采用FDTD（finite difference time domain）时域有限差分方法进行电磁场的计算.FDTD算法所需储存空间只与计算空间所包含的网格数成正比,这就使得FDTD算法优于其它电磁场计算方法. FDTD算法直接从Maxwell的旋度方程出发采用Yee式网格结构把电磁场的各个分量分别置于不同的空间位置,它们在空间关系上满足Faraday和Ampere定律,根据Yee式网格结构,采用中心差分格式,把Maxwell旋度方程的各个分量方程转化为差分形式[5-7],电场强度E、磁导率μ、介电常数ε、电导率σ、磁场强度为H的旋度方程如公式（1）和公式（2）所示.

×E等于-μHt （1）

×H等于εEt+σE （2）

本文根据FDTD算法,建立均匀网格结构,满足稳定性条件网格的空间步长δ与时间步长δt满足公式（3）.

δt≤δVmax （3）

式（3）中：Vmax为计算空间中电磁波的最大速率.为了尽量减小网格的截断效应,在仿真计算程序中设置的边界条件为ML（unsplit perfect matched layer）边界条件.

2.人体头部模型的建立与SAR仿真

目前, 国际上采用SAR值表示物体吸收电磁辐射的大小.比吸收率 （specific absorption rate,SAR）代表生物体（包括人类）每公斤容许吸收的辐射量,SAR值越低表示辐射被吸收的量越少,国际非电离性辐射保护委员会（ICNIRP）规定SAR值的标准为2 W/kg.SAR的计算方法如式（4）所示.

SAR等于σρE2

本文采用FDTD算法计算人体在电磁环境中所受影响时的SAR值,关键的一步是建立三维生物组织人体模型,即在采用FDTD算法下建立人体生物组织网格模型.首先建立矩形人体组织模型,如图1所示.模型长225 mm,宽115 mm,高150 mm.最底层为皮肤组织,厚度为2 mm；第二层为脂肪组织,厚度为5 mm；接着是肌肉组织,厚度为10 mm；最上层为体内平均组织,厚度为133 mm.采用长和宽均为2 mm的均匀单元网格为单位,各组织的电导率σ,相对介电常数εr,厚度如表1所示[8].

4.结果分析

关于SAR的国际通用标准有2个,1个是欧洲标准2 W/kg,其具体含义是10 g人体组织的平均电磁辐射能量不得超过2 W.另1个是美国标准1.6 W/kg,是指1 g人体组织的平均电磁辐射能量不得超过1.6 W.通过对矩形人体组织模型的SAR计算我们可以得出,在0.9 GHz,2.4 GHz,5 GHz频率下的SAR值均符合现有的国际标准.且当天线贴近皮肤表面放置时,随着频率的增加SAR值增大,皮肤、脂肪、肌肉组织的SAR值随着频率的增加也相应增加,如图2所示.站立人体仿真SAR值也同样符合上述规律.

5.结 语

人体局域网技术是一个新兴的热点技术,其中,人体在该网络环境中的安全性是BAN网络是否可用的关键性问题,SAR值又是衡量这一安全性标准的关键指标.目前对人体SAR的研究主要集中在手持设备的SAR研究,但基于BAN系统下的SAR研究还很少.本文以FDTD有限时域差分算法为依托,分别建立三维矩形人体组织网格模型与三维站立人体网格模型.并采用半波偶极子天线在贴近人体皮肤表面2 mm处,对矩形人体组织模型与站立人体模型在不同频率下的SAR值进行仿真.并得到在0.9 GHz,2.4 GHz,5 GHz 3种频率下人体SAR值.比较得出随着频率的增加SAR值增大,但在以上3种频率下的SAR值均符合安全标准.根据上述研究,在未来的研究中将进一步地对人体在更高频率下的SAR值进行仿真,并采取适当的方法进行实际测量.综合分析仿真与实际测量值,得出人体在BAN环境中更为准确的SAR值,为BAN网络中传感器天线的设计提供必要的设计参数. 参考文献：

[1] 张春青,邹卫霞,李斌,等.医疗体域网研究进展[J].中国医疗器械杂志,2012（2）：114-117.

[2] ZHENG Zhanqi, ZHANG Jinling, LV Yinghua, et al. Compare of human head model SAR about different frequency radiation in BAN[C]//International Conference on Microwe and Millimeter We Technology,ICMMT 2008.Nanjing：IEEE,2008： 1714-1716.

[3] SUOTO H, BRECKENRIDGE M, HOPPE J, et al. Specific absorption rate （SAR） safety assesent for wireless work after next （WNaN） radio antennas[C]//IEEE International Conference on Wireless Information Technology and Systems, 2010.Honolulu,HI：IEEE,2010：1-4.

[4] FINDLAY R P, DIMBYLOW P J. SAR in children from exposure to wireless local area works （WLAN） [C]//Asia-Pacific Symposium on .Singapore：IEEE,2012：733-736.

[5] CHANG qingwang, GANDHI O P. Currents induced in an anatomically polarized electromagic pulses[J]. IEEE Transactions on Microwe Theory and Technology, 1989,39（1）：31-39.

[6] 王长青.时域有限差分（FD-TD）法[J].微波学报, 1989（4）：8-18.

[7] 王长青.时域有限差分（FD-TD）法基本原理[J].无线电电子学汇报,1989（1-2）：38-48.

[8] ROELENS L, JOSEPH W,MARTENS L.Characterization of the path loss near flat and layered biological tissue for narrowband wireless body area works[C]//Wearable and Implantable Body Sensor Networks, 2006. Cambridge,MA：BSN,2006：4-56.

SAR putation of body area works

LEI Qian,PANG Yu

（College of Photoelectrical Engineering, Chongqing University of Posts and Telemunications,Chongqing 400065,P.R.China）

Abstract：Body area work （BANs） is important for telemedicine and telehealth services, so it has attractiveness for engineers. Since the wireless sensor nodes adhere to the human body surface, the human body unoidably absorbs the electromagic we which may be harmful, so investigating the specific absorption rate bees significant in exploration of BANs. Additionally, the BAN channel is different with the mon wireless channel because the munication distance is very short and the electromagic we propagates along the body surface. In this paper, we propose a method to pute SAR（specific absorption rate） values in different frequency bands. With the increasing of frequency SAR value increases accordingly.

Key words：

BAN（body area work）,SAR（specific absorption rate）,FDTD（finite difference time domain）