电磁辐射下的人体散热机制研究（人体散热最有效的方式居然是......）

原文作者：张甜甜

本文来源公众号：一边艺术一边学习

注：

这篇中文报道是论文的第一作者西安电子科技大学的张欢欢博士撰写，我做了部分修改。关于论文的相关问题，可联系张欢欢(hhzhang@xidian.edu.cn)、西电的刘英教授（liuying@mail.xidian.edu.cn）和我（weisha@zju.edu.cn）。详细见文末。

人类与其它恒温动物都拥有体温调节机制，当环境温度改变时可以使体温保持稳定。生理学上将体温分为体表温度和核心温度，人类的核心温度约为37℃，在此温度下人体组织器官运行状态最佳。随着电磁场与微波技术的广泛应用，电磁辐射在人们生活中变得无处不在，常见的电磁辐射源有家用电器、移动电话、移动通讯基站、医疗设备、高压电力设备、雷达、激光等，电磁辐射对人体最直接的危害是组织和器官的升温。如果人体温度明显偏离核心温度，会对人体器官造成很大危害。例如增加血脑屏障通透性，使得外周组织和器官产生的神经毒性代谢物很容易进入大脑；当体温超过40℃很容易引起大脑细胞损伤。而当体温超过42℃时，一系列细胞毒性事件将会发生，如蛋白质变性、异常的氧化磷酸化和DNA合成受损，最终导致多器官衰竭和神经元不可逆损伤，严重情况下会使人出现低血压、休克、心力衰竭、脑积水、甚至死亡。因此，深入研究人体在电磁辐射下的散热机制具有重要的科学意义和应用价值，相关研究能够为人体热损伤的预防和治疗建立理论基础。

    人体的散热机制主要包括热传导、热对流、热辐射和蒸发，由于这几种散热机制协同工作，所以通过实验难以对这几种散热机制进行单因素分析。而且，出于伦理考虑，将人类活体置于强电磁辐射和高温环境也不可行，因此我们采用电磁-热协同仿真的方法对人体散热机制进行研究。对现有文献进行调研发现，目前人体电磁-热协同仿真方案存在两个问题：1）FDTD方法被广泛使用，FDTD方法简单高效，但FDTD方法通常需要采用正交网格，会引起阶梯近似，导致建模精度受损；2）在热仿真过程中，仅考虑了对流边界条件，因此不能对辐射散热机制进行仿真。针对这两个问题，我们采用了基于四面体单元剖分的有限元方法进行人体电磁-热协同仿真，并在热仿真过程中引入辐射边界条件，从而可以针对辐射散热机制进行研究。如图1所示，具体仿真过程分为三步，第一步利用频域有限元方法进行电磁仿真，计算人体组织的电场分布；第二步计算比吸收率specific absorption rate (SAR)；第三步利用时域有限元方法进行热仿真，计算人体组织的温度分布，相关技术细节见文献[1]。

图1.  人体电磁-热协同仿真流程

图2.  人体散热机制

    由于我们热仿真部分基于Pennes生物热方程，该方程未能对蒸发散热机制进行描述，故我们的研究暂不涉及蒸发散热机制。另外，现有文献中并未提及血液自身对散热的作用，我们通过类比电子设备中的液冷系统，推断血液流动自身也是一种重要的散热途径。如图2所示，我们对对流散热、辐射散热和血液流动进行了研究，热传导过程直接由Pennes生物热方程描述。

    利用开发的电磁-热协同仿真代码，我们将一个人头模型置于天线的辐射场，如图3所示，并做如下假设：

（1）仿真对象是血压正常的男性，精神状态良好，无剧烈肌肉活动，精神放松。

（2）对人体的电磁辐射是局部的，这样在有限时间内，由于血液循环的作用，人体局部血液温度近似与核心温度保持一致。

图3.  置于天线旁边的人头模型

在数值实验过程中，考虑Tamb=25℃和Tamb=45℃两种环境温度，一种高于人体核心温度，一种低于人体核心温度。天线输入功率取0 W, 1 W, 10 W 或 50 W，用来模拟不同强度的电磁辐射源。在特定的环境温度和输入功率下，分别考虑对流散热、辐射散热、血液流动单独起作用或组合起作用，计算相应的实时平均体温。限于篇幅，我们这里只展示输入功率为10W时的结果，如图4所示，其它结果请参考文献[2]。

    通过对大量仿真结果进行分析，我们发现对流与辐射散热严重依赖人体温度与环境温度的温差，仅当环境温度低于人体温度时，这两种散热机制才有效，而且可以发现辐射散热比对流散热的效果更显著。另外，我们发现血液流动对人体温度调节有非常重要的作用，当人体温度低于核心温度时，它对体温有提升作用；而当人体温度高于核心温度时，它对体温有降低作用，尤其在体温低于环境温度时，血液流动成为人体最有效的散热机制。

图4.  天线输入功率为10W时的实时平均体温：（a）环境温度为25℃； （b）环境温度为45℃。

此外我们还发现：在低功率电磁辐射下，人体的温度热点在人眼附近（图5a）；在高功率电磁辐射下，温度热点集中在天线波源附近（图5b）。

图5.  人体温度分布（环境温度25℃）。（a）天线输入功率为1 W；（b）天线输入功率为50 W。

相关工作已发表在IEEE AWPL和IEEE ACCESS，感兴趣的读者可点击下面的阅读原文下载：

[1] H. H. Zhang, Z. C. Lin, W. E. I. Sha, W. W. Choi, K. W. Tam, D. G. Donoro and G. M. Shi, “Electromagnetic-Thermal Analysis of Human Head Exposed to Cell Phones with the Consideration of Radiative Cooling,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 17, no. 9, pp. 1584-1587, 2018.

https://doi.org/10.1109/LAWP.2018.2856365

[2] H. H. Zhang, Y. Liu, X. Y. Z. Xiong, G. M. Shi, C. Y. Wang, and W. E. I. Sha, "Investigating Thermal Cooling Mechanisms of Human Under Exposure to Electromagnetic Radiation", IEEE ACCESS, 2019.

https://doi.org/10.1109/ACCESS.2019.2891696

这篇中文报道是论文的第一作者西安电子科技大学的张欢欢博士撰写，我做了部分修改。关于论文的相关问题，可联系张欢欢(hhzhang@xidian.edu.cn)、西电的刘英教授（liuying@mail.xidian.edu.cn）和我（weisha@zju.edu.cn）。