Chapter 6 人體電磁比吸收率之分析
6.11 特定比吸收率 (SAR)
為了了解從手機發射的近場射頻電磁波對人體的生物效應，必須知道被人體 所吸收的能量，以及近場射頻電磁波在人體組織吸收過程的分布。定義電磁特定 比吸收率 (SAR) ，以作為人體組織在近場射頻電磁場曝曬時，為了計算上使用，
近場射頻電磁波被吸收之標準公式被定義如下 [39]。
SAR = σ|E|2
2ρ (6.6)
SAR 的單位是瓦特/每千克 (W/kg)。其中 σ 是人體組織導電率，E 是電場強度，ρ 是人體組織密度。其中表 5 中的組織密度與工作頻率無關，相對介電常數以及導 電率的選取，使用工作頻段為 900Mhz 時之測量值，在固定工作頻段為 900Mhz 時作為常數。本研究將針對顱骨、肌肉組織、皮膚和腦部，進行 SAR 的模擬預 測。根據 Citkaya 和 Seker [36] 的文獻指出，使用人體頭部模型進行電磁波模擬 時，必須謹慎選擇合適的位置、範圍、以及符合一般模擬所使用之 SAR 相關組織 參數與合理的電磁頻段進行模擬，本研究所參考之 GSM 工作頻段為 900Mhz 介於 100Khz 到 6-10Ghz 之間，確實被包含在有意義的質量平均 SAR [40] 範圍內。
第 七 章 模擬實際問題之結果與分析
透過第二章所描述的電磁波模型系統，以及第三章所提出的顯式 FDTD 數值 模型，連同人體頭部組織參數以及所選取的手機及其工作頻段，我們通過求解三 維非交錯網格下之馬克斯威爾方程組，並綜合討論不同人體組織內的 SAR 分布，
與相關文獻中的實驗結果，和本文的模擬結果進行比較，並且針對幾項對 SAR 具 有重要影響的人體參數進行觀察與討論。
7.1 316L 邊框-訊號天線部之輻射情形分析
圖7.1顯示了所考慮的 GSM 手機天線的外框天線輻射部，透過饋電點輸入 至天線輻射部的電場傳遞情形，從時間 T=100∆t 到 T=500∆t 的五個不同時間步。
圖示中清楚的表現出，所參考使用的 316L 不鏽鋼金屬外框天線確實具備了區分 Wifi、Blueteeth 和 GPS 信號區塊以及 UMTS/GSM 的頻段區塊，且兩個不同頻段 區段的天線作用時將不會互相影響。
Fig 7.1: Apple iPhone4-like 的 316L 不鏽鋼金屬外框天線輻射部的結構，于 T=100∆t 到 T=500∆t 在五個不同時間點的電場傳播情形。
根據 IEEE 標準 (IEEE Std C95.1–2005) [41]，平均每十克人體組織, 其 SAR 值的安全標準不得超過 2.0W/kg。另外，根據 FCC (聯邦通信委員會) 的安全規 定，要求手機對人體的 SAR 曝曬程度不得超過 1.6W/kg [42]。根據表7.1可以看出, Apple iPhone4 (型號 A1332) 的手機測量 SAR 值符合了射頻電磁場暴露的上述規 定。
The highest SAR values of Apple iPhone4 (model A1332) 1.6W/kg (over 1g) SAR limit 1.17 2.0W/kg (over 10g) SAR limit 0.93 Table 7.1: Apple iPhone4 (model A1332) 產品的真實量測值 [4]。
7.2 電磁輻射效應於頭部組織內之模擬結果
本章節將介紹模擬預測的結果。表7.2 表示了頭部各器官組織其電場強度、能 量比、該器官組織內部最大電場強度以及該器官組織的於頭部之體積比。圖7.2 為使用者在進行手持手機通話時，頭部組織內之手機輻射電場強度分布情形，並 分別觀察表7.2 中，各器官組織之|Emax| 之 30% 以上能量分布情形，如圖7.3 至 圖7.3。圖7.8為使用者在手持手機進行通話時，由左耳到右耳的剖面尺寸、各個器 官組織導電率，以及在第 5000∆t 時的電場強度在不同器官組織的分布情形。
在總計算時間，將各個組織分別 SAR 最大值的發生位置的座標點記錄下來。
接著把注意力放在這些最大值發生的位置作為觀察點。然後，我們將 SAR 的峰值 記錄下來，如表7.3所示。記錄以該紀錄點為圓心，針對周圍球面積，取每單位克 組織以及每十克組織的 SAR 值平均值，如表7.4所示。如圖7.9所示，我們針對這 些觀察點，吾人審視在 ∆t 到 5000∆t 的時間內，電場強度之變化情形。
organ total|E| energy ratio |E|max volume ratio brain 456.0319 8.38% 0.223075 18.34%
cerebellum 161.9135 2.98% 0.35528 2.66%
bone 838.2882 15.41% 1.14534 15.71%
muscle 2151.4652 39.54% 1.81865 42.95%
skin 1832.7249 33.69% 30.85192 20.34%
all of head 5440.4237 100.0% 30.85192 100.0%
Table 7.2: 頭部各器官組織其電場強度、能量比、該器官組織內部最大電場強度以 及該器官組織的於頭部之體積比。
Fig 7.2: 頭部組織內手機輻射之電場強度分布之模擬結果。
Fig 7.3: 大腦及腦幹組織之電場強度分布情形。
Fig 7.4: 小腦組織之電場強度分布情形。
Fig 7.5: 顱骨之電場強度分布情形。
Fig 7.6: 肌肉組織之電場強度分布情形。
Fig 7.7: 皮膚組織之電場強度分布情形。
Fig 7.8: 由左耳到右耳，所考慮之人體組織層的截面尺寸、導電率大小以及電場強 度分布。
Organ SARpeak Skin 1.17983 Muscle 9.89E-03
Bone 1.84E-04 Brain 1.24E-05 Cerebellum 1.06E-04
Table 7.3: 在 5000∆t 的計算時間內，不同器官組織的 SARpeak之模擬結果。
Organ SARpeak SAR1g SAR10g Skin 1.17983 6.49E-02 1.26E-02 Muscle 9.89E-03 6.05E-03 4.10E-03 Bone 1.84E-04 1.81E-04 1.39E-04 Brain 1.24E-05 6.65E-05 7.95E-05 Cerebellum 1.06E-04 3.68E-05 4.70E-05
Table 7.4: 不同器官組織的 SARpeak、SAR1g 和 SAR10g模擬結果。
Fig 7.9: 人體組織最大 SAR 發生處在總模擬時間為 5000∆t 的電場大小值|E|。
7.3 人體頭部骨骼的電磁輻射防護性
本章節是為探討顱骨是否具有對大腦的輻射保護能力，因此，吾人透過將顱 骨的材質移除，並由肌肉組織代替，再一次進行了模擬預測。其中，無顱骨的情 況下，表7.5 表示了頭部各器官組織其電場強度、能量比、該器官組織內部最大電 場強度以及該器官組織的於頭部之體積比。圖7.10 為移去顱骨後，頭部組織內手 機輻射之電場強度分布之模擬結果。 頭部剖面尺寸圖以及不同器官組織的導電 率大小及電場強度分布情形，如圖7.15所示。圖7.16 、7.17 則顯示了當移除顱骨 後，大腦與小腦中，吾人的注意力集中之觀察點位置，其電場大小與原始模型之 比較圖。比較後，可以清楚的發現，當去除顱骨後，與有顱骨的模擬情形下，相 同觀察點的電場大小之振幅明顯的增高，由此結果可得知，顱骨具有一定程度之 防護人腦受輻射曝曬的作用。
organ total|E| energy ratio |E|max volume ratio brain 457.1899 9.03% 0.2883 18.34%
cerebellum 157.7191 3.11% 0.4170 2.66%
bone - - -
-muscle 2702.5209 53.35% 1.8554 58.66%
skin 1747.8232 34.51% 30.86763 20.34%
all of head 5065.2530 100.0% 30.86763 100.0%
Table 7.5: 移去顱骨後，頭部各器官組織其電場強度、能量比、該器官組織內部最 大電場強度以及該器官組織的於頭部之體積比。
Fig 7.10: 移去顱骨後，頭部組織內手機輻射之電場強度分布之模擬結果。
Fig 7.11: 移去顱骨後，大腦及腦幹組織之電場強度分布情形。
Fig 7.12: 移去顱骨後，小腦組織之電場強度分布情形。
Fig 7.13: 移去顱骨後，肌肉組織之電場強度分布情形。
Fig 7.14: 移去顱骨後，皮膚組織之電場強度分布情形。
Fig 7.15: 移去顱骨後，由左耳到右耳，所考慮之人體組織層的截面尺寸、導電率 大小以及電場強度分布。
t
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5
original result without bone
Fig 7.16: 大腦內，SAR 最大值發生位置，在 5000∆t 的時間範圍內，將原本的模擬 結果和移除顱骨後的模擬結果進行比較。
t
1000 2000 3000 4000 5
original resu without bone
Fig 7.17: 小腦內，SAR 最大值發生位置，在 5000∆t 的時間範圍內，將原本的模擬 結果和移除顱骨後的模擬結果進行比較。
7.4 大腦/腦幹與小腦的電場強度分布之模擬結果
在一些研究中，顯示了暴露在低頻射頻電磁場的生物實驗樣本，其癌症發病 率高於正常樣本 [43]。對吾人所關心的人體組織器官而言，SAR 值的分布將受到 電場強度大小的直接影響。圖7.19中顯示針對腦組織部分，包括大腦含腦幹，以 及小腦的電場強度分布的模擬結果，吾人得以觀察出，在靠近輻射源的一側，大 腦的側葉、腦幹、以及小腦的後葉，分別具有明顯的電場吸收累積情形。其中腦 幹負責維持生命，大腦側葉負責聽覺，小腦的後葉負責人體的內分泌系統。因此，
為了防止與避免輻射的危害，吾人應避免手機使用者在使用手機通話的時候把手 機緊貼在耳朵上，或建議使用免持聽筒，這樣的方式，可以避免當人體組織或頭 部組織直接曝曬在手機的近場低頻電磁輻射場下。
Fig 7.18: 大腦及腦幹組織於各單位格點於計算時間為 5000∆t，比較有無顱骨時的 電場強度 |E| 之分布結果。
Fig 7.19: 小腦組織於各單位格點於計算時間為 5000∆t，比較有無顱骨時的電場強 度 |E| 之分布結果。
第 八 章 結論
8.1 本文之貢獻
在經過實解驗證吾人所開發之數值方法的準確性後，進行了人體特定比吸收 率 SAR 的模擬。首先，本論文求得了人體頭部各組織的最大 SAR 值。可以清楚 的看到，使用手機通話時，比較靠近手機的組織器官 (皮膚與肌肉) 較內部器官 (腦部組織與顱骨)，具有較高的 SAR 值。此外，本文的模擬結果與實際產品測量 值相比 (7.1 節) 相比，可以發現，兩者相當的接近，這驗證了吾人所開發之數值 方法進行模擬的可行性與可信度。
其次，在研究中，由頭部各器官組織之電場強度分布情形可以得之，SAR 在 腦部組織依舊具有吸收的情形，如果長時間使用手機進行通話時，更加必須注意 的是，手機輻射將會直接對頭部造成熱損害 [44]，根據本文之模擬結果，吾人參 考了低頻射頻電磁場曝曬下的生物研究 [43]，我們接著討論了腦部各個組織中的 電場強度的分布情形，並且觀察顱骨的存在，是否會影響腦部的電磁場強度分布 情形，結果是肯定的，由於顱骨的材料係數 (導電率與介電常數) 與相鄰組織之材 料係數的明顯差異，進而增加穿透頭骨時所發生的電磁散射，導致入射至腦部的 電場強度，可以發現，與無顱骨的模擬情況比較，電場強度吸收情形明顯降低許 多。最後，我們給出了手機的使用方式建議，在手機收發訊號時，當手機緊貼耳 朵，低頻射頻電磁場直接曝曬頭部或人體時，靠近手機的一側，會直接受到低頻 射頻電磁場的影響。使用者可選擇避免將手機與人體直接接觸；然而，業界在手 機設計時，通過天線設計、手機材質、輻射功率以及工作頻段的選取，也是至關 重要的考量因素，為了輻射安全，必須遵守手機的 SAR 安全標準。綜合以上所 述，本論文的模擬預測結果表明，在設計手機時，可優先進行數值模擬。手機的 材質、工作頻段、輻射功率，對於預測手機的 SAR 值結果亦至關重要。這樣的結 論，對於降低手機設計成本以及降低實驗測試次數皆有相當的幫助。
Fig 8.1: 在 log 尺度下，頭部組織 SAR 分布之模擬結果。
8.2 未來工作與展望
本論文中，吾人所開發之數值方法，對求解三維馬克斯威爾方城組以模擬實 際的複雜幾何物理問題，已經得到了良好的驗證，並且證實了我們的模擬結果，
與實際物理上之實驗測量結果數值相當接近，這樣的結果，亦證實了吾人所開發
與實際物理上之實驗測量結果數值相當接近，這樣的結果，亦證實了吾人所開發