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传统道路车辆环境中非电离射频场电磁剂量值估算分析
摘要：可以在车辆环境中运行大量无线技术，目的是提供不同的服务。必须进行这种情景的剂量评估，以评估它们与当前暴露限值的兼容性。在该工作中，借助于内部3D射线发射计算代码执行常规汽车内的剂量测定评估，该计算代码已经与位于车辆内部的无线传感器网络的测量结果进行比较。这些结果可以帮助充分评估人体暴露于非电离射频场，同时考虑到车辆的形态和拓扑结构对当前以及未来暴露限制的影响。
关键词：电磁剂量测定，非电离辐射，载体
历史：2013年8月18日收到
2013年10月30日修订
接受2013年11月5日
2014年1月21日在线发布
介绍
自内燃机于上世纪初推广以来，汽车已成为最常用的地面运输工具。随着无线技术在过去几年中的成功，这一事实导致为该环境开发和适应大量无线通信系统。大多数这些系统一直致力于为驾驶员提供不同方式应用蓝牙无线技术的舒适性和安全性（Lee等人，2007; Lu等人，2012; Mahmud和Shanker，2006），以及允许正在开发用户与汽车通信以执行车辆远程诊断（Cottle等人，2007; Polar等人，2003; Zoto等人，2012），在某些情况下使用智能手机作为接口（Doo等人。 ，2011; Tahat等，2012）。由于低消耗无线技术提供的可能性，ZigBee（Selvarajah等人，2008），蓝牙（Murphy等人，2002; Ye和Li，2005）或VANET的几个作品展示了车内网络的实现。 （车辆Ad-Hoc网络）技术已被研究（Huang等人，2012; Lan和Chou，2008; Nafi和Khan，2012; Scopigno，2012）。所有这些技术与长距离通信系统共存，如UHF电视信号，移动电话系统（GSM，UMTS，HSPA等），定位系统等作为复杂的室内环境的汽车内部的GPS等。
为了规范这些电磁源的暴露条件，卫生组织一直在研究不同标准的定义。这些标准旨在实现与人类健康相适应的能量和暴露水平（Banik等，2003; Genuis，2007; Sanchez-Hernandez，2009）关于电磁波暴露对人类的影响和不同的研究已经进行了三十多年的动物种类（Lobonova，1974;世界卫生组织，2010），目的是研究非电离辐射对健康的可能影响。
在未来的岁月中，将引入许多新的电磁场（EMF）相关技术，并应通过以下方式确定和解决潜在的健康问题：严格检查其使用和暴露人员的技术，识别潜在的不良健康根据当前的科学证据，交流正在进行的研究的结果，总体而言，提供信息交流和研究活动的重点。关于与新兴技术及其应用相关的潜在健康问题的早期信号报告将为EMF发射系统的设计者，制造商以及负责他们在社会中推广的人提供机会，以解决安全方面的潜在问题。设计和使用他们的产品。 1996年，世卫组织建立了国际EMF项目，以评估在0至300 GHz频率范围内暴露于EMF可能对健康和环境产生影响的科学证据。
国际非电离辐射防护委员会制定了权威指南（ICNIRP，1998）。 ICNIRP指南以及其他国际标准基于两级结构。基本限制是根据“剂量”来定义的 - 特别是低频电场和磁场的电流密度，以及高频（10 GHz）的特定吸收率（SAR）和功率密度EMF-与生物效应直接相关。另一个国际公认的标准是由美国电气和电子工程师协会（IEEE，1999）开发的标准，采用与ICNIRP相同的基本方法，尽管数值有一些差异。 IEEE标准C95.1用于300 kHz-100 GHz频率范围内的受控（职业）和非受控（一般公共）环境。相应的法律已由美国联邦通信委员会发布。在加拿大，“安全规则”6保护公众和工人免受3 kHz-300 GHz频率范围内射频EMF的影响（2008年9月15日修改）。内容是IEEE标准C95.1的略微修改版本。 1999年，欧洲联盟理事会通过了WHO-ICNIRP标准和准则，并为其提供了一种法律形式的建议（欧洲理事会，1999年）。赞同该建议的欧洲国家承诺采取必要的法律和技术战略，以在其领土内实施既定限制。一些专家提出反对某些上述限制的反对意见，这些限制已引起争议。由于存在这种分歧，一些欧洲国家，瑞士（1999年），意大利（2003年），奥地利（2007年），列支敦士登（2008年）采用了暴露限制，在某些方面，这些限制比那些限制更严格。 ICNIRP和欧洲理事会推荐。根据频率范围和暴露的公众（工人，一般公众），暴露限制可以有10或更多的因素。导致各国之间差异的因素包括数据的选择和解释，制定标准的原因，以及可能影响预防原则适用水平的社会政治背景。
西方国家的EMF标准基于已确立的急性生物效应，可被视为可能对健康产生不良影响的信号。与组织加热（热效应）成比例的SAR代表了暴露于EMF的基本限制。另一方面，东欧（EE）标准旨在防止可能由长期暴露于极低强度引起的潜在非热效应。所谓的“功率负荷”（场强和暴露持续时间的乘积）代表了基本的限制（Gajsek等，2002）。一些EE和西方国家的EMF标准中暴露极限值的差异超过两个数量级。因此，EE国家的EMF标准与ICNIRP提出的标准大不相同。射频（前苏联（苏联）和最近发布的公共和职业卫生的射频标准，俄罗斯联邦一直包含的暴露限制远低于非苏联集团国家。考虑到世界其他地区，目前约有30个国家采用了ICNIRP指南作为国家法规。许多国家的无指导符合ICNIRP指南，但不完全相同，例如我们日本。在其他地区，例如我们新西兰，EMF的暴露限制是基于ICNIRP指南（Grandolfo，2009）。限制西班牙EMF暴露的建议基于ICNIRP指南。在1066/2001年皇家法令中，暴露限制是在ICNIRP上为公众制定的（西班牙皇家法令和条例，2001年）。
2004年，欧洲议会和欧盟理事会发布了关于工人接触EMF等物理因素风险的最低健康和安全要求的2004/40 / EC指令（欧洲理事会，2004年）。该指令2004/40 / EC规定了基于ICNIRP职业暴露的行动值和限值。该指令通过后，公开了关于电磁辐射对健康影响的新科学研究。这些后来的出版物证明了将指令2004/40 / EC转换的最后期限推迟了4年。然而，鉴于主题的技术复杂性，2012年4月30日的截止日期被“2013年10月31日”取代，因此换位的截止日期延长（欧洲理事会，2008年）。
利益相关者表达了医学界对实施该指令对基于医学成像的医疗程序使用的潜在影响的严重关切。还表达了该指令对某些工业活动的影响。在仔细检查了利益相关者提出的论点之后，经过多次磋商，委员会决定在国际公认专家提供的新科学信息的基础上彻底重新考虑指令2004/40 / EC的一些条款。
应废除指令2004/40 / EC，以建立新的，更适当和相称的措施，以保护工人免受与EMF相关的风险。该指令旨在解决EMF引起的所有已知的直接生物物理效应和间接影响，以便不仅能够确保每个工人的个人健康和安全，而且还能为所有工人提供最低限度的保护。联盟，同时减少可能的竞争扭曲。另一方面，指令2004/40 / EC没有解决暴露于随时间变化的电，磁和EMF的长期影响，包括可能的致癌作用，目前尚无确定的科学证据确定因果关系。
关于长期暴露于EMF的影响的调查，不仅很少有研究已经解决了这个问题，而且也没有获得确切的知识（ICNIRP，2009;Rouml;sli等，2008）。具体而言，有研究表明，在人们花费时间的不同微环境中，RF-EMF暴露（Bolte et al。，2008; Joseph et al。，2008）。其他研究已经研究了动物可能产生的影响（Grafstro等，2008）。但目前，有数据不足以得出关于通常在日常环境中发生的长期低水平暴露对健康影响的确切结论。长期或长期接触的后果尚未在成人或儿童中进行彻底研究。长期暴露于无线技术的影响，包括来自手机和其他个人设备的发射，以及全身暴露于来自手机信号塔和天线的射频传输的影响，尚不确定。然而，手头的证据表明生物效应和健康影响可以并确实发生在极低的暴露水平：水平可能低于公共安全限制数千倍。
欧洲议会和理事会2013年6月26日关于工人接触物理因素风险的最低健康和安全要求的新指令2013/35 / EU，废除指令2004/40 / EC。
新立法纳入了新的国际暴露限制，同时为军事和磁共振成像（MRI）部门留下了一些灵活性，并要求雇主评估和降低风险。该立法涵盖所有部门，但主要涉及暴露于一定程度风险的工人，例如钢铁行业或靠近电视和无线电广播站以及雷达设施的长时间工作人员。在车辆环境中，考虑到配备有无线通信系统的救护车，长途汽车，公共汽车，出租车和其他类型的公共交通工具是相关的。车辆变成辐射源，其中驾驶员是暴露于无电离辐射的工人。根据车辆的类型，在驾驶过程中接触EMF的工人属于不同的学科，如司机，护理人员，技术人员，清洁工等。在某些情况下，EMF的职业暴露是很大的。在关于EMF健康影响的研究中，暴露评估是（或应该）研究的一个重要方面。在流行病学研究中，特别是在研究重复或持续接触的长期影响的情况下，接触评估存在问题，主要是因为对此类接触的相关指标没有达成共识。我们认为EM评估根据他们所接触的领域的性质以及在某种程度上暴露他们的时间将为未来的流行病学研究提供原始但适用的暴露基础。根据这些类别开始系统地记录关于暴露的个人报告将是有帮助的。
新指令解决了短期直接生物物理效应（例如组织加热，肌肉，神经或感觉器官的刺激）和间接生物物理效应（例如干扰医疗电子设备，如心脏起搏器）。但是，在议会的坚持下，委员会的任务是监督科学进步，并在必要时提出新的建议，以解决可能的长期影响。由于极限值系统可能限制某些医疗技术或军事应用的使用，该立法包括这些部门的豁免，前提是采取措施防止不利的健康影响和安全风险。根据新规定，雇主有义务评估接触EMF的风险，并采取必要措施减少这些风险，例如更换设备或使用联锁或屏蔽机制。接触EMF的限值和雇主必须采取行动的水平现在必须基于ICNIRP新的更严格的建议。成员国应在2016年7月1日之前使遵守本指令所必需的法律，法规和行政规定生效。
回到汽车室内给出的特定车辆情景，已经写了一些处理系统之间干扰问题的工作（Cheng等，2013; De Francisco等，2009; Zacharias等， 2012）;然而，在这种情况下，很少有关于剂量测定的工作。这些研究通常在理论上已经完成，使用模拟技术计算SAR或电场值（Harris等，2011; Ruddle，2004,2009），但在（McCoy等，1999）中研究了一个实际案例，将汽车切成两半并测量SAR值。
在该工作中，使用内部开发的3D射线发射（RL）代码来计算由三个无线通信系统（ZigBee，GSM和UMTS）产生的电场，以在车辆的整个体积内进行估计。这种方法已经在几个工作中进行了测试，其中模拟了飞机等复杂场景（Aguirre等，2013），在低处理时间内取得了良好的效果。使用剂量计和RF频谱分析仪测量了模拟的车辆情景，允许在理论值和测量值之间进行比较。
模拟技术和结果
随着对无线通信系统的不断增长的需求，信号参数的准确估计和信道建模变得非常有趣，以预测路径损耗并表征传播信道的脉冲响应。传统上，使用经验方法，例如COST 231，Walfish-Bertoni和Okumura Hata（Hata，1980; Ikegami等，1984; Phaiboon和Phokharatkul，2009）。然而，它们依赖于先前测量的信道模型，其中包含场景的图形信息以进行最佳预测，除非使用回归方法进行精确校准，否则将进行不确定的传播模型。另一方面，确定性方法（Blas Prieto等，2009; Dimitriou和Sergiadis，2006; Franceschetti等，2004; Kanatas等，1997; Lee，2009; Lee和Lee，2000; Tan和Tan， 1996）基于数值方法，涉及使用全波模拟技术解决麦克斯韦方程，例如矩量法（MoM）和有限差分时域（FDTD）（Schuster和Luebbers，1997），或使用几何近似比如RL（Seidel和Rappaport，1994）和射线追踪（RT）（Yang，1998）。由于固有的计算复杂性，这些方法是精确的但是耗时。它们与均匀衍射理论（UTD）的结合（Kouyoumjian和Pathak，1974）最常用于无线电覆盖预测（Gennarelli和Riccio，2009; Son和Myung，1999; Song等，2009; Tayebi等， 2009）。 RT和RL模型可能代表了城市和室内，多径传播特征或预测的最准确和多功能的方法。通常，这种模型用于无线网络的规划阶段，其准确性可以在部署成本降低和服务质量方面带来巨大优势。
在这项工作中，已经进行了汽车内传播信道的剂量分析，表明室内环境的可变性和拓扑结构影响了电磁传播。为此，使用了内部开发的3D RL代码（Azpilicueta等，2012）。 RL方法的原理基于几何光学（GO）和均匀几何衍射理论（UTD）。如通常的坐标系中所定义的，从发射器以仰角和方位角T发射光线。它们沿着与障碍物相互作用的空间传播，造成物理反射，折射和衍射等现象，如图1所示。
考虑的射线数量和从发射器到接收器位置的距离决定了可用的空间分辨率，因此决定了模型的准确性。重要的是要强调在空间中定义网格以保存每条射线的参数。因此，这些光线的参数在它们进入每个六面体时被存储，直到光线具有一定数量的反射或者它已超过设定的预传播时间。该算法以迭代方式工作，考虑光线及其反射，存储所创建的光线以便稍后处理衍射现象。介绍了诸如操作频率，多径反射次数，光线间的分离角度和长方体尺寸等参数。在算法中还考虑了发射器和
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