对于大多数手机用户来说，他们通常将手机直接放在面前，以便更好地查看屏幕上的内容。这样一来，手机辐射就会朝着脸和眼睛方向传播。具体来说，手机用户的眼睛需要额外的保护，不仅因为它们是敏感的器官，而且因为它们直接暴露在外部影响下，眼睑是它们唯一的生理保护。
由于当人们看手机屏幕上的内容时，眼睑会抬起，且由于眼睑闭合的频率降低，眼睛的润湿能力减弱，因此眼睛直接暴露在手机天线的电磁（EM）波辐射下。少年的眼睛直接暴露在移动电话的电磁辐射下引起了担忧，因为这可能会导致健康问题。许多研究已经采取了安全措施，规定了电磁场暴露的最大允许值。2011年，国际癌症研究机构（IARC）根据有关表明患恶性脑癌的风险更高的证据，将移动电话辐射分类为2B类致癌物质，并建议进行进一步深入的研究。
本文讨论了当移动电话直接放在少年面前时，电磁辐射对少年眼睛的影响。眼球模型的解剖形状和特性在吸收电磁能量方面发挥着至关重要的作用，操作频率和距离电磁辐射源也同样重要。
测量人体在暴露于射频辐射的方式是SAR（特定吸收率）测试，S-Lab企业是一家致力于射频辐射安全测试的先进技术公司。我们以SAR测试为核心，为电子产品制造商提供全方位的辐射测试服务，以确保其产品在上市之前符合安全标准，保障用户和家人的健康。
2 数值方法和建模
为了确定电磁波对少年眼睛的影响、吸收的能量量和由于电磁波能量吸收引起的温度升高，我们设计了一个少年头部和眼睛的数值模型。这些模型的性质、尺寸和解剖形状与一个七岁的少年相对应。图1显示了少年头部和眼睛模型的外部外观。图2显示了带有组织/器官布局的少年头部模型的任意横截面。图3中的数字表示表1和表中呈现的相应组织。
图1 少年头眼模型外观
在建模过程中，有必要根据生物组织和器官的电磁性质来描述它们。了解生物组织和器官的电磁性质（介电常数、导电性、磁导率和密度）的详细知识对于理解电磁辐射与特定生物结构之间的相互作用至关重要。给定频率下生物组织和器官的电磁性质数值列在表1和表2中（针对眼睛）。
图2 少年头部模型的轴向和矢状截面
表 1 组织在 0.8GHz 的电磁特性
图3显示了眼睛的横截面，显示了组织的布局，图中的数字与表格中相应的组织对应。
图3 眼模型外观（含肌肉）及其结构横截面
表2 0.8GHz下眼组织的电磁特性
2.2 SAR 计算
当电磁波传播穿过生物组织时，组织会吸收电磁波能量。电磁波与生物组织之间的相互作用可以用一个叫做特定吸收率（Specific Absorption Rate，SAR）的量来描述。SAR被定义为功率耗散速度与材料密度的归一化值，可以用以下方程表示
其中 σ 是电导率 (S/m)，ρ 是组织密度 (kg/m3)。还应当注意的是，电场E(V/m)是均方根值。
此外，将平均 SAR 定义为组织吸收的功率与生物组织重量的比率也非常重要。平均 SAR 通过以下表达式获得：
通常会计算质量平均吸收比率（Specific Absorption Rate，SAR）针对1克样本（SAR1g）和10克样本（SAR10g）。在本文中，由于眼球的体积较小，SAR仅会针对1克样本进行平均计算。
2.3 温度计算
如上所述，特定吸收率（Specific Absorption Rate，SAR）是用于评估符合标准所规定的射频电磁辐射暴露安全性的基本测量标准之一。然而，在人类头部内部的温度升高是有害生理效应的主要因素之一。事实上，有人提出，大约在大脑内部温度升高约3.5摄氏度是不会造成任何生理损害的允许限制。然而，也有报告称，下丘脑内部温度的小幅度升高（0.2 - 0.3摄氏度）会改变体温调节行为。
对生物组织热性质的了解是理解生物系统热传递的基础。生物组织中的热传递是一个复杂的过程，涉及了组织中的热导率、传播、血流灌注和代谢产热的相互作用。在组织中产生的能量会导致温度升高，但温度也取决于组织的体温调节系统。如果吸收的能量超过了组织体温调节系统（如血流灌注）的代谢响应，组织的温度可能会持续增加。
在暴露于电磁波时，组织内的温度分布可以通过求解生物热方程来确定，该方程考虑了热传导、血流灌注和外部加热等因素。少年眼部模型中的温度分布是通过求解彭尼斯生物热方程[得到的，其中添加了成员ρtkSAR，它表示源自外部源的吸收功率的体积密度：
其中，ρtk、Ctk、Ttk 和 ktk 分别表示密度、比热、组织温度和热组织导热系数；Tart 为动脉血温度，ωkr 为血流灌注率，ρkr 为血液密度，Ckr 为单位质量的血液比热，qm 为单位体积的代谢产热速率，单位为瓦特每立方米（W/m³）。
表3显示了眼部组织的热参数。模型表面与空气之间的对流传热系数设定为5 W/m²·K 。环境温度设定为25摄氏度，血液温度设定为37摄氏度。
表3 眼组织热参数
3 结果
3.1 SAR分布
本模拟考虑了移动电话辐射对少年眼部模型的影响，针对距离面部前方不同距离进行了分析。手机以垂直于少年头部模型的方式放置，以便在3、6、9和12厘米的距离上查看屏幕内容。考虑到眼睛是一个重量小于10克的小器官，因此不必分析SAR10g的分布，因为最终的体积仍将包括不属于眼睛的组织部分。
图4显示了少年头部模型的截面，展示了分析SAR和温度数值变化的方向。
图4 少年头部模型眼睛中间部分的剖面图分析方向
图5至图8显示了在与瞳孔处的水平截面上，头部模型表面以及模型内部的SAR1g分布情况，针对来自辐射源的不同距离。
图5 少年头部模型距离3 cm时
SAR1g/W/kg分布从电话中
图6 少年头部模型距离6 cm时
SAR1g/W/kg分布从电话中
图7 少年头部模型距离9 cm时
SAR1g/W/kg分布从电话中
图8 少年头部模型距离SAR1g/W/kg的分布
距离手机 12 厘米
吸收的能量最大的部分集中在面部前方，从上唇到额头。图8显示，鼻子的上部具有最高的吸收能量值。在距离为3厘米时，SAR1g的最大值为4.87瓦特/千克，比基准限值高出约三倍。正如从图5的截面图中所见，模型内部也观察到了较高的SAR1g值。对于其他距离，这些值明显低于基准限值。图9和图10分别显示了右眼和左眼的SAR1g与距离的关系。
图 9 右眼的SAR1g分布/W/kg图表
针对从手机的四个不同距离
图 10 左眼的SAR1g分布/W/kg图表
针对从手机的四个不同距离
在距离为3厘米时，左眼的SAR1g为0.82瓦特/千克，而相应的右眼值为0.51瓦特/千克。其他距离的数值明显较低。由于天线的方向性，左眼观察到了略高一点的SAR1g值。
3.2 温度分布
图11至图14显示了少年头部模型表面的温度变化以及沿着眼睛中间的水平截面的温度变化情况。为了提高温度变化的可视性，将初始温度37摄氏度设定为色板中的零值。
在所有情况下，模拟使用移动电话时的功率保持恒定为1瓦特，持续时间为30分钟。普通用户在手机屏幕上阅读内容的时间比通话时间长。这就是为什么阅读时的暴露时间与电话通话模拟的时间不同的原因。
图11 少年头部模型距离的温度变化ΔT/°C
距离手机3厘米
图11显示，与初始温度相比，最大的温度增加高达2.32摄氏度，并且在少年头部模型的近三分之二区域内，温度增加不会降至1摄氏度以下。最高的温度主要集中在鼻部皮肤、脂肪组织和颅骨区域。同样，眼睛的温度值也显著增加。
图12 少年头部模型距离的温度变化ΔT/°C
距离手机 6 厘米
图13 少年头部模型距离的温度变化ΔT/°C
距离手机 9 厘米
图14 少年头部模型距离的温度变化ΔT/°C
距离手机 12 厘米
相对较高的温度增加为0.73摄氏度，出现在距离为6厘米的情况下，而在其他情况下，温度增加值要低得多，分别为0.345摄氏度和0.19摄氏度，对应着9厘米和12厘米的距离。
图15和图17分别显示了根据分析方向，右眼和左眼温度变化ΔT / °C随距离变化的曲线。
图 15 右眼在所有四个距离下的温度增加ΔT / °C
图 16 左眼在所有四个距离下的温度增加ΔT / °C
对于两只眼睛，随着距离变化的温度变化图形的形状比SAR值变化的情况更为均匀。同样，温度变化的下限和上限之间的差异明显较小，即温度分布相当均匀。
在距离为3厘米时，右眼沿给定方向的最大温度变化为1.64摄氏度，而最小值为1.38摄氏度。眼睛前部和视神经末梢之间的温度差仅为0.26摄氏度，比最大值低约15.8%。对于距离为6厘米的情况，眼睛前部的变化最大为0.565摄氏度，距离为9厘米时为0.284摄氏度，距离为12厘米时为0.162摄氏度。在所有三种情况下，最高值和最低值之间的差异平均在12%至15%之间。
沿着左眼的方向，数值略高，因此在3厘米距离时的最大变化为1.695摄氏度，6厘米时为0.585摄氏度，9厘米时为0.293摄氏度，12厘米时为0.166摄氏度。对于所有距离，随着距离的增加，最高值和最低值之间的差异在18%至13%之间。
4 结论
根据对少年头部和眼睛模型能量吸收模拟结果的分析，可以得出以下结论：吸收的最大能量集中在面部前方，从上唇到额头。在距离为3厘米时，最大的SAR1g值明显（约三倍）高于基准限值。对于头部模型与手机之间的其他距离，这些数值显著低于基准限值。然而，眼睛中的SAR1g值在距离手机的所有四个距离下都低于基准限值。
就温度变化而言，在少年眼部模型中发现了显著的温度增加。如预期的那样，与头部最接近的手机会导致最大的温度增加，达到2.32摄氏度。然而，这一增加并未在眼睛本身中观察到，而是出现在两只眼睛之间。对于最小的距离，眼睛中的最大温度增加为1.8摄氏度，而在最大模拟距离下，这个数值降至0.2摄氏度。
只有当手机非常靠近面部时，模型表面层和眼睛才会出现显著的温度增加。当手机与面部足够远时，少年面部和眼睛的表面层并未出现显著的温度增加。
根据前面的分析，可以得出以下结论：在查看手机屏幕内容时，移动电话距离少年面部的预期SAR值不会超过参考限制水平和少年眼睛的基准限值。同样，眼睛的温度增加在通常的手机使用时间内也不会达到高值。这导致了这样一个结论：以这种方式使用手机比在通话时将其放在用户头旁边更安全。
学术引用
Bhargava D, Leeprechanon N, Rattanadecho P, et al. Specific absorption rate and temperature elevation in the human head due to overexposure to mobile phone radiation with different usage patterns[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2019, 130: 1178-1188.