生物电磁学仿真
分析电磁场与人体的相互作用
什么是生物电磁学?
生物电磁学 (BioEM) 是研究电磁场 (EM) 与人体相互作用的学科。这一领域在医疗设备(如成像与治疗设备)研发中占据重要地位,同时也与智能手机、电动汽车等产品息息相关,受国际非电离辐射防护委员会 (ICNIRP) 等机构的安全法规监管。人体结构复杂,由各种具有频率相关电磁和热学性能的材料组成。为应对这类复杂性,需借助专业的建模与仿真方法。
CST Studio Suite 提供先进的电磁与多物理场仿真工具,有助于应对近人体电气工程设计难题。 其功能强大的设计工具与逼真的材料模型能够精准刻画电子设备及人体细节。高性能求解器技术则可快速且准确地仿真人体复杂环境中的电磁场分布。
人体电磁场
人体的复杂结构需要详尽的仿真模型。SIMULIA 软件支持多边形 (CAD) 人体模型与体素人体模型,用户可在工具中为这些模型设置真实的测试场景。此外,SIMULIA 提供多种适用于仿真的人体模型,涵盖不同体型。
CST Studio Suite 仿真解决方案还包括准确的生物热模型,综合考虑血流与代谢热等体温调节效应,从而逼真地仿真电磁场对人体的加热作用。
BioEM 仿真示例
- 面向生命科学的 BioEM 仿真
- 面向高科技和工业设备的 BioEM 仿真
面向生命科学的生物电磁学仿真
磁共振成像 (MRI) 、微波成像、透热疗法等医疗设备均依赖电磁场运行。 例如,高效且高分辨率 MRI 扫描仪的研发需深入理解从静态磁场到射频脉冲的多重叠加场,及其与人体分子之间的复杂相互作用。
电磁仿真可建模电磁波在人体内的传播及其与组织的相互作用,无论是预期的治疗效果还是潜在的副作用,均可精准呈现。设备工程师和医生可借助仿真结果分析人体对能量的吸收情况,从而验证设备设计与治疗方案。例如,可利用仿真方法验证植入物与起搏器等设备在扫描过程中的安全性,或计算射频 (RF) 透热疗法的加热模式及安全功率范围。
SIMULIA 的 MRI 仿真方法通过全系统建模,将所有线圈及其控制电路与患者模型集成,仿真整体扫描过程。此方法有助于 MRI 技术人员根据人体结构调试线圈,实现最佳成像效果。
应用领域包括:
- MRI
- 射频和微波成像
- 透热疗法和高热疗法
- 植入物安全性
- 可穿戴和植入式电子设备

面向高科技和工业设备的生物电磁学仿真
在射频与微波频段内,人体会反射、折射或吸收电磁波。这种相互作用往往导致便携式和可穿戴设备(如智能手机、智能手表)的性能问题,尤其是在设备天线的性能受到手部位置影响的情况下。
相关安全法规限制了消费电子与工业设备的射频辐射暴露水平。比吸收率 (SAR) 是衡量人体组织吸收能量的主要指标,用于量化设备的辐射暴露。 此外,在高功率发射器、航空航天雷达以及输电线与无线充电点等领域,类似的辐射危害 (RADHAZ) KPI与低频场暴露也是需重点关注的问题。。
生物电磁学仿真有助于分析人体附近设备的性能,并在投入物理原型制作之前缓解潜在问题,从而降低日后出现代价高昂的合规性失效的风险。可以自动计算 SAR 等 KPI,并且任何违反规定限制的行为都将立即突出显示。
应用领域包括:
- 智能手机和无线设备
- 体域网络 (BAN)
- 手部和身体信号屏蔽
- 5G 覆盖范围
- SAR
- 雷达和通信 RADHAZ
- 低频场暴露
- 职业安全

关于生物电磁学仿真的常见问题答疑
比吸收率 (SAR) 是评估人体在射频电磁场暴露下吸收能量水平的重要指标,单位为瓦特/千克 (W/kg)。SAR 通常用于评估无线设备(如手机、笔记本电脑、平板电脑)对人体健康的潜在风险。CST Studio Suite 提供全身 SAR 和局部 SAR 解决方案,分别适用于远距离设备与靠近人体的辐射源。局部 SAR 计算方法可依据不同标准,CST Studio Suite 也支持按 1 克或 10 克组织平均值的国际规范。