黄热病蚊的射频暴露(A. 埃及人)从2千兆赫到240千兆赫-医学论文发表
· 埃琳·德博雷,
· 约瑟夫，
· 雷扎·阿明扎德
· 米勒派，
· 马蒂厄·布恩
· 伊万·约西波维奇，
· 新浪哈希梅扎德
· 尼尔斯·库斯特
· 斯文·库恩
· 阿诺·蒂伦斯
发表日期：2021年10月28日
摘要
第五代网络(5G)将与向更高载频(包括昆虫波长)的部分移动相关联。这可能导致昆虫对射频(RF)电磁场的更高吸收，并可能导致介电加热。黄热病蚊子埃及伊蚊一种传播疾病的媒介，如黄色和登革热，有利于温暖的气候。暴露在高频射频电磁场中可能引起介电加热，可能对行为、生理和形态学产生影响，也可能是黄热病蚊子在正常情况下未出现的地区引种的一个可能因素。在本研究中，远场射频照射对A. 埃及人在2~240 GHz范围内进行了检测。采用时域有限差分法(FDTD)对6种不同的蚊虫模型(3只雄性，3只雌性)进行了时域有限差分(FDTD)模拟，得到了昆虫体内及周围的电场分布和吸收的射频功率。这些三维模型是通过对真实蚊子的微CT扫描建立的。用均匀化的混合物测量了模拟中使用的介电性能。A. 埃及人。对于给定的入射射频功率，吸收频率在2~90 GHz之间随频率的增加而增大，最大在90~240 GHz之间。在波长与蚊子大小相匹配的区域，吸收率最大。在相同入射场强下，60 GHz时蚊子的功率吸收比6 GHz时高16倍。未来技术对射频功率的更高吸收会导致电介质加热，并有可能对这种蚊子的生物学产生影响。
作者摘要
射频曝光A. 埃及人蚊子会导致吸收和介电加热。利用时域有限差分法(FDTD)模拟了昆虫在2~240 GHz范围内吸收的射频功率和电场在昆虫体内及周围的分布。为此，通过显微CT扫描建立了3只雄性和3只雌性蚊子的三维模型.我们使用高分辨率模型和介电特性，这两者都从真实的昆虫，以获得真实的输出。当频率增加到90 GHz时，所有型号的吸收功率都会增加。在90~120 GHz时，波长与体尺寸相当，吸收功率的增加达到最大值。因此，移动到更高频率的5G，意味着更高的吸收功率和可能更高的介电加热昆虫。
引用：De Borre E，Joseph W，aminzadeh R，Müller P，Boone MN，Josipovic I，等。(2021)黄热病蚊子的射频暴露(A. 埃及人)从2千兆赫到240千兆赫。PLOS Comput Biol 17(10)：e1009460。Https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1009460-医学论文发表
编者：明博才，东京大学：东京大阪，日本
收到：(二0二二一年四月九日)接受：(二0二二一年九月十七日)出版：2021年10月28日
版权：(2021年de Borre等人)这是一篇以CreativeCommonsAttribution许可证，允许在任何介质中不受限制地使用、分发和复制，只要原始作者和源被记入帐户。
数据可得性：所有相关资料都在手稿中辅助信息档案。
供资：这项工作由联邦妇女事务办公室根据赠款协议编号提供资金。G 033220 N(AT和WJ)。Arno Thielens是佛兰德研究基金会(FWO)的博士后研究员，根据第12U1417N号赠款协议。(At)根特大学特别研究基金(BOF-UGent)因向UGCT专门知识中心(BOF.EXP.2017.0007)(多国旅)提供财政支助而受到表彰。资助者在研究设计、数据收集和分析、决定出版或编写手稿方面没有任何作用。
相互竞争的利益：提交人宣布，不存在任何相互竞争的利益。
导言
随着无线通信领域即将到来的第五代网络(5G)，作为载波的射频(RF)电磁场(EMF)将部分转向更高频率。目前的电信网使用的频率为0.1-6千兆赫[1，而5G网络的载波频率可达300 ghz，进入毫米波频率范围。2]。对于这些更高的频率，波长可以与昆虫的身体大小相媲美。当波长和体尺寸达到相同的数量级时，预期射频-EMF在体内的吸收效率会提高[3]。Rf-emf在生物组织中的吸收可导致生物体的介电加热[4]。在交变电场和极性作用下，自由离子和偶极子的运动引起介质材料的加热。5]。这种射频加热昆虫的方法，在低水分食物、谷物或小麦储藏中，已被反复研究，作为一种杀死昆虫的方法。6–13]。昆虫和食物在介电特性、射频吸收和相应的介电加热方面的差异，被用来将昆虫加热到致死温度，而食物却没有损坏。频率和场强的选择取决于储存食物的类型和害虫。
本报感兴趣的昆虫是黄热病蚊子，埃及伊蚊，被称为黄热病登革热及泽卡病毒感染等疾病的病媒[14, 15]。据美国疾病控制与预防中心估计，全世界黄热病病例和死亡人数每年分别为二十万人和三万人。16]分别。黄热病蚊子是一种有利于炎热潮湿环境的热带物种。温度影响蚊子的生命周期、摄食行为及病毒的繁殖[14, 15]。射频功率吸收和介质加热会引起干扰，例如蚊子的行为或发育。另一个有趣的结果，介电加热和较高的体温，可能是蚊子传播到通常对他们不利的地区。尽管如此，本文的重点是射频功率吸收，不考虑介质加热或其他后果。
用Thielens数值模拟方法研究了四种不同昆虫的吸收射频功率。等人。使用从真实昆虫中建立的模型[17, 18]并观察到，吸收功率最大的波长可与昆虫的身体大小相媲美。然而，[17, 18]所依据的关于所研究昆虫和节肢动物介电特性的未经证实的假设，就体积而言，至少比黄热病蚊子大1.5倍。
射频-电动势暴露对昆虫有重要影响，已对几种昆虫进行了实验研究。据报道，影响蜜蜂的发育和交配(减少蜂王的孵化)[19]，蚂蚁的行为(移动)[20]，以及食虫虫在发育过程中的形态(附属物的异常)[21]。蚊子的集体位置行为A. 埃及人在较低功率的rf-emf下，在0.01-20 ghz的频率范围内进行检测，对蚊子在rf-emf暴露下的位置没有任何结论性结果。22]。然而，蚊子对RF-EMF的吸收从来没有被研究过，也没有研究过它们的介电特性.
介电参数，相对介电常数(ϵr)和电导率(σ)，以前也有其他昆虫的特征。对储粮昆虫进行了同轴探针测量[23科罗拉多马铃薯甲虫[24]，以及干果和水果中的昆虫[6]。用另一种共振方法研究了不同昆虫的介电特性。25].
本文研究了射频功率吸收的频率依赖性。A. 埃及人在2~240 GHz频率范围内进行了数值模拟.选择这一频率范围是为了涵盖遗留的和5G的电信范围，并包括类似蚊子尺寸的波长。为此，利用微电脑断层扫描(CT)技术，建立了一套独特的黄热病蚊虫高分辨率三维模型。该模型结合成年黄热病蚊虫的精确介电特性测量，进行时域有限差分(FDTD)模拟，得到了研究昆虫体内及周围的电磁场分布。这些结果为研究蚊子体内的能量吸收提供了理论依据，同时也揭示了这种能量吸收在体内和不同部位的分布情况。本研究的创新之处在于：(1)模拟A. 埃及人在2-240 GHz之间的远场电势曝光中，(Ii)测量在2-240 GHz范围内的介电性能A. 埃及人(Iii)建立基于真实蚊子微电脑扫描的三维模型，以及(Iv)评估蚊子全身及不同部位的射频吸收。我们的研究结果为研究研究的传播和生物学提供了一个重要的投入。A. 埃及人一方面，监管机构和电信运营商正在重新评估其计划中的电信网络中的射频-EMF暴露准则。
材料和方法
通过数值求解麦克斯韦方程，研究了黄热病蚊子吸收的射频功率。这些模拟需要一个三维模型和黄热病蚊子的介电特性作为输入。三维模型基于对真实的干黄热病蚊子的扫描，并从黄热病蚊子的混合物中测量其介电特性。
蚊虫
黄热病蚊子样本是从声发射. 埃及人洛克菲勒殖民地保存在瑞士热带和公共卫生研究所的昆虫设施中。在26~28°C和60~80%相对湿度下饲养蚊虫，每天12：12小时：夜间光照周期。幼虫饲喂四氯化碳(Tetra GmbH，Melle，德国)，成虫用10%蔗糖溶液加Libitum。雌性被人工喂养来自当地屠宰场的猪血，以保持种群，但是在本研究中用于测量的样本是不喂养的。-医学论文发表
扫描建模法
在模拟蚊子的射频-电动势暴露时，昆虫的模型应尽可能接近现实。因此，对真实的蚊子进行干燥，用微型CT扫描仪进行扫描，形成三维模型。这些样本是使用自定义设计的赫克托扫描仪进行扫描的。26]根特大学X射线断层摄影中心(UGCT；Www.ugct.ugent.be)在完全360°旋转时，管电压为70 kV，靶功率为10 W时，在曝光时间为1s时，获得2400幅投影图像。样品被放置在花泡沫塑料上，放置在靠近X射线源的位置上，因此几何放大倍数约为50倍。原始数据用八达通重建，重建体素尺寸为(4.012)。3 μm3。为了减少边缘增强伪影，提高数据的信噪比，采用了paganin相位恢复算法。27, 28]。为了从3D卷中提取STL模型，将每个蚊子数据存储在VGStudioMAX(德国海德堡，VGStudioMax)中。蚊子接触花泡沫的地方被手动移除。在应用中值滤波后，利用生长面积函数选择包含昆虫外部结构的区域。虽然这个过程没有选择许多内部特征，在模型中留下了大的不需要的空洞，但是通过分别选择这些内部区域并合并卷来弥补这一点。最后，这些区域被转化为每只蚊子一个单一的有凝聚力的STL文件。
介电性能
为了确定前一节建立的昆虫模型的内部EMF，可以数值求解Maxwell方程。为此目的，介电性能、相对介电常数(ϵr)和电导率(σ)昆虫需要知道并插入方程中。采用基于开式同轴探针法的SPEAG公司(Schmid&PartnerEngineering AG，瑞士)的新型薄层介电评估试剂盒(DAK-TL)进行介电光谱分析。29]。Dak-TL克服了开放式同轴探针(OCP)长期存在的限制，即需要足够大的样品以避免边界反射。利用开式同轴探针几何结构的全波分析，利用矢量网络分析仪(VNA)测量的样品厚度和复反射系数，计算了复杂介质的介电性能。DAK-TL-1.2E探针(5-67 GHz)与ZVA 67 VNA(德国慕尼黑Rohde&Schwarz)结合使用，在上述频率范围内进行测量。在5~6 GHz和6~67 GHz之间，测量分辨率分别设置为50 MHz和250 MHz。DAK-TL系统在每次测量之前使用标准的三点校准法进行校准：开放、短(铜片)和去离子水作为负载。在短时间校准过程中施加了800 N的力，以保证探头与铜带之间有良好的接触。通过测量另一种参考液体，即已知介电性能的0.05M盐水溶液，验证了校准的有效性。测量不确定度值(表1)其中包括设计、校准、厚度测量不确定度和VNA噪声可能造成的系统误差。30].
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表1.用DAK-TL-1.2E探针测量介电参数的扩展不确定度(k=2)。
Https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1009460.t001
环境温度是影响黄热病蚊虫寿命的一个重要参数。介电特性是在22℃时进行的，之所以选择这个温度是因为它是飞行活动、寻找宿主和血液喂养不受影响的温度。[31用金属培养皿(内径为30 mm，高度为4mm)对均质蚊虫样品进行了表征。蚊子的不同组织样本大小较小(大约小于1mm)。3)，解剖多个样品是非常耗时的，因此它被选择与精心制备的均质混合物一起工作。建立了一种可重复的制备昆虫混合物的方法.在这一过程中，大约有2,000只埃及伊蚊，包括雄性和雌性，被用来测量介电特性。首先，在使用二氧化碳进行测量之前，对蚊子进行了安乐死。在此基础上，结合机械力的应用，采用一种小型的电池驱动砂浆对样品进行均匀化处理。这导致了一种均匀的半固态蚊子混合物约2毫升，并为其制备了阿利奎特。
测量复介电常数
在每一个样本中，填充混合物的培养皿缓慢地向探针移动，当培养皿底板到探针的距离为1±0.02mm时停止。这两种样品都重复了三次，从保持架上取下泥浆，再加注培养皿。每个样品的复介电常数被确定为这三种测量的平均值。模拟中使用的复介电常数是两个样品特征的平均值。
所研究的频率范围超出了5~67 GHz的测量范围。因此，介电性能被外推到2 ghz(在4G频率范围内)和240 ghz(在毫米波移动宽带中)。2])。这些性质是用德拜模型[32]其系数由混合物的测量复介电常数最小均方拟合确定，如[24]:
(1)带着
样品的复相对介电常数，σ样品的电导率，ω角频率，ϵs静态介电常数，ϵ∞无穷远的介电常数，τ放松时间，ϵ0自由空间的介电常数σs静态电导率。对实测数据进行了拟合，首先考虑了一次松弛时间，二次考虑了两次松弛时间。在第二种情况下，EQ 1对于相对介电常数的实部和虚部(损耗因子)，如下所示：
(2)
(3)其中Δϵi是静态介电常数之间的差异ϵs, i以及无穷远的介电常数ϵINF...i=1，2对应于这两种弛豫。-医学论文发表
数值模拟
采用蚊子模型和测量的介电特性，用商业软件Sim4Life Version 5.2.1(ZMT Zürich MedTech AG，Zürich，瑞士)进行数值模拟，其中采用FDTD方法确定蚊子体内和周围的内部电场。本研究调查了远场或夫琅和费辐射区的暴露情况.在此区域，昆虫与rf-emf源的分离距离满足以下条件：r): r≫2l2/λ与λ的波长和l射频源和昆虫的最大维数[33]。在这个区域，任何rf-emf场都可以描述为一组入射平面波。33]。这项技术以前曾用于测定异质人体模型中rf-emf的吸收。3]及其他昆虫[17, 18]。介质加热与总吸收rf-emf功率成正比。P防抱死)，从内部电场中可以找到：
(4)带着σ电导率，
均方根内电场强度V昆虫的体积。P防抱死取决于频率，因为两者σ和EINT取决于频率。因此，研究了不同频率：2、6、12、24、60、90、120和240 GHz。对于飞行或休息的蚊子来说，远场电磁场的极化和入射角是未知的。因此，我们考虑了12个入射平面波来模拟远场曝光，如下所示图1。这是与[3]：沿笛卡尔轴有6个方向，每个方向有2个正交极化。昆虫与身体的长度沿着其中一个轴排列。在模拟中，所有平面波的均方根电场强度为1V/m，在实际情况下，这种场强可从1V/m变化，由于吸收的RF功率尺度与入射场强呈二次关系，在1V/m的情况下，可以对任意场强进行计算：
(5)带着E真品和P防抱死,真品在真实曝光条件下，入射电场强度和吸收功率。图1.概述了12种平面波在模拟中的建立。
6个方向×2个极化。波矢量用虚线箭头表示，电场用实心箭头表示。
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时域有限差分法(FDTD)是一种时域方法，它必须经过一定的模拟时间才能终止，它可以用入射到昆虫上的射频-电磁波的周期来量化。经过一定时间的平面波模拟，P防抱死收敛到一个稳定的状态。达到稳态所需的周期数取决于模拟域相对于模拟波长的大小。对于较小的波长，需要更多的周期来覆盖整个域。2和240 GHz的周期数分别为7和35，而其他频率的周期数为10~35。模拟时间总是高于蚊子最大体长的两倍，除以波长。
在FDTD方法中，在模拟域设置一个网格，离散感兴趣的体积，包括蚊子。网格步长是根据大网格步长的较短模拟时间和较小的网格步长的更好的空间分辨率之间的折衷来定义的。此外，栅格步长应最小为波长的1/10。[34]。最小波长
是573.5μm在240千兆赫的频率下，所有的蚊子都以25倍体素离散化。μM.
本文所采用的FDTD技术也有其局限性。该方法是基于麦克斯韦方程微分形式的离散化[34]。EMF随时间的演化按时间步长离散，模拟的空间离散为体素。体素和时间间隔越小，仿真结果就越真实。然而，模拟总是接近现实。模拟区域不可能无限大，因此采用边界条件来限制区域。在我们的模拟中使用的边界条件是单轴完美匹配层，模拟无限扩展的自由空间。模拟进一步依赖于精确的介电特性和三维模型。
结果
三维模型
通过对真实蚊子的微CT扫描，建立了3只雌蚊和3只雄蚊的三维数值模型。利用显微CT技术可以识别被调查昆虫的内部结构，获得较高的分辨率。然而，细微的结构，如机翼的部分，鳞片或其他精细结构，与周围空气的区别还不够。因此，它们不能包括在模型中。根据原始数据中未分割的特征，将胸部、腹部和头部的小细节手工添加到切片上。在腹部，许多精细的结构没有被捕捉到，特别是对于男性模型来说，是不可能完全重建的。在处理过程中，也发生了一些样本的腿部丢失。图2显示所有六种蚊子的顶部、侧面和背面，以及三角模型和体素化后模型的蚊子m1的详细视图(体素长度25)。μm)。
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图2.蚊子的三维模型。
左：模拟模型概述(F：女性，男性：男性)。从左到右：背面、侧面和顶部。右：蚊子M1为三角模型(顶部)和体素相关模型(底部)，Voxel尺寸为25。μM.
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表2列出了蚊子模型的体积和尺寸的概述。体积是在体素化后取的，体素长度为25。μ蚊子的体长从前角到腹部的末端是测量的。表中给出的对角线，是包含整个昆虫的包围盒的对角线。这种对角线在很大程度上取决于模型中是否有腿，因此本文主要以体长来表示蚊子的尺寸。-医学论文发表
表2.蚊子的数量和长度。
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介电性能
在模拟中，昆虫被近似为同质模型，不区分不同的组织，因此在每个频率上只使用一组介电特性。图3测量了蚊虫混合物的介电常数和电导率，频率在5~67 GHz之间，外推到2~300 GHz。损耗因子(复介电常数的虚部)是从电导率中得到的。EQ 2)，并在图3。利用两个特征弛豫时间的德拜弛豫模型进行外推，给出了介电曲线的参数。表3。R2对于实测数据的德拜拟合值，对于介电常数的实部为0.99995，对于两次弛豫的电导率为0.999994，而一次弛豫时间分别为0.996和0.992。
表3.德拜曲线的参数，有两个(FIT 2)和一个(FIT 1)松弛。
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介电常数的实部随频率的增加而减小，电导率随频率的增加而增大。损耗因子在频率附近有一个局部最大值，对应于τ2，在这个频率范围内最显著的松弛。在较低的频率下，频率的下降趋势是明显的，这是由静态传导项引起的。σs/ωϵ0.
模拟
3只雄蚊和3只雌蚊体在远地吸收的射频功率如下所示：图4作为频率的函数。3条蓝色和3条红线显示了P防抱死对于12种配置(图13只雌蚊和3只雄蚊分别暴露在其中。图中的阴影区域包括所有12个P防抱死所有3名女性(蓝色)和3名男性(红色)的数值。P防抱死随着频率的增加，所有六种蚊子的频率最高可达90千兆赫。在90 GHz时，最大单平面波吸收功率为5.64nW，对于平面波构型为5(图1)。在此频率下，入射平面波的波长可与蚊子的体长相媲美。在120至180 ghz之间，平均P防抱死对于所有蚊子来说，这里的波长比昆虫的体长小(分别为2.5毫米和1.7毫米)，但仍可与昆虫的尺寸相媲美。图4B秀场P防抱死对于蚊子M1和(C)的12种平面波构型，显示了平均值。P防抱死对于所有120千兆赫的蚊子来说。
图4.总吸收射频功率(P防抱死)被蚊子作为频率函数的入射场强为1V/m。
(A)圆点表示12个平面波的平均值，蓝色和红色阴影区域分别代表所有雌蚊和所有雄性蚊子全部12个平面波的吸收功率范围。(B)蚊子M1对十二种不同平面波的吸收功率图1。红色阴影区域代表了所有雄性蚊子全部12个平面波的吸收功率范围。(C)条形图显示总吸收功率(P防抱死)在120 GHz时，晶须指示所有12个平面波的范围。
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从…EQ 4很明显，昆虫吸收的能量取决于内部电场强度。图5在中矢状截面显示蚊子M1及其周围的归一化电场强度(DB)。分别对各模拟的最大电场强度进行归一化处理。在6 GHz模拟中，曝光构型1的最大和最小电场强度分别为3.53V/m和1.29×10。−4V/m。240 GHz，为2.72 V/m和2.29×10。−2V/m。应该注意的是，腹部不包含一个大腔，是干燥的腹部是弯曲的。
图5.蚊子及其周围的归一化电场强度。
电场强度(DB)归一化为模拟的最大电场强度(E马克斯)蚊子M1的横截面为6 GHz(左上)、60 GHz(右上)、120 GHz(左下)和240 GHz(右下角)。配置1(图1)用于所有模拟。右下角显示蚊子的横截面。-医学论文发表
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在研究RF-EMF场吸收的研究中，经常会对人体不同部位的吸收进行区分。例如，就人类而言，国际非电离辐射委员会区分了躯干和头部的rf-emf暴露和四肢的暴露。35]。采用这种方法是因为暴露或加热不同的身体部位可能导致不同的结果。利用本研究中的模拟结果，蚊虫体的不同部位也可以单独考虑。计算头部、胸部和腹部的吸收功率，并按其各自的体积进行平均。由于不同的栅格设置，选择作为身体部分的体积在不同频率下略有变化，因此体积也略有变化。头、胸、腹体积为0.91±0.01mm。3，4.30±0.03mm3，2.91±0.05毫米3分别用于M1。平均P防抱死中给出了m1和f1的图6。头部和腹部有着相似的行为，而平均水平则更高。P防抱死胸部的频率更高。雌蚊的胸部和腹部平均。P防抱死稍微高一点。
图6.黄热病蚊子头部、胸部和腹部的平均吸收功率随频率的变化，入射场强为1V/m。
蚊子M1和F1在体部体积上的平均值。
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模型变化的影响。
这个P防抱死三名女性略大于三名男性(KS-检验，p<0.05)。这在一定程度上可以解释为女性的体积和体型更大[36]如图2.
除了与性别有关的差异外，模型中仍附着在标本上的腿的数量也各不相同。模型M1有6条腿，而F3只有两条腿。通过摘除M1的后腿和切除M1的所有六条腿来研究腿的存在对其的影响。在120 ghz下再次对12种不同的平面波进行了模拟，并与原始的六足m1的结果进行了比较。P防抱死对于120 GHz的12个平面波，为3.40NW。当切除M1后腿时，蚊子模型的体积减少到97.4%，P防抱死12次模拟平均减小到3.31 NW，最大相对偏差为3.39%。对于所有腿被移除的情况，模型体积减少到原来模型的86.0%，P防抱死12次模拟的相对偏差最大为20.92%，降至2.91NW。
模拟的不确定性
从图4平面波的入射角和偏振度对吸收功率有影响。所看到的12个平面波图1沿着昆虫的主轴定向。实际暴露情况并不局限于这12种构型，M1在60 GHz时加入了30种随机取向和极化的模拟。这些模拟都没有导致P防抱死在12个平面波沿主轴的间隔之外。平均值P防抱死30个模拟值为2.31±0.36NW，与P防抱死12平面波2.37±0.59 NWE大公司=1V/m。
造成模拟中不确定性的另一个因素是网格步长或体素尺寸。这些蚊子模型的体素尺寸被设定为25。μM，并大于蚊子模型的分辨率。为了确定所选择的网格步长足够小，12次模拟(6个入射角×2个极化)的网格步长较小，为15。μM在240 GHz进行。在这种频率下，波长最小，体素尺寸变得更重要。与有25人的案件相比μM，P防抱死为15μM的最大相对偏差为2.61%，平均值为2.61%。P防抱死在3.49西北(相对于3.51西北)。这种较小的体素大小对P防抱死比入射角和偏振度大，因此网格步长为25。μ对于这些模拟，M可以被认为是足够的。
对两种蚊虫混合物的介电性能进行了测试，两种样品对介电性能的最大相对偏差分别为4.04%和5.81%。ϵ“而且σ分别。为了确定介质参数对模拟结果的影响，对60 GHz的平面波进行了4组额外的12组模拟。ϵ‘±0.0404×ϵ‘，σ±0.0581×σ)。最大相对偏差P防抱死结果表明，该方法的测量值为5.41%，比入射角和偏振度的影响还要小。
讨论
三维模型
我们使用微CT扫描来获得空间精确的蚊子模型，该模型具有足够的分辨率来模拟240 ghz的暴露(网格步长=25)。μm)。微CT方法具有无创性和提供昆虫内部解剖信息的优点。37]。然而，在本研究中，用干标本进行显微CT扫描来重建模型，模型是均匀的，没有区分蚊子的不同组织。真正的蚊子会有不同的组织，这些组织的位置、大小、梯度和边缘会影响它们的能量吸收。在[17, 18一种类似的技术被用于西蜜蜂、澳大利亚无刺蜜蜂、沙漠蝗虫和多尔甲虫的不同生命阶段。
还有其他可能的昆虫成像技术[38, 39]，但并不都适合于三维模型的重建。文中给出了昆虫三维重建的一个例子。40)，其中的相机和不同的角度和焦距是使用形状-从轮廓。在[41]，从形状到运动的方法被用来捕捉昆虫的表面几何图形和颜色。他们能够捕捉到各种昆虫的毛发和三维蚊子模型。淡色库蚊L。使用此方法检索。然而，这两种技术的分辨率都低于本研究中使用的三维蚊子模型。在[42]由结构光扫描仪构建的昆虫三维模型也显示了比同步辐射(同步辐射)微CT方法更少的表面几何细节。据我们所知，没有任何其他的黄热病蚊子的3D模型是根据真实昆虫的数据建立的。此外，我们的蚊子模型是基于微型CT扫描仪的，与现有的大多数模型相比，这种扫描仪具有很高的分辨率。
然而，微CT方法有其局限性：使用这种成像技术，一些细节，如鳞片和细天线，在二维截面上无法与空气区分，因此不属于三维模型的一部分。此外，扫描昆虫需要固定或死亡。在干种情况下，与活蚊子相比，可能会发生小变形。然而，基于蚊子标本的三维模型是详细的，可以被认为是一个很好的生命蚊子的代表。该模型可用于获得实际吸收功率值和实际检验值。EINT模拟分布
介电性能
用5~67 GHz的同轴探针测量了黄热病蚊虫混合物的介电特性.以前的研究[6, 23, 24, 43–46]还研究了昆虫在此频率范围内的介电特性，其中一些值为ϵ“而且ϵ“在图7，结合本研究所得的介电性能进行比较。
图7.(A)相对介电常数的实部和(B)虚部。
用于其他研究中的昆虫[6, 12, 23, 24, 43, 45, 46]还有黄热病蚊子。
Https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1009460.g007
黄热病蚊子的介电特性比[6, 23, 24, 45, 46]相同的频率范围，但总体上具有可比性，请参见图7。介电常数曲线彼此表现出相似的行为，与德拜模型相似。ϵ随着频率的增加而减少。从6 ghz到更高频率，ϵ“显示典型的德拜松弛响应，用于τ2中可见局部最大值。图3约9.4千兆赫在以前关于昆虫介电特性的研究中也观察到了同样的行为：红粉甲虫和小粒虫在9.4GHz左右也出现了一个局部峰。23，科罗拉多马铃薯甲虫的频率约为15.81GHz。24]和在10-15千兆赫之间的棕榈象虫幼虫在.44]。在较低频率下，我们的模型明显有随频率增加而减少的趋势。图3)和在[23, 24, 46]，起源于静态传导项。
当在介电性能的德拜拟合中假定两次弛豫时间时，曲线ϵ“而且ϵ“与测量值吻合得很好，比只有一次放松的情况要好。中给出的德拜模型的参数表3，对于这两条曲线都是相似的，这证明了两种松弛德拜模型是合适的。对于频率低于5 GHz或67 GHz以上的模拟，利用这些参数进行外推，得到介电特性。
数值模拟
蚊子对射频能量的吸收依赖于昆虫内部和周围的电场。EQ 4。在6 GHz时，入射波的波长比昆虫大得多，主要是折射而不是穿透昆虫的身体。在这个频率上，我们可以看到图5昆虫边界处的电场强度大于内部电场强度，使昆虫的比表面积成为吸收能量的一个重要因素。为了将频率提高到120 GHz，EMFs能更有效地穿透昆虫，促进吸收的增加。这在图4。在频率为90 ghz时，吸收功率的增加较小，最大值为P防抱死在配置5中发现蚊虫F3(图1)与昆虫身体长度平行的电场。频率为90 GHz的入射波对应的波长为3.33mm(自由空间)，相当于昆虫的体长。表2)。在这个频率范围内，全身或部分身体共振[3]发生，导致对EMFs的更高的吸收。电场将更多地穿透昆虫。图5)与低频率6 GHz相比，在这种频率下，昆虫体内的射频吸收更多。EQ 4)。相反，在240 GHz时，穿透深度预计会下降。18与90 GHz相比，在胸部中部发现电场强度较低的斑点。同时，电导率随频率的增加而增加。图3。这两种对抗作用的结合导致P防抱死与90 GHz相比，在240 GHz时略有下降。在频率低于90 ghz的情况下，沿同一轴定向的入射电场导致P防抱死在昆虫中，它们几乎是平等的。这可以从图4B在那里P防抱死在三主轴电场照射下，在这些频率低于90 GHz的情况下，出现三束四个重合值。相对顺序P防抱死在90 ghz以下的极化引起的频率改变，极化对最低或最高的频率起作用。P防抱死各不相同。-医学论文发表
在6，60和120 GHz，平均P防抱死当入射场强为1V/m时，所有蚊虫和所有12个平面波的入射场强分别为0.165 NW、2.64 NW和3.59NW。在相同入射场强(1V/m)的6 GHz~60 GHz的情况下，这将转化为高16倍的功率吸收。对于从6 ghz到120 ghz的变化，这一增长将更大，P防抱死是21.8倍。在目前的网络中，频率可达6 ghz，大多数电信频率为≤2 ghz[1]。未来以同样的入射功率以更高频率发射EMF的网络将导致黄热病蚊子吸收更多的能量。在现实中，入射电场强度随时间和位置的变化而变化。目前，5G网络已经开始安装，电场强度的典型值还不是所有情况下都知道的。测量值为3.5GHz，以[47其测量位置的最大电场强度为4.9V/m，在基站上的输入功率为200 W时，最大电场强度为4.9V/m。在设计以减少5G网络中的曝光率的模拟中，[48]在3.7 GHz时，[48]在拥挤环境中，预期电场强度在0.0068~0.0233 V/m之间。因此，这个数值可以低于或高于模拟蚊子使用的1V/m(见图4)。此外，环境中的接触将受到(国际)国家准则和立法的限制。其中许多是根据ICNIRP准则[35]。当平均超过30分钟时，一般公众的ICNIRP参考电平在2 GHz时为61.5V/m，比本手稿中模拟的电场强度高61.5倍。对于较大的频率，高达300 GHz，指南规定了入射功率密度的限制，即10W/m2，而不是入射电场强度。本工作中吸收的功率可重标为其它入射电场强度。EQ 5。此外，介质加热将由同时暴露在多个频率。吸收的射频功率是介电加热的代用品，它对蚊子的行为、发育和电介质加热等都有影响，可能会影响蚊子的传播。为了准确评估电介质加热，需要更精确地测量aegypti的质量和比热容。
在[17]，对四种昆虫进行了相似的模拟，结果表明它们的功率吸收依赖于频率。最大的吸收发生在频率上，其波长与昆虫的大小相当。在考虑的最小昆虫，澳大利亚无刺蜜蜂，经历了较少的能量吸收比较大的昆虫在所有频率，最大的。P防抱死在≈30 NW的60 GHz。澳大利亚无刺蜜蜂模型的体长与蚊子的长度相当，但最大吸收率峰值在较低的频率上。P防抱死比蚊子还高。这说明了对介电特性进行特定昆虫模拟和测量的必要性。从6-60 ghz(吸收峰)开始，这意味着澳大利亚人的无刺性更高。P防抱死乘以≈23。对于蚊子来说，这种差异(×16)要小一些，但是当观察到6-120 ghz时，即看到从6 ghz增加到平台的最大值。P防抱死，一个因子×21.8也有类似的增加。其他昆虫17]，吸收峰出现在更低的频率(6，12和24 GHz)。在[18]，对西方蜜蜂不同的生活阶段进行了相似的模拟，并在此观察到类似的吸力依赖于频率，吸收功率再次高于蚊子。由6千兆赫至较高频率的[17, 18]，这意味着昆虫吸收能量增加，但蜜蜂的吸收峰值在6千兆赫时除外。
能量吸收不成比例地分布在身体上，因此不仅考虑了整个身体吸收的能量，而且蚊子体被分成三部分，没有腿，吸收的功率平均在身体的这一部分。图6平均头部、胸部和腹部P防抱死M1和F1。这给了我们对昆虫不同部位吸收的洞察力。腹部和头部有相似的平均吸收，胸部在60 GHz及更高时的平均吸收要大得多。胸部的平均射频吸收明显高于头部或腹部.我们把这种差异归因于形状，蚊子模型的胸部可以近似为实心球体，而腹部和头部的表面积/体积比比胸部大。
模型效应
从…图4，大一点P防抱死三只雌性蚊子在所有频率上都被发现，而对三只雄性蚊子来说。当比较蚊子的体积时表2显然，雌性蚊子的体积较大，可以吸收更多的射频能量。当平均时P防抱死在全身体积上，三只雌性蚊子仍表现出比三只雄性蚊子更高的射频吸收能力。雷达截面与体积不成线性关系。雌蚊不但较大，而且在形态上亦与雄蚊略有不同[36]，这也导致了P防抱死。此外，在模拟中使用的模型，并不都有相同的腿量，这影响了吸收功率。在小于6条腿的模型中，吸收功率在六条腿的实际情况下会有较高的吸收能力。
模拟的不确定性。
FDTD技术利用三维网格，对蚊虫模型进行离散化。所有模拟中使用的体素为25。μ较小的体素可以得到更可靠的结果，但是模拟次数会增加。小体素尺寸和不确定度对介电参数的影响小于入射角和极化对介电参数的影响。因此，可以选择25种μM对于体素是足够的。入射角和极化对P防抱死中的条形图中可见。图4，其中的胡须表明了.的总范围。P防抱死12次模拟。为了验证这12个平面波代表可能吸收功率的范围，在60 GHz时考虑了30个随机取向和极化的模拟。没有任何模拟结果的数值超出了前12个平面波的范围。
优势和局限性
本文从不同的方面对该研究的现状做出了贡献。首先，利用显微CT扫描技术，设计了六种详细的黄热病蚊虫三维模型。据我们所知，这些模型是第一批基于真实蚊子的模型，具有很高的空间分辨率。第二，首次在5-67GHz范围内测量了均质黄热病蚊虫的介电特性。使用从真实蚊子中得到的模型和使用有关昆虫的介电特性，可以得到更精确的模拟结果。与实验相比，使用模拟的优点是易于探索不同的设置和频率。对蚊子的射频辐射进行了数值模拟，首次揭示了黄热病蚊子在4G和未来5G毫米波频率下吸收能量的规律。
本研究采用的方法也存在局限性。微CT扫描，尽管导致高分辨率和洞察力的内部结构的昆虫，没有捕捉翅膀和某些薄薄的例子蚊子。这些模型是由干燥的未喂食的死蚊子制成的，没有区分这种昆虫的不同组织。真正的蚊子会有不同的组织，这些组织的位置、大小、梯度和边缘会影响它们的能量吸收。干燥的种类可能与活蚊子的形式略有不同。5 GHz以下和67 GHz以上的介电性能不是测量而是外推法得到的。在仿真环境中，模型采用体素离散化，仿真只是对现实的近似。模拟的局限性还在于FDTD技术所伴随的不确定性，以及有限数量的平面波代表远场的使用。仿真环境中参数的不确定性和随机入射角的不确定性被引入到额外的仿真中来探讨这些局限性。然而，吸收功率是介质加热的代名词，实际加热值超出了本文的范围。
未来工作
今后的工作将包括研究暴露于rf-EMF中的蚊子的其他生命阶段。另一个进步是研究这种昆虫的异质模型，不同的组织具有不同的介电特性。有关射频-电动势吸收、散射和加热测量的实验(例如，红外摄像机)可以验证当前的结果，并能更深入地了解这一问题。此外，对活蚊子的测量将使我们能够研究射频电磁场对昆虫的影响。此外，其他昆虫也可用于类似的模拟，以便更全面地了解4G和5G电信环境下昆虫对RF-EMF的吸收情况，以及吸收功率的大小依赖性。
结语
通过建立6个高分辨率三维模型，并通过使用同轴探针技术测量真实蚊子的介电特性，可以对2至240 GHz的远场曝光进行真实的FDTD模拟。吸收射频功率P防抱死当入射场强为1V/m时，雌蚊的吸力低于其它昆虫，最大为5.64NW，雌性蚊子的吸力大于雄性蚊子，而体部吸力最大的是胸部。蚊虫体内及周围电场的分布，120和240 GHz的电场强度均高于6 GHz。这个P防抱死频率为60 GHz的EMF比6 GHz的EMF大16倍，后者是当前电信网的上限。对于120 GHz，这一增长甚至比6 GHz更大，其倍数为21.8。在这个频率附近，所有蚊子的射频电磁场吸收量都达到最大值。未来电信系统的载波频率也将高于6 GHz。这将与黄热病蚊子对EMF的更高吸收相结合，这会引起介电加热，并对昆虫的行为、发育和可能的传播产生影响。
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