電磁場與生物體相互作用及安全性分析.pdf

1、隨著電子科技的迅速發(fā)展,電磁場與電磁波在醫(yī)學和生物學領域的應用越來越廣泛,從而極大地提高了人類的生活質(zhì)量和健康水平,與此同時,伴隨應用而產(chǎn)生的電磁波輻射是一種新的污染環(huán)境的因素,從而有可能危及人體健康。無論是對其正面應用的進一步開發(fā)和利用,還是對負面效應的評價與防護,均以三方面的基礎研究作為支撐的:一是電磁波生物學效應的實驗研究,以回答應用什么的問題；二是機理研究,以回答應用的理論依據(jù)是什么的問題；三是生物電磁劑量學研究,以回答在什么樣

2、的電磁作用量下可應用的問題。本文在上述三方面的特色是:實驗研究中以時一頻域內(nèi)的特征量為指標,開展生物學窗效應研究；機理研究中利用膜離子通道的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和電荷分布參數(shù)計算通道內(nèi)沿軸向的電位分布和電場分布,其結(jié)果中表明的周期性勢壘分布為窗效應的存在奠定了物理基礎,周期性的電場分布及由細胞膜電位所引起的非線性極化特征所引起電磁波能量的匯聚從而為離子提供了足以跨越勢壘的能量基礎；生物電磁劑量學研究中,將通常的吸收功率研究擴展到電場應力和溫度升

3、高研究,以便從聽覺效應和溫度變化效應角度對劑量作評價。
　　 一.極低頻電磁波生物學窗效應研究以窗效應實驗中常用的Ca2+為實驗對象,在給出細胞內(nèi)Ca2+濃度測量方法和為該課題所設計并制作的電磁波生物學實驗照射系統(tǒng)的基礎上,分別以雞腦組織和人體肝癌細胞(7721)為生物學研究對象,以同位素示蹤法和熒光標記法為實驗方法,用不同頻率和強度的極低頻電磁波為作用因子,以液體閃爍計數(shù)器和激光共聚焦掃描顯微鏡為檢測儀器,以放射性強度和熒光強

4、度作為Ca2+數(shù)量的基本數(shù)據(jù),進行電磁波生物學非熱效應的典型代表-電磁波生物學窗效應的實驗研究。其中著重研究了細胞胞漿內(nèi)Ca2+濃度在時(間)-頻(率)域內(nèi)對電磁波的響應規(guī)律,從而將人們習慣于在時域內(nèi)對電磁波生物效應的傳統(tǒng)研究擴展到時-頻域的研究,這樣可獲得生物系統(tǒng)對照射電磁波響應更深層次的信息。實驗結(jié)果表明,無論是在時域內(nèi)還是在時_頻域內(nèi)均存在著電磁波的頻率窗效應和強度窗效應,同時表明,只有在特定的電磁波強度條件下才會產(chǎn)生頻率窗效應,

5、只有在特定的電磁波頻率條件下才會產(chǎn)生強度窗效應,亦即,只有頻率和強度的恰當組合的電磁波才會產(chǎn)生生物學窗效應。時-頻分析結(jié)果表明:一定頻率和強度的極低頻電磁波可在細胞胞漿Ca2+濃度的時-頻域內(nèi)產(chǎn)生生物學效應,具體表現(xiàn)為,連續(xù)譜的寬度發(fā)生了變化,離散譜的個數(shù)發(fā)生了變化,離散譜的中心頻率發(fā)生了變化。將產(chǎn)生和不產(chǎn)生生物學效應的一系列電磁波參數(shù)進行綜合分析,結(jié)果表明,在時-頻域內(nèi)也會有生物學窗效應產(chǎn)生。另外,為了探索電磁波作用的物理基礎,對無電

6、磁波作用的生理條件下的7種細胞胞漿內(nèi)Ca2+濃度的時-頻特性作了研究,結(jié)果表明,不同細胞間既存在共性又存在差異,其共性表現(xiàn)為在時-頻域內(nèi)既有連續(xù)譜又有離散譜,某一參數(shù)的電磁波是否產(chǎn)生了生物學效應則正好體現(xiàn)在是否使這兩種譜的特征發(fā)生變化；其差異表現(xiàn)為連續(xù)譜的帶寬和離散譜的中心頻率的不同,這些差異可為癌細胞的鑒別和對正常細胞健康狀況的評價提供一種新的思路。
　　 二.窗效應機理分析基于Ca2+濃度變化與Ca2+穿過細胞膜上的由α-螺

7、旋蛋白質(zhì)分子構(gòu)成的離子通道的量密切相關的思路,由α-螺旋蛋白質(zhì)分子的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和主鏈上的電荷分布參數(shù)計算了沿通道軸線的電位分布和電場分布,從而得出了沿軸線有周期性的勢壘分布和周期性的電位分布的結(jié)果。勢壘的高度便是離子在通道內(nèi)運動時所需能量的基本單元,若要使離子一次跨越刀個勢壘(n=1,2,……),則電磁波提供給離子的能量必須是這一基本能量單元的刀倍,這意味著,能夠使離子在通道內(nèi)運動的電磁波的強度是一系列的離散值,這便是強度窗效應機理的

8、基礎。同時,離子跨越一個勢壘是需要一定時間的,這個時間便是離子在通道內(nèi)運動時耗費時間的基本單元,若要使離子一次性跨越n個勢壘,則耗費的時間必然是這一基本時間單元的n倍,這意味著能夠使離子在通道內(nèi)沿正向運動,則電磁波電場的正方向所維持的時間應該是基本時間單元的n倍,即要求電磁波的半個周期等于基本時間單元的n倍,從而可知,要想與通道內(nèi)的離子沿正向運動在時間上諧調(diào)一致,則要求電磁波的周期為一系列的離散值。由于周期與頻率間有確定性的關系,故要求

9、電磁波的頻率是一系列的離散值,這便是頻率窗效應機理的基礎。事實上,只有提供給離子的能量為基本能量單元的n倍,同時其電場正向維持的時間也正好是基本時間單元的n倍的電磁波才能使離子沿正向跨越n個勢壘而運動,所以,只有強度和頻率恰當組合的電磁波才能產(chǎn)生窗效應。另外,量值估算表明,照射電磁波自身所具有的能量是不可能使離子跨越勢壘的,為此,提出了電磁波能量局域匯聚的觀點,其基本思想是:由于細胞膜存在10-2V靜息電位,故膜內(nèi)有107V/m的電場,

10、在如此強電場下,介質(zhì)的極化表現(xiàn)出明顯的非線性特征,加之離子通道內(nèi)沿軸向有周期性的電場分布,故對通道內(nèi)每一個橫截面而言,兩側(cè)的介電常數(shù)是不相同的,兩側(cè)介電常數(shù)的不同便會使電磁波在該面上發(fā)生反射,反射的結(jié)果便形成了駐波,駐波的存在則表明在其波腹附近的一個區(qū)域內(nèi)有電磁波能量的匯聚,從而使處于該區(qū)域的離子可獲得遠大于照射波自身的,足以使離子跨越勢壘的能量。綜上所述,本文的機理分析中,既給出了強度窗、頻率窗效應的物理基礎,又給出了二者的關聯(lián),同時

11、,基于能量匯聚結(jié)論可給予低強度電磁波何以能夠引起生物學效應的合理解釋。
　　 三.手機輻射在人體頭顱內(nèi)產(chǎn)生的電場應力、溫度升高及安全性評價出于電磁波會在不連續(xù)媒質(zhì)中產(chǎn)生電場應力的考慮,分析計算了手機輻射在人體頭顱內(nèi)產(chǎn)生的電場應力分布,并以產(chǎn)生的電場應力是否達到人的聽覺閥值從而產(chǎn)生聽覺效應的角度對手機輻射的安全性進行了評價。出于電磁輻射可引起生物組織的溫度升高而大腦又是對溫升最為敏感的組織之一的考慮,基于手機輻射在人體頭顱內(nèi)的功率

12、分布及生物組織的熱傳導特性,分析計算了頭顱內(nèi)的溫度分布,給出了溫度升高的區(qū)域和在目前的手機輻射功率下的溫度升高值。出于手機設計中應考慮人體頭顱會對手機天線的輻射特性產(chǎn)生影響的考慮,分析計算了人體頭顱對手機天線輻射特性的影響,其中,關于天線方向圖的影響研究中,不僅給出了人們習慣采用的二維方向圖,還給出了一些典型數(shù)據(jù),同時增加了對手機輸入阻抗影響的研究內(nèi)容,該內(nèi)容可用于對影響手機天線輻射效率影響的評價。另外通過分析計算給出了減少人體頭顱吸收