【17】電磁兼容生物效應

1、1,第8章 生物電磁效應與應用,劉 洋 應用物理教研室,2,8.1 生物電與人體電磁兼容 人體是最精妙最復雜的電磁兼容系統(tǒng)，人體組織是具有生命活動的物質(zhì)。 物質(zhì)由帶電粒子的分子和原子組成，這些帶電粒子在生命活動中遵循生物電磁場的規(guī)律(至今仍不很清楚)形成自身的電磁場與電磁波。 人體組織由于各種生命活動，可產(chǎn)生諸如電子運動、離子轉(zhuǎn)移、神經(jīng)電活動等生物的電過程，從而會產(chǎn)生不同頻率、強度和波形的生物電場、磁場和電流。 神經(jīng)系統(tǒng)以電脈沖(動作電位)為信息載體，從探測器(耳、眼、皮膚和內(nèi)臟的感受器)接受體內(nèi)外環(huán)境的各種變化(即刺激)，并把刺激能量轉(zhuǎn)化成神經(jīng)沖動。,3,經(jīng)過中樞的分析、整合，再將命令信息以

2、神經(jīng)沖動方式傳至效應器(肌肉和腺體等)，以支配和調(diào)節(jié)各器官的活動。 人體動作的協(xié)調(diào)和準確，是任何機器人所無法比擬的。癱瘓、神經(jīng)脫髓鞘病、小腦共濟失調(diào)、癲癇發(fā)作和帕金森氏綜合癥等神經(jīng)系統(tǒng)疾患，就是神經(jīng)系統(tǒng)受損害和內(nèi)部的電磁騷擾引起的人體機能“降級”甚至紊亂。,4,8.1.1 生物電,5,動作電位是細胞興奮時所產(chǎn)生的跨膜電位波動。刺激因素(電、化、機械)使膜局部平衡暫時破壞而產(chǎn)生突然電壓瞬間(幾毫秒內(nèi))變化，并可形成傳播神經(jīng)沖動，或沿肌肉(心肌)傳導。 臨床上動作電位大量綜合形成心電、腦電、肌電等。,6,8.1.2 人體電磁兼容 人體組織和器官的電阻抗差異較大。血清的電阻率較低，肌肉次之，肝、腦等

3、組織的電阻率較高，脂肪和骨骼的電阻抗最高。 不僅各種組織和器官有不同的阻抗，即便是同一組織，在不同頻率下，其阻抗也不相同。 復雜的生物體，如人體、動物等內(nèi)部電場的估算是非常復雜的，這主要是由于這些物體的形狀非常不規(guī)則，內(nèi)部的電常數(shù)也是非均勻的。 盡管這樣，還是要通過理論計算和試驗方法來確定在外部電磁場的照射下人體與其他動物組織中所感受的電磁場。正是這些電磁場與人體和其他動物組織相互作用，才產(chǎn)生出種種效應。,7,幾種組織的電阻抗和電導率,8,平面電磁波正入射人體時的網(wǎng)格空間設置，網(wǎng)格空間的大小采用分辨率為2.62cm的模型； 對應于人體模型需要 122367個網(wǎng)格； 分析時采用二階近似的吸收邊界

4、條件。,9,右圖表示入射波頻率為100MHz時，人體吸收的SAR(比吸收率Specific Absorption Rate的簡稱)分布. 定義為每公斤人體組織所吸收的電磁功率(W/kg)，是生物醫(yī)學中的一個重要參數(shù)，用來度量電磁輻射在生物單位組織中所感應的電場。比吸收率能夠考慮熱效應和非熱效應，體溫升高率也和比吸收率成正比。,10,8.2 電磁波的生物效應 電荷產(chǎn)生電場，電荷流動產(chǎn)生磁場，兩者合稱為電磁場；電磁場以波的形式(電場和磁場的振幅相互垂直)向外傳遞電磁能量，形成了電磁輻射。 生物組織中的電解質(zhì)與水是主要參與反應的物質(zhì)。就組織的含水量來講，不同年齡、不同組織器官含水量不同，一般來講，含

5、水量較低的組織，其介電常數(shù)均低于含水量高的組織一個數(shù)量級。隨著頻率的升高，人體各種組織的介電常數(shù)隨之減少，電導率增大。 人體部分組織在不同頻率的電導率值如下表所示。,11,12,8.2.1 電磁波生物效應 從生物物理角度分析，電磁波對人體產(chǎn)生影響的機理是： 對電子傳送的影響。 對自由基活動的影響。 對生物膜通透性的影響。 對蛋白質(zhì)和酶活性有影響。 對遺傳基因的影響。 電磁波生物效應機理大體上分為熱效應、非熱效應和積累效應等。,13,8.2.2 微波的生物效應 電磁輻射的頻譜可由甚低頻到極高頻(1022 Hz)，其中高頻電磁波由微波(300MHz 300GHz)和射頻(radiofrequenc

6、y)構(gòu)成，它們均有明顯的生物學效應。 高頻電磁波對生物體的作用主要以輻射方式進行，稱為電磁輻射區(qū)。特別是頻率為300GHz100MHz的電磁波稱為微波輻射，是電磁輻射生物效應研究的重點區(qū)間。 微波是高頻電磁波，也稱射頻電磁波。其波長在lm1mm范圍內(nèi)，所對應的頻率范圍大約在300MHz300000MHz。,14,微波照射到生物體所產(chǎn)生的各種現(xiàn)象，不僅與微波的作用有關(guān)，還與生物體有關(guān)。 微波與生物相互作用后所產(chǎn)生的各種生理和病理反應，稱之為微波生物醫(yī)學效應或微波生物學效應。 醫(yī)學領域中出現(xiàn)了各種性能較好的局部加熱醫(yī)用微波輻射器、微波診斷儀、微波透視儀和微波治療儀等。,15,微波診斷儀,微波治療儀

7、,16,表中微波波段(1m1mm)頻帶最寬，在醫(yī)學診斷、治療中占有十分重要的地位。 在高電壓輻射場中，熱效應占主導地位。在長時間、低電壓電磁場輻射下，非熱效應占主導地位。,17,8.2.3 微波的熱效應 利用微波對生物體進行照射時，生物機體的溫度會逐漸上升。說明微波對機體具有加熱作用，這就是微波的熱效應。 微波可引起眼睛損傷，眼睛是人體對微波輻射比較敏感和易受傷害的器官。 如果微波功率增加到某一確定門限值，眼睛被損壞。在微波照射下，可能眼的表層組織角膜還沒有出現(xiàn)傷害，而晶狀體已出現(xiàn)水腫。 在大強度、長時間作用下會造成晶狀體混濁，嚴重的將導致白內(nèi)障。更強的照射會使角膜、虹膜、前房和晶狀體同時受到

8、傷害，以致造成視力完全喪失。,18,眼睛被損壞的微波功率閾值如下表所示 ：,19,8.2.4 微波的非熱效應 微波的非熱效應是指生物體受到低功率的微波照射時，在不引起生物體溫度明顯升高的情況下所出現(xiàn)的生理、病理反應。 長時間微波輻射可破壞腦組織細胞，使大腦皮質(zhì)細胞活動能力減弱，已形成的條件反射受到抑制。 反復的微波輻射可能引起神經(jīng)系統(tǒng)機能紊亂，某些長時間在微波輻射強度較低的環(huán)境下工作的人員，曾出現(xiàn)過度疲勞、頭痛、手發(fā)抖、心電圖和腦電圖變化、甲狀腺活動性增強、血清蛋白增加、脫發(fā)、嗅覺遲鈍、性功能衰退等癥狀；,20,長期的微波輻射可引起血液內(nèi)白細胞和紅細胞的減少，并使血凝的時間縮短。長時間的微波輻

9、射又可引起白細胞的增加。 微波輻射對生物危害的另一特點是它的累積效應。一次低功率照射之后會受到某些不明顯的傷害，經(jīng)過幾天之后可以恢復。如果在恢復之前受到第二次照射，傷害就將累積，這樣多次累積之后就會形成明顯的傷害。,21,8.3 電磁的應用與防護 8.3.1 電磁在生物醫(yī)學中的應用 治療方面 醫(yī)學上的“電療”，是對人體某些部位加上適當?shù)碾妷?，將電流引入人體產(chǎn)生某些治療作用。 醫(yī)學上用“磁療”治病，即是給人體加上一個“外磁場”，使人體的分子電流磁矩產(chǎn)生“取向運動”，使分子電流流向一致，加強電流強度，達到磁療的目的。,22,在熱療中，毫米波(頻率為30GHz300GHz，波長從10mm1mm)也是

10、一個重要的應用范疇，一般使用的功率密度是，經(jīng)過國內(nèi)大量臨床應用表明，對非特異性免疫力和抵抗力都很有效。 癌癥的高溫治療是目前的一個重要應用，當將腫瘤溫度提高到4350時，可將癌細胞殺死，只要將輻射器的能量進行聚焦則可點殺癌細胞而保護腫瘤周圍的正常細胞。 另外將微波輻射與針灸技術(shù)結(jié)合起來，可組成一種新型的微波針灸儀 。,23,將手術(shù)刀與微波輻射器相結(jié)合組成一種新的手術(shù)刀，它具有加溫和凝血的作用，在一定程度上具有滅菌的作用，這種手術(shù)刀特別適用于血管很密的人體組織，例如眼睛和肝臟的手術(shù)過程。,24,診斷方面的應用 1）電磁波診斷的依據(jù) 電磁波診斷主要基于下列3點： 根據(jù)人體組織介電特性的變化進行測量

11、。 根據(jù)熱輻射特性。 根據(jù)運動物體的多普勒頻移，這一方法可檢測出心臟及動脈血管的有關(guān)信息。,25,2）微波醫(yī)學成像的原理及特點 微波醫(yī)學成像的原理是利用不同生物組織對電磁波的吸收，反射和透射特性的不同，從它們對電磁波的散射場中獲取介質(zhì)電磁參數(shù)的分布信息，由于不同組織具有不同的電磁參量，因此通過電磁參數(shù)的分布圖像可獲取組織邊界，血流量及溫度分布等有用信息。 傳統(tǒng)的電離輻射成像，X射線成像，核磁共振成像，超聲成像。 微波醫(yī)學成像具有如下特點：安全可靠(非電離輻射)，而且使用低功率密度，能分辨低密度組織(優(yōu)于X射線)，能分辨大的不連續(xù)性區(qū)域(優(yōu)于超聲)，經(jīng)濟(優(yōu)于核磁共振)，根據(jù)探測器的不同形狀，可

12、分為平板式和圓柱式兩種微波醫(yī)學成像系統(tǒng)。,26,3）微波的醫(yī)學應用 生物體受到微波照射，微波與生物體相互作用后所產(chǎn)生的各種生理病理反應，稱之為微波生物醫(yī)學效應或微波生物學效應。 生物組織受到微波局部加熱時，組織溫度升高會引起許多生理反應。包括加熱對組織的直接作用和受熱后導致血管擴張引起血流、毛細管壓力和細胞膜通透性的增加，使局部白細胞和抗體濃度提高，加快毒素、細菌和代謝廢物排出體外，使局部肌肉痙攣緩解和疼痛消除。正因為如此，微波照射生物組織后可以獲得良好的醫(yī)療效果。,27,4）脈沖電磁場的醫(yī)學應用 電穿孔(electroporation)在細胞外施加短時強脈沖作用時，能在細胞膜上形成微孔，引起

13、生物膜通透性的改變，這種作用稱為電穿孔，電穿孔又可稱作電導入、電轉(zhuǎn)染。電穿孔技術(shù)在將外源基因?qū)爰毎麅?nèi)的實驗研究中得到廣泛應用，并為癌癥、艾滋病的治療提供了依據(jù)。 電融合(electrofusion)電融合技術(shù)早在 70年代末就已經(jīng)建立，首次電融合技術(shù)是在植物原生質(zhì)體上實現(xiàn)的。電融合是指在電場作用下，細胞膜上產(chǎn)生小孔，從而使得兩個或幾個互相比較靠近的細胞融合在一起，是細胞生物學、體細胞遺傳學研究的嶄新手段。,28,3. 磁場在理療學上的應用 磁療的治療作用主要有以下幾個方面： (1)止痛作用 磁療的止痛作用機制可能是多方面的。首先，磁療能改善血液循環(huán)和組織營養(yǎng)，因而可糾正由缺血、缺氧、水腫、致

14、痛物質(zhì)聚集等所導致的疼痛；其次，磁場能提高致痛物質(zhì)水解酶的活性，使緩激肽、組胺等致痛物質(zhì)水解或轉(zhuǎn)化，從而達到止痛目的。 (2)鎮(zhèn)靜作用 磁療后可改善睡眠狀態(tài)，延長睡眠時間、可緩解肌肉痙攣和減輕瘙癢等。這可能與磁療對經(jīng)絡和神經(jīng)的調(diào)節(jié)作用有關(guān)。,29,(3)消炎作用 大量實驗研究及臨床觀察表明磁療有消炎作用。由于血液循環(huán)加強，組織通透性增加，從而使炎癥產(chǎn)物得以及時排除，水腫減輕，組織酸中毒改善，一些酶(組胺酶、緩激肽酶等)的活性提高。此外，磁場對機體免疫力的提高，PH值增加等也對炎癥的消散起一定作用。 (4)消腫作用 在臨床與實驗中均得到證實。慢性炎癥和軟組織損傷引起的組織局部水腫，磁療后均能很快

15、減輕或消失。其原因主要是因為磁療后，局部微血管擴張，血流加快，促使?jié)B出的吸收和消散。,30,(5)降壓作用 因磁療對經(jīng)絡和植物神經(jīng)有調(diào)節(jié)作用，故磁療后可使動靜脈毛細血管管徑擴大，血液循環(huán)的外周阻力降低，微循環(huán)功能改善，從而導致血壓下降。此外，磁療后睡眠好轉(zhuǎn)，高級中樞神經(jīng)的調(diào)節(jié)功能得到改善也是血壓下降的有利因素。 (6)對腫瘤的作用 磁療對良性和惡性腫瘤均有一定的影響。可使良性腫瘤如纖維瘤、脂肪瘤、粉瘤、淋巴瘤和腱鞘囊腫等縮小或消失，對惡性腫瘤，如消化道腺癌、淋巴瘤、肝癌和纖維肉瘤等亦能縮小腫塊及改善癥狀。,31,8.3.2 電磁場在其他方面的應用 1. 磁場對動植物的作用及應用 電磁輻射不僅對

16、人體有影響，而且對動、植物也有影響。高頻電磁場特別是微波波段，對動物的影響很大。 微波殺菌的技術(shù)在國內(nèi)外應用已經(jīng)很普遍，如微波加熱器在中藥滅菌中的應用獲得很好的效益。 電磁輻射對植物的影響主要著重于靜電生物效應。研究結(jié)果表明，靜電場對淀粉酶、過氧化物酶、脫氫酶、果酸酶和蛋白酶等的活性都有影響。不同(強度和方向)的靜電場對酶的活性影響不同。,32,對植物種子進行靜電處理，能提高種子活化能和種子內(nèi)多種酶的活性，對種子有消毒殺菌作用，可提高種子的發(fā)芽勢、出苗率、幼苗長勢和抗病蟲害能力，改善植株品質(zhì)。 2. 磁場對物質(zhì)的作用及應用 加拿大科學家Richard Gedye通過大量的實驗和對微波作用機理的

17、深入研究發(fā)現(xiàn)：微波電磁場可以加速許多化學反應，其中包括許多有機和無機化合物的合成反應，在一定條件下，許多化學反應速度比常規(guī)方法可加速一千多倍。,33,3. 磁場在軍事中的應用 通常認為核武器的殺傷因素有4個，即早期核輻射、燒傷、沖擊傷以及放射性落下會損傷。 核爆時可使空氣發(fā)生電離，從而產(chǎn)生了巨大的磁場，電壓可達千伏、萬伏、幾十萬或上百萬伏。這個磁場波譜非常廣泛，幾乎占據(jù)了電磁頻譜所有波段。 強電磁輻射在軍事上的破壞力很久以前已為人們所重視，空中軍事目標、地面設施、C4I系統(tǒng)(指揮、通信、調(diào)控、計算機和情報系統(tǒng))和地下固定設施等均可受到影響。 民用設施，如廣播電臺、通訊系統(tǒng)和電力控制系統(tǒng)等均可受

18、到攻擊，造成嚴重干擾、癱瘓，甚至破壞，人員亦可受到傷害，神經(jīng)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)均可受到影響。,34,電磁場還在仿生學，如研究信鴿導航、鰻魚回游、蝸牛定向等與地磁場的關(guān)系；航空航天技術(shù)，如在宇宙艙體內(nèi)極弱磁場環(huán)境下人的生存問題； 環(huán)境保護，自然電磁干擾和人為電磁干擾對人體的危害及其防護；以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)藥衛(wèi)生、軍事等領域都有著極為廣泛的應用，且日益產(chǎn)生極其重要的影響與作用。 8.3.3 電磁輻射的保護 手機的電磁輻射保護 人體內(nèi)SAR分布及其幅度與手機使用的頻率和功率、手機與人體的相對放置位置、天線類型及饋電位置等因素有關(guān)；,35,人體頭部對電磁能的吸收較大，尤其是眼部；手機對人體產(chǎn)生有害的生態(tài)

19、效應的可能性很大，吸收的電磁能導致的溫升現(xiàn)象對特別敏感的眼睛水晶體及頭部的某些部位進行局部加熱，可能導致一些病變。 眾多廠商近年來紛紛研制推出了多種電磁輻射防護方法和用品。 日本學者指出合理使用防護材料可以減少手機表面電流，從而降低人腦的吸收比率。 防護帽：由幾個微米粗細的不銹鋼纖維與化學合成纖維混紡布制成；外觀與普通帽子相仿，但由于金屬纖維混紡織物對電磁波的屏蔽作用，能明顯減少打電話時手機輻射對頭部的照射劑量。,36,L型天線：普通手機天線是由頂部伸出的一小段棒狀天線。電磁輻射方向圖好似一個“面包圈”套在天線上。打電話時，輻射最強的方向正好對著頭部。如果換用L型天線，輻射方向圖基本不變，但打

20、電話時，卻近似于天線輻射的“盲區(qū)”對著頭部，能減少電磁波對頭部的照射。 2. 計算機的電磁輻射保護 對計算機輻射的保護 計算機的信息泄漏，可通過兩種途徑：一是通過輻射向外泄漏，稱為輻射發(fā)射，輻射發(fā)射是指通過空間傳播的有用的或不希望有的電磁能量；二是傳導泄漏，也稱為傳導發(fā)射，傳導發(fā)射是指信息通過電源線、控制線、信號線、電線向外傳導造成的泄漏。,37,計算機電磁輻射的抑制方法主要有： 屏蔽法屏蔽是抑制近場感應和遠場輻射、中斷電磁輻射傳播途徑的有效方法。從使用看就是將計算機置于電磁屏蔽室內(nèi)，使電磁輻射泄漏不出去而達到保護計算機信息安全的目的。 干擾法 這種方法適宜對分散使用的微機的信息保護。根據(jù)電子

21、對抗原理，利用干擾機產(chǎn)生電磁噪聲與計算機設備產(chǎn)生的信息輻射一起向外輻射。將計算機的輻射信號和干擾信號在空間混合后形成一種復合信號，破壞了計算機輻射信號形態(tài)，從而達到了保護信息的目的。,38,降低輻射電平法 為了減低計算機的輻射電平，首先要減少輻射源。在電路設計上，要減少數(shù)字電路環(huán)路面積，使相互引線盡可能短，使用線路濾波器，保持良好接地。在結(jié)構(gòu)設計上，要解決因通風，散熱、操作和顯示等的需要而留的空洞縫隙問題。 TEMPEST技術(shù) TEMPEST技術(shù)即低輻射技術(shù)，發(fā)展至今已有近40年的歷史，它是在電磁兼容(EMC)領域發(fā)展起來的一個新的研究方向。,39,屏蔽服 在日本，屏蔽服式的電磁波輻射防護服目

22、前已完全成為商業(yè)化的產(chǎn)品，并已走入家庭。屏蔽服在防護X射線方面早有成功的應用。 對計算機干擾的保護 計算機的電磁兼容問題具有一般電子設備的共性，又有其突出的特點。它既是一個干擾源又是一個敏感設備。 當干擾信號超過干擾容限時會對計算機系統(tǒng)造成如下危害：D/A放大器誤動作，這可能導致計算機產(chǎn)生誤碼或者死機；MOS開關(guān)電路出現(xiàn)錯誤。,40,這可導致計算機在處理任務或進行計算時出現(xiàn)錯誤或者死機；對于RAM、ROM來講干擾信號會使存儲器產(chǎn)生誤碼，使RAM、ROM中的內(nèi)容改變或消失，導致計算機無法正常工作。 提高計算機系統(tǒng)的抗干擾能力的措施概括起來有幾個方面。首先，從硬件、軟件設計著手提高系統(tǒng)自身的抗干擾

23、能力。 在硬件設計中要進行EMC設計，綜合采取各種抗干擾措施； 在軟件設計中，冗余技術(shù)、容錯技術(shù)、標志技術(shù)和數(shù)字濾波技術(shù)等都是有效方法；邏輯電路技術(shù)與軟件技術(shù)的巧妙結(jié)合，可以用來作為抑制噪聲的有力工具。其次，屏蔽和接地是提高計算機抗干擾能力的有力措施。,41,3. 電磁輻射對其他設備的作用及防護 燃油設備的電磁防護 進行電磁輻射對燃油危害的防護應采取的防護措施有如下幾項： 消除射頻電弧 消除射頻火花 制定加油規(guī)程,42,醫(yī)療設備的電磁輻射防護 強化醫(yī)務人員對微波的物理概念和生物效應以及自我保護的認識。 對于有既往中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病、神經(jīng)衰弱、癔病、癲癇、精神病史；心臟或血管質(zhì)性病史、血壓異常；血

24、液系統(tǒng)或造血功能障礙；白內(nèi)障、視神經(jīng)疾病者均不宜從事微波工作；對從事微波照射的醫(yī)務人員，做到每年一次預防性體檢。 檢查白細胞、血小板、腦電圖、心電圖、眼球晶狀體、眼疾、視力，血壓等如已發(fā)現(xiàn)微波引起的早期癥狀，應及時治療；并應對微波的輻射強度和個人防護予以調(diào)整。要特別注意大劑量或大強度時，要穿戴微波防護服、圍裙、罩衫、頭盔、眼鏡、手套、鞋和襪等，并盡量不要連續(xù)5、6小時工作。,43,家用電器的電磁輻射防護 影響家庭電磁環(huán)境的一個重要原因，是靜電干擾造成的污染和危害。靜電放電的傳遞途徑一般有兩種：在電子控制設備的信號線或地線上直接放電；在電子控制設備金屬外殼上直接放電。后者是最常見的靜電放電現(xiàn)象。

25、 靜電對家用電器產(chǎn)品的危害可以總結(jié)為以下幾個方面： 造成器件擊穿和性能劣化 高壓靜電放電可能造成嚴重事故 使信息出錯、邏輯電路誤動作 靜電電荷易附塵埃微粒，污染印制電路板，使其耐壓降低 .,44,靜電放電危害家用電器的途徑有電磁感應、靜電感應、傳導耦合和放電輻射。 避免產(chǎn)生靜電，住宅裝修時，應采用抗靜電的材料，如地板裝修時盡可能不用絕緣性能高的材料，如化纖地毯等；家庭所用的窗簾盡可能不用布料制品；這些材料一經(jīng)磨擦就會產(chǎn)生靜電且不易釋放； 應保持家庭環(huán)境濕度在45%以上等，盡可能減少塵埃，塵埃離子通常附著電荷；,45,同時要保證各種家用電器可靠接地。提高家用電器表面的絕緣能力，如電器外殼覆蓋絕緣物質(zhì)，開關(guān)與電器外殼應留有隔離間隙，使放電難以形成。為了抑制靜電感應，電源線用屏蔽線或?qū)g線。,46,電磁輻射對軍用器械的影響及防護 在現(xiàn)代飛機、導彈、坦克和軍艦上有許多電引爆裝置，它已成為軍械系統(tǒng)必不可少的設備。 大量試驗表明，雷達使