0 引言

生物電磁學是以電磁場的生物機理及其綜合利用為主要研究內容，涉及生物醫學、生物物理學、物理學、電磁學、電子技術及生物技術等領域的綜合學科。自 Maxwell 提出了描述電磁場時空關系的統一方程以來，電磁科技得到高速發展，大量電子電氣產品應用于工業、農業、醫療等行業并涌入家庭[1].但與此同時，人類正在被各種電子設備所包圍，并暴露于電磁輻射之中。當電磁輻射強度超過人體所能承受的限度時就構成了電磁輻射污染，乃至導致健康風險問題。因此，建立科學、規范的生物電磁學健康風險評估體系業已成為關系到整個社會決策的關鍵問題，也是健康管理領域亟待解決的重大公共衛生問題。

本文對生物電磁技術應用及其相關健康風險評估的研究進展進行了概述，分別從生物電磁技術在醫學上的應用、電磁暴露的健康危害性評價以及生物電磁技術應用所帶來的相關健康風險問題的應對策略等方面進行了分析，為建立科學的、規范的、多學科融合的生物電磁效應相關健康風險評估體系提供了研究方向。

1 生物電磁技術在醫學上的應用

1.1 脈沖電場暴露在腫瘤治療中的應用

1.1.1 μs 脈沖電場對癌細胞黏附、侵襲和遷移能力的影響

μs 脈沖電場對腫瘤細胞的黏附、侵襲和遷移能力均有明顯的抑制作用，且該抑制作用與電場強度大小密切相關[2].有研究者以人宮頸癌細胞系 Hela細胞為實驗對象[3],分別檢測 μs 脈沖電場對癌細胞的黏附、侵襲和遷移這 3 個方面的影響，觀察到 μs脈沖電場對腫瘤復發和轉移能力有抑制作用，且脈沖電場強度越大，抑制效果就越明顯[4].

1.1.2 ns 脈沖電場暴露誘導細胞脂雙層膜電穿孔治療腫瘤。

電穿孔是指在高強度脈沖電場作用下細胞膜瞬時出現微孔的物理過程，其結果是細胞膜通透性顯著提高，細胞內外分子交換明顯增加，有利于細胞吸收周圍介質中的外源物質，如各種藥物、核苷酸、脫氧核糖核酸（DNA）、核糖核酸（RNA）、蛋白質、糖類、病毒顆粒和其他大分子物質等。電場取消后微孔即關閉，從而不會影響細胞膜的完整性。

電穿孔對于研究脈沖電場作用下的細胞結構和功能有重大意義，這種瞬時可逆的膜滲透性增強大大促進了化療藥物的跨膜轉運，顯著提高化療藥物對腫瘤細胞的殺傷力，為腫瘤的綜合治療提供了 1 種新的思路。近年來，有研究者單獨使用脈沖電場[5-9],探及腫瘤組織，促使腫瘤細胞發生不可逆性電穿孔并最終死亡，從而達到治療腫瘤的目的[10-12].

Schoenbach 等發現 ns 脈沖電場可以改變細胞器膜的跨膜電位，如線粒體膜電位，線粒體是動物細胞生成三磷酸腺苷（ATP）的主要地點，是促進細胞能量轉換、參與細胞凋亡的重要細胞器，線粒體膜電位改變時可導致一系列細胞反應，該現象稱為內處理效應[13].Nuccitelli 等觀察到 ns 脈沖電場可通過誘導細胞周期發生改變等機制，促進荷瘤鼠皮膚癌細胞凋亡，從而抑制腫瘤組織的生長[14].

1.1.3 ps 脈沖電場暴露可無創治療腫瘤

由于細胞膜與細胞核膜的充電時間常數遠大于細胞線粒體膜的充電時間常數，所以在 ps 脈沖電場作用下，線粒體膜將先于細胞核膜與細胞膜受到脈沖的影響。為此，龍再全等在整合脈沖電場靶向誘導腫瘤細胞凋亡的窗口效應以及無創治療的應用需求的基礎上，提出應用沖激脈沖輻射天線將 ps脈沖聚集于腫瘤組織，改變腫瘤細胞線粒體跨膜電位，導致腫瘤細胞崩解，即通過啟動線粒體途徑的凋亡靶向誘導，實現腫瘤的無創治療，目前初步實驗與仿真結果驗證了該理論的可行性[15].

1.2 低頻電磁場暴露在骨病治療中的應用

低頻電磁場產生的脈沖間歇的磁場效應，模擬運動狀態下的機體內生理活動微環境，具有改善骨生理相關的作用[16],如刺激成骨細胞生長，促進其釋放生長因子等。低頻脈沖電磁場已用于對動物的骨折機制及骨質疏松模型的研究，臨床上已開展對骨折、骨質疏松及口腔種植體骨的治療[17-18].施加脈沖電磁場后，骨干區（骨生成活性較低的部位）的骨密度明顯增強。另外，低頻脈沖電磁場還可促進骨形成相中的骨礦物質沉著[19].龍英等從細胞和分子水平上研究極低頻電磁場的骨作用機理，采用特征與成骨細胞極為相似的成骨樣細胞 UMR-106 細胞株，構建極低頻電磁場實驗照射系統，探究電磁場對成骨樣細胞活性的影響。該實驗觀察到低能量正弦交變磁場可促進成骨樣細胞的增殖，從而促進骨重建過程，為臨床上治療骨科疾病提供了新的物理手段[20].

1.3 脈沖式激光暴露在體內結石治療中的應用

20 世紀 90 年代研制成功的鈥激光，是采用氪閃爍光源激發嵌在釔鋁石榴石晶體上的鈥元素而產生的脈沖式激光[21].鈥激光波長為 2 100 nm,脈沖持續時間達 250 μs,峰值功率可達 1 kW,尤其適用于泌尿外科的腔內手術治療[22].以 Beagle 犬為研究對象，唐利軍等開展了對 100 W 大功率鈥激光治療膀胱結石的安全性評價研究。病理學結果顯示，鈥激光碎石術后，膀胱黏膜出現不同程度的損傷，術后 14 d 膀胱組織學結構恢復正常，說明該損傷為可逆性，證明大功率醫用鈥激光對于治療膀胱結石是安全有效的[23].此外，鈥激光技術還可以應用于泌尿系統軟組織疾病的治療，如尿道和輸尿管狹窄切開術、膀胱頸狹窄切開術、前列腺肥大切除術、泌尿系統細胞癌切除術等[24].鈥激光術因手術操作簡單、省時、創傷小、恢復時間短、療效滿意而受到泌尿外科醫生的肯定，并越來越普遍應用于泌尿外科治療[25].

1.4 駐極體暴露在藥物臨床治療中的應用

1.4.1 正極性駐極體暴露對胰島素降糖效果的影響

正極性駐極體產生的靜電場效應可有效提高胰島素的降糖能力[26].胰島素分子結構的穩定性與胰島素分子間的靜電力大小及分子力的大小密切相關[27].處于電場中的胰島素分子易受外靜電場作用，空間結構發生改變，使得胰島素分子間的范德華力減小、靜電排斥力增加，導致胰島素二聚體的穩定性降低，從而在生理狀況下易出現大量胰島素單體，宏觀表現為經電場作用后胰島素降糖效果提高[28-31],這可能是駐極體改善胰島素降糖效果的主要原因。

1.4.2 負極性駐極體暴露與環孢菌素 A 貼劑的壓電性關系密切

負極性駐極體可引起環孢菌素 A 的極化，藥物的極化與駐極體表面電位、駐極體作用時間、貼近內模型的藥物質量密切相關；駐極體產生的電場力與極化的藥物分子相互作用，可實現模型藥物在駐極體環孢菌素 A 貼劑內的可控釋放[32].駐極體透皮給藥系統是以電作為驅動源，經皮給藥的新手段。

駐極體作用于表皮后，毛囊孔徑拓寬[33],同時表皮角質層脂質雙分子間距離增大形成暫時可逆性通道，從而實現增加藥物通透量及通透率的作用[34-37].

2 電磁暴露的健康危害性評價

2.1 微波暴露對健康的危害性評價

微波頻率介于 300 MHz~30 GHz,大量文獻報道，微波暴露生物效應的主要原因是誘導場。然而，目前關于接觸射頻會對健康造成損害方面，流行病學資料不一致[38].2010 年，歐洲率先啟動了為期30 a 的流行病學大型隊列研究。25 萬人的手機使用情況及其與疾病的關系將被追蹤調查，人們期待該項研究可以明確手機微波電磁輻射對人體是否造成危害及其危害程度[39].

2.2 工頻電磁場暴露對健康的危害性評價

工頻電磁場是指由高壓輸電線路、大功率電機、變壓器及家用電器等電力設施或設備所產生的電磁場，中國及歐洲等大部分地區頻率為 50 Hz,美國頻率為 60 Hz,屬于極低頻電磁場（extremelylow frequency electro-magnetic fields, ELF-EMFs）范疇[40-41].在極低頻電磁場尤其是在交流輸變電工程所產生的工頻電磁場下長期暴露，對人體健康影響的不確定性是當前社會關注的焦點，更是關系公共利益的問題[42].人體的器官和組織時刻處于穩定有序的微弱電磁場之中，一旦受到外界超強度電磁場的干擾，處于平衡狀態的微弱電磁場就會受到干擾,人體穩態遭到破壞，血液、淋巴和細胞原生質發生改變[44-46].

2.2.1 工頻電磁場暴露對兒童白血病發生率的影響

關于極低頻電磁場是否是兒童白血病發生的關鍵因素，很早就有爭論[47].1979 年 WertheierN和 Leeper E[48]首次報道了 ELF-EMFs 可導致兒童白血病的發病率增加。此后，人們越來越關注ELF-EMFs 對人體健康可能造成損害的問題。有研究報道，居住在距高壓和特高壓輸電線路的距離為200 m 和 200~600 m 范圍內的兒童患白血病的概率比普通兒童分別高 70%和 23%[49].2005 年，經過分析一些流行病學資料后，加拿大政府公布，在高壓輸電線路附近居住的兒童罹患白血病的風險，與對照組相比，增加 2 倍[50].然而，2013 年，Sermage、Slusky、Buch、Salvan[51-54]等進行極低頻電磁場與兒童白血病關系的流行病學調查分析，卻得到了陰性結果，即沒有發現有統計學意義的影響。國際癌癥研究機構（IARC）在 2002 年就對極低頻電磁場作出了明確評價：極低頻磁場與兒童白血病相關致癌性的人體證據有限[55].

2.2.2 工頻電磁場暴露對神經系統的影響

工頻電磁場暴露對人的認知功能影響也有廣泛的報道。當 ELF-EMFs 磁感應強度為 8 mT（頻率為 50 Hz）、急性暴露持續時間為 20 min 時，大鼠的空間記憶能力受損，表現為動物逃避電擊的潛伏期延長；當 ELF-EMFs 磁感應強度為 2 mT（頻率為50 Hz）、急性暴露持續時間為 20 min 時，大鼠的空間記憶能力無明顯改變[56-57]；當磁感應強度為 500μT（頻率為 50 Hz）、急性暴露持續時間為 20 min 時，僅會對動物造成一些不適，其社交及領土行為則無明顯改變[58]；但若長時間暴露（暴露持續時間延長至28 d 或 42 d），則大鼠的焦慮程度顯著增強，腦組織中阿黑皮素原的含量增加[59].有研究結果表明，極低頻電磁場暴露（頻率為 50 Hz、磁感應強度為 400μT、暴露持續時間為 60 d）會導致大鼠體質量增長速度延緩、認知功能障礙、海馬結構損傷及尼氏體含量減少。由此可見，ELF-EMFs 暴露可導致動物認知行為的改變，磁感應強度、暴露持續時間是關鍵因素[60].

2.3 太赫茲波（THz 波）暴露對健康的危害性評價

太赫茲波（THz 波）是指頻率在 0.1~10 THz 范圍內的電磁波，波長大概在 0.03~3 mm 范圍內，介于微波與紅外線之間。THz 波電磁效應普遍具有累積效應，2008 年有資料顯示，THz 波持續照射 6 h 時間后即引起淋巴細胞的基因損傷[61].另有實驗結果顯示，體外培養的神經細胞經高強度（輻照度為 300W/m2）的 THz 波照射后，細胞膜受損。而以低功率和其他頻率照射時未觀察到細胞膜受損。近來有研究者認為，暴露于低水平 THz 波照射中，蛋白質的識別過程受到干擾[62].美國 LosAlamos 國家實驗室觀察到，在一定條件下 THz 波照射可導致 DNA 的雙螺旋結構損傷，從而導致基因毒性[63].

2.4 核磁共振成像（MRI）技術暴露對健康的危害性評價

核磁共振成像（MRI）技術是利用原子核在磁場內共振所產生信號經計算機處理并重建成像的 1 種成像技術[64].原理是將受檢者置于強大磁場中，給予一定頻率的射頻脈沖照射，人體在靜磁場中運動的氫原子核與射頻脈沖形成共振，分析釋放的電磁波并繪制成人體內部精確立體圖像。從圖像中人們可以得到清晰的形態學信息，并可以分析得到生物化學、病理學相關信息[65].MRI 設備中的磁體磁場強度巨大，會對磁場中的順磁性物質產生一定的影響。在強磁場的作用下，鐵磁性物體從磁體以外的位置以一定速度投向磁體的現象稱為投射效應。美國對 100 臺 MRI 系統進行安全性調查，調查結果顯示，20%左右的設備發生過鐵磁性投射物安全事故，人員傷害或設備損失程度輕重不一[66].在進行 MRI檢查時，靜磁場、高速變化的梯度磁場及射頻脈沖都會使人體生理功能發生不同程度的變化。靜磁場對人體的效應主要有溫度效應、磁流體動力學效應、心臟生物電改變及中樞神經系統效應等。有研究證明，靜磁場可以使心血管系統中的血液及其他流動體液產生生物學效應，如靜磁場能使血液中紅細胞沉積速度加快[67].雖然在 MRI 檢查過程中，上述現象并不會引發心功能不全，即無生物風險，但是，對原本患有心臟疾病的受檢者進行 MRI 檢查時，需要嚴密觀察患者狀態，時刻保持警惕以規避風險。