综述--磁场的生物学效应(以人为对象)

磁场的生物学效应(以人为对象)

摘要:磁场作用于生物体后产生一系列的生物学效应, 这种观点已被多年来的许多实脸所证实。早在1896年, 磁场对神经系统作用的研究就已被报道出来。后来, 磁场杭炎，促进骨生成，促进血管神经再生等作用相继被发现。近几十年来，关于磁场对生物体的作用，从流行病学调查到实脸室研究也都有了一定进展。如今，磁场的生物学效应研究已成为物理医学研究的热点。本文就近年来以人为对象的磁场生物学效应研究的热点与进展作一简要综述。

关键词: 磁场; 生物学效应

生物磁学是研究物质磁性和磁场与生物特性及生命活动之间相互联系相互影响的一门新兴边缘学科。随着研究的深入，磁场作用于生物的效应与机理有了新的更深刻的认识。

1 应用于生物处理的外磁场类型

不同磁场的类型及其物理参数（场强大小、均匀性、方向性、作用时间等）会导致不同的磁场生物效应。变化磁场又因频率高低不同、作用时间长短不一也会产生不同的生物效应。[1]

2 磁场基本的生物学特性

磁场能在机体内引起电动势而作用于机体，从而对生物体产生不同的生物学效应。这里所谓的生物效应包括正生物效应和负生物效应。磁场并非越大越好，也不是越小越好，而是特定的强度和作用时间会产生不同的效果，称为“窗口效应（window effect）”，而这个恰到好处的窗口是要靠不断的摸索才能找到的。

另外，生物是具有磁性的，从分子、细胞、组织器官中任一层次分析看，其体内都存在着顺磁性物质与逆磁性物质。每个生物细胞都可以看做一个微型电池，也可以看做一个微型磁极子。首先，体内存在着带电离子（表2），电荷运动产生磁场。其次，由于细胞膜内外各种离子具有不同的通透性，且分布不均匀，膜内外存在电位差，离子在细胞膜上离子通道中迁移时也会产生一定的生物电流。生物体的磁性、组成、种类、敏感性等同样会影响到生物学效应。

生物体内存在着顺磁性物质与逆磁性物质。顺磁性物质与磁场弱相吸引，在外加磁场作用下产生与外加磁场方向一致的磁场，比如脱氧血红蛋白等。逆磁性物质与磁场弱相斥，在外加磁场作用下产生与外加磁场方向相反的磁场，比如水和脂肪等。由于这种磁性，外加磁场、环境磁场和生物体内的磁场都会对生物组织和生命活动产生影响，即磁场的生物效应。

[2]

磁生物效应一般具有几个特点1）窗口性：生物体只对某一特定强度的磁场产生效应2）阈值性：磁场在某一范围内才能引起生物效应3）滞后性：生物体必须经过一段时间才能表现出相对应的磁场作用4）协同性：很弱的外加磁场能激发很强的生物响应。

3静磁场曝露限值导则（2009）国际非电离辐射防护委员会

工业用和医用静磁场技术的快速发展，导致人体静磁场曝露增加，并促进了许多对其可能产生的健康影响的科学研究。世界卫生组织（WHO）最近在环境健康准则项目（WHO 2006）中提出了关于静态电场和磁场的健康准则文献，文献包括对静场曝露生物效应的复核。[3] 1)曝露源

地球的自然静磁场约为50μT，根据地理位置不同在30~70μT间波动。较高的直流输电线下方产生的磁通密度量级为20μT。快速磁悬浮客运列车在靠近电动机处产生的磁通密度较高。然而，无论磁悬浮列车还是常规电气化列车，乘客车厢内的场强都相对较低——低于100μT，但是乘客车厢地板下的感应电机会导致车厢地板水平区域的局部磁场达几个mT（WHO 2006；ICNIRP 2008）。其他在居所和职业环境中的静磁场源包括磁夹扣和磁附件（如箱包、纽扣、磁性的项链和手链、磁性腰带、磁性玩具等中的）中的小型永磁体产生的局部静态场超过0.5 mT。

在磁共振过程中，磁通密度通常为0.15~3Ｔ，且曝露时间限制在１小时以内，但也可能会持续数个小时（Gowland 2005）。这类医疗过程同样会增加职业曝露，尤其是对医疗专业人士（外科医生、放射科医师、护士和技术人员）而言。在医疗专业人员必须非常近距离处理病人的紧急情况下，工作人员遭受的曝露也会增加。此外，当移动病人进/出MR系统时，工作人员也会遭受短时间的曝露。最后，参与制造或维修此类MR系统的工作人员也会职业性地曝露于高静磁场中。

诸如热核反应堆、磁流体动力系统、超导发电机等高能技术也会产生强场。在研究机构使用的气泡室、粒子加速器、超导光谱仪、同位素分离装置等设备的周围，也会出现高磁通

密度区域。会发生强磁场曝露的其他工业包括那些涉及例如生产氯或铝等电解工艺的行业，这些地方大部分工作日中的一般曝露为几个mT ，峰值曝露可达几十mT ；永磁体和磁性材料的生产行业也会发生强磁场曝露。 2)体内和体外研究

为检测生物体对磁通密度从几毫特至几特范围的静磁场的反应，人们进行了大量研究。 人体实验室研究

自1994版ICNIRP 导则（ICNIRP 1994）公布以来，已进行了许多评价非移动人体曝露在8T 以下静磁场中的生理和神经行为影响的研究。如图1。

图1 人体实验室研究的历史进展

总而言之，目前的信息不显示8T 以下静磁场的静止人体急性曝露会引起任何严重的健康影响。但是，应当注意到，在头部和躯干运动时，这样的曝露可能会引起诸如眩晕的不适感觉以及某些行为能力的暂时性下降。

流行病学研究

Chakeres 等

2003年

对各种生理参数进行评估的详细生理学研究，并未显示曝露于8T 以下静磁场会产生显著影响

Shellock 和Crues 1987年

8T 以下静磁场的志愿者曝露

Atkinson 等 2007

静磁场值为9.4T 的MRI 研究中得到确认心率和动脉舒张压也未出现变化

Kangarlu 等 1999

针对静止曝露于8T 以下磁场的人体的神经行为de Vocht 等 2003

7T ，曝露会对眼手协调和视觉对比敏感度造成暂时的负面影响，这与头部在磁场中Schenck 等 1992

曝露于约2-3T 静磁场的人在移动眼或头部时，会感觉到与在静态梯度磁场移动相关联的眩晕、恶心、金属味和磁致Glover 等 2007

与由运动产生的影响相比，固定立于磁场值~0.8TMRI 扫描机附近的人中，一部分（不到50%）人的姿势摇晃明显增加

2006b

一项针对从事1.0-1.5TMRI 设备生产的工人的研究表明，与对照组的人相比，在工作时段，参与MRI 生产的人报告眩晕和口中金属味以及注意力集中问题更加频繁

图2 流行病学研究的历史进展

总而言之，现有的为数不多的可用流行病学研究在研究方法上有很多制约，且在受长期静磁场曝露诱发癌症或其他后果的可能性上，还留有很多问题有待解决。这些研究未显示曝露于几十mT 静磁场对各种所研究的健康后果造成严重影响，但它们无法检测出较小乃至中等程度的影响。有可能受到更高静磁场曝露的其他职业—比如MRI 操作员—并未得到充分的评估。

3)曝露限值

针对职业曝露和一般公众曝露分别给出导则。建议导则中的职业曝露限值适用于日常或指定工作活动导致静磁场曝露的人员。“普通公众”的术语指的是整体人员。 静磁场职业和一般公众曝露限值建议见表2

Ellingsen 等

1993

针对瑞典和挪威氯碱厂工人的研究报告说，肺癌风险的增加达到了具有统计学意义的临界值，但不能证明是由磁场曝露造成的

Rockette 和Arena （1983）

铝业工人死亡率）略高于胰腺癌、泌尿生殖系统癌症和淋巴—造血系统癌症的预期死亡率

Kanal 等 1993

从事MRI 工作怀孕期间流产的风险略高于（不具有统计学意义）从事其他工作，显著高于家庭主妇。

R?nneberg 和Andersen 1995

在挪威，两个小规模的针对铝业工人的研究报告，与静磁场曝露推测相关的癌症风险没有增加

Mur 等人（1987）

进行的针对法

国铝业工人的研究提出，癌症死亡率和其他原因造成的死亡率与一般法国男性死亡率水平相比，并无明显区别

Spinelli 等人（1991）

在大量铝业工人中，存在脑肿瘤死亡率【标准化死亡率（SMR ）为2.2；90%置信区间（CI ）：1.2-3.7】的明显上升和白血病死亡率（但不是发病率）不太显著的上升

B?rregard 等人（1985）

进行了一项针对大量氯碱厂工人的研究25岁以上的工人中，观察到的癌症发病率与（正常的）预期相比并无显著不同

a ICNIRP建议，这些限值应在应用中视为空间最高曝露限值。

b 对于特殊工作情形，如果环境可控且已采取了适当的工作方法来控制由运动产生的影响，则最高达8T的曝露是合理的。

c 目前没有足够的证据证明曝露限值可超过8T。

d 因为可能存在间接负面影响，ICNIRP认识到，需要采取切实可行的政策来避免无意的有害曝露对（某些特定）人群造成伤害，这些人群包括体内植入了电子医疗装置、含有铁磁性材料的植入物，或是可能受到飞动的铁磁性物体伤害的人群，这一系列考虑会导致限值水平有很大降低，例如到0.5mT。

4 磁场的应用

1）强磁场

过去人们一般将实验室电磁铁不能达到的磁场，通常指磁场强度超过2T的磁场，称之为强磁场。2004年“国际纯粹与应用物理委员会”建议将场强超过20T的磁场定义为强磁场。随着强磁场技术和科学研究的发展，人们对强磁场的概念有了新的定义: 强磁场是指用于特定用途的利用所有技术和能力目前所能获得的最高磁场。根据强磁场持续时间的长短可分为稳态强磁场和脉冲强磁场，稳态强磁场指的是磁场强度恒定且具有任意长持续时间的磁场，脉冲强磁场持续的时间比较短，只有秒到毫秒、甚至微秒的时间。

目前国际上稳态磁场强度最高达到45T，可以重复使用的脉冲磁体产生的磁场强度已达到100T，持续时间达10 ms、单次使用即损坏的脉冲磁体产生的磁场强度甚至达到300T。[4]目前，依托9.4 T 研究平台已经开发了一系列可以用于高场磁共振功能成像与活体波谱研究的技术。在此基础上，主要开展基于高场磁振的脑结构功能图谱及神经递质的活体检测。中国科学院强磁场科学中心科研人员独立提出了一种导致组相位差异的机制，即水与生物大分子的交换所导致的频率变化，并将相位成像方法引入了人类新生儿髓鞘发育的研究中。研究结果表明，水与生物大分子的交换对组织相位成像的贡献约占三分之一左右。同时，在新生儿髓鞘发育的初期，相位成像方法可以将组织中生物大分子、组织铁、髓鞘等对相位信号的贡献区分开来，从而开拓了相位成像技术应用的一个新的领域，在临床上具有重要的意义与价值。[5][6]

2）太赫兹波

太赫兹波(Terahertz Waves, THz), 也称作T 射线通常是指频率范围在0.1~10 THz, 波长在3~0.03 mm(1 THz = 1012 Hz) 之间的电磁波。

对人体进行研究是在2005 年, Ostrovskiy 等人预测THz 辐射可能会加快烧伤修复。为证实假设,他们分别对表面烧伤和深度烧伤的病人进行THz 辐射。辐射参数为0.15 THz 和0.03 mW/cm2 , 每天进行7~10 次治疗, 每次15 min。结果表明THz 辐射能够加速外皮形成, 缩短了皮肤的修复时间。作者指出这种效应主要来自体内代谢产物一氧化氮(NO)对太赫兹的强烈吸收并有望成为烧伤治疗的有效方法[7]

3）磁悬浮列车

磁悬浮列车是一种靠磁悬浮力（即磁的吸力和排斥力）来推动的列车。由于其轨道的磁力使之悬浮在空中，行走时不同于其他列车需要接触地面，因此只受来自空气的阻力。

由于磁铁有同名磁极相互排斥、异名磁极相互吸引两种形式，故磁悬浮列车也有两种相应的形式：

一种是利用磁铁同名磁极相互排斥原理而设计的电磁运行系统的磁悬浮列车，它利用车上超导体电磁铁形成的磁场与轨道上线圈形成的磁场之间所产生的相斥力，使车体悬浮运行的铁路。另一种则是利用磁铁异名磁极相互吸引原理而设计的电动力运行系统的磁悬浮列车，它是在车体底部及两侧倒转向上的顶部安装磁铁，在T形导轨的上方和伸臂部分下方分别设反作用板和感应钢板，控制电磁铁的电流，使电磁铁和导轨间保持10—15毫米的间隙，并使导轨钢板的排斥力与车辆的重力平衡，从而使车体悬浮于车道的导轨面上运行。

4）MRI中电磁场对人体心脏的影响

人体在常用的梯度场和几千赫兹的切换频率条件下感应电流不足以引发心室震颤。然而，快速切换的梯度场会引发外周神经刺激，如果不加限制地发展可能会产生心脏刺激。目前的4GN 采用的技术指标引发的感应电流还不至引发心室震颤，但应注意的是，若提高梯度场的切换频率就可能会引发心室震颤。

5）电磁辐射与人体健康

过去的l0 年中，证明电磁场对人体有害的证据在不断增加。根据国外媒体的报道，至少已有35 项研究揭示了，从事与电器有关的职业的工人对于一些疾病有对应的易罹性。[9]

我们应该注意：

1.不要购买劣质家用电器。以手机为例，一部手机若要具备完备的电磁屏蔽，其所占成本为手机总造价的10％左右。部分厂家为了降低成本，很可能在电磁屏蔽上做了手脚。

2.树木对电磁能量有吸收作用。在电磁场区，大面积种植树木，使电磁波在媒介中的传播衰减，达到保护人体少受辐射的目的。

3.远离辐射源。电磁波对人的影响不仅与辐射频率有关，还与人和辐射源的相对位置有关。所以，如果人离辐射源位置越远，受到的辐射就会越弱。

参考文献

[1]周慧吉、马海乐、吴平，张赫男，食品加工中的磁致生物学效应的研究进展，食品科学，2014

[2]杨贞、沃兴德，磁生物学效应的研究进展，现代生物医学进展，2006年

[3]静磁场曝露限值导则（2009）国际非电离辐射防护委员会

[4]匡光力, 邵淑芳，稳态强磁场技术与科学研究，中国科学: 物理学力学天文学，2014 年

[5]Zhong K, Ernst T, Buchthal S, et al. The molecular basis for gray and white matter contrast in phase imaging. Neuroimage, 2008, 40(4):1561–1566

[6]Zhong K, Ernst T, Buchthal S, et al. Phase contrast imaging in neonates. Neuroimage, 2011, 55(3): 1068–1072

[7]何明霞、陈涛，太赫兹科学技术在生物医学中的应用研究，电子测量与仪器学报，2012 年6 月

[8]陶贵生、夏灵、何超明，MRI中电磁场对人体心脏影响的模型仿真研究，国外医学生物医学工程分册，2005年2月

[9]王进，无形电磁波：偷袭人的健康，走进科学，2010年03月