8 毫米波动物生物效应观察与研究摘要本文主要观察和研究8 毫米波辐照动物( 鼠) 产生的温升、损伤和应激活动由蟹守O首先构建8 毫米波的动物生物效应的实验平台该平台采用了国内较为先进的8 毫米波源，脉冲调制，平均功率约2 0 W ：使用卡塞哥伦天线可获得功率密度15 m W ／c m 2 平面毫米波，利用点聚焦透镜天线获得3 W ／c m 2 的高功率密度对离体皮肤组织实验研究表明，在高功率毫米波辐照下，组织失水较大利用考虑蒸发特征时间的热传导模型解释了实验温升曲线，解决了和一般常用的绝热传导方程计算结果不一致的问题活体小鼠在高功率密度8 毫米波( 3 ．5 4 W ／e m 2 ) 下暴露辐照3 0 s 的辐照剂量足以使小鼠致命；5 s 一2 5 s 的辐照剂量对小鼠皮肤有严重的烧伤，长时间可恢复小于5 s 的剂量对小鼠无特别的损伤，但可能有可恢复性脱毛发生解剖发现，H P M 辐照下的大鼠辐照部位的皮下组织充血严重在可自由活动下高功率密度8 毫米波( 印) P M ) 辐照小鼠，可迫使小鼠放弃觅食等效应，这种效应称之为驱散效应大鼠的驱散效应没有小鼠明显H D P M 辐照麻醉大、小鼠的体表温升研究表明，大、小鼠之间的温升没有明显差异，剃毛鼠的体表温升要比未剃毛鼠的要高稍许。
用不同的理论模型计算结果与实验温升曲线相比较，在辐照的早期( 16 s ，i ta g r e e s 埘Ⅱ1i n s u l a t e dc o n d u c t i o ne q u a t i o n ．T h et h r e s h o l d sf o rp r i c k l ep a i na n dp a i n —e n d u r a n c ea r ed i s c u s s e dr e s p e c t i v e l y ．T h ep o w e rd e n s i t y2 ．2 W ／c m 2 ( f o r3 s ) i st h ep r i c k l et h r e s h o l do fh u m a ni r r a d i a t e db y 8 m mw a v e ．7 W ／e r a 2 ( f o r3 s ) i sp a i n —e n d u r a n c et h r e s h o l d ．S o m ee l e m e n t a r yr e s u l t so fb i o - e f f e c t so f8m i l l i m e t e rw a v ew e r eo b t a i n e df r o mt h ee x p e r i m e n t sa n dt h et h e o r e t i c a ld i s c u s s i o n ．T h e s er e s u l t sC a ns e r v ef o rd e f e n s ea n db i o ．m e d i c i n ee n g i n e e r i n g ．K e yw o r d s ：8 - m i l l i m e t e rw a v e ，B i o —e f f e c t , T e m p e r a t u r ei n c r e a s e ，P r i c k l ep a i n ，D a m a g e ，D i s p e r s i o n ，B i o - h e a tE q u a t i o n第i i 页。
总i v 页学位论文独创性声明本人所呈交的学位论文是在我导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其它个人已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出重要贡献的个人和具体，均已在文中做了明确说明并表示谢意作者签名：学位论文使用授权声明日期：日本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学习有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文在解密后适用本规定学位论文作者签名：日期：能乱三l ’‘ 9 ．歹灯7 l 岛1 移jL 一导师签名：日期：毯匝毖 选阜：盥工! i ?／第一章绪论毫米波是3 0 G H z - - 3 0 0 G H z ( 相应波长1 0 n 1 1 1 1 一l m m ) 频段的微波，原始自然环境中较少存在，生物接触少，因而在进化过程中对其适应较弱，有较强的生物效应【l 】随着通讯等领域的发展，毫米波已经广泛存在我们现在的生活环境当中，对毫米波的生物效应近年来一直是生物医学工程、生物物理学等专业的关注重点。
最近，一系列国内外研究成果表明毫米波生物效应取得极大的进展，国外已经将某些成果应用在武器装备上【2 】【3 J 1 ．1 、毫米波生物效应的作用原理毫米波对生物效应为热效应，对动物作用，温升大于1 ℃，对于细胞和生物大分子系统作用温升大于0 ．1 ℃的效应称为热效应，反之，毫米波对生物系统只有极小的能量作用，温升不高，引发的生物效应称为非热效应毫米波对生物系统的作用，主要是通过对系统中水分子的作用，引起温度变化产生热效应[ 4 1 ，毫米波的频率极高，辐照的基本效应是对生物体的表面加热1 5 J 1 ．2 、毫米波生物效应技术的现状在国内外毫米波的研究中，由于毫米波器件研究的限制，国内一般研究用数十m W ／c m 2 大小功率密度的毫米波，国外，尤其是美国能够得到W ／c m 2 量级近些年在器件研究获得了很大的突破，美国已经能够得到1 0 0 K W 量级的9 5 G H z的毫米波源，在6 0 0 m 左右的距离可以获得1 ．8 W ／c m 2 的功率密度1 2 J 国内还没有开发出如此高功率、高频率的毫米波源，我们实验室在3 5 G H z 频段上获得了数W ／e r a 2 量级的功率密度。
1 ．3 、毫米波对皮肤系统的作用研究现状毫米波对生物的热效应的研究主要集中在对细胞、生物大分子、人体器官，如皮肤组织、神经系统等辐照效应方面，其中皮肤组织是毫米波作用的关键器官【6 】，对皮肤的辐照研究是毫米波动物效应的关键在功率密度较低时，会刺激皮肤表面的温热感受器，产生热感；在功率密度大于某个量值时，在皮肤层面上会产生一个温度梯度，在真皮层内的神经末梢感受到刺激会产生疼痛感不同频率的微波在皮肤表面产生的温感、疼感阈值各不相同一般来说，频率越高，微波的趋肤深度越小，微波的能量越集中在皮肤表面，产生温感、疼感的功率密度的阈值越小，如3 5 G H z 毫米波的3 s 热感阈值是8 ．8 ±1 ．3mW ／cm2 ，94G Hz 的毫米波的3s 热感阈值为4 ．5 ±0 ．6m W ／c m 2 左右【7 】如果要获得刺痛感，辐照3 s ，相应的毫米波的最低阈值的功率密度要在皮肤上产生温升大约为8 ．1 0 “ C t 引第l 页，总4 2 页毫米波对皮肤表面辐照时，低功率( 1 0 m W ／c m 2 ) 的毫米波长时间( 每天数小时，辐照1 5 天左右) 辐照会对动物的脑结构和学习记忆有影响【9 】【1 0 】，而高功率毫米波短时照射动物后，含水丰富、较薄的部位，如眼睛等在辐照后在几个小时内会坏死。
K e n n e t hR ．F o s t e r t l l J 等人用频率为3 5 G H z 和9 4 G H z ，功率密度2 —7 W ／c m 2 的高功率毫米波辐照灵长类动物角膜l - - 5 s ，实验表明角膜表面温度上升2 0 ℃时，角膜损伤不同的种类的辐照对象，低功率( 1 7 5 m W ／c m 2 ) 毫米波辐照体表的温升曲线有一定的区别如不同种类的动物皮肤表面的组织性质、血流灌注率、表面对流散热等将影响表面温升曲线，在高功率短时辐照下这些因素影响不大，所以温升曲线极其相似T h o m a sJ ．W a i t e r s [ 8 】的实验证实了这血流灌注在高功率毫米波短时辐照下可以忽略，但是低功率长时间辐照，血流灌注率是有影响的1 ．4 、毫米波作用的体表温升理论模型毫米波体表辐照温升的理论模型一般是采用P e n n e s 方程【1 2 1 K ．R ．F o s t e r [ 1 3 】等人将这个方程用于微波辐照有血流灌注和表面冷却的组织，得到了相关的解析解S t i k r t i0 z e n 等人【1 4 】用P e r m e s 方程解决表面绝热和对流散热的多层皮肤结构的微波辐照温升以及皮肤内的温度梯度，特别注意的是，在毫米波段，三层的皮肤模型可以简化为两层的皮肤模型。
现有的理论工作表明，在高功率辐照生物体，小于3 s 的作用时间内，表面温升实验测得值和绝热热传导表面理论模型计算值吻合得很好，但是低功率长时间的辐照，该模型计算与实验值相差较大，此时就需要考虑血流灌注等散热因素毫米波辐照的热感和疼感在不同的时间辐照下相应的阈值是不同的P e r eJ ．R i u 等人【1 5 】用一维的P e n n e s 方程理论分析了微波的热感阈值，微波辐射1 0 s 皮肤温度上升O ．0 6 到O ．0 8 ℃会有温感，如果在3 s 内产生温感皮肤表面温度要上升O ．0 2到O ．0 3 ℃文献[ 8 】中表明短时间内热传导方程还是和实验结果相吻合的，用热传导方程计算9 5 G H z 毫米波分别辐射1 0 s 、3 s 、l s 产生刺痛感( 体表温度3 4 ．0 ±0 ．2 ℃上升到4 3 ．9 士0 ．7 ℃时开始有刺痛感) ，相应的毫米波阈值分别为0 ．7 W ／c m 2 、1 ．5 W ／c m 2 、3 ．2 W ／c m 2 左右假设体表温度上升8 —1 0 ℃到达刺痛感阈值，我们用该方程也可以解出3 5 G H z 毫米波的刺痛阈值1 ．5 、毫米波在生物体表作用的生化一生理反应在高功率毫米波的辐照下，皮肤组织内的大量细胞会受损破裂，释放旷、K + 、C a + 、N a + 等离子以及N O 等自由基和P 物质。
这些物质与动物辐照反应之间的关系，以及由此产生的一系列生化一生理反应，是值得关注的文献【1 6 ] [ 1 7 1表明，一、K + 、C a + 、N a + 等离子和P 物质以及P 物质的后体一组胺等是刺激疼第2 页，总4 2 页痛感受器去极化产生疼痛的冲动的主要化学介质毫米波辐照动物所造成的疼痛效应，可以利用辐照部位组胺含量的变化来定量描述辐照的剂量和疼痛强度的关系，在一定阈值内，组胺含量的增加对疼痛的刺激作用越明显【l 引自由基对生理活动的调节是很重要的在毫米波辐照下自由基的生化一生理活动到底如何变化，N O 等自由基对在毫米波辐照下的生理作用是否有影响? 这个问题的研究还是值得进一步深入研究的有些文献报道【l9 】报告，毫米波具有远位效应，即毫米波作用于浅表，对远处的内脏、组织、细胞也造成影响和损伤远位效应是否是毫米波辐照生化一生理反应的一种体现，即：在体表产生的化学物质传递到体内对体内的脏器、组织、细胞刺激引起变化? 高功率的毫米波作用的远位效应是否会更明显? 这些问题是值得进一步探讨的1 ．6 、毫米波动物效应研究的意义文献[ 2 】[ 3 】表明在3 毫米波的生物热、疼效应基础上，美国将这项技术应用于军事和安全领域，开发了一种非杀伤性微波武器。
该武器系统通过发射高功率的3 毫米波，辐照在非法集会人员身上，产生超过刺痛阈值的剧烈的疼痛感，可使非法集会人员无法忍受，放弃企图，被迫逃离现场：同样也可对付胁持人质的恐怖分子，一定强度的高功率毫米波辐照可以造成极强疼痛，以至使恐怖分子和人质在很短的时间内无法耐受疼痛晕厥或者神志不清，但对人。