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浙江大学医学院浙江省生物电磁学重点实验室生物物理与医学工程研究组，浙江杭州 310058

[摘要]电磁医疗设备是指利用电场、磁场、电磁场实现医疗诊断和治疗的一类仪器、机器或设备。电磁生物效应包括热效应和非热效应，是电磁医疗设备开发的主要理论和审评依据。影响生物效应的物理因素有电磁能量、生物体电容率和磁导率。电磁热效应表现为当温度上升，细胞从无明显损伤、可逆损伤、不可逆损伤、凝固、干燥、碳化或汽化的变化，被应用于高频理疗、微波肿瘤治疗、射频消融、高频电刀等。非热效应是在电磁场暴露下，生物大分子、细胞、组织与器官、整体出现生化和生理反应，而生物体无明显温升，可以应用于心脏起搏、心脏除颤、体外碎石等。近年来，我国在电磁医疗设备领域开展了一些从基础到仪器的研究，开发了一些潜在的电磁医疗设备，如经皮给药电磁导入、经皮给药驻极体、不可逆电穿孔肿瘤治疗等。电磁医疗设备安全控制的有效手段是建立以人体健康为基础的电磁限值标准并执行。

[关键词]电磁医疗设备；生物效应；经皮给药；电磁导入；驻极体；不可逆电穿孔；电磁限值标准

0 引言

电磁医疗设备是指利用电场、磁场、电磁场实现医疗诊断和治疗的一类仪器、机器或设备，分为诊断和治疗两类，如心脑电图机、生物阻抗图仪、磁共振成像设备（Magnetic Resonance Imaging，MRI）等为诊断设备，心脏起搏器、除颤器、体外碎石机、微波治疗机、高频理疗仪、射频消融仪、高频电刀等为治疗设备。电磁生物效应有热效应和非热效应，是电磁医疗设备开发的主要理论依据。然而，许多电磁医疗设备在临床上有疗效，但作用机制不清楚，如电磁理疗机，这种状况限制了创新电磁医疗设备的开发和审评。因此，认识电磁医疗设备的生物物理与生物效应基础，对于开发电磁医疗设备具有重要意义。本文主要阐述电磁场的物理特性、原初作用、生物效应、医疗应用、安全限值等。

1 电磁场的物理特性

电磁场是电场、磁场和电磁场的总称。电场由带电电荷产生，是一种有源无旋场。磁场由流动的电流产生，是一种无源有旋场。电磁场由变化的电场与变化的磁场交替感应产生，是一种有源有旋场。电磁场频率范围是0到∞，其中0为静场(静电场或恒磁场)，3～3000 Hz为极低频电磁场，30 kHz～3 THz为射频电磁场。各种频率电磁场构成的电磁谱，见图1。

脉冲电磁场是潜在的治疗场，它的频谱是以一个主瓣加上一些旁瓣组成，见图2。

极低频电磁场的波长大于100 km，远超人体尺度，极低频电磁场生物效应的原初作用主要是场力的作用，生物体为暴露在电磁场中的电磁介质[1]。

生命的基本物质是蛋白质、核酸、酶等生物分子，生命的基本环境是K+、Na+、Cl-等离子溶液，生物分子和离子均是带电体，具有相互作用的库伦力。两个带电生物体相互作用的库伦力F大小为

其中，q1和q2是两个生物体的带电量，r是两个带电生物体的间距，ε是生物体的电容率。

同时，生物分子的结合是依靠电子的化学键，运动电子以及原子核自转都产生了磁场，具有相互作用的洛伦茨力。在磁场中生物体受到洛伦茨力F的大小为

其中，B为磁场的磁感应强度，Q为带电生物体电荷量，v为带电生物体运动速率。

生物组织中的细胞包含了K+、Na+、Cl-等离子，胞内正离子电荷中心与负离子电荷中心不重合使细胞成为电偶极子。当这种电偶极子暴露在外电场中，细胞产生极化，电极化强度P为

其中，E为外电场强度；ε0为真空的电容率；χe为生物体的电极化率。

蛋白质、酶、核酸、水等各种生物分子是依靠化学键结合在一起，化学键的电子运动使生物分子成为磁偶极子。当这种磁偶极子暴露在外磁场中，生物分子产生磁化，磁化强度M为

其中，B为外磁感应强度，μ0为真空的磁导率；χm为生物体的磁化率。

当生物体暴露在外电场E中，生物体被电极化，其内部的电场强度E′为

当生物体暴露在外磁场B中，生物体被磁化，其内部的磁场强度H为

电容率是衡量电介质对外电场电极化的响应，它关系到电介质传输（或容许）电场的能力。电极化有三个基本过程：原子核外电子云畸变极化、分子中正负离子相对位移极化和分子固有电矩转向极化。电介质相对电容率εr综合反映了这三种微观过程，是频率的函数εr(?)。在低频时，这三种微观过程均参与作用，εr是常数。随着频率增加，分子固有电矩转向极化落后于电场变化，εr复数为

其中，实部

随频率增加而下降，虚部

为介质损耗。损耗角δ为

电容率随频率变化的特性，称为电介质色散。生物组织具有这种介电色散特性，即电偶极子或电偶层弛豫造成介电损耗[2]。

磁导率是描述磁介质磁性的物理量，相对磁导率μr＞1为顺磁体，μr＜1为抗磁体。人体局部组织中（如脑）有Fe3O4一类的顺磁体，具有较高磁导率。

生物体作为电介质暴露在电场中，生物体内的电场能量密度we为

生物体作为磁介质暴露在磁场中，生物体内的磁场能量密度wm为

生物体内存储的电场能量和磁场能量不仅与电场强度E和磁感应强度B有关，而且与生物体的电容率ε和磁导率μ有关。因此，外电场E或磁场B，以及生物体的电磁特性ε和μ决定了生物体的电磁储能能力。

射频电磁场的波长在0.1 mm～10 km，长的远大于人体尺度，短的远小于人体尺度，电磁场的波动性是射频电磁场生物效应的主要物理因素。

LC振荡电路是电磁波的波源，如图3(a)所示。LC振荡使电感器L与电容器C之间的磁场能与电场能不断交替转换，振荡频率为LC振荡电路的固有频率

当电容器的两个极板向外开放，如图3(b)，外空间成为电磁介质，电容器的两个极板形成天线，被约束在电容器内的电场能向外辐射和传播，形成电磁波。生物介质中的电磁场符合Maxwell方程组：

其中E、D为电磁介质内的电场强度和电位移，B、H为电磁介质内的磁感应强度和磁场强度，q为高斯面包围的电荷量，jc为位移电流密度。电磁波的波函数为

其中，t为时间，x为空间，?为电磁波角频率。影响电磁波在电磁介质中传播的两个参数是相位常数

和波阻抗

电磁波是能量传播的一种形式，表征能量传播特性的功率流称为坡印廷向量S，与电磁波的电场E和磁场H关系是

坡印廷向量的大小是功率密度，单位W/cm2，常用于表示电磁辐射源的大小。

当入射电磁波

遇到具有两种不同波阻抗(Z1和Z2)界面时，一部分电磁波在界面上反射

另一部分波透射(Et=Et0)。界面的反射系数为

电磁波遇到生物体，在生物体界面上产生反射和透射，其中透射的电磁波被生物体吸收，是产生生物效应的主要成分。一般，用比吸收率（Specifc Absorption Rate，SAR）评价生物体吸收的电磁能量

其中，ρ为生物体的密度（kg/cm3），P为单位体积生物体吸收的功率（W/cm3）。

2 电磁生物效应

电磁生物效应分热效应和非热效应两种，这种分类源于50年代关于电磁辐射职业卫生危险因素的研究。前苏联医学科学院工业卫生与职业病研究所提出非热效应学说，美国空军航空医学院放射生物系提出热效应学说。这两种生物效应在电磁医疗设备都有应用。

（1）欧姆热：是指由电流通过生物组织而产生的热，其电流与生物组织阻抗符合欧姆定律。生物组织的阻抗为

其中，

为有功功率，由生物组织电阻RT消耗电场能生热，是欧姆热的主体部分。

为无功功率，是交变电流在生物组织电抗XT储存的电磁能，不消耗能量。根据焦耳-楞次定律，生物组织产生的热量

其中，t为时间。生物组织具有阻抗频谱特性（Impedance Spectroscopy），电阻RT和电抗XT随加载电流频率的变化具有显著变化，因此，高频电流通过生物组织，电阻RT减小，产生的热量也降低。反之亦然[3]。

（2）辐射热：是指由电磁波辐射导致生物组织产生的热，其辐射出射度符合Planck’s定律：

其中，f为电磁辐射频率，T为生物体温度，c为光速，h为Planck常数，k为Boltzmann常数。

（3）电涡流热：是指暴露在变化磁场中导体内部发生电磁感应而由感应电流产生的热。如果导体的电阻率小，则感应电流强，产生的热量就大。植入式医疗器械，如血管支架暴露在交变磁场下会对电磁安全产生影响。

生物体的热效应表现在细胞对热的反应，随着温度的上升，细胞热效应可以是无明显损伤、可逆损伤、不可逆损伤、凝固、干燥、碳化或汽化等，见表1。利用细胞热效应可以实现医学应用，如高频理疗、微波肿瘤治疗、射频消融、高频电刀等。

表1 细胞热效应

微波热疗是继手术、化疗、放疗、生疗后的另一种肿瘤治疗方法，1985年获得美国FDA的批准。癌组织具有高结合水、高热敏性、低血流量性。一般地，癌组织高结合水更容易吸收微波辐射能量而使组织温度升高，并且癌组织温度高于周边正常组织5～10 ℃。癌细胞在41～43 ℃死亡，而正常细胞只受到可逆损伤。癌组织中的血流量仅为正常组织的2%～15%，热传导低。因此，在微波肿瘤治疗中，温度控制在42.5～43.5 ℃，加热时间60～90 min，可以消杀癌细胞而不损伤正常组织。细胞的热耐受性可以保护高温条件下正常细胞。热耐受的产生和消失与每次加热温度和时间有关，通常加温后4 h细胞热耐受开始出现，16 h达高峰，48～72 h后逐渐消失。因此，微波肿瘤热疗需要每周做2次。

射频消融有心脏射频消融和肿瘤射频消融。心脏射频消融是将电极导管经静脉或动脉送入心腔特定部位，通过475 kHz射频电流产生欧姆热使局部心内膜及心内膜下心肌凝固性坏死，达到阻断心律失常异常传导或心电起源点治疗目的。肿瘤射频消融是将电极导管送入肿瘤部位，通过射频电流产生欧姆热使肿瘤组织温度超过60 ℃，迅速发生蛋白变性并凝固坏死，达到治疗肿瘤目的。通过调节射频电流的能量可使损伤组织控制1～3 mm，不造成正常组织的损伤。射频消融已经成为根治阵发性心动过速最有效的方法。

高频电刀是一种手术外科器械。当电流通过人体组织，在组织上产生的瞬间巨大欧姆热聚集使组织细胞干燥、碳化、汽化一系列生物效应，组织产生了分离、凝固、封闭。由于组织切割后血管切口被瞬间封闭，因此，电刀切割后组织不出血。电刀刀头电荷密度高，有高电场强度和电流密度，并且皮肤组织电阻高于其它组织，电刀刀头的电流引起欧姆热较大，组织容易被分离。

表1表明各种温度对细胞有不同程度的损伤，它可以为治疗带来有益的正作用，也为安全风险带来副作用。采用控制电磁能量的方法来控制释放到生物体的热量，实现各种医学治疗目的是电磁医疗设备的关键技术之一。

电磁生物非热效应是在电磁场暴露下，生物体无明显温升所产生的生物反应，这种效应包括电磁场原初的生物物理反应、由生物物理导致了生物化学和分子生物反应、由生物化学和分子生物反应导致了细胞反应、由细胞反应导致了组织和器官反应、由组织和器官反应导致了生物整体的生理和健康反应，具有强烈的因果性[4-5]。

细胞是生命的最小单元，是具有生命特征和功能的系统，电磁环境的细胞系统模型描述了电磁场与生物系统相互之间的关系[6]。许多物理现象存在于生物系统，如开放系统的热力学熵特性、孤波耦合、连贯性等在不同层次均有体现，不同量子物理影响包括隧道、纠缠、“闪烁”质子和电子等。电磁场力使核酸、蛋白质、离子等物质发生了相互作用，电磁能量使分子的化学键、电子的能级变迁产生新的化学物质，如自由基。无论是波长远大于生物体自身尺度的极低频电磁场，还是波长与生物体自身尺度相近的射频电磁场与生物体相互作用最初是电磁能量的吸收启动了生物反应[7]。活性氧自由基（Reactive Oxide Species，ROS）是一种电子配对缺失的活泼化学物质，利用实时电磁场细胞暴露系统[8]，可以观察到电磁场与ROS的因果关系，见图4[6]。可以认为生物体在接受外源电磁场能量之后，生物体最初的生物物理反应是ROS[9]，ROS成为电磁生物效应因果链的第一级[10]，是电磁场原初作用的重要标志物[11]。

图4 电磁场扰动海马神经元胞内ROS实时响应

Ca2+是生物机体各项生理活动不可缺少的离子，它对于维持细胞膜两侧的生物电位、维持正常的神经传导、维持正常的肌肉伸缩与舒张以及神经－肌肉传导、维持一些激素的作用机制具有重要作用。它还是重要的第二信使，起到把胞外信息传递到胞内发生后续生物效应。研究表明无论是电场或者磁场激励，胞内Ca2+实时相应这些场的激励，并且胞内Ca2+水平发生变化[8]，见图5。

图5 电磁场扰动海马神经元胞内Ca2+实时响应

生物磁效应的主要原理是在分子上磁力直接相互作用，这种作用有两种机理：① 在一个统一场中物质的旋转运动，直到达到最低能量状态；② 平移力施加在磁场梯度上的顺磁体或铁磁体。对一些生物，如含磁铁颗粒链的细菌成为磁偶极子，磁场在磁偶极子上施加转矩。一些含铁分子，如转铁蛋白，在细胞表面具有特定受体，以及含亚铁血红素蛋白在细胞膜结合受体到酶上[12]。

弱磁场（＜1 mT）包含的能量不足以补偿布朗运动的随机分子热扰动[12]。拉莫尔进动对运动、细胞器或细胞的作用也许放大了弱磁场的生物效应。在物理上，结合蛋白质的离子可视为受约束的离子振荡器，在静磁场中将以拉莫尔进动频率在垂直于磁场的平面上运动。这个运动将持续与热力叠加，最终从结合位点分离出这个振荡器。

非热效应在电磁医疗设备中有心脏起搏、心脏除颤、体外碎石等应用。

3 国内几个潜在的电磁医疗仪器

经皮给药是口服、注射之外的另一种给药方式。自然状态下，外源药物不能渗入皮下，需要用物理或者化学方法将药物导入皮下。经皮给药电穿孔是脉冲电场施加在皮肤上，使皮肤角质细胞脂质层产生瞬时可逆亲水性通道，促进药物渗入皮下的物理方法。我们在效应学、形态学、转运理论和仪器等方面开展了研究。

（1）形态学：研究了高压脉冲电场对人皮、蛇皮和皮肤刺激的影响[13]。

（2）效应学：研究了盐酸丁卡因[14-15]、萘普生[16-17]、双氯芬酸钠[18]、替硝唑[19]、胰岛素[20]、美托洛尔[21]等药物的经皮渗透。

（3）转运理论：研究了经皮给药系统的热力学模型[22]、唯象理论[23]、非平衡态特性[24]、能量原理[25]，认识到开发低能电穿孔经皮给药技术更有实际意义[26]。

（4）仪器：开发了经皮给药电穿孔仪原型机[27]，分析了原型机的特性[28]，以及提高性能的双源推挽功率和电磁隔离两个关键技术[29]。

驻极体是一种具有持久极化，储存空间电荷和极化电荷的固体电介质，并且周围空间保持有电场。驻极体有外场效应、内场效应、微电流效应和生物效应。外场效应和微电流效应可以用于调节、控制神经信号的产生、思维过程、生物记忆的再生、细胞组织的电解调节、疾病的发生等[30]。利用驻极体产生的静电场和微电流使皮肤角质层脂质双分子层产生可逆的瞬时性孔道以及皮肤附属器孔道扩张提高皮肤的物质转运导通率。第二军医大学江键教授聚丙烯（PP）/多孔聚四氟乙烯（porous PTFE）/聚乙烯（PE）单膜或复合膜在胰岛素、环孢素A等药物的经皮渗透开展了动物研究。

PP/PTFE/PE单膜或复合膜具有良好电荷储电稳定性，是促进药物透皮吸收的良好驻极体[31]。动物实验研究表明双极性驻极体不改变胰岛素自身的结构，透过胰岛素溶液后其电荷储存能力较优[32]，正驻极体具有提高胰岛素的降糖效果[33]并且表皮细胞排列松散，有利于大分子药物的经皮转运[34]；正驻极体可引起环孢素A极化，实现可控释放[35]；负正驻极体可促进美洛昔康的经皮渗透[36]，对皮肤超微结构物影响[37]；PTFE/PE/PP复合膜对利多卡因有促进作用[38]。

电穿孔是一种高压脉冲施加在细胞膜上，使细胞膜脂质双层分子产生瞬时可逆亲水性孔道的技术，用于细胞转染、细胞融合的生物技术。这种孔道的特点是可逆，即脉冲电场撤出后，细胞膜恢复原状，不受损伤。2002年，重庆大学孙才新院士[39]提出高压电脉冲可使细胞膜出现不可逆破裂导致细胞死亡的不可逆电穿孔肿瘤治疗技术，姚陈果教授对此在细胞、组织、动物、模型、仪器等方面进行了大量深入的研究。

（1）细胞：以卵巢癌[40-41]、肝癌[42]细胞等肿瘤细胞为对象，研究细胞凋亡。

（2）组织：以肝脏[43]、黑色素瘤[44]等组织为对象，研究不可逆电穿孔的消杀效果。

（3）动物：以裸鼠[44]、兔[45]等动物为对象，研究陡脉冲电场下组织阻抗的变化。

（4）电场理论：研究陡脉冲电场下线粒体膜电位[46]、细胞膜[47-48]等的模型与仿真，揭示陡脉冲电场下细胞的电学特性。

（5）仪器：开发了陡脉冲肿瘤治疗仪原型机[49]，发明了LC网络脉冲技术实现高压纳秒脉冲[50]，Marx发生器实现高压皮秒脉冲[51]，以及脉冲辐射聚焦天线[52]。

近年来，国外也兴起了不可逆电穿孔肿瘤治疗技术，称为纳米刀，并且进步很快。2011年，FDA批准了Angio Dynamics公司制造的Nami-Knife可应用于临床[53]，我国在做引进前的动物实验[54-55]，香港做了临床应用[56]。

4 电磁安全控制

电磁医疗设备在给诊断和治疗带来利益的同时，也有副作用。2012～2015年间，国家食品药品监督管理局（State Food and Drug Administration，SFDA)发出过关于低频电磁治疗设备、体外除颤器、电磁波治疗仪、植入式心脏起搏器、微波治疗仪、中频治疗仪、高频电刀等的《医疗器械不良事件信息通报》，主要伤害有皮肤过敏、烫伤、灼伤、刺痛、疼痛、肌肉麻木等[57]。MRI也出现电磁安全问题，美国食品药品监督管理局（Food and Drug Administration，FDA）发出过MRI检查导致带动脉夹患者死亡的警告（Alert）[58]、带植入性神经刺激器患者伤害的通告（Notifcation）[59]、带金属背衬经皮给药帖片患者带来灼伤的通告[60]，ECRI也报导过MRI引起的三度烧伤[61-62]，我国也有MRI引起人体伤害的个例报导[63-64]。

电磁医疗设备是基于电磁能量的释放与控制达到疾病治疗和控制的目的，无论是热效应还是非热效应都会对人体产生有利作用和有害作用，有害作用需要加以控制，即安全控制。控制的有效手段是建立以人体健康为基础的电磁限值标准及其执行[65]。电磁暴露限值标准有两类，一类是针对人类健康的环境卫生标准，另一类是针对医疗器械产品的产品标准。这两类标准的执行机构是不一样的，但是制订标准的生物学原理是一致的，都是基于电磁场的生物效应，有相互参考性。

国际非电离辐射防护委员会（International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection，ICNIRP）是一个专业制订电磁限值的国际非政府组织，其指南被世界各国广泛采用。ICNIRP有一个0～300 GHz的电磁限值标准[66]，2010年，对1～100 kHz部分进行了修改[67]。国际电子与电气工程师协会（Institute of Electrical and Electronic Engineers，IEEE）有极低频[68]和射频[69]两个标准。我国2014年对原卫生标准和环境标准作了合并，对1～300 GHz的电磁限值作了规定[70]。ICNIRP和IEEE标准没有特别指出对医疗设备的适用性，而我国的标准明确不适用医疗设备[70]。

美国医疗器械与放射健康中心（Center for Devices and Radiological Health，CDRH）是FDA的官方审评机构，医用磁共振成像设备（MRI）审评采用CDRH标准。MRI产品普遍采用国际电工委员会（International Electrotechnical Commission，IEC）标准[71]。我国MRI是行业标准，等同采用IEC标准[72]。ICNIRP和IEEE有专门针对MRI的电磁限值标准[73]，但以参考为主。总体上认为MRI的静磁场限制在4 T，全身射频场限制在2 W/kg，梯度场限制在20 T/s是安全的。

5 结语

电磁医疗设备在临床上有很多应用，尤其是治疗设备。电磁生物效应是开发电磁医疗设备的理论和审评依据，开展电磁生物效应及其机理研究对开发电磁医疗设备具有重要意义。

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Biological and Physical Principles and Applications of Electromagnetic Medical Devices

Abstract：Electromagnetic medical devices refer to a category of equipment used for medical diagnosis and treatment by utilizing electric field,magnetic field,or electromagnetic field.Electromagnetic biological effects including the thermal effects and non-thermal effectsare the main principle and the bases of assessment for innovative electromagnetic medical devices.Physical factors influencing the biological effects include electromagnetic energy as well as permittivity and permeability of organisms.Thermal effects are evidenced by temperature rise.The cells do not suffer from obvious injury,such as the reversible and/or irreversible damage injury caused by the process of coagulation,drying,carbonization or vaporization,which make it able to be applied in high-frequency therapy,microwave tumor therapy,radiofrequency ablation,electric surgery,etc.Non-thermal effects is evidenced bybiochemical and physiological response in the molecules,cells,tissues,organs and body with no temperature rise in the organism when exposed to the electromagnetic field,which can be applied to pacemakers,heart defibrillation,extracorporeal shock wave lithotripsy,and so on.In recent years,research has carried out in both the basic principles and equipment of electromagnetic medical devices.Some electromagnetic medical devices were developed,such as electromagnetic-phoresis apparatuses,transdermal drug delivery,and irreversible electroporation tumor therapy.Effective means of safety control of electromagnetic medical device is to establish the electromagnetic limit standard and to implement according to the standard based on human physiological integrity.

Key words：electromagnetics medical device;biological effects;transdermal drug delivery;electromagnetic-phoresis;electret;irreversible electroporation;electromagnetic limits tandard