IEEE標(biāo)準(zhǔn)C 95.6－2002

6.基本原理

6.1 激勵(lì)的閾值：強(qiáng)度－持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度－頻率的法則

引起電刺激過程的參數(shù)是可激勵(lì)細(xì)胞膜（神經(jīng)或肌肉）（Reilly [B75 ]）的去極化。細(xì)胞靜止電位被一個(gè)外施電刺激的改變，取決于環(huán)繞可激勵(lì)組織的媒質(zhì)中的電場(chǎng)（并行于細(xì)胞長(zhǎng)軸的場(chǎng)分量），或是等值地取決于細(xì)胞外部電位的改變。評(píng)價(jià)電刺激需要電場(chǎng)或電場(chǎng)空間梯度的知識(shí)。當(dāng)然，電場(chǎng)能夠從電流密度中利用比例J∕σ予以導(dǎo)出，這里σ是媒質(zhì)的導(dǎo)電率。但是根據(jù)電流密度的標(biāo)準(zhǔn)而不是生物組織內(nèi)的電場(chǎng)引進(jìn)了一個(gè)額外的參數(shù)，*會(huì)在導(dǎo)出電場(chǎng)時(shí)本身已經(jīng)存在的不確定性以外，引進(jìn)一個(gè)不確定性，因此本文采用生物組織內(nèi)的電場(chǎng)作為本標(biāo)準(zhǔn)的基本量度。

規(guī)定單相刺激波形閾值所對(duì)應(yīng)的生物組織內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度－持續(xù)時(shí)間曲線，是由兩個(gè)參數(shù)所規(guī)定：*小（基強(qiáng)度）激勵(lì)閾值Eo以及強(qiáng)度－持續(xù)時(shí)間的時(shí)間常數(shù)τe。Eo和τe的數(shù)值對(duì)神經(jīng)激勵(lì)、肌肉激勵(lì)和突觸活動(dòng)的改變都是相當(dāng)?shù)夭煌?。?列出構(gòu)成這些標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)的Eo和τe中值閾值的取值。峰值電場(chǎng)的閾值可從表6和方程式（3a）與方程式（3b）得出確定如下：

表6  已確認(rèn)的作用閾值的模型：在生物組織內(nèi)電場(chǎng)的中值閾值a,b

a. 表的解釋如下：對(duì)tp≥τe， Ei＝E0；對(duì)tp≤τe，Ei＝E0（τe∕tp）；

又，對(duì)f≤fe，Ei＝E0；對(duì)f≥fe，Ei＝E0 （f∕fe）。

b. 從Reilly [B75]中采用。

c. （V∕m－pk）指電場(chǎng)的短時(shí)峰值。

      Ei＝E0               對(duì)tp≥τe                                       （3a）

      Ei＝E0（τe∕tp）      對(duì)tp≤τe                                       （3b）

這里 tp是Ei波形的相持續(xù)時(shí)間。

作為替代，限值也要按正弦形頻率來確定，如式（4a）、式（4b）、式（4c）所示：

      Ei＝E0               對(duì)f≤fe                                         （4a）

      Ei＝E0 （f∕fe）        對(duì)f≥fe                                         （4b）

      fe＝1∕（2τe）                                                        （4c）

關(guān)系式（4c）已使用有髓鞘神經(jīng)的理論模型 [B75]來確定。因?yàn)橐准?lì)組織的非線性電動(dòng)力學(xué)，方程式（4c）與從線性系統(tǒng)所得的關(guān)系式τ＝1∕（2πf）有所不同。

神經(jīng)激勵(lì)的閾值遵循一條U形曲線，在約10Hz處具有一個(gè)低頻上拐點(diǎn)，以及在頻率fe處具有一個(gè)高頻的上拐點(diǎn)。在較高和較低轉(zhuǎn)折頻率之間的平穩(wěn)段是基強(qiáng)度。理論的模型提出場(chǎng)強(qiáng)度－持續(xù)時(shí)間的時(shí)間常數(shù)和高轉(zhuǎn)折頻率存在關(guān)聯(lián)fe＝1∕（2τe）（Reilly [B75],[B77]；Reilly和Diamant [B79]）。低頻上拐出現(xiàn)在生物組織內(nèi)正弦波形下，該波形從零交叉點(diǎn)處始動(dòng)，因?yàn)檎倚蔚木徛仙试试S神經(jīng)適應(yīng)刺激，該特征在正方形波的刺激中、或是在峰值處始動(dòng)的正弦形波所沒有的?？紤]到*壞的情況，感應(yīng)場(chǎng)的波形假設(shè)在峰值時(shí)始動(dòng)。由于在影響到本標(biāo)準(zhǔn)的頻率上，感應(yīng)場(chǎng)正比于環(huán)境場(chǎng)的導(dǎo)數(shù)（微分）這個(gè)假設(shè)等同于假設(shè)一個(gè)環(huán)境場(chǎng)始動(dòng)在零交叉點(diǎn)上。在fe之上，閾值具有到一個(gè)正比例于頻率的坡度。

對(duì)一個(gè)給定的刺激持續(xù)時(shí)間，單相的正方形波電流提供電刺激的*低閾值。短暫的雙相電流波形一般具有較高的激勵(lì)閾值。由于雙相電流的反向，在相持續(xù)時(shí)間變得較短時(shí)（也即是，事件的頻率含量較高時(shí)），閾值的增加變得較大。然而，對(duì)重復(fù)的雙相波（舉例，一個(gè)重復(fù)的正弦波），閾值變?yōu)榻朴谙嗤喑掷m(xù)時(shí)間的單個(gè)單相方形波的數(shù)值（Reilly [B75]）。結(jié)果是，適合于單相方波刺激的閾值建立的較低限值，已經(jīng)應(yīng)用到相同相持續(xù)時(shí)間的雙相波上。對(duì)于單個(gè)雙相短暫時(shí)間的事件，激勵(lì)的閾值可能高于單相刺激的閾值，因此這個(gè)方法是保守的。然而，在本標(biāo)準(zhǔn)的頻率范圍內(nèi)，保守的程度是很小的。

6.1.1 神經(jīng)的激勵(lì)

神經(jīng)和肌肉的激勵(lì)需要膜靜止電位約為10－20mV的去極化─確切的量取決于刺激的波形和其他的因素。在一個(gè)局部恒定的電場(chǎng)區(qū)域中，激勵(lì)在神經(jīng)末端，或在經(jīng)歷一個(gè)快速彎曲處始發(fā)，例如可能發(fā)生在運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的端板處，或是感覺的感受器處（Reilly [R71]，[75]）。在這些情況下，激勵(lì)的閾值與神經(jīng)軸突的直徑成反比例。

在本標(biāo)準(zhǔn)中，已經(jīng)作出假設(shè)：纖維直徑是在人體內(nèi)所發(fā)現(xiàn)纖維尺寸分布的外部界限上。相應(yīng)地，對(duì)周邊的神經(jīng)假設(shè)*大的直徑是20μm，而對(duì)CNS神經(jīng)元為10μm。對(duì)20μm和10μm神經(jīng)纖維的刺激，理論的模型各別地預(yù)示為E0＝6.15V∕m 和12.3 V∕m，以及對(duì)每種纖維尺寸τe＝128μs（Reilly [B75]）。

這些數(shù)值很好地符合于實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)。對(duì)磁場(chǎng)刺激報(bào)告的τe 中值實(shí)驗(yàn)數(shù)值在 146－152μs的范圍內(nèi)（Barker及其同事[B4]；Bourland及其同事[B13]；Mansfield和Harvey[B59]）；雖然較大的數(shù)值也已經(jīng)有所報(bào)告（Bourland及其同事[B16]；Havel[B39]；Nyenhuis及其同事{B66}）。接觸電流刺激的τe數(shù)值包括相當(dāng)寬的范圍，其中包含磁場(chǎng)刺激所觀察到的數(shù)值。

為確定基本限值，保守地假設(shè)一個(gè)小的τe而不是一個(gè)大的τe。所以，表6采用τe＝149μs的數(shù)值，是上述較低實(shí)驗(yàn)數(shù)值的平均值。理論數(shù)值E0＝6.15 V∕m是考慮健康成人閾值分布的中值。雖然缺少適當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，但E0已有充分?jǐn)?shù)據(jù)表明，提出這個(gè)假設(shè)是合理的。在感應(yīng)的電場(chǎng)可確定的場(chǎng)合下，前臂脈沖磁場(chǎng)刺激的基強(qiáng)度被發(fā)現(xiàn)是5.9 V∕m（Havel及其同事 [B39]）。此外，采用假設(shè)的基礎(chǔ)的神經(jīng)激勵(lì)6.15 V∕m，正確地復(fù)制出成人釋放電流閾值的分布（Sweeney [B94]）。而且，用E0＝6.15 V∕m計(jì)算出的脈沖磁場(chǎng)刺激的激勵(lì)閾值，合理地與實(shí)驗(yàn)室所確定的閾值相一致（第6.3節(jié)）。

激勵(lì)骨絡(luò)肌肉*敏感的方法是通過（刺激它的）運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的電刺激。所以，肌肉刺激的閾值遵循對(duì)神經(jīng)激勵(lì)的閾值。對(duì)此的例外發(fā)生在心臟的刺激上，如下列所述。

6.1.2 心臟的激勵(lì)

心臟激勵(lì)，是指涉及心臟收縮的電刺激。與神經(jīng)激勵(lì)的法則一樣，遵循強(qiáng)度－持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度－頻率法則，除非是很大的τe數(shù)值（較小的 fe數(shù)值）。實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)指出τe取決于刺激的聚集度（限制于小的部位）。對(duì)小部位刺激，如靠近易激勵(lì)組織的一個(gè)小的電極，時(shí)間常數(shù)可能比刺激是更分散時(shí)小得多，例如磁感應(yīng)在生物組織內(nèi)的電場(chǎng)。已經(jīng)假設(shè)S－D（強(qiáng)度－持續(xù)時(shí)間）時(shí)間常數(shù)τe＝3 ms，它應(yīng)用到大型接觸電極或是心臟組織的分散刺激；已經(jīng)假設(shè)E0＝12 V∕m是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出的激勵(lì)中值基強(qiáng)度（Reilly [B73],[B75]）。

心臟的激勵(lì)并不必然地是有害的，雖然心室纖維性顫動(dòng)（VF）是一種嚴(yán)重威脅生命的狀況。對(duì)VF的*低閾值典型地超出那些帶有50倍或更高安全因子的激勵(lì)閾值。然而，如果心臟反復(fù)地受到激勵(lì)，VF的閾值下降，如果在心博周期內(nèi)易損時(shí)段上施加了刺激，可能會(huì)使VF與激勵(lì)閾值之間的安全因子降低到為2。

心臟的激勵(lì)在大多數(shù)情況下將不是一個(gè)曝露的問題，因?yàn)殡S著軀干的曝露，周邊神經(jīng)激勵(lì)將成為優(yōu)先限制。然而，在造成心臟周圍強(qiáng)感應(yīng)場(chǎng)的非均勻曝露的特殊情況下，可想象到的會(huì)需要應(yīng)用心臟激勵(lì)準(zhǔn)則。

6.1.3 突觸活動(dòng)的改變

有鑒于神經(jīng)細(xì)胞需要約15－20mV的膜去極化、來起動(dòng)一個(gè)動(dòng)作電位；突觸前膜電位變化小于1mV或可能小到60μV時(shí)可能影響到突觸過程，如同在視網(wǎng)膜中突觸的電激勵(lì)（Knighton[B53]、[B54]）——低于*小神經(jīng)激勵(lì)閾值的250倍。因此，對(duì)神經(jīng)與施加電刺激的相互作用、突觸是一個(gè)潛在性的敏感部位。突觸的一個(gè)重要性質(zhì)是：在突觸前電位中的一個(gè)相對(duì)很小的改變能夠在突觸后電位上具有非常大百分比的變化（Katz和Miledi[B50]）。因?yàn)橥挥|后的細(xì)胞會(huì)相加從幾個(gè)細(xì)胞來的突觸前的輸入，突觸前電位的很小變化能夠具有顯著的突觸后影響，而且可以或是抑止性的、或是激勵(lì)性的，即是，可能造成一個(gè)神經(jīng)元的激勵(lì)（否則是不會(huì)激勵(lì)的），或是可能抑止一個(gè)神經(jīng)元的激勵(lì)（否則是會(huì)激勵(lì)的）。

突觸極化影響的一個(gè)例子是歸屬到（起因于）電的和磁的光幻視現(xiàn)象，這些是施加于頭部的電流或磁場(chǎng)而造成的視覺影響（Adrian[B2]；Barlow[B5]、[B6]；Baumgart[B7]；Bergeron及其同事[B10]；Budinger及其同事[B19]；Carstensen[B21]；Clausen[B24]；Loevsund及其同事[B57]、[B58]；Silny[B92]）。實(shí)驗(yàn)室的證據(jù)提出光幻視是在視網(wǎng)膜的接受器和神經(jīng)元中突觸電位的改變所造成（Knighton[B53]、[B54]； Loevsund及其同事[B57]），而不是光神經(jīng)或視覺皮質(zhì)的激勵(lì)，雖然視覺皮質(zhì)刺激產(chǎn)生的視力感覺已經(jīng)被證實(shí)具有足夠強(qiáng)的刺激（Brindley和Lewin[B17]；Brindley和Rushton[B18]；Ronner[B83]）。

使用從磁光幻視而來的數(shù)據(jù)（Loevsund及其同事[B57]、[B58]），用頭部的橢圓模型計(jì)算（見附錄B），在頭部相應(yīng)的感應(yīng)電場(chǎng)在*敏感的試驗(yàn)頻率（20Hz）上是0.079V∕m-rms。在電的相互作用認(rèn)為是發(fā)生的視網(wǎng)膜上，其計(jì)算的場(chǎng)是0.053V∕m-rms。假設(shè)腦的導(dǎo)電率是0.15 S∕m時(shí)，這與在視網(wǎng)膜上由電光幻視所決定的電流密度閾值0.008A∕m2是一致的（Loevsund及其同事[B58]）。相應(yīng)于光幻視感覺的內(nèi)部電場(chǎng)，在*優(yōu)化的頻率上比神經(jīng)元刺激的基強(qiáng)度閾值低約100倍。

實(shí)驗(yàn)室的強(qiáng)度－持續(xù)時(shí)間數(shù)據(jù)顯示出：對(duì)在顳颥（鬢角）上使用電極的光幻視的τe大約是14 ms（Baumgart[B7]；Bergeron及其同事[B10]），以及對(duì)在蛙眼中電氣誘發(fā)電位的τe是在14－36 ms范圍之內(nèi)（Knighton[B53]、[B54]）。這些數(shù)值與上述的光幻視數(shù)據(jù)相當(dāng)一致，但卻比周邊神經(jīng)的相應(yīng)數(shù)值大約100倍。

在外施電場(chǎng)對(duì)突觸極化的影響方面，只存在相對(duì)較少的數(shù)據(jù)?？紤]數(shù)據(jù)供應(yīng)的不足，根據(jù)可得到的突觸影響實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，并假設(shè)其與神經(jīng)激勵(lì)特性相似，作出了合理的假設(shè)。這些特性的一個(gè)分類涉及到強(qiáng)度－持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度－頻率的特性。平均的強(qiáng)度－持續(xù)時(shí)間的時(shí)間常數(shù)對(duì)突觸影響是τe＝25 ms。使用對(duì)神經(jīng)激勵(lì)所指明的關(guān)系曲線，fe＝20 Hz的強(qiáng)度－頻率常數(shù)預(yù)期超出在生物組織內(nèi)電場(chǎng)閾值應(yīng)當(dāng)上升的數(shù)值。當(dāng)然這個(gè)上升在電光幻視閾值的情況下可觀察到，雖然上升率是大于用神經(jīng)激勵(lì)所觀察到的上升率（Adrian[B2]；Clausen[B24]）。由Loevsund及其同事（[B57]、[B58]）所報(bào)告的磁－光幻視強(qiáng)度－頻率曲線在20 Hz上顯示出*低值，在較低頻時(shí)的閾值上升，與電光幻視的數(shù)值相一致。超出20 Hz的閾值稍許隨著實(shí)驗(yàn)室參數(shù)（背景照度和波長(zhǎng)，物體的視敏銳性）而變化?？紤]到電－和磁－光幻視的強(qiáng)度－持續(xù)時(shí)間與強(qiáng)度－頻率曲線在一起，可合理地采用一條相似于在神經(jīng)和肌肉的電刺激中所發(fā)現(xiàn)的閾值曲線，但是具有一個(gè)低得多的強(qiáng)度－頻率常數(shù)（或等效于，一個(gè)較大的強(qiáng)度－持續(xù)時(shí)間的時(shí)間常數(shù)），和具有較低的基強(qiáng)度。為了闡明這些假設(shè)，CNS（中樞神經(jīng)系統(tǒng)）突觸相互作用影響的另外研究是必要的。

對(duì)光幻視的頻率敏感閾值已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了試驗(yàn)，*大頻率只到約75 Hz。分委員會(huì)作出保守的假設(shè)，即從20 Hz以上到至少為760 Hz的頻率，突觸極化的閾值遵循與頻率成比例的法則（高于這個(gè)頻率，周邊神經(jīng)激勵(lì)的限值支配著磁場(chǎng)的*大許可曝露）。

關(guān)于光幻視閾值的實(shí)驗(yàn)，Loevsund及其同事（[B57]，第330頁）陳述說：“事實(shí)上，所有的志愿者在實(shí)驗(yàn)后提到感受疲勞，而有些則報(bào)告說有頭痛。有些經(jīng)歷到視覺的余象，這種余象一般只是隨著曝露到磁場(chǎng)后的短時(shí)間上發(fā)生的。然而在一個(gè)案例中，他們堅(jiān)稱長(zhǎng)達(dá)實(shí)驗(yàn)后的10分鐘。個(gè)別的志愿者報(bào)告說有眼睛肌肉的痙攣，可能是由場(chǎng)的刺激所引起”。這些發(fā)現(xiàn)相似于Silny[B92]的發(fā)現(xiàn)，Silny報(bào)告說，在超出光幻視閾值的磁通密度水平上，有頭痛、不舒適、以及持久視誘發(fā)電位（VEP）的改變，但這磁通密度水平仍然低于神經(jīng)激勵(lì)的閾值（一個(gè)為23的因子）。

顯然，可歸因到CNS反應(yīng)的有害作用（疲勞、頭痛、肌肉痙攣、持久的視覺余象）已經(jīng)在關(guān)聯(lián)到光幻視閾值的實(shí)驗(yàn)中得到報(bào)告。光幻視本身會(huì)引起所報(bào)告的有害作用是不可能的。似乎可能的解釋是：有害影響是由于腦神經(jīng)元的電刺激，這與先前討論的突觸機(jī)制是一致的。

亞激勵(lì)場(chǎng)改變神經(jīng)元反應(yīng)的能力也已經(jīng)得到報(bào)告，在從老鼠腦中來的海馬（腦內(nèi)海馬狀的突起）切片曝露到磁場(chǎng)之后（Bawin及其同事[B8， B9]），其中感應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度低到0.75 V∕m峰值，比10 μm神經(jīng)元激勵(lì)的12.3 V∕m閾值低16倍。曝露到50 Hz、≤0.75 mT的磁通密度，活小鼠的迷宮認(rèn)知率（測(cè)動(dòng)物的記憶能力者）顯著地降低（Sienkeiwicz及其同事[B90]，[B91]）。雖然，所引用的研究并未建立一個(gè)突觸的機(jī)制，他們的確支持這種觀點(diǎn)，即在腦神經(jīng)元激勵(lì)閾值以下很多的曝露水平下，CNS的影響、包括有害的影響，也是可能的。

脊髓也包含有突觸。脊柱的功能對(duì)生物機(jī)體（例如姿勢(shì)控制、反射行為）是重要的。對(duì)人體已經(jīng)進(jìn)行了試驗(yàn)，人體軀干經(jīng)受到實(shí)驗(yàn)MRI（核磁共振成像）系統(tǒng)（見第6.1.1和6.3.2節(jié)）的強(qiáng)力驟變梯度場(chǎng)。腰背部在相當(dāng)于神經(jīng)刺激閾值的刺激水平上有時(shí)會(huì)優(yōu)先報(bào)告有感覺，和從一個(gè)橢圓感應(yīng)模型的預(yù)期相一致（見第6.3.2節(jié)和附錄B）。這些試驗(yàn)在低于神經(jīng)元感覺閾值之下，沒有可觀察到的影響。在電氣感覺閾值以下沒有可觀察到的影響，提示三個(gè)可能解釋中的一個(gè)。*個(gè)是：脊柱突觸的相互作用的確發(fā)生，但它們對(duì)人體是不能覺察的。另一個(gè)是：在脊柱中的感應(yīng)場(chǎng)低于突觸相互作用的閾值，即使在脊柱外部的水平粗略地是高于突觸閾值的2個(gè)數(shù)量級(jí)。第3個(gè)是：刺激的閾值顯著地大于在腦神經(jīng)元內(nèi)為突觸影響所假設(shè)的數(shù)值（表6）。

考慮到分委員會(huì)不能從脊髓的刺激在歸屬于突觸閾值的水平上找到數(shù)據(jù)，來提示可觀察到的影響，故本標(biāo)準(zhǔn)的保護(hù)集中于腦子上，而不是脊髓。

6.1.4 平均時(shí)間

在表1、表2、表3、表4和表5中所規(guī)定的均方根值（rms）量度需要一個(gè)平均時(shí)間的規(guī)定。對(duì)正弦形刺激波形，在半波增量上評(píng)估的神經(jīng)激勵(lì)的閾值，在奇數(shù)半波逐漸下降的*大值、和偶數(shù)半波的*小值之間振動(dòng)，并收斂于約1.3 ms刺激持續(xù)時(shí)間的單個(gè)*小的閾值（Reilly[B75]）。激勵(lì)閾值的時(shí)間常數(shù)相對(duì)于肌肉與神經(jīng)突觸刺激持續(xù)時(shí)間，超出對(duì)神經(jīng)刺激的持續(xù)時(shí)間20和168的因子（表7）。因此，平均持續(xù)時(shí)間200 ms（≌168×1.3）的測(cè)量，將包含對(duì)*小神經(jīng)、肌肉與突觸的激勵(lì)閾值給出特性所需要的*大積分的持續(xù)時(shí)間。對(duì)充分低的頻率來說，閾值的變化在周波數(shù)高于1時(shí)是不重要的，而幾個(gè)周波的平均測(cè)量時(shí)間看來是合適的。對(duì)低于0.1 Hz的頻率來說，*大的平均時(shí)間10秒（一個(gè)周波）被考慮是合適的。

6.1.5 空間的平均

在確定是否符合基本限值時(shí)（表1），重要的參數(shù)是用于測(cè)量生物組織內(nèi)電場(chǎng)的平均距離da。一個(gè)相關(guān)的問題是在所需要的距離上產(chǎn)生有效電刺激的電場(chǎng)必須存在。對(duì)實(shí)際關(guān)心的案例包括非有意識(shí)的電氣曝露來說，激勵(lì)一個(gè)神經(jīng)纖維的*敏感方法，是通過定向在神經(jīng)纖維長(zhǎng)軸、并作用在其末端的生物組織內(nèi)的電場(chǎng)（Reilly[B75]）。只有在一個(gè)小的刺激電極置于靠近神經(jīng)的地方時(shí)，才可能出現(xiàn)與上述情況例外的情況，但是這些情況通常只在學(xué)應(yīng)用中才能找到，而不是偶然的電氣遭遇。

激勵(lì)的閾值和場(chǎng)存在的距離（de）間的關(guān)系，已通過使用一個(gè)非線性有髓鞘的神經(jīng)模型得到確定（Reilly和Diamant[B80]）。使用這個(gè)模型得到*小的閾值是在de為7個(gè)或更多結(jié)間距離時(shí)。當(dāng)de是1個(gè)結(jié)間距離時(shí)，閾值是*小值的2倍。當(dāng)de是2、3、4和5個(gè)結(jié)間距時(shí)，閾值超出*小值各別為34%、14%、7%、和3%。對(duì)一個(gè)神經(jīng)軸索直徑為20μm（這尺寸在本標(biāo)準(zhǔn)中是為周邊神經(jīng)而假設(shè)的）時(shí)，結(jié)間的距離是2 mm。如果使用了5 mm的平均距離（da），并假設(shè)場(chǎng)正好等于相當(dāng)于de的激勵(lì)閾值時(shí)，測(cè)量的平均場(chǎng)在de≤2個(gè)結(jié)間距離時(shí)，將在基本限值（表1）的19%之內(nèi)。對(duì)較大的de并具有一個(gè)相應(yīng)的閾值場(chǎng)，在5 mm上所測(cè)量的平均場(chǎng)接近于基本限值在百分之幾之內(nèi)。這表明5 mm代表一個(gè)合理的平均距離，它既不是過度地保守的、也不是隨意的。因此，分委員會(huì)規(guī)定：在生物組織內(nèi)的電場(chǎng)被確定為距離da＝5 mm上的平均值，它能夠從5 mm范圍內(nèi)的電位差很容易地得到確定。

6.2 有害作用的準(zhǔn)則

基本限值和*大許可曝露（MPE）限值的作用是避免有害的反應(yīng)，而不僅是可感覺到的反應(yīng)。厭惡的或痛苦的電刺激被考慮是一個(gè)有害的影響。由周邊神經(jīng)的磁刺激產(chǎn)生的痛苦感覺高于感覺閾值的倍數(shù)，各研究報(bào)告分別為：1.3倍（Budinger及其同事[B20]）、1.6倍（Bourland[B15]）和1.48倍（Nyenhuis及其同事[B67]；Schaefer及其同事[B88]）。平均倍數(shù)是1.45。觀察到的不能忍受的痛苦的平均閾值為感覺閾值的2.05倍（Schaefer及其同事[B88]）。對(duì)痛苦感覺的中值基強(qiáng)度閾值取為E0＝6.15×1.45 ＝8.92 V∕m（峰值）。根據(jù)電刺激人體感覺閾值的對(duì)數(shù)－正態(tài)概率模型（見第6.8節(jié)），對(duì)健康成人百分之一痛苦反應(yīng)閾值的保守估計(jì)，是低于中值的3倍，導(dǎo)致基強(qiáng)度為2.97 V∕m。

在接觸電流刺激的情況下，不愉快和痛苦的感覺在超出磁刺激感覺的較大乘數(shù)（倍率）上發(fā)生。根據(jù)幾個(gè)來源的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（Reilly[B75]，表7.3），痛苦的刺激估計(jì)發(fā)生在高于感覺閾值的2.4倍上；不愉快的感覺發(fā)生在1.7的倍數(shù)上；而痛苦閾值對(duì)不愉快閾值的比值約是1.4。

已發(fā)現(xiàn)磁刺激比接觸電流刺激有較小的痛苦―感覺值比率，這可由以下事實(shí)來解釋：在磁刺激中，感應(yīng)電流的分布只逐漸地隨著軀體的尺寸而變化。因此，在一些神經(jīng)元首先開始被激勵(lì)的場(chǎng)水平上，場(chǎng)的很小增加可以激勵(lì)很大范圍的神經(jīng)元。如果痛苦在軀體的某部位是磁性感應(yīng)的，這可能是在一個(gè)廣大的范圍。相反，皮膚的刺激是更加地集中的。在較大范圍的超閾值刺激可能比之于在較小的范圍更加痛苦，這可能解釋了磁感應(yīng)和小范圍接觸電流之間痛苦—感覺比的差別。

心臟的激勵(lì)考慮是有害的。雖然心臟刺激本身并不必然地有生命的威脅；但如果刺激很近地接連重復(fù)，是有潛在的危險(xiǎn)的，諸如心臟受正弦形或重復(fù)脈沖刺激的這類情況（見第6.1.2節(jié)）。

*突觸的影響，分委員會(huì)把腦神經(jīng)元電刺激通過在生物組織內(nèi)感應(yīng)的電場(chǎng)所引起的任何腦活動(dòng)的改變，作為潛在性的有害后果。這種保守主義的做法是被實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)所報(bào)告的有害作用（疲勞、頭痛、肌肉痙攣、持久的視覺余象）所促動(dòng)的，這種實(shí)驗(yàn)使用了接近突觸效應(yīng)閾值的磁場(chǎng)曝露。

關(guān)于人體在強(qiáng)靜止場(chǎng)和準(zhǔn)－靜止場(chǎng)中快速運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的磁流體動(dòng)力效應(yīng)和電荷上的作用力，已經(jīng)觀察到多樣化的生物效應(yīng)（見第6.4節(jié)）。*這些觀察來看，對(duì)50%的人體對(duì)象，在頻率低于 1 Hz時(shí)，有害作用可取為1.06 T-rms（峰值1.5 T），這可能包括關(guān)聯(lián)到頭部運(yùn)動(dòng)的惡心、眩暈、和味的感覺。

6.3磁場(chǎng)曝露的閾值限值

從允許的生物組織內(nèi)電場(chǎng)數(shù)值來導(dǎo)出環(huán)境磁場(chǎng)，必須使用一個(gè)感應(yīng)模型。用來預(yù)測(cè)在磁場(chǎng)曝露期間整個(gè)軀體能量吸收的傳統(tǒng)方法包括使用模擬動(dòng)物或人的橢圓形模型（Reilly[B72]）。在過去的幾年中，高－分辨率的解剖學(xué)模型已經(jīng)發(fā)展到增強(qiáng)其預(yù)測(cè)局部能量吸收的能力，諸如在單個(gè)器官之內(nèi)或是器官的一部分。

6.3.1 具體的解剖學(xué)感應(yīng)模型

高－分辨率模型的發(fā)展已經(jīng)驚人地增強(qiáng)了對(duì)電磁場(chǎng)曝露期間能量吸收的理解。然而，這種發(fā)展也已經(jīng)顯露出有關(guān)劑量學(xué)現(xiàn)有知識(shí)的若干不足。Hurt及其同事[B41]驗(yàn)證了已公布的介電常數(shù)值的變化如何影響比吸收率（SAR）的計(jì)算。雖然SAR數(shù)值只與較高頻率有關(guān)，介電常數(shù)值對(duì)較低曝露頻率所產(chǎn)生的預(yù)期感應(yīng)內(nèi)部場(chǎng)的影響，也是應(yīng)確定的。Mason和其同事[B60]在電磁場(chǎng)曝露時(shí)，評(píng)估了體素尺寸對(duì)預(yù)計(jì)能量吸收的影響。體素尺寸的增加可能增加也可能減少體素內(nèi)吸收的預(yù)計(jì)能量值。通常吸收的能量有一個(gè)降低，但并不是始終遵循這種規(guī)則。看來較好的解決辦法是使用可取得的*高分辨率模型，然后將體素中所吸收的能量進(jìn)行平均。然而，即使模型具有較小的體素尺寸，這并不必然地意指高－分辨率解剖學(xué)或解剖部件的分離已經(jīng)被合適地結(jié)合起來了。

由多個(gè)研究者使用相似的具體解剖學(xué)模型和相似的數(shù)字技術(shù)（Dawson和Stuchly[B28]；Dimblylow[B30]；Gandhi[B37]）所取得的感應(yīng)電場(chǎng)計(jì)算的比較表明，在重要器官內(nèi)*大場(chǎng)的差別超過5：1；器官的平均值通常是合理地一致的，雖然注意到差別可達(dá)到2：1。因?yàn)楸緲?biāo)準(zhǔn)的基本限值取決于特定器官中的*大場(chǎng)，所報(bào)告的*大值的很大變化，使得把現(xiàn)有的具體模型應(yīng)用到標(biāo)準(zhǔn)之中發(fā)生困難。

高分辨率模型的重要不足是確實(shí)性。簡(jiǎn)單地產(chǎn)生一個(gè)模型，對(duì)宣布使用這個(gè)模型所產(chǎn)生的結(jié)果是正確的而言是不夠的。對(duì)生物組織的實(shí)際實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，應(yīng)當(dāng)結(jié)合到任何模型的發(fā)展上去。理論與經(jīng)驗(yàn)結(jié)果的比較，以及模型的隨后精煉，對(duì)使用這些模型來確認(rèn)或修訂曝露標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，以取得實(shí)質(zhì)的置信度是很重要的。

6.3.2 橢圓感應(yīng)模型

本標(biāo)準(zhǔn)中環(huán)境磁場(chǎng)的限值是根據(jù)較大個(gè)體的頭部和軀干具有均勻?qū)щ娐实臋E圓模型，和在軀體尺寸上具有不變數(shù)值和相對(duì)相位的場(chǎng)，如附錄B中所述。在所有的計(jì)算中，*場(chǎng)相對(duì)于軀體的方向而言，作出了*壞情況的假設(shè)。

使用這個(gè)模型已計(jì)算出，感應(yīng)在軀干的周邊、具有整個(gè)軀體曝露到dB∕dt ＝37.5 T∕s（參見附錄B與表B.1），生物組織中的場(chǎng)為6.15 V∕m（人體中假設(shè)的中值神經(jīng)激勵(lì)的閾值）。該理論數(shù)值適用于使激勵(lì)閾值*小化的曝露情況：也*是，一個(gè)很大的成人；在其軀體的尺寸上，有一個(gè)數(shù)值、方向、相對(duì)相位不變的關(guān)聯(lián)場(chǎng)；一個(gè)單相方波形的生物組織內(nèi)電場(chǎng)。在大多數(shù)的情況下，實(shí)驗(yàn)條件與理想?yún)?shù)有偏離，從而會(huì)產(chǎn)生比*小值更大的閾值。

對(duì)感應(yīng)電場(chǎng)設(shè)定的理想條件之一是單相、方波形狀。注意到：在生物組織內(nèi)的場(chǎng)取決于磁通密度的時(shí)間導(dǎo)數(shù)（即微分）dB∕dt的波形，對(duì)磁脈沖這必然地是雙相的；如果磁通密度的上升值和下降值是相等的，雖然上升和下降時(shí)間不是必須相等，其平均值為0。如果感應(yīng)波形是的相反轉(zhuǎn)或是延遲的、或是漸進(jìn)的，則閾值可以是有效地與應(yīng)用到單相波形的相同。

導(dǎo)出的保守理論數(shù)值37.5 T∕s，可以與MRI（核磁共振成像系統(tǒng)）研究中人體軀干脈沖磁場(chǎng)曝露所得出的實(shí)驗(yàn)閾值相比較（Bourland及其同事[B12]，[B13]，[B14]，[B15]；Budinger及其同事[B20]；Cohen及其同事[B24]；Mouchawar及其同事[B61]；Nycnhuis及其同事[B66]；Schaefer及其同事[B86]，[B87]；Yamagata及其同事[B98]），如同過去所復(fù)核的一樣（Reilly[B75]，第9.7節(jié)）。兩位研究者（Budinger及其同事[B20]；Cohen及其同事[B25]）報(bào)告的平均感覺閾值是60 T∕s，而另一位研究者（Bourland及其同事[B12]）報(bào)告的*小閾值是45 T∕s。更高的閾值由其他的研究者作出報(bào)告，但是像上述所引述的研究一樣，這些牽涉到非*理想的波形，或?qū)е虏坏贸?小基強(qiáng)度數(shù)值的（其它）情況。

上述討論的、在實(shí)驗(yàn)中使用的模擬MRI場(chǎng)，在人體軀干尺寸范圍內(nèi)，幅度和相對(duì)相位都有相當(dāng)大的變化。當(dāng)這種非均勻性存在時(shí)，對(duì)電刺激*適當(dāng)?shù)牧慷仁遣磺逦摹?近的研究報(bào)告中，感覺的閾值系根據(jù)空間平均的曝露，而不是如同上述大多數(shù)研究提及的空間的峰值。使用一個(gè)空間平均的量度，感覺閾值的平均基強(qiáng)度值，在包括65個(gè)人體對(duì)象的一個(gè)研究中（Hebrank[B40]）報(bào)告為25 T∕s，而另一個(gè)包括84個(gè)人體對(duì)象的研究中（Nyenhuis及其同事[B66]）報(bào)告為28.8 T∕s。

使用磁刺激的心臟激勵(lì)閾值，已經(jīng)在狗（的實(shí)驗(yàn)）中得到確定。早期的結(jié)果（Mouchawar及其同事[B62]；Yamaguchi及其同事[B99]）指出dB∕dt的閾值，超出從這里使用的模型所預(yù)告的數(shù)值（表7和表B.1）,雖然這可以由所引述的研究（Reilly[B73]）中使用了非*理想曝露條件來解釋。更近期的用狗做試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（Schaefer及其同事[B88]），在按動(dòng)物到人體的尺寸比例衡量時(shí)，很好地與使用于本標(biāo)準(zhǔn)中的模型相符合。以下這點(diǎn)也已得到確認(rèn)：在時(shí)變刺激場(chǎng)上增加1.5 T的靜止場(chǎng)，并不改變心臟激勵(lì)的閾值（Bouland及其同事[B16]）。

考慮到理論和實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，分委員會(huì)采納表7中所列出的峰值dB∕dt（ ）為中值閾值。附錄B敘述了如何從表6的生物組織內(nèi)的參數(shù)來導(dǎo)出表7的外部場(chǎng)閾值的方法。

表7  已確認(rèn)的磁dB∕dt 作用閾值的模型：整個(gè)軀體的曝露；中值閾值a

a.表的解釋如下：對(duì)tp≥τe， ＝ 0；對(duì)tp≤τe， ＝ 0（τe∕tp）；

又，對(duì)f≤fe， ＝ 0；對(duì)f≥fe， ＝ 0 （f∕fe）。

b.（T∕s-pk）是指磁通密度的短時(shí)峰值。

閾值按表7的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并示出于方程式（5a）和方程式（5b）中，如：

      ＝ 0                 對(duì)tp≥τe                                   （5a）

      ＝ 0（τe∕tp）      對(duì)tp≤τe                                      （5b）

這里  tp 是 0 波形的相持續(xù)時(shí)間。

另外，限值可以按方程式（6a）和方程式（6b）進(jìn)行確定：

      ＝ 0               對(duì)f≤fe                                        （6a）

     ＝ 0 （f∕fe）      對(duì)f≥fe                                           （6b）

表8中列出的B可以從表7的準(zhǔn)則中使用正弦形場(chǎng)的關(guān)系來計(jì)算，示于方程式（7）和方程式（8）：

      ＝ 0∕（2πfe）                                                      （7）

      B0（rms）＝B0（峰值）∕（ ）                                          （8）

這里 0   是dB∕dt的*?。ɑ鶑?qiáng)度）閾值

B0  是B的*小閾值

中值的磁通密度閾值按表8進(jìn)行計(jì)算，方程式（9a）和方程式（9b）如下：

      B＝B0               對(duì)f≥fe                                         （9a）

      B＝B0 （fe∕f）      對(duì)f≤fe                                            （9b）

表8   中值磁通密度的閾值；整個(gè)軀體的曝露a

a. 對(duì)f≥fe，B＝B0；對(duì)f≤fe，B＝B0 （fe∕f）。

考慮到上述討論的方法，顯然表8中的磁通密度限值是根據(jù)表6相關(guān)作用部位評(píng)價(jià)所設(shè)定的生物組織內(nèi)的限值而得出的。舉例，腦的曝露限值是根據(jù)在大腦皮質(zhì)外部周界中所感應(yīng)的估計(jì)場(chǎng)；心臟激勵(lì)適用于心臟*中所感應(yīng)的場(chǎng)；而周邊神經(jīng)的限值系根據(jù)軀干周邊中的*大感應(yīng)場(chǎng)。

6.4 靜止或準(zhǔn)靜止的磁場(chǎng)曝露

從方程式（9b）可見，當(dāng)頻率接近零時(shí)，磁通密度的閾值將增加到無窮大；磁通密度的一個(gè)上限是需要的，以避免由磁流體動(dòng)力學(xué)作用到磁場(chǎng)內(nèi)移動(dòng)電荷上的力的有害影響。這種移動(dòng)典型地關(guān)聯(lián)到血管系統(tǒng)，雖然觀察到的影響也能夠因軀體或眼睛在強(qiáng)靜止場(chǎng)內(nèi)的快速運(yùn)動(dòng)來形成。這些的物理效應(yīng)是Hall（霍爾）電壓或Lorentz（勞倫斯）力。

關(guān)于靜止磁場(chǎng)，在實(shí)驗(yàn)室條件下的反應(yīng)包括2 T靜止磁場(chǎng)下，人體心臟周期長(zhǎng)度（心臟循環(huán)時(shí)間）增加17%（Jehesen及其同事[B49]）。作者們提出其見解：所觀察到的效應(yīng)對(duì)健康的人體對(duì)象可能是無害的。但是對(duì)不良節(jié)律的病人的安全性尚不肯定。其他的觀察包括血液的速度在1－10 T之間有0.2－3%的變化（Dorfman[B31]；Keltner[B52]）。在1.5 T時(shí)注意到很多有害效應(yīng)，包括：眩暈、平衡困難、惡心、頭痛、麻木和麻刺感、光幻視、和不正常味的感覺。在4 T時(shí)注意到更多的明顯作用（Schenck及其同事）。其他的影響包括在4 T時(shí)老鼠心臟T－波的良性增強(qiáng)（Gaffey和Tenforde[B35]，Tenforde及其同事[B95]）。

Schenck及其同事的研究，報(bào)告在1.5 T時(shí)在許多人體對(duì)象中有有害影響，分委員會(huì)采用1.5 T作為有害影響的中值閾值。1.5 T的峰值關(guān)聯(lián)到慢速變動(dòng)的正弦形場(chǎng)1.06 T-rms。對(duì)閾值的分布已經(jīng)設(shè)定了一個(gè)與其他電閾值相同的對(duì)數(shù)正態(tài)分布的統(tǒng)計(jì)學(xué)模型（見第6.8節(jié)）。因此，在低于中值3倍的因子上，也*是353 mT上（在表2中所列出的這個(gè)數(shù)值是對(duì)*低頻率的），受影響的敏感個(gè)人總數(shù)估計(jì)小于曝露個(gè)人總數(shù)的1%。對(duì)公眾，分委員會(huì)應(yīng)用一個(gè)3倍的額外安全因子，這*導(dǎo)出了118 mT的這個(gè)數(shù)值（如在表2中所列出的）。

6.5 非正弦形場(chǎng)或脈沖場(chǎng)

在表1、表2、表3、表4、和表5中的基本限值和MPE（*大許可曝露）水平，是假設(shè)為正弦形曝露的波形，表達(dá)為頻率的函數(shù)。然而在許多實(shí)際情況下，可應(yīng)用的波形可能不是正弦形的，例如具有諧波干擾的波形，或是具有脈沖的波形。分節(jié)5.2.4表述了基于過去的研究（Reilly[B74]，Reilly和Diamant[B79]），用于確定非正弦形波形（脈沖或混合頻率）符合性的幾組試驗(yàn)。除了滿足表1和表2的均方根（rms）限值之外，還要求滿足這些試驗(yàn)中的一個(gè)。

5.2.4.1分節(jié)中的準(zhǔn)則系根據(jù)生物組織內(nèi)的場(chǎng)（或接觸電流）、或是環(huán)境場(chǎng)的導(dǎo)數(shù)（微分）的短時(shí)峰值和相持續(xù)時(shí)間。作為另一種選擇，在5.2.4.2分節(jié)中的方程式（2）使用試驗(yàn)波形的Fourier（傅立葉）分量。因?yàn)樵谌魏我粋€(gè)分節(jié)中的準(zhǔn)則都是保守的，每個(gè)分節(jié)都可用來作符合性的測(cè)驗(yàn)?？砂慈〉猛瓿蓽y(cè)驗(yàn)所需數(shù)據(jù)的相對(duì)方便性來確定作何選擇（傅立葉分量或短時(shí)峰值和相持續(xù)時(shí)間）。

在有些情況下，符合性試驗(yàn)可能是過分地保守的。這些情況當(dāng)著波形表現(xiàn)為一個(gè)低頻的波形、在其上疊加一個(gè)短持續(xù)時(shí)間的脈沖時(shí)，可能會(huì)發(fā)生。當(dāng)著這種脈沖在持續(xù)時(shí)間上較短而幅度則較大時(shí)，保守的程度會(huì)增加。一項(xiàng)更*的試驗(yàn)，例如用于部位研究（Reilly和Diamant[B79]）的一個(gè)試驗(yàn)，需要用一個(gè)神經(jīng)激勵(lì)的模型對(duì)特定波形的閾值作出評(píng)價(jià)。

使用在方程式（2）中的*大頻率是5 MHz，這是在本標(biāo)準(zhǔn)限值之外的。然而，對(duì)特定波形不遵守本標(biāo)準(zhǔn)與針對(duì)較高頻率的IEEE C95.1標(biāo)準(zhǔn)之間的頻率劃分的也是可能的。由于截去方程式（2）在3 kHz上的和數(shù)是沒有意義的，故該和數(shù)被應(yīng)用到可驗(yàn)證的電刺激的*高頻率上。