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5G毫米波与毫米波医疗作用分析

2020年07月08日 09:39 次阅读

毫米波是5G核心技术之一,不仅因为毫米波有大量的空闲频段可供使用,还因为毫米波的指向性好、波束窄从而为大规模MIMO提供了可能。当然毫米波的传输距离会变得更短,也即基站的数量需要更多才能实现全面覆盖。

移动通信从一开始,人们就对基站天线和手机天线发射的无线电波充满了恐惧,认为对人体存在辐射,会对人体造成伤害。至此,我们渐渐开启了5G毫米波与毫米波医疗作用之间的脑洞

一、毫米波定义及频段的选择

毫米波是指波长在1-10mm(频率30-300GHz)范围内的电磁波,位于微波与远红外波相交叠的波长范围。显然,毫米波通信更接近光通信,与光通信属性基本相同,即频率高、波长短,以直射方式传播,同时波束窄,具有良好的方向性,遇到阻挡就被反射或被阻断等光通信特点。

国际电信联盟ITU为了推进全球5G毫米波频段的研究和协调一致,为2019 年世界无线电通信大会(WRC-19)专设了1.13议题,针对24.25GHz~86GHz 频段范围的11个候选频段开展研究。重点研究这些频段5G系统与同、邻频多种无线电业务的兼容共存分析。

2018年1月17日至28日,国际电信联盟5G 毫米波特设工作组第四次协调会议在瑞士日内瓦召开。从此次会议情况来看,26GHz(24.25GHz~27.5GHz)与40GHz(37GHz~43.5GHz)频段毫无疑问是所有候选频段中最受关注的频段,全球半数以上的研究报告集中在这些频段。此外,70GHz、80GHz也逐渐受到重视,各国投入研究力度有所增加。相比之下,32GHz(31.8GHz~33.4GHz)等频段受到冷落,参与讨论的专家人数相对较少。

而有关毫米波生物学效应的研究始于二十世纪六十年代至七十年代后期,前苏联首先将毫米波用于医疗。目前认为毫米波通过与人体组织内粒子发生谐振产生生物学效应与治疗作用,故毫米波疗法又称为微波谐振疗法或毫米波谐振疗法。

多数毫米波治疗仪输出波长8.3-8mm、频率36-37.5GHz的毫米波,少数治疗仪可输出7.11mm(42.19GHz)、5.6mm(53.53GHz)、4.96mm(60.48GHz)毫米波。一般治疗仪的输出功率密度为10mW/ cm²,少数功率密度稍大。个别型号治疗仪的输出喇叭口特别小,功率密度高达400mW/ cm²。

小结:对以上数据对比分析坂哥发现,5G毫米波的40G频段(37GHz~43.5GHz)与毫米波治疗仪的频段36-37.5GHz、42.19GHz存在相当的重叠部分,所以说事情也许真的可以发生一些变化。。。

二、毫米波对生物组织的作用机理

研究发现,毫米波作用于生物体时70%的能量在300µm深的生物组织内吸收,其穿透组织的深度小于1mm,不能进入深部组织。但毫米波不但能引起局部效应,还能在深部或远隔组织和脏器产生一系列反应。人们对其作用机理进行了大量研究,有谐振学说、声电波学说、场力学说、超导电性学说、半导电性学说等。

谐振学说由物理学家Frohlich提出,目前得到较普遍的承认。谐振学说认为,生物组织中的DNA、RNA,蛋白质等大分子和生物膜均有其固定的振荡频率(5-3000GHz),这个频率正处于毫米波的频率范围(30-300GHz)。因此毫米波作用于这些生物大分子和生物膜时会发生谐振,能量增强,这种谐振能量在机体内传播时可引起一系列生物学效应,如组织的微观结构发生变化,蛋白质、氨基酸和酶的活性发生变化等,从而导致细胞的代谢与功能发生变化。

毫米波疗法对含水组织有较好的亲和力,可改善局部组织的新陈代谢和血液循环,使组织水肿吸收加快,加速病理产物和代谢产物吸收的排泄,从而达到消炎、消肿、止痛等治疗目的。

但其具体应用参数理论基础、生物效应及分子细胞学机制仍不很明确,还需要在其适应症上进行多学科、大样本的临床验证。

三、5G毫米波医疗应用之畅想

大规模MIMO是5G的关键技术之一,因此5G系统可以调动多个临近基站的天线同时指向某个移动用户,以便为其提供稳定的高速带宽。

如果其频段为毫米波频段,我们可以畅想用户通过手机向系统输入一个特殊指令,系统调动周围的天线指向该用户对其进行毫米波治疗。

另外,从5G手机的角度看,完全可以将毫米波输出打造为具有医疗效果的治疗仪,5G手机变身为便携式的毫米波治疗仪,一物多用。

当然,我们不能陷入“只谈成分,不谈剂量”的陷阱。

我国电磁辐射的安全标准是不超过40μw/cm²。以我国目前比较常见的2G基站即GSM基站为例,一般基站天线高度均在35米至55米,发射功率为20瓦的大功率基站,其天线前10米的功率密度是0.6μw/cm²。对于3G基站,在上面同样的条件下,其功率密度为0.1μw/ cm²。

对比毫米波治疗仪的功率密度(一般为10mW/ cm²),5G基站变身毫米波治疗仪的脑洞也许开得太大,难以实现;而5G手机变身便携式毫米波治疗仪的脑洞则现实了很多

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