5G Беспроводная связь и влияние на здоровье – прагматичный обзор, основанный на доступных исследованиях, касающихся частот от 6 до 100 ГГц.

Аннотация

Алекс Шерман Широкополосная связь 5G представляет собой существенную угрозу для кабельной промышленности, но руководители и инвесторы не беспокоятся. Рассмотрена новая сеть 5G. ИсследованЫ 2 плана сети, План Verizon / AT & T и План T-Mobile / Sprint

Введение пятого поколения (5G) беспроводной связи увеличит количество высокочастотных базовых станций и других устройств. Вопрос в том, могут ли такие более высокие частоты (в данном обзоре 6–100 ГГц, миллиметровые волны, ММВ) влиять на здоровье. В этом обзоре проанализировано 94 соответствующих публикации, посвященных исследованиям in vivo или in vitro. Каждое исследование было охарактеризовано для: типа исследования (in vivo, in vitro), биологического материала (вид, тип клетки и т. Д.), Биологической конечной точки, воздействия (частота, продолжительность воздействия, плотность мощности), результатов и определенных критериев качества. Восемьдесят процентов исследований in vivo показали реакцию на воздействие, в то время как 58% исследований in vitro продемонстрировали эффекты. Ответы затронули все изученные биологические конечные точки. Не было постоянной связи между плотностью мощности, продолжительностью воздействия, или частота, и воздействие воздействия. Имеющиеся исследования не дают адекватной и достаточной информации для значимой оценки безопасности или для вопроса о нетепловых эффектах. Существует необходимость в исследованиях локальных тепловых явлений на небольших поверхностях, например, на коже или в глазах, и на любое воздействие на окружающую среду. Наш анализ качества показывает, что для того, чтобы будущие исследования были полезны для оценки безопасности, дизайн и реализация должны быть значительно улучшены.

Введение

В последние десятилетия произошла беспрецедентная разработка технологий, относящихся к категории информационно-коммуникационных технологий (ИКТ), которые включают беспроводную связь, используемую для мобильной телефонии (MP) и, например, Wi-Fi с использованием электромагнитных полей (ЭМП). Первое поколение портативных мобильных телефонов было доступно для частных лиц в нескольких странах в конце 1980-х годов. Впоследствии второе (2G), третье (3G) и четвертое (4G, LTE) поколения резко увеличили уровень своего проникновения в общество, так что сегодня устройств больше, чем жителей Земли. Кроме того, Wi-Fi и другие виды беспроводной передачи данных стали повсеместными и доступны во всем мире. В настоящее время мы начинаем внедрять мобильные сети следующего поколения 5G. Важно отметить, что 5G не новая технология.

С предстоящим развертыванием сетей мобильной связи 5G будет обеспечена значительно более высокая скорость мобильного широкополосного доступа и все более широкое использование мобильных данных. Это стало возможным благодаря использованию дополнительных полос более высоких частот. 5G предназначен для пересечения коммуникаций, от виртуальной реальности до автономных транспортных средств, от промышленного Интернета и умных городов. Кроме того, 5G считается базовой технологией Интернета вещей (IoT), где машины взаимодействуют с машинами (связь M2M). В то же время ожидается изменение воздействия электромагнитных полей (ЭМП) человека и окружающей среды.

Сети 5G будут работать в нескольких разных полосах частот ( таблица 1 ), из которых более низкие частоты предлагаются для первой фазы сетей 5G. Некоторые из этих частот (в основном ниже 1 ГГц; ультравысокие частоты, УВЧ) фактически использовались или используются в настоящее время для более ранних поколений мобильной связи. Кроме того, гораздо более высокие радиочастоты (РЧ) также планируется использовать на более поздних этапах развития технологий. Новые полосы значительно выше диапазонов УВЧ, с длинами волн в сантиметрах (3–30 ГГц) или миллиметровых диапазонах (30–300 ГГц; миллиметровые волны, ММВ). Эти последние полосы традиционно использовались для радиолокационных и микроволновых линий связи.

лектромагнитного спектра, привлекло значительное количество исследований, посвященных проблемам здоровья. Эти исследования охватывают исследования на людях (эпидемиология, а также экспериментальные исследования), на животных и на системах in vitro. Резюме и выводы из таких исследований регулярно публикуются как национальными, так и международными комитетами, в состав которых входят соответствующие эксперты. Выводы этих агентств и комитетов заключаются в том, что низкий уровень радиочастотного воздействия не вызывает симптомов («Идиопатическая непереносимость окружающей среды, приписываемая электромагнитным полям», IEI-EMF), но эффект «ноцебо» (ожидание отрицательного результата) может быть рука. Некоторые исследования показывают, что радиочастотное облучение может вызывать рак, и, таким образом, Международное агентство по изучению рака классифицирует радиочастотную ЭДС как «возможно канцерогенное для человека» (Группа 2B). В недавней рекомендации периодически работающей Консультативной группы по МАИР «обеспечить, чтобы оценки в Монографиях отражали текущее состояние научных данных, касающихся канцерогенности», группа рекомендовала радиочастотное облучение (среди прочего) для повторной оценки «с высоким приоритетом» [ 6]. Кроме того, нет никакой научной поддержки тому, что воздействие на другие параметры здоровья имеет место при уровнях воздействия, которые ниже рекомендуемых уровней воздействия, даже если некоторые исследовательские группы опубликовали результаты, не связанные с канцерогенами, после воздействия РЧ на таких уровнях, Экологические аспекты этого технологического развития гораздо менее изучены.

Частоты в диапазоне MMW используются в таких приложениях, как радар, а также в некоторых медицинских целях. Профессиональное облучение радарами было изучено в некоторых эпидемиологических исследованиях, и общий вывод заключается в том, что это облучение не представляет опасности для здоровья облученного персонала. Это связано с тем, что воздействие для всех практических целей ниже рекомендуемых уровней и, следовательно, не вызывает нагрев ткани. Тем не менее, дальнейшие исследования считаются необходимыми относительно возможного риска рака у подвергшихся воздействию работников. Медицинское использование MMW было недавно рассмотрено, что предполагает возможность для определенных терапевтических применений, хотя механизмы действия неясны.

Сети 5G и связанный с этим IoT значительно увеличат количество беспроводных устройств по сравнению с существующей ситуацией, что требует высокой плотности инфраструктуры. Таким образом, гораздо больший объем мобильных данных на географический район должен быть создан. Следовательно, необходимо создать более высокую плотность сети, поскольку более высокие частоты имеют более короткие диапазоны. Возникает вопрос: может ли использование более высоких частот привести к последствиям для здоровья?

ВОЗ устанавливает предельные уровни воздействия как на население, так и на персонал, и рекомендует их в большинстве стран на основе рекомендаций руководств ICNIRP или IEEE. Эти пределы, в которые включены значительные факторы безопасности, установлены таким образом, чтобы воздействие не вызывало термического повреждения биологического материала (тепловые эффекты). Таким образом, для частот от 10 ГГц до 300 ГГц рекомендуется 10 Вт / м 2 в качестве основного ограничения (без тепловых воздействий), с эталонными значениями для частот от 400 МГц до 2 ГГц (2–10 Вт / м 2 ) и> 2 ГГц (10 Вт / м 2 ). Следует отметить, что настоящие руководящие принципы ICNIRP в настоящее время пересматриваются, и в ближайшем будущем ожидается появление новых версий. Кроме того, ICNIRP предлагает две категории рекомендаций: (1) базовые значения ограничения, основанные на доказанных биологических эффектах от воздействия, и (2) контрольные уровни, данные для целей сравнения с измерениями физических величин. В рекомендациях ICNIRP отсутствуют эталонные значения выше 10 ГГц, а рассматриваются только основные ограничения. Это связано с тем, что происходит только поверхностный нагрев, так как глубина проникновения на этих частотах очень мала. Поэтому любые расчеты значений удельной скорости поглощения (SAR), которые учитывают большие объемы, нецелесообразны для выполнения.

SAR является мерой поглощения электромагнитных полей в материале и выражается в виде мощности на массу / объем (Вт / кг), где глубина проникновения электромагнитных полей зависит от длины волны излучения и типа вещества. Глубина проникновения MMW очень мала, поэтому учитывается открытая площадь поверхности, а не объем. Поэтому подходящим показателем экспозиции для ММВ является плотность мощности, мощность на единицу площади (Вт/м2).

Конечно, еще рано прогнозировать фактические риски для сетей 5G. Однако антенны, запланированные для 5G, будут иметь узкие лучи антенны с прямым выравниванием к приемному устройству. Это может значительно снизить воздействие на окружающую среду по сравнению с существующей ситуацией. Тем не менее, также утверждается, что добавление очень большого количества сетевых компонентов 5G увеличит общее воздействие ЭМП в окружающей среде, и что более высокое воздействие более высоких частот может привести к неблагоприятным последствиям для здоровья.

Поэтому возникает вопрос: что нам известно о воздействии на биологические структуры и здоровье людей в результате воздействия более высоких частотных диапазонов (в этом обзоре мы рассматриваем 6–100 ГГц, поскольку более низкие частоты были тщательно исследованы из-за их использовать в уже существующих сетях беспроводной связи)? Происходят ли так называемые «нетепловые» эффекты (эффекты, которые возникают ниже порога теплового эффекта), которые могут привести к последствиям для здоровья? Существуют ли соответствующие медицинские исследования с использованием частот, соответствующих технологии 5G? Существуют ли соответствующие исследования, которые могут внести существенный вклад в улучшение оценки риска воздействия на население в целом? Ответы на эти вопросы необходимы для быстрого и безопасного внедрения технологии с большим потенциалом.

Материалы и методы

В этом обзоре учитываются научные исследования, в которых в качестве источника воздействия использовались частоты от 6 ГГц до 100 ГГц. Обзор основан на имеющихся данных в области общественной литературы, работ, написанных на английском языке до конца 2018 года (база данных PubMed: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed ), EMF-Portal ( www.emf-portal.org) и другая соответствующая литература, такая как документы ICNIRP, SCENIHR, WHO, IARC, IEEE и т. д.). Кроме того, при необходимости проводились более изысканные исследования из источников, которые не были включены в вышеупомянутые базы данных (соответствующие рефераты из конференций, реферативные книги и архивы журналов).

В качестве прагматического подхода мы интерпретировали результаты как «ответ», когда сами авторы сообщили о результате как эффект / ответ, основанный на статистическом анализе и p–значении <0,05.

Затем мы определили необходимые критерии качества исследования, как с биомедицинской, так и с физической точек зрения. Результаты исследований были (если возможно) проанализированы на предмет корреляции с качеством исследования в соответствии с корреляционным подходом, выполненным Simko et al. Исследования были проанализированы со ссылкой на минимум критериев с точки зрения дизайна эксперимента и реализации. Были рассмотрены следующие критерии: проводились ли эксперименты в присутствии подходящего ложного / экспозиционного контроля, температурного контроля, положительного контроля, были ли образцы слепыми и была представлена ??комплексная дозиметрия.

Исследование разделено на описательную часть, которая охватывает описание всех выбранных исследований, условия их воздействия, диапазоны частот (от 6 ГГц до 100 ГГц), уровни доз и т. Д., А также биологические результаты, представленные в Таблица ( Таблица S1 ). Обзорные статьи не рассматривались. Результаты исследований были также проанализированы и обсуждены в соответствии с частотными областями, а также плотностью мощности и продолжительностью воздействия. Если уместно, мы включаем основанную на фактических данных интерпретирующую часть относительно риска от воздействий в соответствии с критериями SCHEER.

Результаты

Ниже подробно описаны медицинские публикации, посвященные частотам от 6 ГГц до 100 ГГц (с использованием термина MMW для всех частот). Следует отметить, что нет никаких эпидемиологических исследований, касающихся беспроводной связи для этого диапазона частот, поэтому этот обзор будет охватывать исследования, проводимые in vivo и in vitro.

Тепловые биологические эффекты радиочастотных электромагнитных полей возникают, когда значения SAR превышают определенный предел, а именно 4 Вт / кг (общий предел воздействия на население: SAR 0,08 Вт / кг), что вызывает нагрев ткани на 1 ° C. Однако в литературе были описаны биологические эффекты ниже значений SAR ниже 4 Вт / кг. Поскольку считается, что такие эффекты не связаны с потеплением, их называют нетепловыми. В настоящем обзоре в некоторых отдельных исследованиях авторы интерпретировали тепловые эффекты как «отсутствие эффекта». Те из них и исследования без ответа / эффекта воздействия MMW были расценены как «отсутствие реакции / эффекта» в нашем настоящем анализе.

Группировка выбранных параметров

Для анализа было идентифицировано 94 публикации и отобрано из доступных баз данных (in vivo и in vitro). Следует отметить, что общее количество отдельных исследований превышает количество публикаций, поскольку некоторые авторы исследовали несколько физических и / или биологических условий в одной и той же публикации.

В европейском контексте вы не видите конкуренции между беспроводными и фиксированными системами, потому что компании одинаковы, – сказал Гои. В США «у вас может быть весь спектр в мире, но вам понадобятся помощь и сотрудничество кабельных компаний для развертывания небольших ячеек, потому что именно кабельные компании имеют отношения по соседству».

Были идентифицированы различные биологические конечные точки, которые называются «реакцией» или эффектами, когда это необходимо. Поскольку список этих конечных точек относительно длинный, мы не упомянули их подробно, но суммировали их по группам: физиологические, неврологические, гистологические изменения или исследования in vitro экспрессии генов или белков, цитотоксические эффекты, генотоксические изменения, а также температура реакции.

Для детального анализа была подготовлена Мастер–таблица (Таблица S1), в которую были включены все параметры, рассматриваемые в исследованиях. Таблица содержит следующую информацию: частота, исследование in vivo или in vitro (последнее различает первичные клетки и клеточные линии), плотность мощности, продолжительность воздействия, биологические конечные точки и ответ. В некоторых исследованиях отсутствует информация об отдельных параметрах. Например, публикацию пришлось полностью исключить, поскольку не было информации о частоте. В девяти исследованиях данные о плотности мощности отсутствовали, а в семи исследованиях были представлены рассчитанные значения SAR вместо плотности мощности. В десяти исследованиях время экспозиции не было дано.

45 исследований in vivo были в основном проведены на млекопитающих (мышь, крыса, кролик) и несколько на людях. В некоторых исследованиях бактерии, грибки и другие живые материалы также использовались для экспериментов. 80% всех исследований in vivo показали реакции, связанные с воздействием.

Первичные клетки (n = 24) или клеточные линии (n = 29) были использованы в 53 исследованиях in vitro, причем примерно 70% исследований первичных клеток и 40% исследований клеточных линий показали реакции, связанные с воздействием ( таблица 2 ).

Все выявленные исследования были проанализированы как функция частоты. Для этой цели были созданы частотные области (группы) ( рисунок 1 ) для анализа и иллюстрации результатов. Группы частот от 30 до 60 ГГц были сгруппированы с шагом 10 ГГц (до 30, 30,1–40, 40,1–50, 50,1–60 ГГц). Частотный диапазон 60–65 ГГц подвергся дополнительному анализу, поскольку в этой группе было выявлено большее количество публикаций (по сравнению с другими группами). Из-за небольшого количества публикаций выше 65,0 ГГц данные были объединены в группы «65,1–90» и «выше 90 ГГц». Как показано на рисунке 1 , большинство исследований показывают частотно-независимый отклик после воздействия MMW.

Диапазоны частот

До 30 ГГц

Первая группа до 30 ГГц была введена, поскольку некоторые частоты 5G попадают в этот частотный диапазон. К сожалению, в этой группе всего две публикации, каждая из которых показывает реакцию на воздействие MMW. Исследование, проведенное на бактериях и грибах, показало увеличение роста клеток. Другое исследование in vitro было выполнено на фибробластах (25 ГГц, 0,80 мВт / см 2 , 20 мин), при этом генотоксические эффекты наблюдались при высоких уровнях SAR (20 Вт / кг). Графическое представление результатов представлено на рисунке 1 для этой и всех других частотных областей.

Частотная группа 30,1–40 ГГц

Как показано на рисунке 1, ответы были обнаружены примерно в 95% из 19 исследований. Во всех исследованиях in vivo ответы были описаны после воздействия. Конечные точки варьировались от зарегистрированного отека подушечки стопы, который является частой конечной точкой для измерения воспалительных реакций, до морфологических изменений, изменений температуры кожи, артериального давления, частоты сердечных сокращений, температуры тела, электрической активности нейронов и анализов ЭЭГ. Были проведены исследования экспрессии белка, измерения маркеров окислительного стресса, гистологические исследования и индукция гибели клеток (апоптоз). Только в одном исследовании использовались более низкие плотности мощности (0,01 мВт / см 2 , 0,1 мВт / см 2 ; SAR: 0,15, 1,5 Вт / кг; 20 мин, 40 мин) для изучения воспалительных реакций. Авторы определили частотно-зависимый противовоспалительный эффект как функцию плотности мощности и длительности воздействия и не исключили температурных эффектов. Плотности мощности других исследований in vivo были чрезвычайно высоки (10, 75, 500–5000 мВт / см 2 ), поэтому индуцированные эффекты, вероятно, зависели от температуры.

Было проведено восемь исследований in vitro, из которых семь сообщили об ответах. В одном исследовании клетки крови человека ( ex vivo ) подвергались воздействию ММВ в течение 5, 15 и 30 минут (32,9–39,6 ГГц, 10 мВт / см 2).). Активацию клеток исследовали в присутствии или отсутствии бактерий. Было показано, что в присутствии бактериальной активации и после 15 мин воздействия клетки активируются для высвобождения свободных радикалов. Эти результаты были аналогичны разогретым образцам (положительный контроль), поэтому возможен температурный эффект. Также была продемонстрирована индукция дифференцировки клеток костного мозга в клетки нейронального фенотипа (36,11 ГГц, 10 мВт / см 2 , 3 ? 10 мин каждые 2 ч в течение 24 ч). В двух исследованиях температурные реакции были описаны на уровне белка. Когда клеточные культуры охлаждали во время воздействия, чтобы предотвратить вызванное повышение температуры, никаких ответов не было обнаружено.

В трех публикациях исследовательская группа описала изменения клеточного цикла, индукцию гибели клеток и активацию процессов дифференцировки в первичных клетках (клетки крысы и мезенхимальные стволовые клетки) после воздействия 30–40 ГГц (4 мВт / см 2 , различные длительности воздействия ). К сожалению, критерии минимального качества не были выполнены ни в одном из трех исследований, в основном из-за отсутствия контроля температуры.

Частотная группа 40,1–50 ГГц

В группе частот 40,1–50 ГГц было идентифицировано 26 исследований, 13 in vivo и 13 in vitro с девятью исследованиями, показывающими ответы. Большое количество исследований проверило конечные точки клеточной биологии, такие как пролиферация клеток, экспрессия генов или белков и изменения в окислительном стрессе. Кроме того, были исследованы иммунологические, неврологические, морфологические и генотоксические эффекты. Используемая плотность мощности сильно варьируется от 0,02 до 450 мВт / см 2 , и одна публикация не дала никакой информации.

У здоровых добровольцев было проведено двойное слепое исследование для изучения влияния MMW на экспериментально вызванную холодную боль (42,25 ГГц, <17,2 мВт / см 2 , 30 мин). Авторы не обнаружили никаких отличий от эффекта плацебо. Это исследование было повторением предыдущего исследования с добровольцами, и результаты более старого исследования не могли быть подтверждены. Другие четыре исследования in vivo без каких-либо обнаруживаемых эффектов изучали генотоксические эффекты или окислительный стресс.

Пять публикаций in vivo посвящены влиянию MMW на иммунную систему мышей или крыс, обнаруживая активацию иммунной системы как на клеточном, так и на молекулярном уровне (41,95 или 42,2 ГГц, 19,5 мкВт / см 2 , 0,1, 31,5 мВт / см 2 , 20 мин или с перерывами в течение 3 дней). Воздействие MMW на изолированные нервные клетки лягушки (41,34 ГГц, 0,02, 0,1, 0,5, 2,6 мВт / см 2 , 10–23 мин) приводит к снижению частоты потенциала действия. Интересно, что эффекты при более высокой плотности мощности (2,6 мВт / см 2 ) были аналогичны обычному нагреву. Одно исследование выявило увеличение подвижности сперматозоидов человека после 15 мин воздействия (42,25 ГГц, 0,03 мВт / см 2 ). Дополнительные тесты in vitro выявили образование свободных радикалов, активацию кальций-зависимых каналов ионов калия (около 42 ГГц, 100, 150, 240 мкВт / см 2 , 20–40 мин), а также изменения на клеточной мембране в экспонированные клетки. Никаких ответов на биологические конечные точки клеток (изменения клеточного цикла, гибель клеток, белки теплового шока) не было обнаружено в четырех дополнительных исследованиях in vitro.

Частотная группа 50,1–60 ГГц

Мы определили 16 исследований в частотной группе 50,1–60 ГГц (шесть in vivo, десять in vitro), и 60% исследований показали ответы на воздействия MMW.

В пяти исследованиях in vivo были показаны очень разные ответы. В исследовании на здоровых добровольцах авторы хотели выяснить, имеют ли кожа человека в так называемой точке акупунктуры различные диэлектрические свойства при воздействии MMW. Они обнаружили, что эти свойства изменяются при воздействии 50–61 ГГц на окружающую кожу.

Пилотное исследование на мышах (60 ГГц, 0,5 мВт / см 2 , воздействие в течение всей жизни в течение 30 минут / 5 дней в неделю) показало, что воздействие MMW влияет на индуцированные раком клетки и увеличивает двигательную активность здоровых мышей.

У крыс было исследовано влияние 54 ГГц, 150 мВт / см 2 , на площадь около 2 см 2 на голове. Эта транскраниальная электромагнитная стимуляция мозга индуцировала профилактику боли и предотвращала реакцию условного избегания на болевые стимулы у 50% животных. Однако никаких изменений не было обнаружено, когда ранее вводили ингибиторы серотонина. Поэтому авторы пришли к выводу, что транскраниальная электромагнитная стимуляция мозга способствует синтезу серотонина, передатчика, который изменяет болевой порог животных.

Частотная группа 60,1–65 ГГц

Число исследований в группе частот 60,1–65 ГГц составляет 27. Из них двенадцать сообщили о влиянии воздействия ММВ, и в 15 исследованиях не было обнаружено никаких ответов. Исследования in vivo исследовали разные темы. Таким образом, в двух исследованиях изучалось влияние на развитие опухоли у мышей, которым инъецировали опухолевые клетки. В одном из исследований сообщалось, что воздействие 61,22 ГГц, 13,3 мВт / см 2 , ингибировало рост клеток меланомы (воздействие через 15 дней после инъекции опухолевых клеток, 15 мин / день). Другие публикации одной исследовательской группы исследовали потенциал MMW для облегчения боли и связанные с ним биологические механизмы действия. Некоторые исследования были проведены на коже мышей, подвергнутой воздействию 61,22 ГГц в течение 15 минут. Наиболее часто используемая плотность мощности составляла 15 мВт / см 2 . Другое исследование касалось вопроса о дозе без эффекта ниже 1,5 мВт / см 2 . Авторы пришли к выводу, что MMW может снизить порог гипоалгезии, который, вероятно, опосредуется высвобождением опиоидов. Эффекты воздействия мышей на частоту 61,22 ГГц были изучены также в отношении иммунной системы. Животные подвергались воздействию в течение трех последовательных дней по 30 минут в день. Воздействие вызвало пиковые значения SAR 885 Вт / кг на носу животных, где имело место воздействие. Плотность мощности составляла 31 мВт / см 2, и измеренный рост температуры достигал 1 ° C. Было обнаружено, что MMW модулирует действие лекарства от рака циклофосамида. В частности, активировалась Т-клеточная система иммунной системы и влияли различные другие параметры, относящиеся к иммунной системе.

Подобное условие воздействия использовалось в исследовании желудочно-кишечной функции, однако никаких эффектов выявлено не было. Одноразовое воздействие в течение восьми часов (61 ГГц, 10 мВт / см 2 ), или пять раз по четыре часа, не вызвало повреждения глаз у кроликов и макак-резусов. Следует подчеркнуть, что некоторые из упомянутых исследований происходят из одной и той же лаборатории, и все критерии качества исследования соблюдены. Тем не менее, авторы смогли повторить свои собственные результаты по облегчению боли, в то время как другие лаборатории не повторили эту работу. В исследованиях in vitro были исследованы различные биологические конечные точки. В одном исследовании нейроны улиток ( Lymnea ) были экспонированы на частоте 60,22–62,22 ГГц, и не было обнаружено нетепловых реакций на токи ионов. В серии исследований с клеточными линиями, относящимися к нервным клеткам, были исследованы свойства передачи дофамина, стресс, боль и экспрессия мембранного белка (60,4 ГГц, 10 мВт / см 2 , 24 ч), и никаких ответов не было обнаружено. Та же самая схема воздействия также использовалась в исследованиях, посвященных изучению различных генов, связанных с реакцией на стресс (0,14–20 мВт / см 2 ). Никаких эффектов на уровне экспрессии генов обнаружено не было. Интересно, что на общее воздействие на геном влияло, когда воздействие (60,4 ГГц, 20 мВт / см 2 , 3 ч) первичных кератиноцитов человека сочеталось с 2-дезоксиглюкозой, ингибитором глюкозо-6-фосфатазы. Это совместное воздействие вызывало изменение количества шести различных факторов транскрипции, причем этот эффект отличался от эффекта только 2-дезоксиглюкозы и 60,4 ГГц (оба эти фактора не вызывали изменений). Другие исследования также исследовали человеческие кератиноциты и глиоцитарные клетки астроцитомы после воздействия 60 ГГц (0,54, 1 и 5,4 мВт / см 2 ). Были исследованы различные параметры, такие как выживаемость клеток, гомеостаз внутриклеточных белков и экспрессия генов, чувствительных к стрессу. Также в этих исследованиях никаких эффектов не наблюдалось. Напротив, в одной публикации повышение воспалительного маркера (IL1-?) наблюдалось в кератиноцитах человека после воздействия (61,2 ГГц, 29 мВт / см 2 , 15, 30 мин), тогда как другие воспалительные маркеры (хемотаксис, адгезия и пролиферации) остались без изменений. Другой тип исследования был выполнен на срезах коры головного мозга крысы. Срезы головного мозга подвергали воздействию поля 60,125 ГГц (1 мкВт / см 2 ) в течение 1 мин, а затем измеряли конкретные электрофизиологические параметры. Во многих срезах наблюдались переходные реакции на характеристики мембраны, амплитуду и продолжительность потенциала действия. Воздействие вызвало повышение температуры среды (на 3 ° C), в которой хранили срезы. Интересно, что хронически индуцированная блокада Ca 2+ не влияла на ответ MMW.

Группа частот 65,1–90 ГГц

Исследования в частотной группе от 65,1 до 90 ГГц проводились как in vivo, так и in vitro в общей сложности в 14 статьях (четыре исследования in vivo и 11 исследований in vitro). Исследования широко варьируются, основываясь на разных гипотезах, биологических конечных точках, плотности мощности и продолжительности воздействия. Кроме того, некоторые исследования использовали биологические материалы для определения физических свойств, таких как диэлектрические свойства и коэффициент отражения кожи. Последние исследования обсуждаются в разделе 4.2 .

Четыре исследования in vivo сообщили об ответных реакциях после воздействия MMW. В одном исследовании изучалась доза повреждения глаз (особенно повреждения эпителия роговицы). Доза рассчитывалась как DD 50 (на основании результатов, для которых вероятность повреждения глаз составляла 50%). Эксперименты проводились на крысах с экспозицией 75 ГГц, значение DD 50 составляло 143 мВт / см 2 .

Другие исследования in vivo были проведены на крысах и мышах, а также на насекомых. В исследовании на мышах использовались разные частоты от 37,5 до 70 ГГц с плотностями мощности 0,01 и 0,3 мВт / см 2 в течение от 20 до 40 мин. Однократное облучение всего тела животных уменьшало как отек в области подушечки ног, так и локальную гипертермию в среднем на 20% на частотах 42,2, 51,8 и 65 ГГц. Другие частоты не имели никакого влияния.

Исследование на насекомых ( Chironomidae ) было сосредоточено на влиянии ДНК гигантских хромосом слюнных желез животных с разными частотами (64,1–69,1, 67,2, 68,2 ГГц). Все частоты, используя плотности мощности <6 мВт / см 2 , вызывали уменьшение размера конкретной области хромосомы. Это в свою очередь привело к экспрессии некоторых секреторных белков слюнной железы.

Различные аспекты были изучены в исследованиях in vitro, где функция нервных клеток была исследована в трех исследованиях. В двух исследованиях использовались нервные клетки Lymnea улитки , которые экспонировались на частоте 75 ГГц в течение нескольких минут при очень высоких уровнях SAR (до 4200 Вт / кг, плотность мощности не сообщалась). Авторы наблюдали тепловые воздействия на ионные токи и скорость срабатывания потенциалов действия. В другом исследовании также описано тепловое воздействие на трансмембранные токи и ионную проводимость клеточной мембраны. Опять же, воздействие было на очень высоком уровне SAR (2000 Вт / кг), и авторы подчеркнули температурную зависимость реакции.

Широкополосные частоты (52–78 ГГц) использовались в нескольких публикациях, в основном исследуя влияние на рост клеток и их морфологию, а также ультраструктуру различных клеточных линий. Значения плотности мощности не были приведены последовательно, но, по-видимому, были очень низкими (не более 1 мкВт / см 2 ). Результаты указывают на ингибирование роста клеток, сопровождаемое изменениями морфологии клеток.

В другой группе исследований использовались фибробласты хомяка, клетки BHK, и экспонировались клетки на частотах от 65 до 75 ГГц с плотностью мощности, достигающей 450 мВт / см 2. Авторы отметили ингибирование синтеза белка и пролиферации клеток, а также гибель клеток при более высоких плотностях мощности. В исследовании с использованием дермальных фибробластов человека и клеток глиобластомы человека не было обнаружено никаких эффектов на уровне белка (маркеры пролиферации или цитотоксичности) (70 ГГц и выше, с шагом 1 ГГц; 3, 70 или 94 ч). Плотности мощности варьировались по частотам, варьируя от 1,27 мкВт / см 2 в нижнем диапазоне частот до 0,38 мкВт / см 2 на более высоких частотах.

Исследования in vitro в этой группе сходны с исследованиями in vivo в их разнообразии. Большинство исследований, в которых сообщалось об ответах, представляют собой тепловые эффекты, вызванные воздействием ММВ. В трех исследованиях были описаны ответы при низких плотностях мощности, но все результаты были получены в одной лаборатории и не были воспроизведены другими. Более того, качество этих исследований сомнительно, так как критерии качества не были соблюдены.

Частотная группа 90,1–100 ГГц

Восемь из одиннадцати исследований в группе частот 90,1–100 ГГц являются исследованиями in vitro. Три исследования in vivo были посвящены различным проблемам, включая острое влияние на сокращение мышц, свойства отражения кожи (которые в большей степени связаны с дозой, чем здоровьем) и рак кожи. Исследование рака кожи крысы (одно-два еженедельных кратковременных воздействия на частоте 94 ГГц, 1 Вт / кг; животные, инициированные DMBA) не показало какого-либо положительного результата. Другое исследование изучало сокращение мышц у мышей и описывало некоторые ответы. Опять же, было использовано 94 ГГц, но значения плотности мощности или SAR не сообщались.

Семь из восьми исследований in vitro показали ответы после воздействия MMW. В некоторых исследованиях первичные нейроны использовались для изучения цитоскелета (94 ГГц, 31 мВт / см 2 ) или конкретных электрофизиологических параметров (90–160 ГГц). В последнем исследовании было обнаружено, что наблюдаемые ответы были более вероятными из-за взаимодействий со средой для культивирования клеток, чем с клетками, хотя механизмы действия не были ясны. Другие исследования идентифицировали ответы на целостность ДНК (100 ГГц и выше) или описывали изменения во внутриклеточных сигнальных путях (94 ГГц, 90–160 ГГц) с использованием различных типов клеток. Время воздействия варьировалось от минут до 24 часов для частично неизвестных значений воздействия. В одном исследовании цитотоксическое влияние при уровнях плотности мощности в несколько мкВт / см 2 не было обнаружено ни в нормальных, ни в опухолевых клетках.

Плотность мощности

Все выявленные исследования были проанализированы в зависимости от используемой плотности мощности. Исследования были сгруппированы в зависимости от плотности мощности следующим образом: ниже 1; 1.1-10; От 10,1 до 50; 50,1–100 и 100,1 мВт / см 2 или выше. Исследования, которые не предоставляют информацию о плотности мощности или значениях SAR, не отображаются в этих группах. Как показано на рисунке 2 , подавляющее большинство исследований показывают ответы независимо от используемой плотности мощности.

Продолжительность воздействия

Длительность воздействия исследований также была сгруппирована для анализа данных ( Рисунок 3 ). Временные группы были выбраны от секунд до 10 минут; 10–30 мин; 30–60 мин; более 60 мин-дней и попеременно / с перерывами. Группы были выбраны таким образом, чтобы использованные времена воздействия и количество исследований были достоверно суммированы. Здесь также становится ясно, что большинство всех исследований показывают ответы независимо от времени воздействия. Интересно, что более длительное время воздействия (более 60 минут - дней), по-видимому, приводит к меньшему количеству реакций, чем в других группах.

Исследования без ответов

В таблице 3 показано количество исследований, в которых не было обнаружено никаких ответов после или во время воздействия MMW. В качестве «ответа нет» также упоминались такие расследования, которые сами авторы рассматривали как таковые. Это означает, что в некоторых случаях наблюдаемые эффекты были описаны как связанные с температурой, а не как нетепловой эффект MMW.

Немногие исследования in vivo не показали никакого ответа. Заметна группа частот 40,1–50 ГГц, в которой было выявлено 6 исследований. Эти исследования исследовали иммуносупрессию, генотоксические эффекты, изменения в чувствительности к боли и изменения в активности фермента. Одно исследование было проведено на бактериях и грибах.

Существует множество исследований in vitro, в которых ответы не обнаружены. Интересно, что исследования уровней экспрессии белка или гена часто не выявляли каких-либо изменений после воздействия MMW. Это может быть связано с тем, что в исследованиях in vitro была специально исследована возможность нетепловых эффектов, где охлаждение использовалось для противодействия повышению температуры.

Анализ качества

Мы проанализировали качество выбранных исследований в соответствии с конкретными критериями. Исследования были классифицированы по наличию симуляции / контроля, дозиметрии, положительного контроля, контроля температуры и того, было ли исследование слепым. Наличие этих пяти критериев при проведении исследования MMW является минимальным требованием для квалификации в качестве исследования с достаточным техническим качеством.

Из 45 исследований in vivo 78% (35) продемонстрировали биологические реакции после воздействия MMW. Из всех исследований 73% были выполнены с ложным / контролем, 76% использовали соответствующую дозиметрию, 44% использовали положительный контроль, и 67% были выполнены в условиях температурного контроля ( рис. 4 ). К сожалению, только 16% исследований проводились в соответствии с протоколами, обеспечивающими ослепление, и было идентифицировано только три публикации, которые соответствовали всем пяти критериям. Если исключить критерий ослепления, можно определить 13 исследований, соответствующих остальным четырем критериям. Принимая во внимание только три критерия, а именно обман, дозиметрию и контроль температуры, было идентифицировано 40% (20 работ). Таким образом, качество исследований in vivo неудовлетворительное.

Из 53 исследований in vitro 31 показал биологические ответы. Только в 13 исследованиях (42%) были удовлетворены три из пяти критериев качества, а именно наличие ложного / контрольного, дозиметрического и температурного контроля ( рис. 4 ). Положительный контроль использовался в 47% случаев, и только одно исследование было проведено по слепому протоколу (2%). Эти результаты показывают, что количество обследований и критерии качества недостаточны для статистического анализа. Следует подчеркнуть, что этот анализ качества охватывает все публикации, касающиеся откликов / последствий воздействия ММВ от 6 до 100 ГГц, независимо от протестированных конечных точек. Для проведения корреляционного анализа потребуется большее количество сопоставимых исследований (например, идентичные конечные точки в частотной группе).

Обсуждение

Первое релевантное наблюдение в ходе анализа исследований заключается в том, что в большинстве публикаций цель исследований состояла в том, чтобы определить влияние воздействия ММЗ в медицинских целях. Это означает, что используемые устройства для облучения, в основном, используются в медицинских целях (терапия или диагностика). Очень немногие публикации посвящены вопросам, связанным со здоровьем, после воздействия ММВ в целом или конкретной теме 5G. Поэтому 94 публикации очень разнородны.

Мы разделили полосы частот на семь диапазонов и поместили исследования в соответствующие группы. Вся доступная информация о физических и экспериментальных параметрах была собрана, но точное количество экспериментов в каждом исследовании не было принято во внимание. (Одна публикация может содержать более одного эксперимента.) Таким образом, набор данных представляет собой предоставленное количество исследований / публикаций, а не точное количество проведенных экспериментов, что значительно выше.

В этом отчете не приводится статистический анализ корреляции между условиями воздействия и результатами, что было нашей первоначальной целью. В исследовании корреляции по Симко и соавт. была выбрана частотная группа с учетом только одной группы биологических конечных точек. Около сотни исследований, проведенных исключительно in vitro, были идентифицированы и разбиты на отдельные эксперименты в этой статье. Таким образом, количество экспериментов было достаточным для проведения корреляционного анализа. В настоящем обзоре разброс биологических конечных точек в отдельных частотных группах и используемых моделях (in vivo и in vitro) велик, а количество исследований очень мало. Поэтому было невозможно сгруппировать исследования по конкретным конечным точкам и выполнить статистический анализ.

Интересно, что более половины исследований (53 публикации) были проведены в полосах частот 40,1–50 и 60,1–65 ГГц (с разными моделями и конечными точками). Одна из возможных причин этого заключается в том, что медицинское использование MMW имеет давнюю традицию в Восточной Европе. Эти приложения используют определенные частоты, которые попадают в эти две частотные группы. Исследования проводились с целью проверки специфических эффектов, имеющих медицинское значение. В этих двух частотных группах процент «с ответами», как правило, был ниже, чем в других частотных диапазонах (см. Рисунок 1 ), где в большинстве исследований были показаны ответы на воздействие.

Что касается используемых плотностей мощности, около половины исследований были проведены в диапазоне до 10 мВт / см 2 ( рис. 2 ). Это значение в десять раз выше, чем действующее руководство по воздействию ICNIRP для населения в целом. Исходя из имеющихся данных, нет никаких признаков того, что более высокие плотности мощности вызывают более частые ответы, поскольку процент ответов во всех группах уже составляет 70% ( рисунок 2 ). Одним из исключений из этого высокого показателя ответа является группа 50,1–100 мВт / см 2 , где доля исследований с реакциями несколько ниже (54%). Тем не менее, общее количество экзаменов (11) является относительно небольшим в этой группе.

Результаты некоторых исследований могут свидетельствовать о том, что воздействие плотностей мощности на уровне или ниже рекомендаций руководства вызывает биологические эффекты. Есть, однако, некоторые аргументы против этого. Одним из них является очевидная неоднородность дизайна исследования и изученных результатов. Существует очень мало (если таковые имеются) независимых исследований репликации, которые подтверждают сообщенные результаты. Также следует отметить, что нет тенденции к классической схеме доза-ответ, где более сильные или более частые эффекты будут вызваны более высокими уровнями воздействия. Поскольку исследования с условиями, способствующими потеплению тканей, показывают не больший эффект, чем ниже рекомендуемых значений (1 мВт / см 2), это будет либо означать, что одни и те же взаимодействия присутствуют при всех испытанных плотностях мощности, либо присутствуют экспериментальные артефакты, неизвестные ученым.

Наиболее важным физическим экспериментальным параметром является температура во время воздействия, поэтому температуру необходимо постоянно контролировать. Необходимость строгого контроля температуры не является незначительным или тривиальным вопросом, и во многих исследованиях им пренебрегали или, по крайней мере, недооценивали. Хотя некоторые авторы сообщают, что они проводили измерения конкретной температуры во время экспериментов, это не обязательно означает, что они представляют собой фактическую температуру в биологическом материале. Измерения могут быть выполнены, например, в окружающей среде, но не в открытой ткани или в клетке. Также необходимо учитывать, что «объемный» нагрев (снаружи внутрь из-за определенного временного хода) может отличаться от нагревания, которое происходит в довольно ограниченной точке («горячая точка»). К тому же, Интенсивность короткого пакета может быть потеряна, если измерения основаны на среднем времени воздействия. Такие ошибки и проблемы являются возможными факторами, которые способствовали сомнительной интерпретации «нетепловых эффектов» в некоторых исследованиях.

Эффекты после воздействия MMW были показаны во все времена воздействия без четкой зависимости от времени. Представленные данные показывают одно исключение, а именно в группе «> 60 минут до дней», где было обнаружено меньше реакций ( Рисунок 3 ). Необходимо учитывать, что в этой группе было проведено 27 исследований, 23 из которых были исследованиями in vitro. Эксперименты in vitro можно проводить при охлаждении, поэтому результаты могут быть разными (см. Далее ниже).

Две исследовательские группы вместе предоставляют 30 из 94 публикаций в наборе данных, и, таким образом, могут оказать большое влияние на анализ результатов. Одна группа представила как минимум 21 публикацию (42,25 и 61,82 ГГц; от 10 до 30 мВт / см 2 ; с различной продолжительностью воздействия), с различными исследованиями in vivo и in vitro, в которых в основном сообщалось об ответах на воздействие. Другая группа в основном изучала экспрессию генов и белков (60 ГГц; 5,4–20 мВт / см 2 ; длительность воздействия от минут до дней) и не обнаружила, в основном, ответов. Исследования обеих групп хорошо соответствовали критериям качества в нашем анализе.

Контроль температуры в исследованиях in vitro

Исследования in vivo, которые проводятся внутри или непосредственно на живом организме, показали как тепловые, так и предполагаемые нетепловые эффекты после или во время воздействия MMW. Исследования in vitro проводятся на клетках, и большинство экспериментальных параметров можно точно установить и наблюдать. Таким образом, клеточные культуры могут очень тщательно контролироваться, например, вызванное повышение температуры может встречно охлаждаться. Многие исследования in vitro, рассмотренные в этом обзоре, были выполнены с использованием охлаждения сосудов для культивирования клеток, и авторы не обнаружили никаких нетепловых эффектов в этих исследованиях. В исследованиях in vivo встречное охлаждение невозможно, поэтому очень трудно провести различие между тепловыми и нетепловыми реакциями. Таким образом, исследования in vivo и in vitro в отношении индуцированных эффектов нельзя сравнивать напрямую. Точная дозиметрия может решить эту проблему.

Дозиметрия

Важно знать, каким будет воздействие MMW из-за ожидаемого внедрения большого количества устройств беспроводной связи 5G. Учитывая новизну технологии, в настоящее время маловероятно, что будет доступно большое количество соответствующих исследований по оценке воздействия. Тем не менее, пример из недавнего исследования показывает, что «типичная» офисная среда с передатчиками беспроводной связи (5,50 ГГц) приводит к плотностям мощности, значительно превышающим допустимые пределы воздействия. Таким образом, максимальная плотность мощности была измерена при 0,89 мкВт / см 2 .

Частично (n = 25) экспериментальные исследования биологического воздействия и воздействия на здоровье ММВ соответствуют или не соответствуют рекомендациям ICNIRP. Плотности мощности часто выбирались таким образом, чтобы воздействие не вызывало или очень умеренно нагревало ткань (<1 ° C), а именно в диапазоне от 1 до 10 мВт / см 2., Поскольку проникновение в ткани этих частот составляет порядка миллиметров и ниже, важно изучать биологические эффекты, прямо или косвенно связанные с воздействием на кожу и глаза. Как упоминалось ранее, количество доступных исследований в диапазоне частот 6–100 ГГц является относительно низким, что отличается от количества исследований для более низких радиочастот. Аналогично, количество дозиметрических исследований ткани (особенно для кожи) очень ограничено. Тем не менее, такие исследования очень актуальны, потому что они показывают, как определенные параметры воздействия могут влиять на подвод энергии и, следовательно, на тепловое поведение кожи.

В настоящее время и рекомендации ICNIRP, и стандарты IEEE пересматриваются, чтобы заменить значения SAR плотностью мощности выше 6 ГГц. Однако уже было признано, что рядом с передатчиком имеется реактивное ближнее поле (вокруг антенн). Здесь энергия не излучается, а энергия охватывает антенны. Вопрос в том, важны ли эти «реактивные ближние поля» для доставки энергии в тело человека рядом с передатчиком? Если это не так, то достаточно соблюдать существующие пределы воздействия, основанные на измерениях плотности мощности в свободном пространстве. С другой стороны, сильное реактивное ближнее поле значительно усложнит ситуацию с экспозицией. Следовательно, для дозиметрического моделирования расстояний (от антенны) ниже длины волны MMW (мм) измерения температуры следует проводить скорее в подходящих фантомах, чем в прямых измерениях плотности мощности в свободном пространстве [111].

Вопрос заключается в том, насколько надежно можно экстраполировать плотность мощности (в свободном пространстве) на возможное повышение температуры в тканях человека? Например, Neufeld et al. обнаружили, что «всплески» 10 ГГц (считающиеся «безопасными» ICNIRP и IEEE) могут вызвать повышение температуры> 1 ° C, если продолжительность всплеска достаточно велика. Также обсуждалось, являются ли средние значения плотностей мощности для оценки безопасности правильными. Кроме того, повышение температуры на MMW также зависит от размера области. Таким образом, необходимо учитывать такие факторы, как амплитуда всплеска, «площадь усреднения» и «время усреднения» для дозиметрии.

Фостер и соавт. рассмотрели и смоделировали данные о вызванном MMW повышении температуры кожи человека. Модель учитывает частоты 3–100 ГГц и меньшие участки кожи диаметром 1–2 см. Доступные данные о воздействиях, длящихся более нескольких минут, а также об участках кожи диаметром более 2 см, были ограничены и затрудняли моделирование, но в соответствии с существующими данными. Это означает, что эта модель после соответствующей оценки дозиметрии могла бы использовать меньшие участки кожи. Авторы также прокомментировали рекомендации по облучению для частот от 3 до 300 ГГц в отдельной статье. Основываясь на «тепловом моделировании», авторы сочли действующее руководство консервативным с точки зрения защиты от повышения температуры в ткани. Они также указали, что положения о времени усреднения и средней площади требуют дальнейшей доработки и что рекомендации коротких всплесков высокой интенсивности не могут быть защищены руководящими принципами.

Жадобов и соавт. рассматривали проблему точного измерения температуры в исследованиях MMW in vitro. Они обнаружили, что тип термозонда (термопары лучше, чем волоконно-оптические зонды) и размер зонда (более мелкие зонды более точны) имеют значение. Кроме того, им удалось показать, что первоначальное повышение температуры во время воздействия происходит быстро (в течение нескольких секунд, пока не будет достигнуто плато) и что клетки поглощают очень небольшое количество энергии, поскольку большая часть энергии уже поглощена в среде для культивирования клеток. , Тем не менее, авторы подсчитали, что воздействие 58,4 ГГц при 10 мВт / см 2 приводит к значениям SAR более 100 Вт / кг в клеточном монослое. Это значение является частью значений SAR жидкости, окружающей клетки.

Несколько исследований были сосредоточены на распределении плотности мощности и изменении температуры кожи в результате воздействия ММВ в диапазоне частот от 6 до 100 ГГц. Исследования представляют собой экспериментальные и / или модельные исследования с использованием ранее опубликованных данных. Алексеев и др. [ 116 , 117 ] исследовали поглощение кожи мышей и людей на частотах от 30 до 82 ГГц (10 мВт / см 2 ). Они обнаружили, что у обоих видов поглощение как в эпидермис, так и в дерму происходит с сопутствующей потерей плотности мощности в более глубоких областях. Расширенное исследование той же группы на коже предплечья человека показало, что как повышение температуры, так и значения SAR зависят от частоты (в интервале от 25 до 75 ГГц; 25, 73,3 и 128 мВт / см.2 )

Частотная зависимость для повышения температуры также наблюдалась в модельном исследовании с кожей лица человека. Использовались импульсные ММВ (6–100 ГГц, 100 мВт / см 2 , длительность импульса 200–10 000 мс), а температура кожи моделировалась как функция как длины импульса, так и частоты. Пиковая температура кожи увеличивалась в зависимости от частоты до 20 ГГц, в то время как выше 20 ГГц она оказалась зависимой от «горячих точек поглощения». В более глубоких регионах (> 2 мм) повышение температуры было очень низким и наибольшим около 10 ГГц.

Кроме того, было показано, что определенные компоненты кожи влияют на поглощение энергии. Было показано, что присутствие потовых желез, а также капилляров в дерме может вызывать локально повышенные уровни SAR. Последнее исследование показало, что уровень SAR в сосудах может быть до 30 раз выше, чем в окружающей коже, в зависимости от диаметра сосудов.

Как в, так и в сообщается, что диэлектрические свойства разных участков кожи различаются. Первое исследование показало, что так называемые точки акупунктуры у здоровых добровольцев демонстрируют различные диэлектрические свойства при воздействии MMW (50–75 ГГц, 14 мВт / см 2 ), в то время как второе исследование даже обнаружило различия между эпидермисом и дермой (0–110 ГГц).

Эти исследования показывают, что как частота, так и специфическое состояние и состав кожи имеют значение для дозиметрии тканей. Тем не менее, имеется слишком мало и очень разных исследований, чтобы дать убедительную картину дозиметрии воздействия MMW на 5G.

ICNIRP и другие рекомендации по воздействию

Руководящие принципы для пределов воздействия радиочастотных электромагнитных полей от 3 до 300 ГГц во многих странах основаны на рекомендациях Международной комиссии по защите от неионизирующих излучений (ICNIRP). Однако есть и другие организации, занимающиеся предельными значениями, такие как Институт инженеров по электротехнике и электронике, IEEE или Федеральная комиссия по связи США, FCC.

Рекомендации содержат основные пределы воздействия, которые обозначены как SAR или плотность мощности. Пределы для данной частоты отличаются лишь незначительно, если вообще, между различными руководящими принципами. Тем не менее, важное различие между рекомендациями касается частоты, так как значения базовых ограничений SAR изменяются на плотность мощности. Эта частота (диапазон) в настоящее время установлена ??ICNIRP на 10 ГГц, в то время как IEEE и FCC видят это в диапазоне 3–6 ГГц. Текущий пересмотр этих рекомендаций направлен на гармонизацию этих частот.

Пределы воздействия, указанные в руководствах, должны защищать от прогревания тканей выше 1 ° C. Причина в том, что воспринимаемые опасности энергии MMW связаны с чрезмерным нагревом, называемым тепловыми эффектами. Однако следует учитывать, что руководящие указания означают повышение температуры на 1 ° C относительно начальной температуры независимо от начальной температуры. Повышение температуры может вызвать боль в коже при умеренном увеличении, тогда как при температуре 43–44 ° C это может даже вызвать ожоги.

В настоящее время только тепловые эффекты, вызванные высокочастотными электромагнитными полями, распознаются как эффекты. Это означает, что эффекты имеют термический компонент, даже если это, очевидно, не из-за ткани, которая была повреждена из-за чрезмерного нагревания. С другой стороны, было высказано предположение, что воздействие MMW также может вызывать нетепловые эффекты. Однако до сих пор ни один признанный экспертный комитет не поддержал такое утверждение.

Пробелы в знаниях и рекомендации по исследованиям

Воздействие на людей может происходить через устройства 5G с частотами выше 6 ГГц и может быть в основном на коже и, в меньшей степени, на глазах. Это связано с очень низкой глубиной проникновения этой MMW. Поэтому важно выяснить, есть ли какие-либо связанные со здоровьем воздействия на кожу и / или эффекты, связанные с кожей. К ним относятся острые повреждения кожи от нагревания ткани (ожоги), но, возможно, и менее острые последствия (такие как воспаление, развитие опухоли и т. Д.) Такие эффекты могут появиться после длительного и многократного нагрева поверхностных структур (кожи). Это будет означать, что тепловые эффекты возникают не из-за острого, а из-за хронического повреждения.

Также может быть, что местное воздействие вызывает отложение энергии в дерме кожи, которая может быть настолько сильной, что может воздействовать на нервные окончания и периферические кровеносные сосуды с помощью согревающих механизмов. Такие сценарии были предложены Зискиным на основе серии исследований, проведенных его группой. В этих исследованиях обычно использовались воздействия около 60 ГГц при плотности мощности 10 мВт / см 2 на кожу в области грудины для получения системных эффектов. Целью было лечение определенных заболеваний и жалоб. Идея заключалась в том, что лечение вызывает выделение организмом опиоидов и дополнительно стимулирует периферические нервы. Стимуляция будет зависеть от локального теплового эффекта, который из-за частот вызывает локально высокие значения SAR даже при низкой плотности мощности, тем самым нагревая ткань.

Из-за противоречивой информации из различных доказательств, которая не может быть научно объяснена, а также из-за больших пробелов в знаниях относительно воздействия MMW на здоровье в диапазоне частот 6–100 ГГц при соответствующих плотностях мощности для 5G, исследования необходимы на многих уровнях , Важно определить точные диапазоны частот и плотности мощности для возможных исследовательских проектов. Существует острая необходимость в исследованиях в области дозиметрии, исследований доза-эффект in vivo и вопроса о нетепловых эффектах. Поэтому рекомендуется, чтобы при проведении соответствующих исследований были устранены следующие пробелы в знаниях (список исследовательских рекомендаций не имеет приоритета):

Точная дозиметрия с учетом кожи для соответствующих частотных диапазонов, включая учет коротких интенсивных импульсов (всплесков)
Исследования воспалительных реакций, начиная с кожи и связанных с ней тканей.
Исследования in vivo о влиянии возможного повышения температуры ткани (например, модель с голой или безволосой мышью).
In vivo доза-ответные исследования тепловыделения.
Использование in vitro моделей (3D-моделей) кожи для молекулярных и клеточных конечных точек.
Уточнение вопроса о нетепловых эффектах (in vitro)

Есть также вопросы о воздействии на окружающую среду, с потенциальными последствиями для здоровья человека. Поскольку многие устройства MMW будут установлены в окружающей среде, влияние MMW на насекомых, растения, бактерии и грибки имеет значение для расследования. Особенно актуален вопрос повышения температуры у очень маленьких организмов, так как глубина проникновения MMW может согреть весь организм.

Однако нереалистичный сценарий состоит в том, что воздействие ММВ при реалистичной плотности мощности может вызвать системное потепление тела у людей. Любое локальное тепловое воздействие рассеивается нормальной системой терморегуляции организма. Это происходит главным образом из-за конвекции, вызванной кровотоком, смежным с поверхностными областями кожи, где фактическое воздействие имеет место.

Подводя итог, следует отметить, что существуют пробелы в знаниях о локальном нагревании на небольших живых поверхностях, например, на коже или в глазах, что может привести к определенным последствиям для здоровья. Кроме того, вопрос о возможности нетеплового воздействия требует ответа.

Выводы

Поскольку диапазоны до 30 ГГц и более 90 ГГц представлены довольно редко, этот обзор в основном охватывает исследования, проведенные в диапазоне частот от 30,1 до 65 ГГц.

Таким образом, большинство исследований с воздействием MMW показывают биологические реакции. Однако из этого наблюдения нельзя сделать глубоких выводов относительно биологического воздействия и воздействия на здоровье облучения MMW в диапазоне частот 6–100 ГГц. Исследования очень разные, и общее количество исследований удивительно мало. Реакции происходят как in vivo, так и in vitro и влияют на все изученные биологические конечные точки. Похоже, что между интенсивностью (плотностью мощности), временем или частотой воздействия и эффектами воздействия не существует устойчивой взаимосвязи. Напротив, что поразительно, более высокие плотности мощности не вызывают более частых откликов, поскольку процент откликов в большинстве частотных групп уже составляет 70%. Некоторые авторы ссылаются на результаты своих исследований как имеющие «нетепловые» причины, но лишь немногие применили соответствующий контроль температуры. Поэтому остается вопрос, является ли потепление основной причиной каких-либо наблюдаемых эффектов ММВ? Чтобы оценить и обобщить данные 6–100 ГГц в этом обзоре, мы делаем следующие выводы: Что касается воздействия на здоровье ММВ в диапазоне частот 6–100 ГГц при плотностях мощности, не превышающих руководящих принципов воздействия, исследования не дают четких доказательств из-за противоречивой информации исследований in vivo и in vitro. Что касается возможности «нетепловых» эффектов, имеющиеся исследования не дают четкого объяснения какого-либо способа действия наблюдаемых эффектов. Что касается качества представленных исследований, слишком мало исследований соответствуют минимальным критериям качества, чтобы сделать какие-либо дальнейшие выводы.