二、生物物理学特征

微波振荡频率极高，波长介于长波红外线与短波之间。但微波的产生、传输、测量等原理既不同于光波，又不同于超短波。微波的某些物理特性类似光波，如呈波束状传播，具有弥散性能，遇不同介质可引起反射、折射、绕射、散射、吸收以及利用反射器进行聚集的作用，其规律与相应的光学规律接近。微波作用时称辐射（或照射）。因微波的弥散性大，故用特制的传输系统，包括波导管（同轴电缆）和辐射器。微波由辐射器中的无线辐射至空间作用于人体（图5.5.1）。辐射器有半圆形（图5.5.2）、矩形（图5.5.3）、圆柱形（图5.5.4）、耳道辐射器（图5.5.5）和鞍形辐射器（图5.5.6）。

图5.5.1　微波作用人体的情形	图5.5.2　半园形辐射器
C-同轴电缆；R-辐射器(天线+反射罩)
S-皮肤；F-脂肪；M-肌肉
图5.5.3　矩形辐射器	图5.5.4　园柱形辐射器
图5.5.5　耳道辐射器(A)及其辐射场(B)	图5.5.6　鞍形辐射器

当微波辐身到人体时，一部分能量被吸收，另一部分能量则为皮肤及各层组织所反射。厘米波辐射机体时的反射率为40～50％。富于水分的组织能较多地吸收微波能量，而脂肪、骨骼等则反射相当部分的微波。所以当微波作用到有多数界面的部位或器官（如眼、盆腔等）应注意由此引起的过热现象。

微波对人体组织的穿透能力与其振荡频率有关，振荡频率愈高，穿透能力愈弱。波长为12.5厘米的微波，穿透组织的深度一般可达3－5厘米。

微波治疗的主要作用因素也为热效应和非热效应。脉冲式微波治疗时，其所产生的热为脉冲间期时的血流所消散，故其热作用小，适合于对热禁忌的疾病，如急性病。且能作用于更深的组织。但由于其物理特性所致，微波的热效应和非热效应与超短波引起的也不一样。

（一）热效应

微波辐射人体后，电解质离子随微波频率迅速振动以及电介质的束缚电荷作相对移动，偶极子产生转动，为克服所在媒质的粘滞性而消耗能量并产热。实验证明使水分子转动180°所需的时间大体与微波之半周期相适应，水分子的固有振荡频率与波长3厘米之微波频率相近，可吸收微波能量的98％，10厘米微波可被水吸收50％，介电常数较大的组织吸收微波较多，水的介电常数大，故富于水分的组织（如血液、肝、肾、肌肉等）吸收微波能量最多而产生大量热能，引起组织温度升高，而脂肪和骨组织吸收能量最少（图5.5.7）。

微波对生物体加热的深度取决于波长、组织的导电率、反射能力、介电性、分层厚度、总的容积和几何形状等。厘米波最显著的能量吸收发生在表浅组织内，其穿透组织深度仅为数厘米，同时大部分能量在组织的交接面上被反射，在此处可能形成驻波而导致邻近组织的过热。微波透入机体组织的特点，使得在某一种动物身上所研究的结果很难或根本不可能应用到另一种动物身上，更不能照样地应用于人体。例如，用波长12.6厘米的微波同样作用于老鼠、兔和人，可刺激不同的器官引起反应。由于多种因素影响电磁能吸收的精确测定，故目前在临床治疗和实验研究中，微波对机体作用强度的最可靠的指标，仍然是测量受作用组织或器官的温度变化。

图5.5.7　在短波超短波电容电极（上图）和微波辐射器（下图）作用下，皮肤(S)，皮下脂肪（F）和肌肉(M)中的温度升高比较

（二）非热效应

动物和临床实验证明，微波的热作用是明显的，但实验中，出现一些不能用热效应解释的生物学现象，例如鸽子在微波束（雷达）中出现慌乱而古怪的飞行。鸽子这种异常活动，不可能与热有关，因为根据辐射器的功率和辐射源与鸽子的距离分析，其能量密度绝不会引起热效应。又如以脉冲持续时间为1/10微秒的微波作用于兔眼时，20分钟后可出现严重损害，但测到的平均功率远不足以引起热效应；还有当以不会引起产热的剂量作用于机体时，发现可以血流加速，接受低场强微波照射后，在不引起温度升高的情况下，却能引起某些系统和器官的机能或形态学方面的变化，如嗜睡、心动过缓、血压下降等反应，苏联学派称此为热外作用。认为当接受作用的介质发生温度变化之前，已发生了非常复杂的物理-化学过程,有机物和无机物荷电颗粒随电磁场方向的变化而转移,膜上荷电粒子浓度和通透性改变,蛋白结构造形过程的变化,细胞上的胺基基团及细胞的结构等方面的变化,这与电磁场频率与受作用的动物种类，作用部位和机体原始状态有关。这种特殊作用在较低强度微波作用时受作用时(小于10mw/cm²)表现明显，高强度作用时引起的明显热效应掩盖了细胞和组织内的小能量作用下产生的物理化学变化反应，故非热效应就不易显示出来。因此，可以总结为：微波的非热效应在由于细胞内成分的布朗氏运动而产生热效应之前最为突出，尤其是当应用低强度微波时最为明显。在微波的作用机制中，当受作用的细胞内结构的固有频率与电磁场频率相一致或成倍数时所产生的效应最大。有人指出在微波作用上，细胞内水分发生构形过程，而这些水分的固有频率大约为500MHz，而蛋白质分子内的结合水本身又决定了分子形态的变化。因此整个机体系统对低强度微波振荡不仅具有特殊的极高的敏感性，而且接受其影响的能力也增强。有人提出微波的非热效应需从信息学说的观点来认识电磁场的生物学活性问题。在基本相同条件下的外源热作用不引起类似的非热效应。但国际上对此尚有争议，需待继续研究。我科与生物教研室等协作，进行低场强微波照射小白鼠实验，在1Mw/cm²组中，照射后，测动物皮温变化为－0.4℃（均值），肛温变化为－1.59℃（均值），但可见到心肌部分线粒体有溶合、变形、嵴数减少变短和部分空化，并偶见心肌肌丝轻微松散等改变，这就很难用热效应解释。1973年国际微波华沙会议曾建议1Mw/cm²以下为非热效应，1～10W/cm²为非热效应和热效应的复合作用，10mW/cm²以上为热效应作用，这与我科等所进行的实验中，各微波场强组小白鼠体温变化和心肌超微结构改变有相符之处。亦初步认为从微波卫生防护和微波临床应用出发，应考虑到微波的热作用和非热作用的生物效应因素。