電磁輻射與人類健康：來源與影響回顧
By Ali Zamanian and Cy Hardiman Fluor Corporation, Industrial and Infrastructure Group
射頻 (RF) 工程師多次面臨以下兩個問題：“無線電波對人類健康有何影響？”更具體地說，“使用手機、行動收音機、微波收音機、微波爐、廣播電台和電視發射機、電源線和 X 光會帶來哪些健康風險？”近年來，許多人表示有興趣了解使用手機是否與癌症有關。許多人聽說過或讀到手機與癌症之間可能的聯繫，但結論很少是明確的。本文將嘗試回答這些問題，但首先，我們必須對電磁輻射（EMR）有基本的了解。
電磁頻譜
無線通訊鏈路作為點對點和點對多點應用中的連接解決方案已在全球範圍內使用多年。最常見的無線解決方案包括 AM 和 FM 無線電、電視廣播電台、行動電話和蜂窩電話、雷達和微波系統。電磁 (EM) 頻譜包含一系列頻率不斷增加的電磁波，從極低頻和極低頻 (ELF/VLF)，透過射頻 (RF) 和微波，到紅外線 (IR) 光、可見光、紫外線 ( UV）光、X射線和伽馬射線。圖 1 是頻率遞增（波長遞減）的電磁能量或輻射頻譜的圖形表示。不同範圍的效果的一般性質是不同的。
電離輻射
圖1·電磁頻譜
電離輻射含有足夠的電磁能，可以從組織中剝離原子和分子，並改變體內的化學反應（將分子全部或部分轉化為離子）。 X 射線和伽馬射線是電離輻射的兩種形式。眾所周知，這些射線會造成損害，這就是為什麼在對我們的身體進行 X 射線檢查時必須穿著鉛背心，並且核電站周圍有嚴密的屏蔽。人類不斷暴露於來自天然來源的低水平電離輻射。
這類輻射稱為自然背景輻射，其主要來源有：
• 可見光、紫外光和紅外光（太陽光）
• 地球表面的放射性物質（煤炭、花崗岩等中含有）
• 放射性氣體從地球洩漏（氡氣）
• 來自外太空的宇宙射線經由電離層進入地球大氣層
• 人體中的天然放射性
非電離輻射
頻譜的較低部分被認為是非電離電磁輻射 (EMR)，其能量水平低於原子水平效應所需的水平。
非電離輻射的例子有：
• 直流電靜態電磁場 (0 Hz)
• 電力低頻波 (50-60 Hz)
• 極低頻 (ELF) 和甚低頻 (VLF) 場（最高）至30 kHz）
• 射頻(RF) ，包括低頻(LF)、中頻(MF) 高頻(HF)、甚高頻(VHF)、超高頻(UHF) 以及微波(MW) 和毫米波 ( 30 kHz 至300 GHz)
• 紅外線(IR)光、可見光和紫外線(UV) 光（300 GHz 以上）
• [編者註：最高微波頻段和紅外光之間的頻率很少使用，但正在研究未來的應用] 所有這些波都會產生一些熱效應。儘管較高的功率密度（例如非常靠近高壓電力線或高功率（兆瓦）廣播發射機的功率密度）可能會對人體組織產生任何類型的損害，但大多數常見來源的能量不足，無法對人體組織造成任何類型的損害。任何 EMR 源的功率密度不僅與源處的功率等級相關，而且隨著與源的距離減小而迅速增加。由於越來越多的人比以往任何時候都更使用手機，當今一個普遍的問題是手機天線會在人的頭部附近產生輻射。然而，手機輻射的能量非常少。因此，即使它們靠近頭部，也不被認為是危險的。一些研究表明，潛在的健康危害可能與過度暴露於高功率密度的非電離輻射有關。這些健康危害包括：
• 癌症
• 腫瘤
• 頭痛
• 疲勞
• 阿茲海默症
• 帕金森氏症
然而，研究人員並不確定長期暴露於非電離輻射會產生哪些特定的長期影響。
ELF 和 VLF 電磁輻射
ELF 和 VLF 範圍內的 EMR 既是自然發生的，也是人造的。自然電磁輻射包括地球產生的背景電磁場以及雷暴以及太陽和宇宙活動產生的額外電磁輻射。電磁場的強度取決於源處的功率和與源的距離。接觸人造 ELF/VLF 主要是由於電能的產生、傳輸和使用。每當電流通過導體時就會產生電磁場。實際上，創建了兩個相互依賴的場：電場和磁場。電場強度取決於所承載的電壓，而磁場強度取決於所承載的電流量（安培數）。因此，電磁場是由各種家用電器產生的，例如冰箱、吸塵器、吹風機、熨斗、電熱毯、微波爐、電視、立體聲接收器和電腦中的馬達。事實上，由於個人靠近家用電器，電磁場的水平通常遠大於架在高塔上的傳輸線所產生的水平。然而，這些電器僅在使用時產生電磁場，而傳輸線電磁場則是連續的。雖然這些人造 ELF/VLF 電磁場可能會引起生物效應，但對人類健康的不利影響卻備受爭議。
電力線效應
圖2·電力線。
對電源線發出的電磁場（圖 2）的擔憂長期以來一直是房地產和電力行業的一個話題。每年都會發布新的研究和相互矛盾的報告。雖然很容易屏蔽房屋免受附近電線產生的電場的影響，但屏蔽它們產生的磁場卻要困難得多。屏蔽磁場的最佳方法是埋設輸電線路，但與架空線路相比，成本要高得多。已經進行了動物實驗、細胞實驗室研究、臨床研究、電腦模擬和人群（流行病學）研究，以確定電磁場暴露與許多疾病之間的關係，包括憂鬱症、兒童白血病、中樞神經系統疾病、癌症、黑色素瘤、乳癌等。其中一些報告提供了對健康不利影響的證據，而其他一些報告則未能發現任何此類相關性。最近，美國國家科學院和國家癌症研究所發布的重大研究發現，沒有證據表明電磁場與癌症之間存在關聯。這些研究表明，輸電線路導致癌症的可能性比之前懷疑的要小得多。
射頻輻射
表 1 · 典型便攜式/行動無線電設備。
LF、MF、HF VHF、UHF 或微波頻率範圍內的 RF 能量通常稱為無線電波、RF 輻射或 RF 發射。出於本次討論的目的，術語「射頻能量」用於 30 kHz 至 300 GHz 之間的所有頻率。
關於射頻能量的一些已知事實是：
• 射頻能量的生物效應與能量吸收率成正比，且吸收水準隨頻率變化很小。
• 射頻能量能夠加熱人體組織，就像微波爐加熱食物的方式一樣，如果暴露得足夠強烈或時間過長，就會產生危險。
• 暴露於高水準的射頻能量可能會導致組織損傷，因為身體沒有能力消散所產生的過量熱量。可能的傷害包括皮膚燒傷、深度燒傷、中暑和中暑。
眼睛特別容易長時間暴露在射頻能量下；缺乏血液流動來冷卻角膜會導致白內障。
廣播電台
商業 AM/FM 無線電和電視廣播電台傳輸非常高水準的射頻能量。它們的一些天線輻射功率水平為幾兆瓦，但幸運的是，這些天線通常放置在附近無人的高塔或建築物上。即便如此，人類從 AM/FM 收音機和電視廣播電台天線吸收的射頻能量比從行動電話和基地台天線吸收的射頻能量還要多。然而，一旦從任一來源吸收能量，效果基本上相同。澳洲的一個組織聲稱有證據表明居住在電視廣播電台塔附近會導致兒童白血病增加。然而，澳洲和英國進行的後續研究反駁了這個說法。後續研究發現，這些病例中射頻暴露與兒童白血病發生率之間沒有顯著相關性。
蜂窩電話、無線電話和手持收音機
大多數蜂巢/PCS 和無線電話都附有一個小天線，或者該天線整合到電話機身中。由於蜂窩電話的天線靠近用戶的頭部，因此此類電話比其他類型的射頻系統會產生更大的射頻暴露。家用無線電話和其他雙向手持收音機也有類似的效果。然而，無線電話的射頻功率輸出非常低，且雙向手持對講機通常以按鍵通話模式使用，因此傳輸不是連續的。表 1 列出了美國蜂巢、PCS、手持無線電和無線電話的頻段和平均輻射功率。
車上行動電話和收音機
車載行動電話（非蜂窩電話）和收音機的天線安裝在車外，通常安裝在車頂、車窗、後行李箱或擋泥板上。車輛的金屬表面在行動電話或無線電用戶與天線輻射的射頻能量之間提供了屏蔽。使用者和天線之間的距離也可以起到防止射頻能量的作用。由於這兩個因素，行動裝置的使用者很少接觸 RF 能量，儘管平均輻射功率很大（在 10 到 100 瓦之間）。
基地台和無線電站點
圖 3 · 人類暴露於來自無線電站點的射頻能量。
蜂巢/PCS 和其他雙向無線電系統基地台（無線電站點）產生射頻能量。因此，基地台附近的人們會接觸到這種能量。然而，由於產生的功率較低（低於 100 瓦）以及塔頂天線與該區域中任何人之間的距離，暴露通常很小（圖 3）。
射頻暴露問題
來自蜂巢/無線和手持式無線電的 EMR 所需的能量比引起人體組織中 DNA 電離或損傷所需的能量少數十億倍。然而，這項技術的快速和廣泛使用引起了人們對可能對健康產生不利影響的擔憂，特別是腦癌。美國和其他國家已經開展了幾項解決這個問題的研究。這些研究似乎以合理的置信度排除了這些設備的 EMR 與癌症之間的任何關聯。越來越多的科學專家已經改變了關於使用這些類型的無線設備的立場。許多專家認為，癌症風險與較高瓦數範圍內的 EMR 有關。對於位於無線電站點的基地台，科學界的共識是，只要防止人們靠近天線，產生的功率就太低，不會對健康造成危害。迄今為止，還沒有研究提供確鑿的證據表明手機會導致任何疾病。然而，正在進行的研究正在更仔細地研究這個問題。來自歐洲的最新報告引起了人們對手機使用與耳部腫瘤之間可能存在關聯的擔憂，其中兒童患耳腫瘤的風險比成人更大。值得注意的是，蜂窩/PCS和無線電話是相對較新的技術，在缺乏長期研究的情況下不可能證明任何產品或暴露是絕對安全的。因此，一個好的「預防」方法是成年人保持手機通話簡短，並阻止兒童頻繁、長時間使用手機。使用手機的一個顯著危險與輻射無關，而是使用手機時發生駕駛事故的風險增加。多項研究結果表明，開車時打電話會顯著增加發生事故的風險，有些研究表明這幾乎與酒後駕車一樣危險。
微波爐對人體健康與食物的影響
人們經常擔心微波爐的電磁輻射對附近的人和微波爐中準備的食物的影響。許多人認為微波爐可能會致癌，並且用微波爐製作的食物會有毒。這種信念根本不正確。雖然 X 射線等電離輻射形式通常具有足夠的局部能量，足以對其路徑中的分子造成化學損傷，但微波等非電離輻射不會損壞分子。微波產生純粹的熱能，在放入烤箱的潮濕食物或組織中產生熱量。微波爐的設計和測試使得門關閉時逸出的微波輻射可以忽略不計，從而使微波爐外部的射頻輻射水平相當安全。然而，烤箱門周圍磨損或損壞的墊圈的洩漏可能會導致輻射洩漏，從而造成不安全的情況。用微波爐烹調的食物不會產生持久影響。除了在普通烤箱中加熱造成的影響之外，沒有確鑿的證據表明微波製備的食物有任何化學變化。
微波通訊鏈路
圖4·微波通訊現場。
微波通訊鏈路在 1 GHz 至 60 GHz 之間的頻段運作。人眼特別容易受到微波能量的損害。在關於微波對動物眼部影響的廣泛但有爭議的研究中，暴露於非常高的頻率後會產生晶狀體白內障。用於通訊的微波鏈路採用高度聚焦的能量束，直接透過通常放置在特殊塔高處的天線之間的空間發送（圖 4）。這種做法使得任何人都不可能無意中直接進入這種能量的路徑。
磁振造影
圖 5 · MRI 機器範例。
MRI 基於原子的磁性。磁共振技術基於各種身體組織吸收和發射射頻能量。 MRI 使用強大的磁鐵產生比地球自然背景磁場強約 10,000 倍的磁場，並產生 1 MHz 至 100 MHz 範圍內的可變 RF 輻射。人體內極小部分的氫原子會與靜磁場對齊。當聚焦時，無線電波脈衝被傳輸到感興趣組織中對齊的氫原子，在那裡它們將反射微弱的訊號。影像是透過接收和分析反射的微弱無線電訊號來創建的。從不同身體組織接收到的訊號的這些細微差異使 MRI 能夠產生極高解析度的影像，能夠區分器官，並可能對比良性和惡性組織（圖 5）。儘管患者體內的能量沉積可能很大，但由於 MRI 不利用電離輻射，因此不會出現副作用或後遺症。然而，MRI 治療應用不當的危險確實存在，可能導致嚴重傷害甚至死亡。
這些危險主要是由以下原因造成的：
• MRI 產生的強磁場會幹擾植入的電子設備，例如起搏器。
• 意外放置在患者皮膚表面的導體（例如心電圖機和其他監測設備的引線）中的感應電流導致射頻燒傷。
光學效應（紫外線、可見光和紅外線）
圖6·電磁波譜的可見光區域
光輻射暴露源包括：
• 陽光
• 熱燈
• 雷射
• 其他白熾光源
強烈的光輻射會造成電子激發。這意味著身體表面附近組織中的電子可以吸收強光源的能量，從而引起加熱甚至燃燒。可見光光譜如圖 6 所示。因此，眼睛和皮膚是最受關注的器官。直接影響可能是眼睛視網膜損傷以及太陽輻射導致的皮膚異常發紅和灼傷（曬傷）。延遲效應包括白內障形成、視網膜變性、加速老化和皮膚癌。
紅外線 (IR) 的影響
紅外線 (IR) 是一種類似可見光但波長較長的能量場。這種輻射通常由熱燈、熔融金屬或玻璃、壁爐餘燼和其他「熱」物體發出，人眼是看不見的。熱效應是紅外線區域的特徵，延伸到可見光光譜。然而，可見光能量僅在高溫下由物體發射，而紅外線能量在常溫下由所有物體發射。一些研究表明，紅外線能量可以對人體細胞產生積極影響，因為它可以幫助重建結締組織。紅外線輻射與紫外線輻射沒有相關性，適量使用不會對人體健康造成傷害。
紫外線 (UV) 的影響
紫外線（UV）輻射的主要作用是光化學作用；對於可見光，情況也是如此，但程度較小。每個人每天都會暴露在陽光中的紫外線輻射下。紫外線照射的有害影響取決於照射程度、照射時間、個體對紫外線敏感性的差異。紫外線輻射既有正面的影響，也有負面的影響。紫外線輻射的積極作用包括保暖、植物光合作用以及人體維生素 D 合成。然而，過度暴露於紫外線輻射會對健康產生不利影響。除了曬傷的直接影響外，過度暴露於紫外線輻射還會導致皮膚癌、眼睛損傷、免疫系統抑制和過早老化。兒童非常容易受到有害的紫外線輻射。由於其更大的生物效應，一些參考文獻將紫外線視為電離輻射。
X 射線、伽瑪射線和其他核子/宇宙射線
1990 年代 90 年代放射性和 X 射線發現後不久，人們就看到了大劑量電離輻射的不利影響。 1902 年，研究放射性的科學家報告了皮膚癌。輻射在導致人類（主要是內科醫生和放射科醫生）患有白血病方面的作用於 1944 年首次被報導。
X 光和 CT 掃描
由於這些形式的 EMR 具有極高的頻率和能量，它們有足夠的能量來破壞活體組織中的化學鍵。 X 射線眾所周知的生物效應與分子電離有關。
許多類型的 X 光設備包括：
• 光照相繫統（牙科、足病、獸醫、醫療、脊椎按摩）
• 螢光鏡成像系統； （醫院、放射科醫師）
• 癌症治療
• CT 掃描（電腦斷層掃描）
• 乳房X 光檢查
• 用於安全的櫃式X 光系統（機場行李檢查）
• 工業射線照相（管道焊接、電路板分析)
• 用於檢測骨質疏鬆症的骨密度掃描
• 其他醫療和研究應用
CT 掃描本質上是一種複雜的X 射線類型，可以拍攝身體的橫截面圖像。X 射線束來創建電腦生成的骨骼影像，從而提供出色的骨骼細節。與其他形式的電離輻射一樣，X 射線從長遠來看可以改變細胞中的遺傳物質並引起導致癌症的突變。重要的是要認識到，大多數診斷過程中使用的 X 射線輻射量非常小，因此風險極低。多次 X 光檢查似乎不會增加風險，並且對一個人可能接受的醫學上必要的 X 光檢查的次數沒有限制。然而，總是可以安全地假設在高劑量輻射下發生的相同類型的效應也可能在低劑量輻射下發生。因此，最好盡量減少接觸。如果可能，患者應盡量減少接觸 X 射線，尤其是 CT 掃描，而 CT 掃描不應對可能懷孕的婦女進行。
伽瑪射線
每個人基本上都知道原子輻射的高度危險。伽瑪射線以及放射性物質和核反應發射的阿爾法和貝塔粒子都是電離輻射的形式。這些射線和粒子在活體組織中沉積能量時會造成化學或物理損傷。暴露於輻射對健康的影響從完全沒有影響到死亡不等，並可能導致白血病或骨癌、乳癌和肺癌等疾病。此外，暴露於高劑量輻射的孕婦的孩子出現出生缺陷的風險也會增加。這些影響在對醫學放射科醫生、鈾礦工、鐳工人、放射治療患者以及暴露於切爾諾貝利和投在廣島和長崎的原子彈輻射下的人們的各種研究中都觀察到了。
結論
電力－對暴露於電線強電場和磁場（60 Hz）的工人進行的研究沒有提供一致的證據表明這些場會損害 DNA 或它們能夠導致突變或癌症。射頻－射頻能量對活細胞最明顯的生物效應是由於加熱。雖然射頻輻射通常不會對人類健康造成任何風險，但仍存在一些擔憂手機本身對人類健康影響的理由。之所以有這些擔憂，是因為這些手機的天線將大部分射頻能量傳遞到使用者頭部的一小部分。沒有證據表明暴露於典型水平的射頻和電磁場輻射會產生任何有害影響。然而，每個人都應該意識到，在某些功率水平和頻率下，暴露於此類輻射可能並不完全安全。盡可能避免不必要的輻射暴露總是個好主意。最高頻率的 EMR 暴露（X 射線、伽馬射線）是嚴重生物損傷的根源。暴露於這種形式的輻射對健康的影響從完全沒有影響到死亡不等，並可能導致白血病或骨癌、乳癌和肺癌等疾病。