关于人体曝露到0-3kHz电磁场安全水平的IEEE标准(四)

发布时间:15-09-18 09:48分类:技术文章 标签:电磁场 IEEE标准C 95.6-2002
6.6环境电场的曝露
由于环境电场在生物组织内感应出电场和躯体电流,以下结论可看作是合乎逻辑的:应当限制感应场,以排除直接电刺激的影响。然而,实际上接触电流和火花放电的准则(非直接电刺激)已经把环境电场限制到显著低于在生物组织内直接感应电场达到表1和表6水平所需要的数值。举例:对脑子中生物组织内电场的基本限值,在60
Hz时对公众是17.7
mV∕m(表1)。对一个直立的人、在地面上要感应这个场将需要一个环境场约为59
kV∕m(Carstensen[B22])。考虑到未畸变场在躯体表面上是增强的——例如在直立人的头部是18倍(Kaune[B51]),而在延伸的指尖上甚至可能增强得更高,在脑内感应上述电场所对应的环境场水平,躯体的一部分可能已处在电晕状态。
非直接刺激效应是通过在电场内人和导电物体之间的电荷转移而产生。在足够强的场中,一个人在正好直接接触之前瞬间能够觉察到火花放电;而在与导电物体(与地是良好地绝缘的)脱离接触后的瞬间,也能够觉察到火花放电。通过与这些物体直接接触感知到电流也是可能的。
直立的人在垂直极化的电场中,碰触到一个接地的物体,其接触电流分量Ic如方程式(10)(Reilly[B75])所示:
Ic=9.0×10-11h2fE(10) 这里 h 是人的高度 f是场的频率 E是环境场的场强
对本标准限值内频率的场,其中在躯体所能占据的范围上环境场的数值有所变化,在方程式(10)中的场强可以用躯体所处范围内的平均环境场来替代(Deno和Zaffanella[B29];Kaune[B51])。
表4中环境电场的曝露限值,意图是在一个直立的人碰摸到对地导电通路时,避免厌恶或痛感的接触电流或火花放电。在这个实例中,如果这个人对地是绝缘的(橡胶绝缘鞋、站立在绝缘垫上等),这个人*是感应的物体。在碰摸到与地绝缘的大型导电物体时情况下,上述限值可能不能保护接地的个人免除不良的电刺激。
表4中供防止不良接触电流的场的限值,与频率成反比例地变化。如果这个法则延伸到零频率,电场的限值将接近无穷大。故在*大许可电场上设置一个上限,来限制火花放电不良反应的可能性。
在表4中对公众的*大许可场是5kV∕m。这是估计,在良好绝缘并碰摸到在5kV∕m场内的接地物体的成人中,火花放电约对7%成人产生痛感。当一个接地的人碰摸到大型的导电物体,该大型导电物体处在一个强场内、且对地是良好绝缘的情况下,不愉快的火花放电也可能发生。当非常巨大(或长)的物体处在靠近产生电场的源处、而这些电场源在空间上是非常延伸的,例如高压输电线路的情况下,*避免所有不良刺激的可能性,而不减少在物体上的感应电荷是不可能的。例如有一根带绝缘支柱的长栅栏杆与高压输电线平行走向时,在这些情况下,宁可适当地将导电的物体(如其他安全法规中所陈述的)进行接地来限制电刺激,而不是将电场限制到不切实际的很小水平。
在受控环境中,那里*大许可曝露水平MPE限制为20
kV∕m,对在地面上绝缘的人碰摸到接地导电物体时,痛感的火花放电而不是接触电流,可能很容易地在所述及的限值上碰到。在这样的强场之内,工作者应当适当地使用防护服、接地的措施、接触的技术、或考虑到这些环境电场效应的其他工作上的实践,来限制痛感火花放电的可能性。在受控制的环境中,可穿导电衣服,来屏蔽高的环境电场,从而大大地降低非直接的电刺激。传导到穿防护服个人躯体上的电流将不得超出表5中的限值。
电力线路走廊对公众来说,一定程度上界于“受控”和“不受控制”环境的定义之间,其中公众的活动可由公用事业公司予以限定,但是为了公众的利益,通常是允许公众进入的。因此,本标准为公众规定了线路走廊以外区域的限值5kV∕m,但是在正常负荷情况下,在走廊之内,允许一个中间的场10
kV∕m。(如果电力线走廊符合受控环境的要求,那么可应用受控环境的限值)。对人体对象使用火花放电刺激的实验数据(Reilly[B75];Reilly和Larkin[B81])能够适用到这种曝露。在10kV∕m的场中,约50%的对地良好绝缘的成人对象(1.8米高)在接触到接地导体时将感受到痛感的放电,对更高个子的对象,上述概率会增加,而对较矮的对象则会降低。当人体对地不完全绝缘时,概率也会下降。
在电力输电线走廊内、外的允许*大电场,还要受到来自其他机构或要求的限制,诸如美国*安全用电法规(NESC)和其他电力公司的规章。美国*安全用电法规R(NESCR)(被认可的标准委员会C2-1997年)规定了来自高压输电线电场内物体的5mA短路电流(即是电流经一个低阻抗的连接到地)的安全限值。这个规定的意图是限制接触电流达到百分之几的敏感儿童在*坏情况下的“可释放”(let-go)水平,而不是避免接触电流或火花放电的厌恶或痛感的感觉。
在不存在非直接刺激的情况下,环境的电场有时能够通过由场和带电荷毛囊间相互作用引起的躯体毛发振动被觉察到。在一个足够的强场中,这种感觉可能使有些人产生烦恼。举例:在一个室外环境的20
kV∕m下,50%站立的成人能够觉察到60Hz的场,而5%者将会注意到有烦恼的感觉(Deno和Zaffanella[B29];Reilly[B69])。虽然20%的对象在9
kV∕m时会觉察到60Hz的电场,小于5%的人能够察觉到2或3
kV∕m的电场(Reilly[B69])。当手举高超过躯体时,中值的感觉阈值是7
kV∕m。
当一个曝露的个人不在可触及接地导电物体范围之内(例如一个带电线路工人在一个绝缘的斗车上),表4中的*大曝露限值可能并不适用。在这些情况下,接触电流和火花放电的数值将由个人与所碰触物体间的电位差、以及他们的电容来决定。分委员会建议对公众要遵照表4的限值。然而,在工人们并不在可触及接地的导电物体范围以内的受控环境中,表4的限值可以超过。在这种受控环境中,分委员会没有针对这种情况的特定建议。不考虑导电物体的尺寸和曝露个人可能会碰摸到的物体的可接近程度,可接受曝露的*上限将由防止人体表面电晕的需要来确定。对任何曝露的躯体部分,超过30
kV∕m的曝露(非畸变场)估计是不会被接受的。 6.7静止或准静止的电场
*澳门新蒲京娱乐诚,大许可环境电场已经被加以上限,来限制产生痛感火花放电的可能性。这个限值原则上可以延伸到任意的低频,因为即使单个放电也可是有痛感的。然而在足够低的频率下,时间常数τh(在此时间常数上人体能够保持电荷)将开始限制感应电荷的数值。该时间常数由人的对地电容和电阻的乘积来给出。举例,考虑电阻是1000MΩ,这可适用于在干燥地面穿正常鞋子的10%人员(Reilly[B70],[B75]),以及电容是150
pF。这些假设形成了150ms时间常数,相当于1
Hz的频率,低于这频率给定场内的感应电压会降低、而许可的曝露能够上升。然而对站在良好绝缘表面上的人,将可能有更长的时间常数。这个观点对经历过地毯积累电荷1秒或更长时间后发生不愉快地毯火花放电的人而言,显然是易于认同的。
这些观察可以用如下方式反映到表4的标准中:对1000MΩ的泄漏电阻,低于1Hz的许可*大限值可以近似地与频率成反比例地增加;对更大的电阻,可适用的频率将更低。
6.8反应阈值的统计性变动
可以观察到电气阈值因人不同,而有很大变动。电作用阈值的统计分布通常可用对数正态分布来表达,也即统计变量的对数具有正态分布。对数正态分布的平均值始终超出中值。平均值与值的比例ρ在方程式(11)中表达(Hastings和Peacock[B38]):
ρ=exp(σ2∕2)(11) 这里σ 是统计变量自然对数的方差。
对一个50%数值与1%数值之比等于3的分布,平均值与中值的比例是1.12,即是平均值超出中值12%。上述关系式在给出的是实验的平均值而不是中值时,是很有用的。
在许多的电刺激实例中,实验阈值很好地符合于对数正态分布,虽然通常必需在对数正态坐标上重新绘制公布的数据来显示这种分布。对数正态分布被发现在:接触电流的人体感觉(Larkin及其同事[B56]);接触电流的牛的感觉(Reinemann及其同事[B56]);人体的“释放”阈值(Dalziel[B26]);电场的人体感觉(Reilly[B69]);时变磁场的人体感觉和从时变磁场来的痛苦感(Nyenhuis及其同事[B67]);人体电痉挛治疗法(ECT)发作的阈值(Weaver和Williams[B97]);以及狗的心脏VF(室性纤维颤动)阈值(Reilly[B75])。
对数正态的坡度可以表达为中值与百分之一阈值的比。从实验数据得出的近似坡度参数能够总结为:在前臂上接触电流的人体感觉:3.0;人体感觉、指尖:2.0;VF阈值,狗:2.1;牛的接触电流感觉:2.3;人体ECT发作阈值:2.0;时变磁场的人体感觉:1.9。可看到,坡度参数3代表着应用于本标准中的观察到的*大坡度,虽然一个更典型情况将具有坡度参数约为2。
表9提供了对数正态模型的实例(中值归一化到1.0),可应用到健康成人人体前臂的感觉刺激,以及应用到健康狗的心脏室性纤颤(VF)上(Reilly[B75])。对指尖感觉的实验室数据更加接近地遵循VF值。与从健康动物来的数据相比,对直接电极接触到达经受阀瓣更换开心外科手术病人的心脏上(Watson及其同事[B96]),已经报告了VF阈值具有非常广泛的分布。对人在病理学状态、或是药物治疗下的阈值还没有进行试验。
表9对健康成年人群(男性与女性)使用对数正态模型、电作用阈值的归一化分布a,b
百分序列(%) 阈值系数,感觉和痛苦 阈值系数,心脏室性纤颤 99.5 3.45 2.33
99.0 3.11 2.14 95.0 2.24 1.67 90.0 1.85 1.51 75.0 1.40 1.24 50.0 1.00
1.00 25.0 0.72 0.80 10.0 0.54 0.66 5.0 0.45 0.60 1.0 0.32 0.47 0.5 0.29
0.43
a.感觉的分布根据对手臂接触的人体实验数据。室性纤颤的分布来自健康狗的心脏。
b.来源:Reilly[B75]。
将表9的分布模型外推到任意小的百分序列等级上是吸引人的。然而,实验证据并不足以支持低于1%等级的外推,这是由于提供有效实验数据的对象数目有限。分委员会采纳一个为3的系数,来把中值阈值转换到敏感个人。这*多将包括1%的*敏感个人,但是通常而言,影响本标准处理大多数反应时的百分等级取为更小。
人与人之间阈值的变化,尚没有很好地理解。*与电阈值相关联的明显生理参数是躯体的尺寸和相关的参数,如性别与年龄(Larkin及其同事[B56]和Reilly[B75],[B81])。这种关联表现为:较小的个体倾向于具有较低的阈值。躯体尺寸的关联是在感觉作用、“释放”阈值、和心脏室性纤颤中发现的。实验证据表明:在人体中的痛苦阈值和动物中的室性纤颤阈值近似地随着躯体重量的平方根而变化,虽然也有已提出的其他关系(Reilly[B75])。人体中的“释放”阈值近似地正比于躯体重量而变化。因此,小的个体特别是儿童,将是*易受电刺激影响的。另一方面,由电场和磁场所感应的电流数值随着对象尺寸的减小而降低。对接触电流,小的个体通常比较大的个体具有较大的四肢间电阻。因为这些的补偿因子,躯体尺寸的影响预计不会大。当然,磁场感觉阈值和形态因子(对象的性别、腰围、重量与年龄)之间关系的研究,证明了与上述因子中任何一个都缺乏显著的相互关系。
分节6.11.2提供了对数正态统计模型的应用实例。 6.9验收准则(标准)
6.9.1基本限值
在表1中列出的*大许可曝露水平系从表6的中值阈值导出的。在导出中,使用一个由激励的中值阈值转换到有害作用阈值的系数,使在健康成人中具有低的可能性(或然率)、并具有一个合适的安全因子。表10汇总了用来导出基本限值的这些系数:列A列出考虑中的作用;列B列出刺激的部位;列C列出中值基强度的激励阈值Eot,该值来自表6,但使用转换式E(rms)=E(峰值)∕从峰值转换到rms值;列D列出应用到列C、从中值激励阈值转换到中值有害作用阈值的系数(倍率)Fa;列E列出从中值阈值转换到低-或然率的阈值的系数Fp;列F列出分别应用到公众和受控的环境的安全因子Fs;列G列出在生物组织内场的基强度Eob=EotFaFpFs,这些是表1中基强度的基本限值。
表10将中值转换到MPE(*大许可曝露)数值的几个因子 A 作用 B 部位 C阈值
Eot(50%) (V/m, rms) D 有害作用因子 (Fa) E或然率 因子 (Fp)
F安全因子(Fs) G基本限值(Eob) 公众 受控环境 公众 (V/m, rms) 受控环境
(V/m, rms) 突触改变 脑 0.053 1.0 0.333 0.333 1.000 5.89×10-3 1.77×10-2
10-μm 神经元 激励 脑 8.70 1.0 0.333 0.333 1.000 0.970 2.90 20-μm 神经元
痛苦 躯体 4.35 (感觉) 1.45 (痛苦) 0.333 0.333 1.000 0.700 2.10 20-μm
神经元 痛苦 手、脚、 腕、踝 4.35 (感觉) 1.45 (痛苦) 0.333 1.000
1.000 2.10 2.10 心脏激励 心脏* 8.49 1.0 0.333 0.333 0.333 0.943 0.943
表1中所列出的基本限值是根据在生物组织内的感应电场;然而,感应的模式可以是通过环境磁场或电场的作用。除了感应电场的规范之外,也必需限制在生物组织内的磁场、以防止由甚低频磁场(见第6.4节)而来磁流体动力效应的有害作用。表1规定低于10
Hz的这些限值。对较高频率规定磁场基本限值是不需要的,因为潜在的有害影响将关联到感应电场,而不是生物组织内磁场本身。
下述的章节总结了表10中出现的各系数(倍率)的基本原理。
6.9.1.1有害作用因子
对周边神经激励,痛苦被考虑是一种有害反应。一个有害作用系数Fa=1.45应用到神经激励的阈值,来导出一个痛苦的阈值(见第6.2节)。对突触的效应、脑刺激和心脏激励,激励本身被考虑为有害的,如在6.1.2节和6.1.3节中所提到的;因此有害作用系数Fa=1.0应用到这些作用的激励阈值上。
6.9.1.2或然率因子(可能性因子)
或然率因子Fp应用来从中值的阈值转换到低或然率的阈值。对对数正态分布,其中坡度参数(中值—百分之一比例)是3,应用到中值阈值的系数0.333相应于百分之一*敏感的人体对象。在一些情况下观察到坡度参数为3(例如在前臂上的接触电流感觉);而对本标准应用的其它临界反应(磁场感觉、心脏VF、脑部ECT阈值),坡度参数非常接近于2.0(见第6.8节)。对坡度参数为2,应用到中值阈值的系数0.333所对应的是0.01%或然率(的敏感对象)。
6.9.1.3安全因子
由于病理学条件或药物治疗导致阈值影响的不确定性,作用阈值的不确定性,以及感应模型的不确定性,用于保护特别敏感个人的安全因子的系数为Fs=0.333。在手、腕、脚、和踝的情况下,与躯体其他部位相比,在确认狭窄的截面和优越的低导电率的组织倾向于增强这些部位内生物组织内的电场的前提下,取Fs=1。因为这些部位与紧要器官相比,缺少关键功能,故较大的局部电场是允许的。在受控环境情况下,对应于所有的作用型式Fs=1,仅有的例外是心脏的激励,这是根据以下设想,即:在受控环境中,对有些机制来说不舒适的小可能性是可接受的,但是对所有的各体,心脏的激励是不能接受的。安全因子Fs=1对所指的曝露是合理的,因为本标准系基于避免曝露个体立即出现的短期反应,而不是在低于感觉水平上的慢性(长期)曝露的健康影响,以及累积曝露可能是显著的场合。作出的假设是:因为短期作用对曝露的个人是很明显的,故他们会自己离开这环境、调整他们的活动、或采取避免这种曝露的其它行动。
与应用于较高频率的IEEE标准C95.1相比,如果安全因子Fs=0.333,注意到:应用于感应场的除数3,等效于SAR(比吸收率)中的除数9,因为SAR是正比于感应场的平方。
6.9.2*大许可曝露水平
在评估基本限值是否得到满足时,有时需要复杂计算的能力。因此,希望取用环境场中的参考水平,而不是在生物组织内的感应场来定义MPE数值。在表2中所列出的MPE结合有保守的假设,以使符合MPE*可保证基本限值不会超过。然而因为MPE是保守地导出的,故有可能当一个人超出MPE时,仍然在基本限值之内。
图1显示出磁场MPE水平的导出。图1表明对整个躯体曝露的有害作用中值阈值(虚线)和MPE值(实线)。MPE是按每个频率的*小有害阈值,再降低一个表10中的相应或然率与安全因子后得出的。对突触改变的曲线已经延伸到1000
Hz。MPE曲线从*低有害作用阈值导出,跨越不同频谱的有害作用分别如下:0-0.153
Hz,磁流体动力效应;0.153-759 Hz,突触的改变;超出759
Hz,周边神经的痛苦。注意:在受控环境中的MPE,相应于低或然率的作用阈值(≤1%)。这些限值应用到公众时,再降低一个3倍的因子。表2表明了MPE的参考水平。
为了验证是符合本标准的目的,表2和表4应当分别地考虑,而不是相加的。这是因为,环境电场与磁场所感应的生物组织内的电场,在表2和表4所代表的情况下,是在躯体的关节分离部位上*大化了的。
图1来自磁场曝露有害刺激的中值阈值(破折线)和推荐的*大许可曝露限值(实线);
(整个躯体曝露到空间的不变的场) 6.10部分的或不均匀的曝露
表2中的限值是*整个躯体曝露到数值和相对相位相对地不变的磁场情况下,用来避免有害的作用。由于手臂与腿的曝露,对生物组织内的电场在头部与躯干内的贡献(数值)是不大的,故该限值也适用于只作用在头部与躯干的恒定场。然而,当一个作用在头部与躯干上的磁场非恒定时,对磁场的一项保守处理是限制与表2相一致的实际场的空间峰值。这是可能的,这样的处理可能是过分地限制,一个可接受的可选方案将是限制外部的磁场,以使生物组织内的电场不超出表1的基本限值。为确定是否与表1相符合,可能必需模拟感应的过程,使用实际场的值(方向、数值、与相对相位)、和相应的生理模型(计算的或物理的),模型的定向符合场的方向。
在头部与躯干的磁场曝露显著不均衡的场合下,需要满足基本限值(表1)的*大许可曝露的磁通密度可能变化很大。为显示出这点,考虑有一个的只有躯干曝露60
Hz场,和另一个躯干与头部均被曝露的60Hz场。如果只有躯干被曝露,MPE将被周边神经的刺激来限制,而不是脑部的突触效应。对躯干的曝露,60Hz时的MPE将是34.8mT;粗略地是对头部与躯干两者同时曝露时的限值2.71
mT(表2)的13倍。
表4中的电场参照水平,不是根据表1中生物组织内的电场限值而得出的;更确切地说,这些限值是根据非直接的电刺激。如果在躯体尺寸上的平均环境电场不超出表4的限值,火花放电与接触电流将是可接受的。这些限值是根据这种假设:即曝露的人对地是绝缘的;是非常靠近地而不是靠近场源;是在可触及一个接地导电物体的范围之内。
6.11感应电流和接触电流 6.11.1总的关系
强度-持续时间和强度-频率曲线决定了接触电流神经刺激的阈值特性。进入接触电极的电流的基强度阈值数值,随着接触面积而反比例地变化。轻指尖接触的碰触面积假设为1cm2,而一个更大的接触范围(≌15cm2)可适用到握紧的接触。因此,在表5中对握紧和碰摸的接触予以不同的值。在控制环境中的握紧接触的限值适用于这种情况:那里人员被训练来实现与潜在的带电导体或当该人是感应的物体时,与接地导体的握紧接触、而避免碰摸的接触。假设公众是不会意识到带电物体可能产生导电电流,接触的方式也是不受约束的。规定的限值降低了这种可能性,即与带电物体的疏忽(非故意的)接触能够导致皮肤外层微小的局部灼伤(随着火花放电)、痛苦的感觉、或是惊起的反应,后者会在本质上没有危害时,却引起一个事故。
正弦形电流感觉的大量实验显示出强度-频率法则,即在临界频率fe以下具有一个*小的平稳段,在此之上,当电流是具有连续性质时,阈值会聚到与频率成正比例的法则(Reilly[B75])。在连续的正弦形刺激下,直到100
kHz的频率,已经证实了在人体中与频率成正比例的阈值。超出这个频率,热感应阈值将占主导地位(Chatterjee及其同事[B23];Dalziel和Mansfield[B27])。然而,对脉冲的正弦形波形,其频率-正比例关系曲线能够延伸到MHz的范围,如在老鼠的神经刺激实验中(LaCourse及其同事[B55]),以及使用短暂(≌0.1μs)脉冲的人体实验之中(Reilly[B75])所指出的那样。
根据神经激励的模型,强度-持续时间和强度-频率的常数关系为fe=1∕(2τe)。因此,导致小τe数值的因子将会增加fe。虽然涉及这种变动的因子尚未很好地弄清楚,实验的fe值变动很显著。分委员会采取以下假设,即接触电流的fe是3kHz,允许对*低阈值在3kHz和低于3kHz时,依据较高频率时所确定的阈值,使用一个坡度为f,外推到较低的频率。通过进一步的研究,来理解强度-持续时间和强度-频率法则中所观察到的实验常数的变动将是必要的。
6.11.2统计关系的说明
对3.0kHz频率的碰摸接触的痛苦水平可以从Chatterjee及其同事[B23]的实验中来外推,这是假设的拐角频率(超出该频率具有一个与频率成比例的坡度)。在10kHz上(由Chatterjee作试验的*低频率),平均痛苦水平对成人(男性与女性混合的)是8.0mA,和对10岁的儿童是6.0mA。这些值可以利用1.12的因子作为除数转换到中值阈值,如在第6.8节中所指出的。10kHz的阈值应用0.3的乘数(3
kHz∕10kHz的比例),外推到3
kHz的基强度。其结果是,中值的痛苦阈值对成人是2.14mA,而对10岁的儿童是1.6mA(译注:即=6.0
mA÷1.12×0.3)。对接触电流使用一个为0.7的不愉快-痛苦的比例(参见地6.2节),中值的不愉快基强度水平估计为对成人是1.5mA,而对儿童是1.12
mA。应用这些中值的数值到具有中值-百分之一比例为3.0的对数正态模型上,可确定出如下的作用概率。对碰摸接触水平为0.5
mA(对公众的MPE),儿童中的不愉快的或然率是5%,而痛苦的或然率是1%;而在成人中:不愉快的或然率是1%,而痛苦的或然率是0.1%。碰摸接触电流水平为1.5
mA时,在成人中痛苦的或然率是23%,而不愉快的或然率是50%。
如果接触是通过紧握来实现的而不是碰摸,对感觉和痛苦的电流阈值明显地较大。在10kHz下紧握接触的平均感觉水平,对成人是13mA(Chatterjee及其同事)。外推到频率3kHz,确定的中值感觉阈值为3.48
mA(译注:即=13
mA÷1.12×0.3)。中值的不愉快或痛苦的阈值,可分别应用乘数2.4和1.7来确定(第6.2节),其结果是中值基强度不愉快水平为5.92
mA、痛苦水平为8.35 mA。在紧握接触电流为3
mA时(表5中受控环境紧握接触MPE的规定),在成人中的不愉快或然率(可能性)估计是8%,而痛苦的或然率是1.6%。
在表5中的接触电流水平并不包括安全因子。在注意到接触电流的作用水平与本标准中所述及的其他作用阈值相比,是很好地被通晓的前提下,忽略安全因子被证实是合理的。
6.12医疗装置和金属植入物
使用医疗装置和金属的植入物的个体曝露到电场和磁场之中,可能涉及特殊的健康与安全问题。本标准并不必然地提供保护来防止对这些装置或硬件的干扰。这些装置的领受者或供应商,应当注意这些危害的潜在性和这些装置可能必需的注意事项。
用电的医疗装置,可能易受来自许多不同的电能干扰源的影响。对医疗装置的干扰可能在低于上述电刺激影响阈值的曝露情况下发生。若干型式的医疗装置已经设计得能免受电干扰(举例:心脏起搏器),但在使用中的许多装置并不已经设计或测试得免除这些干扰。甚至在已具有合理的抗干扰能力的情况下,在超过抗干扰能力时,也可能发生严重的病人后果。对装置干扰的关心已扩展到用电供给动力的医疗装置的广泛范围。这些装置的实例包括有、但并不*制于:心脏起搏器、除颤器、药物输送泵、神经刺激器、助听器、窒息(呼吸暂停)监控器、医疗床以及动力的轮椅。当认为是必要时,应当从该装置的制造商处或从疾病医疗开业医生处取得忠告。
现有一些涉及医疗装置的电磁兼容性(EMC)以及该装置在曝露环境中功能的标准。*广泛被公认的、由国际电工委员会(IEC[B44])所颁布的医疗装置标准,复盖了许多的、但不是全部的医疗装置。也有针对主动植入医疗装置的通用标准,其中包含着EMC的要求(ECES[B33];IEC[B44];ISO[B48])。此外,IEC医疗设备的EMC标准的更新工作正在进行之中,并发展为对心脏起搏器、植入式除颤器更为一致的标准,其中包括EMC的要求,诸如在美国的医疗器械发展协会(AAMI[B1])和欧洲的欧洲电工标准化委员会(ECES[B34],[B35]))中所涉及的。
金属植入物是另一种等级的医疗植入物,诸如金属限制器、钉钩和矫形外科的金属棒与板。在有些情况下,金属植入物会接触到敏感的组织,如心脏钉钩。不像医疗装置那样,这些植入物可能不会由于电干扰而出现失效(故障)模式。然而,植入在躯体中的金属硬件,或许会因提供磁感应的环路而增强感应的电场,或许会因提供一个高导电率的部位而导致局部地增强感应的电场,并进而增强在靠近植入物局部范围的电刺激可能性(Reilly和Diamant[B78])。
附录 A(资料提供性的) 文献目录
这里引述从科学会议或技术报告而来的文献,这是因为这些资料在审核人来源中是不具有的。
文献共99份,译文略。 附录 B(规范的、标准的) 磁感应模型
使用于提出本标准的磁感应模型,将躯体所曝露的截面处理为一个椭圆的形状,带有均匀的导电率。这个模型的解决方案,适用于场的波长远大于躯体尺寸,已经由Durney及其同事[B32]所发表,并被Spiegel[B93]以以适用的方式表达出来。这里现在所使用的方式是由Reilly[B72]所表达的方式。由一个外部磁感应场产生的感应电场的通用表达式示于方程式(B.1),该外部磁场在椭圆上的数值和相对相位是常数:
E=-w(B.1)
这里au和av是各别地沿着短轴和长轴的单位向量,(a,b)各别地是半长轴和半短轴,(u,v)是曝露区域内的位置,而w是磁通密度在垂直于截面方向的时间变化率、这是个向量。在以下的计算中,感应场E以数值表达,而不是它的向量成份。坐标系统是这样的,即椭圆的短轴是沿着u-方向,而长轴是沿着v-方向。
表B.1总结了用于确定表7中0数据的曝露条件。表B.1中条目如下。第2列表示曝露的情况。举例:第1行为位于脑部的一个10-μm神经元的激励,磁场垂直于矢截面。第3列给出椭圆的半短轴和半长轴。第4列给出截面内电场被评价的部位。第5列是假设的基强度值E0(从表6来)。*后一列给出由方程式(B.1)所确定的0数值。在这个公式之中,作出假设:一个椭圆在三个方位中的一个是适合于躯干、躯体或头部的。因此,参考系统(u,v)是与所设定的椭圆相联系的,而不是相对于躯体的一个特定的参考系统。
表B.1用于计算磁场感应的椭圆曝露的模型a,b 条目 曝露 b,a(cm, cm)
u,v(cm, cm) E0(V/m-pk) B0(T/s-pk) 1 10-μm神经、脑、径向的 9, 10.5
9, 0 12.3 237 2 突触、脑、径向的 9, 10.5 9, 0 0.075 1.45 3
20-μm神经、躯体、径向 17, 90 17, 0 6.15 37.5 4 20-μm神经、躯干、冠状 20,
40 20, 0 6.15 38.4 5 心脏、躯体、径向的 17, 90 14, 18 12.0 88.7 6
心脏,躯干,径向的 17, 40 14, 18 12.0 98.6 7 腿 9, 42 9, 0 6.15 71.5
a.b,a各别地代表椭圆的半短轴和半长轴,该椭圆适用于特殊的躯体部分,也*是:在条目1和2中的脑部,条目4中的躯干,以及在条目3和5中的整个躯体。
b.(u,v)代表椭圆内的部位,那里感应场是被评价的,其中u和V是各别地沿着短轴和长轴进行测量的。
在条目(1)和(2)之中,所假设的椭圆并不假定是代表脑子的真实尺寸,而是一个包围其外部周边(大脑皮质)的椭圆的尺寸,那里感应电场的数值是*大的。包围脑子的椭圆具有半长轴和半短轴,系小于假设的头部尺寸1.5cm,这是考虑到皮质和头顶皮间的距离1.5cm。条目(3)和(5)把曝露作为均匀地复盖整个躯体处理;条目(4)和(6)假设只有躯干是曝露的。后者被包括在表中是为了显示,整个躯体曝露的*坏情况下与只是躯干受曝露两者之间,*周边神经和心脏刺激而言,具有一个适度的差别(约10%)。
u,v点的选择,是对每个被假设的方案相当于*坏情况的曝露点。在脑子的情况下[条目(1)和(2)],皮质那里感应的电场是*大的,径向的(矢状的)曝露提供了*大的磁感应环路。对条目(3)和(5),一个椭圆适合于在径向的截面中观察的整个躯体。在心脏的情况下,对电刺激的*大敏感点是在心脏的*(Roy及其同事[B84]),而在此位置上,*大感应场被发现是在径向曝露时(Reilly[B72])。在条目(5)和(6)中的点(u,v)相当于心脏的*。
在表B.1中的曝露椭圆相当于成人的一个很大的躯体尺寸(但不是极大的),这是根据拟人数据(美国汽车工程师协会SAE[B85])。假设一个很大的躯体尺寸是保守的。

发布时间:15-09-14 18:57分类:技术文章 标签:电磁场 IEEE标准C 95.6-2002
4.保护的人群和相互作用的机制 4.1保护的人群
保护是提供给公众个体以及在受控环境中的群体。虽然曝露限值应当保护几乎所有人群,避免有害影响,但本标准认为在受控环境中可采取教育与各种缓解措施来降低对曝露人体有害作用的可能性,受控环境中电场的火花放电则可能是例外。然而,在某些情况下有害影响如果是可预料到的,可采取与预期曝露环境相应的预防性措施来得到缓解。这些措施的例子包括保护手套或衣服、设计用于警告人们注意可能影响的告示牌、或减轻曝露频度与强度的特定工作方法。对于公众,可准入(进入)性是不受限制的,并且可以包括未被告知潜在曝露或可能有害影响的个人。这种曝露可能发生在住房、对公众开放的场地、个人并不预见有曝露的工作场所,或者工作者并不知道曝露情况或防护与缓解方法的工作场所。
4.2生物物理作用的机制 一个已确认的人体机制是具有下列特性的机制:
a)它可用来预测人体中的生物效应; b)可用公式或参数关系作出明确的模型;
c)在未受损人体内已得到证实,或动物的数据能够有信心地外推到人体上;
d)被强力的证据所支持; e)为科学团体内专家所广泛接受。
不具备这些特性的机制,被分类为“建议的”。对建议机制的研究进展应当予以监控和评估,以便确定是否能够列入到已确认机制的清单上去。
已确认的机制根据这些准则(Reilly
[B75],[B76],[B77])已经得到鉴定。机制的一个级别关联到膜的极化,即是,由于生物组织内的电场而使细胞膜的自然静止电位发生改变。神经和肌肉膜的去极化可导致它们的激励,在此称之为“电刺激”;这些效应决定了对频率从约1Hz到约3kHz(本标准的界限)作用的*小阈值。作用到流体中移动电荷上的磁流体动力效应,则支配1Hz以下的生物作用。
这些机制产生短期效应,即它们使得电场和磁场的作用,是发生在曝露开始之后几秒之内的(通常是几分之1秒)。热效应是众所周知的,但并不支配100
kHz以下的频率,因此它(热效应)并不影响到本文件内所制订的曝露限值。
产生电刺激效应的基本作用力是在生物组织内的电场,而不是内部的电流密度(见6.1节)。对电刺激效应的更精确的限值可作为组织内电场的函数导出,而不是内部的电流密度,这(电流密度)在过去已经是一种通常的做法(Bernhardt
[B11];ICNIRP [B43];IEEE
[B46])。生物组织内的电场在躯体内的分布与电流密度的分布是不同的,而生物组织内电场的计算,与内部电流密度相比,较不敏感于组织导电率的假设性。
被分类为“建议的”相互作用机制涉及长期或慢性的曝露效应(Olden
[B68];Reilly
[B76])。这些机制典型地会在关于低水平电场与磁场慢性曝露影响的假设中被提及,包括癌症、生殖影响、神经系统影响等等。在这些机制不能视为不相干而不予考虑的情况下,此方面现有的知识不足以构成可作为导出人体曝露限值可靠基础的已确认的机制。
4.3有害生物影响 *大曝露限值是根据避免下列的短期作用:
a)对感觉或运动神经元产生厌恶的或痛苦的刺激;
b)在完成存在潜在危险的活动时,会引起伤害的肌肉激励;
c)神经元的激励或大脑中突触活动的直接改变; d)心脏的激励;
e)与在躯体内快速运动电荷上(诸如血流)感应电势或作用力相关联的有害影响。
5.曝露限值 5.1基本限值
基本限值是对生物组织内电动力的限制,以适当地避免有害的影响。这些限值是考虑了有害电气阈值、在人群中的分布、以及安全因子(见第6章)而得出的。
表1针对生物媒质内的电场,列出了对躯体特定部位的基本限值,在表中列出了在生物组织内场的基强度Eo和频率参数fe。限值按表1,并按方程式(1a)和方程式(1b)确定:
Ei=Eo 当f≤fe(1a) Ei=Eo(f∕fe)当f≥fe (1b)
这里Ei是在生物组织内感应的*大许可电场。在生物组织内电场的基本限值是在表1所示的组织内任何方向上,取0.5
cm长度直线段,所确定的算术平均值。
除表1中所列出的生物组织内电场的限值之外,生物组织内低于10
Hz的磁场应当限制到对一般公众为峰值167 mT,受控环境内为500 mT。对超出10
Hz的频率,在生物组织内磁场的限值在本标准中并不予以规定。
表1.应用到躯体各部位的基本限值a,b 曝露的组织 fe (Hz) 公众 受控的环境
E0-rms(V/m) E0-rms(V/m) 脑 20 5.89×10-3 1.77×10-2 心脏 167 0.943
0.943 手、腕、脚、踝 3350 2.10 2.10 其他组织 3350 0.701 2.10
a.表的解释如下:对f≤fe,Ei(基本限值)=E0;对f≥fe,Ei=E0(f∕fe)
b.除上述限值外,头部与躯干曝露到低于10Hz的磁场,公众限值为峰值167mT,受控环境中则为500mT;对频率大于10Hz的磁场,本标准不予规定。(译注:躯体body与躯干torso是有区别的)
5.2*大许可曝露(MPE)值:磁通密度 5.2.1头部与躯干对正弦形场的曝露
表2列出了对头部与躯干*大许可的磁场限值(磁通密度B和磁场强度H)。对一项均方根值(rms)测量的平均时间,*频率超出25
Hz而言、是0.2秒。对较低的频率,其平均时间要求平均值内至少要包含5个周波,但*大的时间是10秒。
表2.*大许可的磁场曝露水平(MPE):头部和躯干的曝露a,b 频率范围 (Hz)
公众 受控的环境 B-rms (mT) H-rms (A/m) B-rms (mT) H-rms (A/m) < 0.153
118 9.39×104 353 2.81×105 0.153–20 18.1∕f 1.44×104∕f 54.3∕f 4.32×104∕f
20–759 0.904 719 2.71 2.16×103 759–3000 687∕f 5.47×105∕f 2060∕f
1.64×106∕f a.f是频率,单位Hz。 b.MPE指空间*大值。
符合表2可确保符合表1的基本限值。然而,不符合表2并不必然地意指不符合基本限值,但是更确切地说,这可能需要来评估是否基本限值已经得到满足。如果表1中的基本限值并未超过,那么表2中的MPE数值可以超过。所以,验证是符合表1、或是符合表2,*足够了。
为了证明是否符合本标准,表2和表4应当各别地进行考虑,而不是相加。
本标准表1中和其它各处的数值有时给出的是3位有效数字。提供这种程度的精确性,使读者能够追踪本标准中所提出的各种派生关系及曲线,而并不意指数字的量已认知到这种精确度。
5.2.2正弦形磁场内的不均匀曝露
当头部和躯干上的磁场在其数值、方向、和相对相位上非恒定值时,头部和躯干上的*大磁场应当限制到表2中的水平上。作为另一种选择,验证是符合基本限值也应当是允许的。
5.2.3手臂或腿的曝露
手臂或腿的*大许可曝露(MPE)在表3中列出。符合表3可确保符合表1的基本限值。然而,不符合表3并不必然地意指不符合基本限值,但是更确切地说,这可能需要来评估是否基本限值已经得到满足。
表3.磁通密度*大许可曝露水平:手臂或腿的曝露a 频率范围(Hz) 公众B-rms
(mT) 受控的环境B-rms (mT) < 10.7 353 353 10.7–3000 3790∕f 3790∕f
a.f是频率,单位Hz。 5.2.4脉冲场或非正弦形场
当磁通密度的波形不是正弦形时,*大许可曝露应当符合表1或表2的均方根限值(rms)。此外,*大曝露限值应当符合分节5.2.4.1或是5.2.4.2(因为两种指标都是保守的,只要验证符合*大许可曝露限值或是基本限值之一,已是足够的了)。
5.2.4.1基于峰值场的限值
验证符合下述两个分节之一,*足以证实已符合基于峰值场的限值了。分节5.2.4.1.1适用于生物组织内的感应电场,而分节5.2.4.1.2适用于环境场。
5.2.4.1.1在生物组织内的峰值场
生物组织内的峰值场应当限制到表1内的rms限值乘上所得的数值。对非正弦形波形,该表中的频率f系规定为f=1∕(2
tp),其中tp是生物组织内电场偏幅的相持续时间。相持续时间规定为一个波形(具有零平均值)两个零交叉点间的时间。对一个指数型波形,tp被解释为从波形峰值到衰减成0.37(1∕e)峰值这一点间的持续时间。峰值的限值适用于使用带宽从零到*高频率(适用于所考虑的波形)所测量到的瞬时数值。
5.2.4.1.2峰值环境场
峰值环境磁场B应当按照下列程序予以限制,其中B是一个待考虑其是否符合的时变磁通密度波形。
a)确定环境场的时间导数(微分),dB∕dt=。
b)鉴定任何偏幅的峰值和相持续时间。相持续时间应当按5.2.4.1.1中来确定。
c)从表2中确定的许可峰值限值,取为p=MPEB(2πf);这里p是的*大许可数值,MPEB是与表2与表3一致的磁通密度,f=1∕(2
tp),而tp是的相持续时间。 5.2.4.2基于傅立叶(函数)分量的限值
≤1…………………………………………………(2)
对由多种频率组成的一个曝露波形,测试曝露波形是否符合应当满足下列准则:
这里Ai是曝露波形第i次傅立叶分量的数值。……
MEi是频率为fi的单个正弦形波形的*大许可曝露或生物组织内基本限值。
其和是从曝露波形的*低频率到*高频率5MHz间进行的。注意Ai和MEi必须以相同量以及相同的单位进行度量。举例:如果Ai是磁通密度波形的数值,则MEi也必须以磁通密度度量。另外,Ai和MEi两者都可以用场的时间导数来度量,也可以是在生物组织内的感应电场或是感应电流密度。
可能必须在本标准限值以外的频率,对方程式(2)进行评估。为了这种评估,应用到超过3kHz频率的MEi数值应当决定如下:
a)基本限值(表1)。生物组织内电场(Eob)的基强度数值应当假设为频率从fe到5
MHz。 b)磁场MPEs(表2和表3)。B或H的MPE值应当被确定到*大频率3350
Hz,使用表中*末一行的表达式。对于3350 Hz-5 MHz,MPE值应当等于3350
Hz的MPE值。 c)电场MPEs(表4)。适用到3000 Hz的MPE值应当假设为*大频率5
MHz。 d)感应和接触电流MPEs(表5)。在3000
Hz所列出的MPE值应当使用以下关系式外推到*大频率5
MHz:MPEi=MPE3000(f∕3000),这里MPEi是相应频率为3kHz和5
MHz间的限值,而MPE3000是3000 Hz时的限值,f是频率以Hz计。
5.3*大许可曝露值:环境电场 5.3.1整个躯体曝露到不变的(常数)正弦形电场
表4列出针对未畸变(没有人的)环境场E的*大电场限值。这是假设在人体躯体空间范围上,未畸变场的数值、方向、和相对相位是恒定值。对一项均方根值(rms)测量的平均时间,*超出25
Hz的频率而言、是0.2秒。对较低的频率,其平均时间是这样的、即平均值内至少要包含5个周波,但*大的时间是10秒。对受控的环境,其中曝露的个人并不在可触及接地物体的范围之内的,则超出表4中的限值可以是接受的。本标准并不规定包括接触到未接地的物体这种情况下的限值。
为了验证是否符合本标准,表2和表4应当各别地进行考虑,而不是相加。
表4.环境电场*大许可曝露水平(MPE),整个躯体的曝露 公众 受 控 环 境
频率范围(Hz) E–rms(V∕m) 频率范围(Hz) E–rms(V∕m) 1–368c 5,000a,d
1–272c 20,000b,e 368–3000 1.84×106∕f 272–3000 5.44×106∕f 3000 614 3000
1813 a.在电力线走廊内,公众的MPE在正常负荷工况下是10 kV∕m。
b.痛感的放电在20 kV∕m时是很容易发生的,而在5-10
kV∕m没有防护措施时,是有可能的。
c.1Hz以下的限值不小于1Hz时所规定的数值。 d.在5
kV∕m时,感应的火花放电对约7%的成人(良好绝缘的个人碰触到接地体)会有痛感。
e.当工作者并不处于触及接地导电物体范围之内时,在受控的环境中,20
kV∕m的限值可以超过。在本标准中,并不提供特定的限值。
5.3.2不均匀或部分躯体曝露到正弦形电场
在人体躯体尺寸范围内,当环境的电场在数值、方向、和相对相位上非恒定值时,平均的环境场应当限制到表4所列出的水平。对受控的环境中,曝露的个人并不在碰触到接地导电物体范围之内时,则超出表4中的限值是可以接受的。本标准并不规定这些情况下的限值。任何情况下,表1的基本限值或是表5中的接触电流限值都不可超过。
5.3.3脉冲或非正弦形场
当电场的波形为非正弦形时,诸如脉冲或混合频率的波形,MPE限值应当符合表4的rms限值,同时也应符合在5.2.4.1和5.2.4.2中所述判据之一。对这种应用中,环境的磁场由未畸变电场来替代,Ai被理解为代表环境电场波形的第i次傅立叶分量的数值,而MEi是在频率fi下*大许可电场的数值。
*电场曝露而言,5.2.4.1和5.2.4.2对公众应当适用于368-3000Hz间的频率,而对受控环境适用于272-3000
Hz。在低于这些频率而高于1
Hz时,峰值的电场对于公众和受控环境应分别不超过7100和28000 V∕m(即5kV∕m×
和20 kV∕m× ),而在电力线路的走廊内对公众不应超出14100 V∕m(即10 kV∕m×
)。 5.4接触和感应电流的*大许可曝露限值 5.4.1正弦形电流
接触电流应当按表5进行限制,分别下列情况:
a)表5的限值对自由站立而不接触到金属物体的个人,应不超出列在表明“双脚”、“每脚”行内的数值。
b)在表5中的接触限值,假设自由站立的个人在碰触到一个导电的对通路地时,是与地绝缘的,这个判据并不必然地能够防止在直接接触到接地通路之前和之后瞬间,来自火花放电的厌恶感觉。
c)对一项均方根值(rms)电流测量的平均时间,*超出25
Hz的频率而言、是0.2秒;对较低的频率,其平均时间应当至少要包含5个周波,但*大的时间是10秒。对峰值曝露的限值,是针对采用从零到*高频率的带宽所测量到的瞬时值。
d)在受控环境中,握紧接触的限值应用于那里人员受过训练来实现握紧的接触,并避免对导电物体碰摸接触的场合,这种是存在痛感接触电流可能性的接触。握紧接触的面积假设是15
cm2。使用防护手套、金属物体的禁止、或是人员的训练,可能已足以保障在受控环境中符合接触电流的MPE。对于公众,假设接近与准入、接触的方法、和保护的措施都是无约束的。
e)对公众来说,碰触(碰摸接触)假设具有1 cm2的接触面积。
表5.连续正弦波形的感应和接触电流MPEs(mA-rms),0-3 kHza,b 状况
公众(mA-rms) 受控的环境(mA-rms) 双脚 2.70 6.0 每脚 1.35 3.0
接触,握紧 ─ 3.0 接触,碰摸到 0.50 1.5
a.握紧接触的限值适用于受控的环境,那里人员受过训练来实现握紧的接触,来避免对导电物体的碰摸接触-后者存在痛感接触的可能性。
b.限值适用于流经人体与人员可能接触到的接地物体间的电流。
5.4.2非正弦形(脉冲或混合频率)电流
当电流的波形不是正弦形时,诸如带有脉冲或混合频率的波形,MPE限值应当符合表5的rms限值,同时也应符合在5.2.4.1和5.2.4.2中所述的任一准则。在这种应用之中,环境场由应用的电流来替代,Ai被理解为代表电流波形的第i次傅立叶分量的数值,而MEi是在频率fi时*大许可电流的数值。