5G毫米波與毫米波醫(yī)療作用分析

毫米波是5G核心技術(shù)之一，不僅因?yàn)楹撩撞ㄓ写罅康目臻e頻段可供使用，還因?yàn)楹撩撞ǖ闹赶蛐院?、波束窄從而為大?guī)模MIMO提供了可能。當(dāng)然毫米波的傳輸距離會(huì)變得更短，也即基站的數(shù)量需要更多才能實(shí)現(xiàn)全面覆蓋。

移動(dòng)通信從一開始，人們就對(duì)基站天線和手機(jī)天線發(fā)射的無線電波充滿了恐懼，認(rèn)為對(duì)人體存在輻射，會(huì)對(duì)人體造成傷害。至此，我們漸漸開啟了5G毫米波與毫米波醫(yī)療作用之間的腦洞

一、毫米波定義及頻段的選擇

毫米波是指波長(zhǎng)在1-10mm（頻率30-300GHz）范圍內(nèi)的電磁波，位于微波與遠(yuǎn)紅外波相交疊的波長(zhǎng)范圍。顯然，毫米波通信更接近光通信，與光通信屬性基本相同，即頻率高、波長(zhǎng)短，以直射方式傳播，同時(shí)波束窄，具有良好的方向性，遇到阻擋就被反射或被阻斷等光通信特點(diǎn)。

國(guó)際電信聯(lián)盟ITU為了推進(jìn)全球5G毫米波頻段的研究和協(xié)調(diào)一致，為2019 年世界無線電通信大會(huì)（WRC-19）專設(shè)了1.13議題，針對(duì)24.25GHz~86GHz 頻段范圍的11個(gè)候選頻段開展研究。重點(diǎn)研究這些頻段5G系統(tǒng)與同、鄰頻多種無線電業(yè)務(wù)的兼容共存分析。

2018年1月17日至28日，國(guó)際電信聯(lián)盟5G 毫米波特設(shè)工作組第四次協(xié)調(diào)會(huì)議在瑞士日內(nèi)瓦召開。從此次會(huì)議情況來看，26GHz（24.25GHz~27.5GHz）與40GHz（37GHz~43.5GHz）頻段毫無疑問是所有候選頻段中最受關(guān)注的頻段，全球半數(shù)以上的研究報(bào)告集中在這些頻段。此外，70GHz、80GHz也逐漸受到重視，各國(guó)投入研究力度有所增加。相比之下，32GHz（31.8GHz~33.4GHz）等頻段受到冷落，參與討論的專家人數(shù)相對(duì)較少。

而有關(guān)毫米波生物學(xué)效應(yīng)的研究始于二十世紀(jì)六十年代至七十年代后期，前蘇聯(lián)首先將毫米波用于醫(yī)療。目前認(rèn)為毫米波通過與人體組織內(nèi)粒子發(fā)生諧振產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)與治療作用，故毫米波療法又稱為微波諧振療法或毫米波諧振療法。

多數(shù)毫米波治療儀輸出波長(zhǎng)8.3-8mm、頻率36-37.5GHz的毫米波，少數(shù)治療儀可輸出7.11mm（42.19GHz）、5.6mm（53.53GHz）、4.96mm（60.48GHz）毫米波。一般治療儀的輸出功率密度為10mW/ cm2，少數(shù)功率密度稍大。個(gè)別型號(hào)治療儀的輸出喇叭口特別小，功率密度高達(dá)400mW/ cm2。

小結(jié)：對(duì)以上數(shù)據(jù)對(duì)比分析坂哥發(fā)現(xiàn)，5G毫米波的40G頻段（37GHz~43.5GHz）與毫米波治療儀的頻段36-37.5GHz、42.19GHz存在相當(dāng)?shù)闹丿B部分，所以說事情也許真的可以發(fā)生一些變化。。。

二、毫米波對(duì)生物組織的作用機(jī)理

研究發(fā)現(xiàn)，毫米波作用于生物體時(shí)70%的能量在300μm深的生物組織內(nèi)吸收，其穿透組織的深度小于1mm，不能進(jìn)入深部組織。但毫米波不但能引起局部效應(yīng)，還能在深部或遠(yuǎn)隔組織和臟器產(chǎn)生一系列反應(yīng)。人們對(duì)其作用機(jī)理進(jìn)行了大量研究，有諧振學(xué)說、聲電波學(xué)說、場(chǎng)力學(xué)說、超導(dǎo)電性學(xué)說、半導(dǎo)電性學(xué)說等。

諧振學(xué)說由物理學(xué)家Frohlich提出，目前得到較普遍的承認(rèn)。諧振學(xué)說認(rèn)為，生物組織中的DNA、RNA，蛋白質(zhì)等大分子和生物膜均有其固定的振蕩頻率（5-3000GHz），這個(gè)頻率正處于毫米波的頻率范圍（30-300GHz）。因此毫米波作用于這些生物大分子和生物膜時(shí)會(huì)發(fā)生諧振，能量增強(qiáng)，這種諧振能量在機(jī)體內(nèi)傳播時(shí)可引起一系列生物學(xué)效應(yīng)，如組織的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，蛋白質(zhì)、氨基酸和酶的活性發(fā)生變化等，從而導(dǎo)致細(xì)胞的代謝與功能發(fā)生變化。

毫米波療法對(duì)含水組織有較好的親和力，可改善局部組織的新陳代謝和血液循環(huán)，使組織水腫吸收加快，加速病理產(chǎn)物和代謝產(chǎn)物吸收的排泄，從而達(dá)到消炎、消腫、止痛等治療目的。

但其具體應(yīng)用參數(shù)理論基礎(chǔ)、生物效應(yīng)及分子細(xì)胞學(xué)機(jī)制仍不很明確，還需要在其適應(yīng)癥上進(jìn)行多學(xué)科、大樣本的臨床驗(yàn)證。

三、5G毫米波醫(yī)療應(yīng)用之暢想

大規(guī)模MIMO是5G的關(guān)鍵技術(shù)之一，因此5G系統(tǒng)可以調(diào)動(dòng)多個(gè)臨近基站的天線同時(shí)指向某個(gè)移動(dòng)用戶，以便為其提供穩(wěn)定的高速帶寬。

如果其頻段為毫米波頻段，我們可以暢想用戶通過手機(jī)向系統(tǒng)輸入一個(gè)特殊指令，系統(tǒng)調(diào)動(dòng)周圍的天線指向該用戶對(duì)其進(jìn)行毫米波治療。

另外，從5G手機(jī)的角度看，完全可以將毫米波輸出打造為具有醫(yī)療效果的治療儀，5G手機(jī)變身為便攜式的毫米波治療儀，一物多用。

當(dāng)然，我們不能陷入“只談成分，不談劑量”的陷阱。

我國(guó)電磁輻射的安全標(biāo)準(zhǔn)是不超過40μw/cm2。以我國(guó)目前比較常見的2G基站即GSM基站為例，一般基站天線高度均在35米至55米，發(fā)射功率為20瓦的大功率基站，其天線前10米的功率密度是0.6μw/cm2。對(duì)于3G基站，在上面同樣的條件下，其功率密度為0.1μw/ cm2。

對(duì)比毫米波治療儀的功率密度（一般為10mW/ cm2），5G基站變身毫米波治療儀的腦洞也許開得太大，難以實(shí)現(xiàn)；而5G手機(jī)變身便攜式毫米波治療儀的腦洞則現(xiàn)實(shí)了很多