ICNIRP限制电磁场暴露的导则(100kHz～300GHz)解读

刘贵斌，王李鹏，聂艳芳

(酒泉卫星发射中心计量测试站，甘肃 酒泉 732750)

引 言

国际非电离辐射防护委员会(International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection，ICNIRP)是一个非盈利性国际组织，旨在保护人类和环境免受非电离辐射的不利影响。ICNIRP 制定和出版关于限制非电离辐射暴露的基于科学的建议，这些建议包括导则、评论和声明。2020年3月，ICNIRP发布了2020年版《限制电磁场暴露的导则(100 kHz～300 GHz)》(以下简称ICNIRP导则-2020)。ICNIRP导则-2020替代了1998年版《限制时变电场、磁场和电磁场暴露的导则(300 GHz以下)》(以下简称ICNIRP导则-1998)的100kHz～300GHz射频电磁场部分，并且更新了2010年版《限制时变电场、磁场和电磁场暴露的导则(1Hz～100 kHz)》(以下简称ICNIRP导则-2010)的100 kHz～10 MHz部分。

本文主要通过对比ICNIRP导则-2020与ICNIRP导则-1998、ICNIRP导则-2010的对应条款，得出100 kHz～300GHz范围内(包含ICNIRP导则-2010的100 kHz～10 MHz部分)基本限值和导出限值的变化情况，并根据ICNIRP导则-2020给出的限制电磁场暴露的科学基础，分析说明基本限值和导出限值变化的科学依据，为从事电磁辐射测量评估的工程技术人员了解国际标准的最新状态提供参考。

1 基本限值变化情况

基本限值(basic restrictions)是指直接根据射频电磁场暴露带来的不利健康影响而制定的限值，新旧导则中用来表示基本限值的物理量包括电流密度(J)、比吸收率(SAR)、功率密度(S)、吸收功率密度(Sab)、比吸收能(SA)、吸收能量密度(Uab)和感应电场(Eind)。

ICNIRP导则-1998中的基本限值包括头部和躯干电流密度、全身平均SAR、头部和躯干SAR、肢体SAR、局部功率密度(见表1)和针对微波听觉效应的头部SA[1]。

表1 ICNIRP导则-1998电磁场暴露基本限值(100 kHz～300GHz)Tab.1 Basic restrictions for electromagnetic field exposure of ICNIRP guidelines-1998(100 kHz ～300GHz)

ICNIRP导则-2020中的基本限值包括平均时间≥6min的全身平均SAR、头部和躯干SAR、肢体SAR、局部Sab(见表2)，积分间隔<6min的头部和躯干SA、肢体SA、局部Uab(见表3)，以及从ICNIRP导则-2010直接引入的与神经刺激相关的Eind(见表4)。

表2 ICNIRP导则-2020电磁场暴露基本限值(平均时间≥6min)Tab.2 Basic restrictions for electromagnetic field exposure of ICNIRP guidelines-2020 (averaging intervals ≥6 min)

表3 ICNIRP导则-2020电磁场暴露基本限值(积分间隔<6min)Tab.3 Basic restrictions for electromagnetic field exposure of ICNIRP guidelines-2020 (integrating intervals <6 min)

表4 ICNIRP导则-2020电磁场暴露 基本限值(100kHz-10MHz，空间峰值)Tab.4 Basic restrictions for electromagnetic field exposure of ICNIRP guidelines-2020 (100kHz-10MHz,peak spatial values)

1.1 被修订的基本限值

ICNIRP导则-1998和ICNIRP导则-2020都规定了全身暴露基本限值和局部暴露基本限值，ICNIRP导则-2020对相应基本限值进行了不同程度的修订。

1.1.1 全身暴露基本限值

ICNIRP导则-1998使用全身平均SAR来表示全身暴露基本限值， ICNIRP导则-2020也是如此，全身平均SAR限值用于防止人体核心温度上升超过1℃。

新旧导则中两者的数值保持一致，因为研究表明，它们比原来认为的还要保守：人体核心温度升高1℃才可能带来不利健康影响，当SAR为6Wkg-1且持续时间为1h时人体核心温度才会升高1℃，而全身平均SAR的职业暴露基本限值设置为0.4 Wkg-1且暴露时间为0.5h；相比之下，一个成年人在休息状态下总共产生的SAR约为1 W kg-1，站立时约为2Wkg-1，跑步时约为12Wkg-1。

ICNIRP导则-2020主要从适用频率范围和平均时间两个方面进行了修订。

1.1.1.1 适用频率范围

ICNIRP导则-1998中全身平均SAR限值仅适用于10 GHz以下，但在ICNIRP导则-2020中适用于从100 kHz至300 GHz的整个范围。

之前的研究认为，在10GHz以上，射频电磁场的热效应主要集中在身体组织浅表，热量容易散发到环境中，不会导致人体核心温度上升超过1℃，因此只在10GHz以下设置了全身平均SAR限值。最新的研究成果表明，更高频率的射频电磁场会在真皮内引起发热，真皮内广泛的血管网络可将热量传递至体内深处，可能会导致人体核心温度上升超过1℃。因此，ICNIRP导则-2020将适用频率范围扩展至300 GHz。这可以确保未来使用更高频率的新技术(比如5G毫米波频段)产生的电磁辐射不会导致体内深处的温度过度升高，从而为人体电磁场暴露提供防护。

1.1.1.2 平均时间

ICNIRP导则-1998中全身平均SAR限值的平均时间为6min， 而在ICNIRP导则-2020中已更改为30min，原因是现有研究表明电磁场暴露导致身体升温达到稳态温度所需要的时间比原来认为的更长。

1.1.2 局部暴露基本限值(6min平均)

ICNIRP导则-1998区分不同频率范围使用不同的物理量(平均SAR或功率密度)来表示局部暴露基本限值，ICNIRP导则-2020也采用相同的方法。

1.1.2.1 转变频率

ICNIRP导则-1998中，在频率低于10 GHz时使用的物理量是平均SAR，在频率高于10 GHz时使用的物理量是功率密度；ICNIRP导则-2020中，在频率低于6 GHz时使用的物理量是平均SAR，在频率高于6GHz时使用的物理量是功率密度。

上述用于表示基本限值的物理量发生改变处的频率(10GHz或6GHz)称为转变频率(transition frequency)。ICNIRP导则-2020中转变频率被降低，这是由于近年来的科学研究表明，在大约6 GHz以下，电磁场效应会深入身体组织(需要考虑入射深度，即需要考虑被照射身体组织的体积或质量)；在大约6 GHz以上，电磁波在身体组织浅层被吸收(深度变得不那么重要，需要更多考虑被照射身体组织的面积)。SAR代表单位质量身体组织吸收能量的速度，功率密度代表与电磁波传播方向垂直的单位面积上的功率。所以在频率高于6GHz时使用SAR限值可能会低估浅层暴露影响，而在频率低于6GHz时使用功率密度限值可能会低估深层暴露影响。因此ICNIRP导则-2020采取了务实的方法，将转变频率从10GHz降低至6GHz。

1.1.2.2 平均SAR

在转变频率以下，ICNIRP导则-2020和ICNIRP导则-1998用于表示基本限值的物理量都是平均SAR(6min平均)，并且基本限值的数值保持一致。

不同之处在于， ICNIRP导则-1998要求SAR在10 g相邻组织区域内进行平均，ICNIRP导则-2020则要求SAR在10 g立方组织区域内平均。空间平均方法的变化是为了提供更好的温度升高的近似值，以防止人体局部温度过度升高。

与ICNIRP导则-1998一样，ICNIRP导则-2020为转变频率以下的不同人体部位提供了不同的暴露限值。但是，这些身体部位的定义方式发生了细微的变化，主要是将耳廓视为与皮肤相似的浅表组织，不再将其视为与大脑相似的需要更严格限值的组织。

1.1.2.3 功率密度

在转变频率以上，ICNIRP导则-2020和ICNIRP导则-1998都使用功率密度表示基本限值，两者存在以下差异：

(1)物理量含义

ICNIRP导则-1998用来表示局部暴露基本限值的物理量是功率密度(S)，这个功率密度实际上是入射功率密度(Sinc)，而ICNIRP导则-2020使用的物理量是吸收功率密度(Sab)。

因为高达50%的入射功率会被身体反射，所以入射功率密度不能很好的评估人体暴露程度，而吸收功率密度才是人体暴露的度量，符合基本限值的本意。

(2)平均面积

ICNIRP导则-1998要求在20 cm2区域进行平均，而ICNIRP导则-2020要求在4 cm2区域进行平均(在30 GHz以上要求在1 cm2区域进行平均)。这个4 cm2平均面积与SAR平均体积(10 g)是相匹配的，并在6 GHz频率处提供一致的过渡。平均面积的减小确保了在较大面积(20cm2)上的允许暴露不会集中在一个较小的区域内，从而不会导致较小区域的温度过度升高。

考虑到在30 GHz以上电磁波波束可能会出现高度聚焦而造成伤害，ICNIRP导则-2020对高于 30 GHz的电磁场设置了基于1 cm2平均面积的基本限值(数值为基于4 cm2平均面积的基本限值的两倍)，以防止电磁波高度聚焦导致微小区域出现明显温度升高。虽然在30 GHz以下电磁波波束也会有一定程度的汇聚，但因为波束还没有“充分聚焦”到会造成伤害，因此在30 GHz以下没有设置基于1 cm2平均面积的基本限值。在30GHz以上设置额外限值，这与确保未来使用更高频率的新技术(比如5G毫米波频段)的安全性密切相关。

(3)平均时间

ICNIRP导则-1998随着频率的增加而减少了平均时间，ICNIRP导则-2020不再使用该方法，该方法对温度升高的预测较差。ICNIRP导则-2020使用统一的6min平均时间，额外提供了短暂局部暴露基本限值。

(4)限值数值

仅从数值上看，ICNIRP导则-2020的功率密度基本限值比ICNIRP导则-1998更高，前者是后者的两倍。但是，由于ICNIRP导则-2020使用的平均面积为4 cm2，而ICNIRP导则-1998使用的平均面积为20 cm2，因此对于大于6 GHz的电磁辐射，ICNIRP导则-2020实际允许的人体峰值暴露低于ICNIRP导则-1998。

1.1.3 神经刺激基本限值

对于100 kHz～10 MHz范围内的与神经刺激相关的基本限值，ICNIRP导则-1998使用电流密度(J)来表示，ICNIRP导则-2020使用感应电场(Eind)来表示。虽然两者使用的物理量不同，限值数值也不相同，但都是用于防止电磁场的神经刺激不利影响，因此本质上可以看作对原有基本限值的修订。

100 kHz～10 MHz范围内，电磁场同时存在神经刺激和热效应[2]。ICNIRP导则-2020将神经刺激基本限值添加到针对所有潜在不良健康影响的基本限值中，以提供覆盖整个100 kHz～300 GHz 电磁场频率的完整基本限值。ICNIRP导则-1998的1Hz～10MHz低频电磁场部分先前已被ICNIRP导则-2010替代，而ICNIRP导则-2010的100 kHz～10 MHz低频电磁场部分又被ICNIRP导则-2020替代。ICNIRP导则-2020的感应电场基本限值是从ICNIRP导则-2010直接引入的，未重新进行评估。感应电场(Eind)在ICNIRP导则-2010中被称作内部电场(Eint)。

1.2 增加的基本限值

ICNIRP导则-2020在频率高于400MHz时提供了额外的基本限值，称之为短暂局部暴露基本限值。从400 MHz到6 GHz，用来表示基本限值的物理量是比吸收能(SA)；而在6 GHz以上，使用的物理量是吸收能量密度(Uab)。基本限值是暴露持续时间的函数，并且适用于连续(正弦波)和不连续(脉冲)射频电磁场。

对于局部暴露基本限值(6min平均)，即使6min平均值没有超过限值，但短暂的剧烈射频电磁场暴露也会使局部组织温度过度升高。当频率高于30 GHz时，这种情况尤其可能发生，同时这种情况也可能在频率低至400 MHz时发生。因此，ICNIRP导则-2020制定短暂局部暴露基本限值，确保短暂的暴露不会导致温度过度升高，防止脉冲射频电磁场因强度太高而对健康产生不利影响。由于在400 MHz以下不会以这种方式导致温度过度升高，因此未对400 MHz以下的电磁场设置额外的短暂局部暴露基本限值。

1.3 删除的基本限值

亚毫秒级脉冲射频电磁场能产生可被察觉的声音，被称作微波听觉效应。这是由于亚毫秒级脉冲射频电磁场导致的极小的温度升高(大约0.00001 ℃)会引起听觉器官中的热弹性组织扩张，而热弹性组织扩张又会被耳蜗中的感觉细胞检测到，这个过程与正常听力所涉及的过程是相同的，因此会导致“听到声音”。ICNIRP导则-1998针对此种情况专门设置基本限值，以避免发生这种听觉现象。由于这只是一种“感觉现象”，没有证据表明会对健康产生不利影响，因此该基本限值在ICNIRP导则-2020中已被删除，不再继续使用。

2 导出限值变化情况

导出限值(reference levels)用来评估实际电磁场暴露是否满足基本限值。部分导出限值根据基本限值采用计算或测量方法得到，而部分导出限值是基于暴露于电磁场时的感觉和不利健康影响直接制定。用于表示导出限值的物理量包括电场强度(E)、磁场强度(H)、磁通量密度(B)、等效平面波功率密度(Seq)、电流(I)、入射电场强度(Einc)、入射磁场强度(Hinc)、入射功率密度(Sinc)、入射能量密度(Uinc)和等效平面波能量密度(Ueq)。

导出限值比基本限值更容易进行测量和评估，这使得可以使用更简便的方法来评估电磁场暴露是否符合基本限值。由于导出限值的推导采取了保守策略，因此在大多数暴露情况下，导出限值比基本限值更加保守，满足导出限值一定满足基本限值，而超过导出限值并不意味着一定超过基本限值。对于实际开展测量评估工作的工程技术人员来讲，了解导出限值的变化更为重要。

ICNIRP导则-2020提供了与所有基本限值相对应的导出限值，包括全身暴露导出限值、局部暴露导出限值、短暂局部暴露导出限值、局部暴露峰值导出限值和肢体感应电流导出限值。ICNIRP导则-1998提供了全身暴露导出限值、接触电流导出限值和肢体感应电流导出限值。

2.1 被修订的导出限值

全身暴露导出限值和肢体感应电流导出限值在ICNIRP导则-2020和ICNIRP导则-1998中均有规定， ICNIRP导则-2020都进行了相应的修订。

2.1.1 全身暴露导出限值

全身暴露导出限值对应全身平均SAR基本限值，根据频率的不同提供了以电场强度(E或Einc)、磁场强度(H或Hinc)和功率密度(S或Sinc)等物理参数表示的导出限值，如图1、图2所示。

图1 职业全身暴露导出限值比较Fig.1 Comparison of reference levels for the occupational whole-body exposure

图2 公众全身暴露导出限值比较Fig.2 Comparison of reference levels for the general public whole-body exposure

2.1.1.1 适用频率范围

ICNIRP导则-1998中，电场强度、磁场强度的适用频率范围为100kHz～300GHz；ICNIRP导则-2020中，电场强度、磁场强度的适用频率范围为100kHz～2GHz。由于在2 GHz以上，电场强度、磁场强度不能总是对基本限值提供良好的估计，因此ICNIRP导则-2020对于高于2 GHz以上的全身暴露导出限值只用功率密度表示，不再用电场强度和磁场强度表示。在实践中，由于没有适当的测量仪器，2GHz以上的磁场强度测量很难开展，ICNIRP导则-2020的相关修订使标准规定更切合工程实际，在一定程度上也降低了电磁辐射测量评估的难度。

ICNIRP导则-2020中，功率密度的适用频率范围也从ICNIRP导则-1998的1MHz～300GHz修订为30MHz～300GHz。

2.1.1.2 限值数值

在100kHz～30MHz范围内，ICNIRP导则-2020的电场强度、磁场强度导出限值均高于ICNIRP导则-1998；在30MHz以上两者保持一致。ICNIRP导则-1998中，在100kHz～10MHz范围内导出限值设定的非常保守。相较于ICNIRP导则-1998，ICNIRP导则-2010在100kHz～10MHz范围内减小了电场强度导出限值、增大了磁场强度导出限值。先前制定导出限值时，由于在30MHz以下可用的研究成果非常有限，科学基础非常薄弱，因此对于电场强度、磁场强度导出限值的设定都过分趋于保守。现在的研究更好地确定了电场强度、磁场强度导出限值与基本限值之间的关系，在基本限值没有改变的情况下，需要更高的导出限值才能达到基本限值，因此ICNIRP导则-2020基于新的认知增大了电场强度和磁场强度导出限值。ICNIRP导则-1998中，电场强度、磁场强度导出限值在10MHz以下随频率降低而增大，现有研究表明，为了和全身暴露基本限值相匹配，这种增加应该从30MHz开始。因此，在ICNIRP导则-2020中，电场强度、磁场强度导出限值从30 MHz开始随着频率的降低单调增加。

在30MHz以上，ICNIRP导则-2020的功率密度导出限值与ICNIRP导则-1998保持一致。

2.1.1.3 评估规则

ICNIRP导则-1998只为远场区域暴露制定了导出限值，没有为近场区域暴露规定单独的导出限值，而是允许将远场区域导出限值用于近场区域进行评估。

ICNIRP导则-2020针对辐射近场、感应近场和远场分别规定了须满足的用不同物理量表示的导出限值，这导致评估电磁场辐射的规则发生改变：100kHz～30MHz范围，不论在近场区域还是在远场区域，入射电场强度和入射磁场强度须同时满足导出限值；>30MHz ～2GHz范围，在远场区域入射电场强度、入射磁场强度或入射功率密度三者之一满足导出限值即可，在辐射近场区域入射电场强度与入射磁场强度或入射功率密度两者之一满足导出限值即可，在感应近场区域入射电场强度和入射磁场强度须同时满足导出限值，在感应近场区域入射功率密度不能用于评估合规性；>2GHz ～300GHz范围，在远场区域和辐射近场区域入射功率密度满足导出限值即可，在感应近场区域导出限值不能用于评估合规性，需要用基本限值进行评估。

ICNIRP导则-1998的评估规则比较简便易行，但由于近场区域电场、磁场的独立性以及电磁场的复杂性，使得近场评估不够严谨。ICNIRP导则-2020基于新的科学认识设定了新的评估规则，因此尽管ICNIRP导则-2020和ICNIRP导则-1998的全身暴露导出限值在30 MHz以上对应频段保持一致，但由于两个导则采用的评估规则不同，导致相同的测量数据评估出的暴露程度将会不一致。

用于评估导出限值合规性的物理量在多大程度上能代表用于评估基本限值合规性的物理量，取决于被评估电磁场是否能被准确地划分为辐射近场、感应近场或远场，这就需要开展电磁辐射评估的人员正确掌握划分准则、根据实际暴露场景准确进行划分，对人员的技术能力有了更高的要求。

2.1.2 肢体感应电流导出限值

对于肢体感应电流导出限值，只是将频率适用范围从10MHz～110MHz修订为100kHz～110MHz，限值数值保持不变。

2.2 增加的导出限值

ICNIRP导则-2020增加的导出限值包括局部暴露导出限值和短暂局部暴露导出限值，这使得其导出限值覆盖了所有的基本限值类型。因为导出限值更便于测量，这使得可以使用更简单的方法来评估电磁场暴露是否符合所有基本限值。

应该认识到，尽管ICNIRP导则-2020引入额外导出限值以匹配每个基本限值，在近场区域内依然存在导出限值不能用于验证合规性的情况，比如感应近场区域内高于2GHz的电磁场暴露。

2.3 删除的导出限值

ICNIRP导则-1998在10MHz以上提供了以电场强度、磁场强度和功率密度表示的全身暴露导出限值。由于在大约2 GHz以上，E场和H场的值不能总是对基本限值提供良好的估计，因此ICNIRP导则-2020对于高于2 GHz以上的全身暴露导出限值只用功率密度表示，不再用电场强度和磁场强度表示。

ICNIRP导则-1998提供了接触电流的导出限值。当导电物体通过物理接触将射频电磁场重定向到人体时，会产生接触电流，这会使组织中的SAR超过基本限值。因此，如果能制定相应的导出限值以评估由接触电流引起的SAR是否超过基本限值是很有实际意义的。但正如ICNIRP导则-2020所述，由于制定接触电流导出限值需要考虑各种参数，而这些参数无法预先指定，因此无法提供这样的导出限值。所以，ICNIRP导则-2020不再提供接触电流导出限值，而是提供了“接触电流指南”来代替导出限值，以帮助告知负责射频电磁场暴露安全评估的专业人员，协助他们了解接触电流的危害，并制定适当的防止接触电流危害的健康和安全程序。

3 限值变化的影响

旧版ICNIRP导则中制定的相关限值可防止当前使用的射频电磁辐射设备对健康造成不利影响，因此ICNIRP导则-1998的主要限值目前仍具有保护性，并在ICNIRP导则-2020中大部分得到保留。ICNIRP导则-2020中为提高限值的准确度而进行的较小更改导致更为保守的限值，但是由于与严格保守的限值本身相比这些变化很小，不会对与当前电磁辐射设备相关的健康防护产生明显的影响。

然而，ICNIRP导则-2020中有两项新的限值会进一步加强健康防护。第一个涉及利用电磁场频率大于6 GHz的技术应用(例如5G毫米波技术)，新的限值可以更好地防止人体温度过度升高；第二个涉及短暂的射频电磁场暴露(<6min)，以确保瞬态温度升高不足以引起疼痛或对组织造成不利影响。尽管ICNIRP导则-1998中已有针对头部的短暂(约50 ms)脉冲射频电磁场限值，新版导则可为长达6min的全身暴露提供保护。这两项新限值可以确保当前和未来新技术的应用不会对健康带来不利影响。

4 结 语

ICNIRP导则-2020修订了全身暴露、局部暴露和神经刺激基本限值，增加了短暂局部暴露基本限值，删除了微波听觉效应基本限值；修订了全身暴露和肢体感应电流导出限值，增加了局部暴露和短暂局部暴露导出限值，删除了接触电流导出限值。ICNIRP导则-2020吸收了ICNIRP导则-1998发布以来的大量科学研究成果，更新了限制射频电磁场暴露的科学基础，提升了导则的科学性、严谨性和准确性，使限值更加匹配近年来的科学研究成果。

GB8702-2014《电磁环境控制限值》是控制电磁场公众暴露的国家标准，在制定时参考了ICNIRP导则-1998[3]。GB8702-2014的公众暴露控制限值、评估规则与ICNIRP导则-2020对应的限值和评估规则有多大差异、是否需要进行修订，需要从事电磁环境测量评估的工程技术人员和标准制定主管部门开展进一步的分析和研究。