基于SENN与MRG模型的60Hz工频磁场外周神经刺激原位电场剂量学研究

本研究针对工频磁场(PNS)刺激阈值不确定性问题，通过构建新型Helmholtz线圈系统，结合高精度人体模型JEDUK cV4.0，首次对比分析了SENN(空间扩展非线性节点)与MRG(McIntyre-Richardson-Grill)两种神经电刺激模型在60Hz磁场下的外周神经响应差异。研究发现MRG模型预测的刺激阈值显著低于现行标准采用的SENN模型，为修订国际非电离辐射防护指南提供了关键理论依据。

　　

随着电力设施的普及，人类暴露于50/60Hz极低频(ELF)磁场的概率显著增加。这类磁场会在人体内感应出电场(EF)，可能刺激外周神经系统(PNS)。然而，当前国际安全标准(如ICNIRP和IEEE-ICES)对工频磁场PNS刺激阈值的界定存在争议——现有标准主要基于简化的SENN模型计算，而更精确的MRG模型预测的阈值可能相差高达10倍。这种不确定性使得现行安全标准可能无法有效保护公众健康，或过度限制技术应用。

为破解这一难题，加拿大西安大略大学(University of Western Ontario)医学物理系联合德国社会意外保险职业安全健康研究所的研究团队，在《Scientific Reports》发表了开创性研究。研究人员设计了一套创新的Helmholtz式线圈系统，结合高分辨率人体模型JEDUK cV4.0，首次系统比较了SENN与MRG模型对下肢神经60Hz磁场刺激的预测差异。

研究采用三大关键技术：1) 基于Biot-Savart定律和法拉第定律设计可产生442mT峰值磁场的Helmholtz线圈系统；2) 使用Sim4Life软件平台进行电磁-神经耦合仿真，空间分辨率达0.6mm；3) 通过NEURON求解器实现两种模型的并行计算，其中MRG模型特别区分了感觉与运动神经纤维的差异。

线圈设计与电场分布

通过优化线圈几何参数(直径35cm，20匝)，系统在7.2cm半径的人体下肢可产生7.55V/m的峰值电场。仿真显示，腓总神经和胫神经等混合神经的局部电场最强(图3、图4)，证实了该系统的有效刺激能力。

模型比较与阈值差异

滴定分析(表1、表2)揭示关键发现：MRG模型预测的感觉神经阈值(1.75-2.734倍)显著低于SENN模型(4.531-99.5倍)，且运动神经需要更高刺激强度。例如在神经组3中，MRG感觉模型滴定因子低至1.75，而对应SENN模型高达20.75，差异超10倍。

神经取向的关键影响

研究首次量化了电场-神经相对取向的效应(图5)。当电场与神经走向正交时，即使场强高达4.54V/m也难以引发动作电位(AP)，这解释了为何实际刺激阈值存在显著个体差异。

讨论部分指出，MRG模型因其对神经超微结构(如结旁区)和非线性离子通道动力学的精确建模，能更准确预测PNS响应。该研究为修订ICNIRP和IEEE标准提供了实验设计范本，同时揭示了现行标准可能低估了感觉神经的敏感性。未来需通过人体实验验证模型预测，并考虑皮肤电导率等个体差异因素。这项突破性工作不仅推动了生物电磁安全评估方法的革新，也为精准神经调控设备的研发奠定了理论基础。