マイクロ波聴覚効果は「兵器化」できるのか?
Can the Microwave Auditory Effect Be “Weaponized”?

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www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8733248/

2021;9: 788613.

2021年12月23日オンライン公開

はじめに

短時間だが強い高周波(RF)エネルギーが頭部に吸収されると、聴覚を誘発することがある。この現象は、この現象を最初に調べた研究者の名前をとって、マイクロ波聴覚効果または「フレイ効果」(Frey Effect)と呼ばれている)。この効果は、熱音響(TA)により誘発される頭部の音響波から生じることが知られている)。

Linは、フレイ効果が、キューバなどで米軍将校から報告された原因不明の健康障害、いわゆるハバナ症候群と関連している可能性を提唱している)。罹患者にマイクロ波曝露が検出されなかったことは、この仮説を支持するものではなく、症状の原因について推測するものではない。残る疑問は、聴覚効果を「武器化」、すなわち個人への嫌がらせや危害を加えるために利用できるかどうかである。効果の大きさと実用性の理由から、この可能性は低いと思われるが、既存の高出力RF技術に関する情報が公開されていないことと、悪影響の閾値に関する不確実性から、この問題の完全な解決は不可能である。

理論的背景

TA音の発生理論はよく開発されている[e.g.,Gusev and Karabutov)]。熱拡散時間τthと応力緩和時間τsの2つの時間スケールが存在する。

【原文参照】

これらはそれぞれ、加熱された領域から熱が拡散するのに要する時間と、その領域から音響応力が伝播するのに要する時間である。式中、Lは加熱範囲を特徴付ける距離、αは熱拡散率、vsは媒質中の音速である。典型的な軟組織とセンチメートルスケールの加熱パターンでは、τth>>τsであり、熱拡散の影響は無視できる程度である。

持続時間τ、パワー密度I0(W/m2)の平面波RFエネルギーのパルスが、平面組織表面に正常に入射することを考える。組織表面下の距離xにおける電力沈着率(比吸収率、SAR:W/kg)は

【原文参照】

ここで、Lはτsを定義するために使用されるパワー堆積深さ、Ttrは組織に伝染する入射パワーの割合,ρは組織密度(≒1,100kg/m3)である。関連する電気的および音響的なパラメータを1にまとめた。

表1 代表的な軟組織*の電気・音響パラメータ。

F、GHz L(m)乾燥肌 TTR 応力閉じ込め時間τs(μs) po(Pa)
(パルス照射量=1J/m2とした場合)
応力閉じ込めI0τs(J/m2)(Io=10 MW/m2と仮定)と一致する最大実現可能なパルスフルエンス 持続時間τsのRFパルスによるピーク音響周波数,kHz 最大フルエンスにおけるRFパルスのピーク音圧(kPa)(dB re 20μPa)
1 1.9E-02 0.45 13 5 130 12 0.3(144 dB)
3 9.4E-03 0.47 6 10 60 25 0.3(144 dB)
6 4.1E-03 0.48 3 23 30 58 0.3(144 dB)
10 1.9E-03 0.49 1 52 10 126 0.3(144 dB)
30 4.3E-04 0.54 0.3 253 3 560 0.4(145 dB)
100 1.8E-04 0.70 0.1 769 1 1,300 0.5(147 dB)

*乾燥肌の電気的パラメータ()に基づく

τ<<τsの極限において、表面からの距離xにおける圧力増加分p(x)は)となる。

【原文参照】

ここで、Γは無次元グリューナイゼンパラメータ

【原文参照】

βは体積熱膨張係数、Cpは組織の比熱容量、vsは媒質中の音速(≒1,500 m/s)である。t→0の極限において、任意の点での圧力増加pと温度増加ΔTは比例する。

【原文参照】

時間が経つにつれて、2つの音響波が反対方向(界面から離れる方向と向かう方向)に伝搬する。後者の波は、界面の音響インピーダンスの不一致に依存する位相変化を伴って、組織内に反射される。閉形式解)1と問題(4)の直感的な記述が利用可能である。正味の結果は、界面から離れる方向に伝播する波で、二相性波(自由境界による)または単相性波(剛体境界による)のどちらかである。

【原文参照】

式(6)、(7)のフーリエ変換は

【原文参照】

ここで、ωはラジアン周波数である。結果は、典型的な軟組織を想定して表1にまとめた)。これらの結果は、数値シミュレーション(Matlabのk-Wave Acoustic Simulation Toolbox(Mathworks,Natick MA))によって確認された。この解はより長いパルス(τ>τs)にも拡張できるが、応力閉じ込め時間を超えるパルスではTA音発生の効率が低下する。非線形効果(例えば、音響衝撃波や光誘起透明)は、現在考えられているよりもはるかに高い磁場強度を必要とする。

要約すると、RFエネルギーのパルスは組織内の音響過渡現象を誘発する。短いパルスの場合、波の振幅はパルス強度Ioだけでなく、パルスあたりの吸収エネルギーまたはパルスフルエンスIo-τによって決定される。ミリ波(30-300GHz)の等エネルギーパルスは、エネルギーの侵入深さが短いため、低GHzパルスよりもはるかに大きな音響波を発生させる(表1)。τsより長いRFパルスによって誘起される音響波の周波数スペクトルは、式8,9とは異なり、パルス幅によって調整することが可能である。

頭部では、音響波が頭蓋骨で反射し、頭蓋骨の音響共振を励起する。この音響共振は、成人のヒトでは7~10 kHz付近に正常なモードがある。この音響エネルギーが直接または骨伝導(フレイ効果)を介して間接的に蝸牛に伝搬すると、聴覚を誘発することができる。

知覚と副作用の閾値

パーセプション

ElderとChou)およびLin)は、RFによって誘発される聴覚の閾値について、入手可能なわずかなデータを再検討した。報告された閾値は、おそらく被験者間のばらつきや実験方法の違いにより大きく異なるが、一般に数十μsの低GHzパルスで約0.02-0.4J/m2のフルエンスに相当する。今回のモデルから、これらの閾値は、低GHz周波数のRFパルスの頭部内のピーク音圧が0.1~3Paの範囲にあることに対応する。

近年、低GHzからmm波までの超高出力(ギガワット)パルスマイクロ波発生装置が開発され、その多くは機密扱いの防衛プロジェクトで使用されている。Dagroら)は、1GHzのパルスで、5μs、入射パワー密度10MW/m2(パルスフルエンス50J/m2)で、解剖学的に詳細な体のモデルで発生するTA波をシミュレートしている。Dagroは、これを「(高出力マイクロ波に関する)一般に入手可能な文献を考慮した妥当な上限値」であると考えた。脳内のどの点でもピーク音圧は10kPaで、現在の1次元モデルで予測される音圧を大きく上回り、脳室内の比較的高いSARと関連している。これらのピーク圧力は、脳組織の小さな局所的な領域に見られ、その持続時間は非常に短かった。

副作用

このような暴露による悪影響の閾値は、データ不足のため推測するしかない。Lin)は、蝸牛の有毛細胞の損傷による騒音性難聴の閾値として従来から認められている120 dB re 20μPaに基づいて、頭蓋内圧を20 Paとする「組織損傷レベル」を提案している。Lubnerらは、超音波洗浄槽(40kHzで115dB)による作業員の「疲労、ブザー音、吐き気、頭痛の訴え」など、20kHz以上の超音波曝露によるさまざまな聴神経症状を記述し、超音波曝露による永久的な聴神経障害について「さまざまな結論」を述べている)。1に示すピーク音圧はこれらのレベルをはるかに超えているが、被ばく量の差はかなり大きい。特に、TAによる圧力波は、頭部に入射する超音波とは対照的に、体表付近の組織で発生する。Dagroらは、ピーク音圧をプロ(アメリカ)サッカー選手の典型的な頭部衝撃で見られる引張圧力と比較したが、暴露時間や最高圧力レベルで暴露される脳組織の体積の違いにより、このような比較の解釈は困難である。

超音波による脳組織へのダメージの閾値ははるかに高い。例えば、「低エネルギー」超音波は、患者の痛み緩和(neuromodulation)のために臨床的に使用されているが、重大な副作用は報告されていない)。脳の特定の部位への曝露レベルは、通常、250-500 kHzで100 kPa(194 dB)を超えるピーク音圧である)。

以上の考察から、聴神経系との相互作用は、脳組織そのものへのダメージよりもはるかに低い被ばく量で、有害だが可逆的な影響をもたらす可能性があることが示唆された。

考察と結論

私たちは、フレイ効果を「武器化」できないか考えている。既存のマイクロ波システムは、予期しない、おそらく恐ろしい聴覚を誘発するのに十分なフルエンスでパルスを発生させることができるが、装置が大きく、非常に目立つことになる。

例えば、AN/FPS-67Bレーダーは1.3GHzで6μsのパルスを発生させ、ピーク送信電力は1.9MW(1パルス11J)である。ある技術者は、アンテナから45m離れたメインビーム内にいるとき、「明らかに気が散るが、苦痛ではない」聴覚反応を示したという。彼の場所でのピークRF電界強度は4.6 kV/m、パルスフルエンスは約0.3 J/m2で、これは聴覚反応を誘発する閾値に近い(RF曝露は時間平均曝露で表される安全限界をはるかに下回っていた)。アンテナサイズが大きく(37×15m)、パルスによる電磁波干渉の可能性が高いため、このような送信機の存在は非常に明白である。

高周波のマイクロ波、特にミリ波(30~300GHz)は、「ステルス」(気付かれない)攻撃に適した特性を持っている。ミリ波は通常の電子機器に対する干渉が少ない(あるいは全くない)ため、通常のRFサーベイメーターで検出することができないので。機器は小型で、ターゲットにかなり接近して設置することも考えられる(Dagroらが検討したものよりも高い被ばくレベルを可能にしる)。あるフルエンスのミリ波パルスは、より低い周波数のものよりもはるかに強いTA音響波を誘発するが(表1),これはエネルギーの浸透深度がはるかに浅く、頭蓋骨による強い減衰によって相殺される。ここで検討したような極端なパルスを発生させることができるミリ波発信機が存在するかどうかは公表されていないし、それがハバナの事件で役割を果たしたという証拠も得られていない。

Dagroらによって説明された「妥当な上限」の曝露で脳に誘導される音響波は、RFパルスの持続時間と反復率によっては、不快な聴神経障害や聴覚反応を引き起こす可能性は考えられるものの、脳に損傷を与える閾値には至らないだろうと結論付けている。いずれにせよ、高出力マイクロ波源の性能は依然として機密研究プログラムの中に隠されており、有害作用の閾値も十分に定義されていない。敵対者に嫌がらせをしたり危害を加えたりするもっと簡単な方法があり、人に対する指向性エネルギー兵器の使用は、他のさまざまな理由からも賢明でないかもしれない。

利益相反

KFとMZは、業界団体(Mobile;Wireless Forum)から、関連性のない研究に対して少額の研究資金を受け取ている。残りの著者は、潜在的な利益相反と解釈される商業的または金銭的関係がない状態で研究が行われたことを宣言している。

出版社からのコメント

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キーワード:Voice to skull、V2K

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