十四、生物电磁效应与应用讲解

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1、第14章 生物电磁效应与应用,人体电磁兼容原理 电磁波的生物效应 电磁辐射的防护,生物电与人体电磁兼容,生物电 生物膜：以液晶态的双层脂类分子为基本框架，其上有蛋白质，蛋白质分子有的镶嵌在脂类双分子层之间，即“嵌入蛋白”，有的只是附着于脂类双层表面，为“周缘蛋白”。,生物膜的作用 （1）为生命物质提供了相对稳定的新陈代谢环境，防止了外界物理和化学的扰动和内部物质的无选择逸出 （2）信号传导、物质运输、能量传递、吸收分泌、药物作用、神经兴奋传导和心肌节律性的同步搏动等生理功能，都是通过生物膜结构来完成的 （3）生物膜是信息传递的重要“接口”，也是对外界电磁辐射骚扰的敏感“设备”之一 （4）一般，

2、外界的电磁辐射以感应耦合的方式影响细胞膜，而内部的电磁场，则可通过传导耦合的方式实现骚扰,人体电磁兼容 人体组织呈现一定的电阻抗特性 （1）皮肤的最外层是表皮，包括角质层，其中有汗腺孔，下面是真皮及皮下组织，其中有大量血管。由于真皮及皮下组织导电性较好，可模拟为纯电阻R。皮肤的阻抗大小主要取决于角质层，角质层相当于一层很薄的绝缘膜，类似于电容器的中间介质，真皮和电极片类似于电容器的两个极板。由于汗腺孔里有少量离子通过，所以我们把表皮模拟为漏电的电容器。其表皮的阻抗可看成纯电容C和纯电阻R的并联。 （2）皮下深部的各种组织都是由细胞组成的，细胞膜的主要成分是脂类物质和各种膜蛋白，由于脂类物质在电

3、学上几乎绝缘，它相当于电 容器的中间介质，而因蛋白的功能特性，在宏观上膜两侧造成特定的导电状态，所以细胞膜两侧及膜内脂类物质综合起来可看成漏电的 电容器C1（因细胞膜具有离子的通透性），而膜蛋白产生了膜电阻R1，所以细胞膜产生的阻抗等效于R1、C1并联电路。,人体组织的电导率 （1）是位置和频率的函数，而且随温度变化，某些组织还显现出各向异性。 （2）因此人体组织的电学性质具有高度的非均匀性和色散性。,电磁场与人体相互作用中的电磁场问题，散射体就是具有非均匀、非线性、局部为各向异性参数的人体，在研究人体组织的宏观电磁特性时，可简化为宏观电磁参数磁导率、介电常数和电导率的描述。,应用1.31cm

4、立方模型，每一立方块内组织均匀，把人体16种组织按电参数最多归为 12类(即：肌肉、脂肪/骨/软骨、血、肠、肝、肾、胰/脾、充气-肺、心、神经/脑、皮肤、眼睛)。,图中表示入射波频率为100MHz时，人体吸收的SAR（比吸收率）分布，定义为每公斤人体组织所吸收的电磁功率，是生物医学中的一个重要参数，用来度量电磁辐射在生物单位组织中所感应的电场。比吸收率能够考虑热效应和非热效应，体温升高率也和比吸收率成正比。,电磁波的生物效应,电磁波生物效应 电磁波对人体产生影响的机理： （1）对电子传送的影响 （2）对自由基活动的影响 （3）对生物膜通透性的影响 （4）对蛋白质和酶活性的影响 （5）对遗传基因

5、的影响,热效应 （1）生物体的组成物质成分均是由原子、分子组成 （2）分子可分为极性分子与非极性分子 （3）电磁通过非极性分子时形成一定的电场，而极性分子在电场作用下形成的偶极子有一定的取向性 （4）在交变电磁波不断变化的情况下，极性分子将随频率变化而来回排队 （5）在频率不太高的时候分子运动速度尚能适应，在分子运动时会碰撞摩擦而产生热 （6）在频率高时分子将来不及运动，只将能量滞留并以转化为热的形式表达出来,非热效应 （1）在有些情况下，受电磁波辐射的生物组织产热少，但出现了效应，如人体失衡、头晕、疲劳、恶心等，目前称这种产热少而发生的效应为非热效应 （2）人体的自我调整能力是电磁辐射生物热

6、效应存在阈值的主要原因 （3）静电场、恒磁场、低频场只能引起非热效应（低频场无法致热） （4）研究表明：强电线的工频电磁场对人体组织也产生有害影响，会使神经系统、免疫系统、内分泌系统、心血管系统、生殖系统等发生一些反应与变化,积累效应 （1）磁场的生物效应有滞后、累积和放大等特性 （2）因为磁场要引起生物体在分子、细胞、组织、脏器或整体在代谢、功能、结构上发生变化需在磁场作用于生物体一段时间之后，这种现象称为滞后 （3）引起滞后的原因是在生物大分子中，有各种偶极子、离子基因或结合的无机离子，它们受位阻和势能的限制，在空间上只能有少数稳定的构象位置，在外电作用下，它们可发生从一个平衡位置向另一个

7、平衡位置的跃进，由于离子基因和络合离子也都以不同的键合形式存在，它们之间也同样有电偶极矩，当电偶极矩发生趋向外电场的转动时，必须克服一定的势垒，所以必须有一个时间过程 （4）从能量观点上看，作用剂量（场强和梯度与时间的乘积）越大，引起的生物效应也越大，这表现出累积效应 （5）一般说来，外加磁场的能量是很小的，但它能产生能量变化，其原因在于磁场仅是一种触发条件，经体内信息反馈和放大，最后导致很大的能量变化。 其他效应：如远后效应、后代效应,微波的生物效应,高频电磁波对生物体的作用主要以辐射方式进行 根据电磁辐射的连续性，电磁波可分为连续波和脉冲波，因其物理特性不同，生物效应也不尽相同 微波与生物

8、体相互作用的基本方程：进入生物组织的微波的相位变化和衰减，受微波辐射的生物体吸收的能量 透热疗法 神经衰弱症候群 微波的热效应和非热效应,电磁的应用与防护,电磁在生物医学中的应用 治疗方面的应用 （1）电磁场在低频、几千赫兹到几吉赫兹的范围内，以适当的方式和时间作用于人身体及身体的各部位及人的器官后，可以治疗多种疾病 （2）毫米波在热疗中的应用也很广泛 （3）癌症的高温治疗 （4）将微波辐射与针灸技术结合起来,（5）将手术刀与微波辐射器相结合组成一种新的手术刀 （6）利用微波加热作用可以对冷藏器官、储藏的血浆进行解冻 用新型血制品解冻装置解冻普通冰冻血浆,我们未观察到对纤维蛋白原含量、PT、K

9、PTT、总蛋白、白蛋白的有害影响,与传统水浴解冻装置相比较,各观察指标差异不显著,无统计学意义(P0.05);输注后无输血相关副作用。 新型血制品解冻装置采用微波水热法对冰冻血浆进行解冻。微波能直接穿透冰冻血浆,使血浆中的极性分子随微波周期进行高速振动产生热能,并使其迅速解冻,故微波水热法解冻时间是传统水浴法的三分之一,解冻时间的缩短能减少解冻时血浆袋微孔渗透的危险,有助于预防细菌污染。冰冻血浆解冻过程中凝血因子丧失和蛋白变性的主要原因是血浆受热的时间和强度,微波水热法解冻血浆时热传导形式以电磁波与液体对流并存,使其受热均匀,在较低温度下迅速解冻。 新型血制品解冻装置所采用的加热器为磁控管微波

10、发生器,产生2450 MHz低功率微波,加热时间为3 min,对离体的细胞和蛋白几乎无损伤,用微波水热法替代传统水浴法,无需预热,节省准备时间,解冻速度快,采用红外线测温探头和智能温控仪,测量控制精度高,保证了解冻温度在安全范围内自动调节和血浆质量,具有快速、安全的优点,特别适合在野战、重大灾害等急救时快速提供血浆,诊断方面的应用 电磁波诊断的依据 （1）根据人体组织介电特性的变化进行测量 （2）根据热辐射特性 （3）根据运动物体的多谱勒频移,微波医学成像的原理及特点 （1）利用不同生物组织对电磁波的吸收、反射和透射特性的不同，从它们对电磁波的散射场中获取介质电磁参数的分布信息，由于不同组织具

11、有不同的电磁参量，因此通过电磁参数的分布图像可获取组织边界、血流量及温度分布等有用信息 （2）安全可靠，而且使用低功率密度，能分辨低密度组织，能分辨大的不连续性区域，经济,微波的医学应用 （1）微波照射生物组织后可以获得良好的医疗效果 （2）微波用于治疗肿瘤 脑部肿瘤 微波作用脑组织，和脑组织中温度的分布与比吸收率的关系。Mechling等做了临床模拟脑组织的研究。Matsumi和Nakagawa则在猴脑实验中观察了微波加热的安全性。在对猴脑组织分别进行40，43，44，45，46加热60分钟后，立即和延迟（7天）做组织病理观察发现，高于4460分钟即可对正常猴脑组织造成损伤。提示微波对脑组织

12、的安全温度在43。Ryan在应用于临床前也做了天线矩阵模型中的温度分布测试，并在23例脑肿瘤患者治疗中使用16支天线组成矩阵的加热方法。观察发现，915MHz微波，功率2040W，加热1小时，天线矩阵的瘤区中心温度最高达60.1，边缘在43以上，作用可达5.9cm2.8cm2.8cm。Seegen-schmiedt等对3例复发的脑胶质瘤使用192铱加微波热疗的方法，在CT下，50Gy192铱被50cGy1h注入到瘤体周围，在注射前后30分钟分别在瘤区使用915MHz微波体外辐射，功率2030W，时间1小时。结果：2例患者改善，生存期为7，12，15个月。尸检：2例治疗区无肿瘤活动，1例在非治疗

13、区有瘤体生长。术者认为，该法对复发脑胶质瘤非常有效，但尚未达到延长患者生存期的目标。,眼部肿瘤 为安全地在眼部肿瘤中应用微波，Finger等设计了一套眼球内肿瘤的模拟系统。在一个充满眼球组织相等介质的聚丙烯冻胶盒内，用一种热敏感的液体水晶卡将冻胶一分为二，微波天线的热场分布可在胶体内具体表现出来，天线通过卡进入胶体的另半部分对胶体加热。通过此种实验，帮助天线设计。结果设计出的天线在模拟实验中证明对眼是安全的。Finger等对44例早期脉络膜黑色素瘤患者实施该技术，频率2450MHz，功率1015W，将针状天线插入到肿瘤下作斑点状加热治疗，同时在巩膜测温，肿瘤边缘最低温度42，时间45分钟，然后

14、接受放疗。全部病例接受随访，6例死亡，1例因瘤体转移（39个月后），2例眼球摘除，2例青光眼。平均随访222个月，有977的病例局部肿瘤控制。该作者认为，以上方法治疗脉络膜黑色素瘤可降低放疗剂量，也有较好的作用。 （3）毫米波的作用,脉冲电磁场的医学应用 （1）电穿孔 是功能强大的将核酸、蛋白及其它分子导入多种细胞的高效技术。通过高强度的电场作用，瞬时提高细胞膜的通透性，从而吸收周围介质中的外源分子。这种技术可以将核苷酸、DNA 与RNA、蛋白、糖类、染料及病毒颗粒等导入原核和真核细胞内。下图左为利用裸DNA疫苗进行首次临床实验，通过活体电穿孔程序将其导入丙型肝炎患者体内产生了抗病毒效果，下图

15、右为电穿孔在美容方面的应用,（2）电融合,在两电极间(1mm)放入原生质体悬液； 给电极施加高频(1MHz)交流电压(如300Vcm-1)，40sec，原生质体表面电荷重新分布，具有正负极性，因相互吸引，使多个原生质体排成串珠(pearl chain)状； 施加一次直流脉冲电压(如2.0kVcm-1 ,30sec)，串珠间的原生质体质膜局部破裂，脂质分子重新排列，引起质膜融合； 断电，已融合的原生质体在膜张力的作用下逐渐成为球状，未融合的细胞被分开。,磁场在理疗学上的应用 磁疗作用原理 （1）一切生命现象，均与机体内电子传递或离子转移有关。磁场可以影响电子或离子的运动速度和方向，因此磁场可以引

16、起生物电的质和量的变化； （2）当磁场作用于人体时，还可在人体内产生微电流。可影响人体的生物电，还可引起离子浓度和运动速度的变化，从而产生热。 磁疗的治疗作用的表现 止痛作用、镇静作用、消炎作用、消肿作用、降压作用、对肿瘤的作用 磁疗器械及应用特点,电磁场在其他方面的应用 电磁场对动植物的作用及应用 （1）微波杀菌 （2）微波杀虫 （3）静电场对淀粉酶、过氧化物酶、脱氢酶、果酸酶和蛋白酶等的活性都有影响 （4）对植物种子进行静电处理，能提高种子活化能和种子内多种酶的活性，对种子有消毒杀菌作用，可提高种子的发芽势、出苗率、幼苗长势和抗病虫害能力，改善植株品质 （5）利用高压静电对西红柿保鲜效果的实验,电磁场对物质的作用及应用 （1）微波电磁场可以加速许多化学反应，其中包括许多有机和无机化合物的合成反应 （2）微波烧结陶瓷 （3）微波等离子体化学汽相沉积在光纤快速制备、金刚石薄膜、非晶硅太阳能薄膜的沉积、芯片的亚微米级刻蚀等新材料合成和高技术领域中有了十分迅速的发展 电磁场在军事中的应用 强电磁辐射在军事上的破坏力,电磁辐射的保护,手机的电磁辐射