《生物电磁学课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《生物电磁学课件（39页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、电离辐射,直接作用,间接作用,生物体分子激发电离,DNA周围物质(水)激发电离,原始创伤,扩散自由基,分子内能转移,与生物分子作用,生物自由基,物理阶段,10-1810-11s,化学阶段,10-111s,1、加成反应： OH 和H对DNA分子碱基亲和力较大，造成核酸碱基损伤,2、抽氢反应：（氧化性） OH易从生物大分子中抽取一个 H ，造成DNA连断裂,3、电子俘获：（还原性） eaq- 攻击 导致SS断裂，引起蛋白质、酶失活,DNA和膜是射线的靶，是引起细胞变化的关键,生物电磁学 (Bioelectromagnetism),用电磁学理论和方法研究包括电离辐射、静电场和磁场在内的电磁波与具有电
2、磁结构的生物体相互作用的机理、特性、规律以及应用的学科 生物电磁性质（产生机制、理化性质和时空变化规律） 电磁场的生物效应,11 生物电特性,蛋白质构成成分氨基酸在水中离解成离子基团或电偶极子 DNA碱基和磷酸酯存在离子基团和电偶极子 生物水电偶极子 组织液无机离子 K+ Na+ Ca2+ Cl- 等,体内电荷形式： 离子、离子基团、电偶极子,氨基酸靠肽键联结聚合成多肽链,原子中心不重合使肽键呈现极性,一、蛋白质和DNA的偶极矩,1、蛋白质的偶极矩 （电磁作用靶点）,带电原子的相互作用维持空间构型,二、生物水的电特性,水分子具有很强的偶极性；能与其它离子或生物大分子之间以氢键相联系，决定其构象
3、和功能,平均寿命1011 s,2、DNA的偶极矩 DNA由核苷酸分子构成，核苷酸两端的基团都是极化的，具有一定的电偶极矩。DNA中每一个碱基都具有一定的电偶极矩.是电磁作用的靶点,A-T 5.9D,C-G 6.2D,磷酸头 （亲水性）,甘油酯尾 （疏水）,磷脂分子, 细胞膜脂双层,1、 细胞静息电位 细胞膜内外存在电位差，称为膜电位。,人体任何细微的活动，都伴随着生物电的产生和变化 生物电是以细胞为单位产生的。,三、细胞电活动基础（组织液中的带电离子）,式中k为玻耳兹曼常数；Z为离子价数。,能斯特方程,半透膜,u, 静息电位,KCl,2、 细胞的动作电位, 细胞受到刺激时，膜电位发生突然变化，
4、即动作电位。,跨膜电位差形成的原因： 膜内外各种离子分布不均匀不对称性； 膜对各种离子具有不同的通透性选择通透性； 离子间存在静电相互作用离子浓度和功能不同。,3、 心电的产生,一个偶极子在体表某点的电位：,P = ql,刺激,电偶极子的形成,部分心肌细胞偶极子的电位：,瞬时心电向量：, 心电向量,人体组织是容积导体，心肌细胞兴奋时，心电偶形成心电场，使人体体表各点均具有一定的电位 用心电图机记录下随心动周期而变化的电位差波形即为心电图。, 心电图,大量细胞组成的生物组织生物电信号源。,在体表检测电位的变化，可以反映体内的生理功能。,零电势点的确定,心电图导联,心电导联：以单极导联法为例,2c
5、os600cos(1800+)= cos,4、 脑电的产生 大脑皮层有数以亿计的神经元组成，神经元具有生物电活动，大脑皮层经常具有持续的节律性电位的改变，称为自发脑电活动。 用电极在头皮上观察皮层的电位(10100V)变化，记录到的脑电波称为脑电图。,诱发电位： 由外界诱发（电、光、声等刺激）引起脑电位的变化（经头皮引出010V),脑电图,x,a,L,2a,+ + + + + +, ,+,四、细胞的电参量,x,The cell membrane as an RC circuit, 神经细胞的电传导,树突,轴突,五、生物电阻抗 不同组织导电性能差别大： 人体外层是导电能力很差的皮肤,内部有导电能
6、力较强的体液。 各组织的含水量、含离子量和结构特征不同，电阻率不同。,人体组织的直流电阻率（ m）,2. 人体电阻抗与电流频率有关： 人体可看成是一个电解质电容器和电阻的并联电路。 直流在细胞间隙流过；交流可通过细胞间隙和细胞,人体肌肉组织电阻率与频率的关系,3. 人体组织的电特性,4. 人体电阻抗的测量,Effects of Frequency on Neuromuscular Stimulation, 电疗,+ ,对电流强度的反应（50Hz) 1mA 刺激感（麻木）； 27mA 强烈麻刺感； 810mA 手难摆脱电源； 2025mA 不能自主、呼吸困难； 2580mA 呼吸肌痉挛、心室纤颤
7、,对频率的反应,外加各种频率的电流，可以影响体内的生理功能。,人体中所含元素：碳、氢、氧、氮、硫、磷、氯、钠、钾、钙、镁、铁等和一些微量元素。其中多数有顺磁性（3d 或 4d 族的过渡离子）。蛋白质、酶和自由基均为顺磁性 占人体70%的水具有弱抗磁性。 极少数材料为铁磁性,一、生物材料的磁性,12 生物磁现象,生物磁学的研究内容包括两部分： 生物机体自身或被诱发产生的磁场诊断； 磁场引起的生物效应治疗。,二、人体磁场 生物组织、器官、细胞等存在很微弱的磁场。产生原因： 变动磁场：生物电荷运动产生。细胞膜内外的离子运动的生物电流产生的磁场；如心磁场 1011 T ，脑磁场 1012 T 定常磁场
8、：自然界含有铁性成分及某些磁性物质(如Fe3O4 粉尘等）经呼吸道吸入或经消化道食入人体内而形成的磁场；108 T 感应磁场：生物磁性材料（如肝、脾）在外磁场的作用下产生的磁场; 诱发磁场：在外界刺激下产生诱发电位，引起诱发磁场。如诱发脑磁场1013 T,三、 机体与外磁场的相互作用 1、感应电动势： 生物（带电）体在磁场中运动所致。 分子极化电荷再分布； 带电粒子迁移传导电流； 2、洛仑兹力： 磁场中，带电粒子改变原来的运动方向。 化学物质内部再分布。 3、磁化： 具有固有磁矩的永磁偶极子、磁性微粒、正负离子、自由基等受磁场力矩作用产生磁化。 沿外磁场取向（离子转动、改变分子键角） 4、磁力
9、： 使具有固有磁矩的微粒产生位移。导致化学物质的扩散和积累。,四、磁疗,利用磁场治病，我国已有两千多年的历史。利用磁场的生物效应，已制成多种磁疗仪器。简单的有磁石穴位粘帖胶布、磁化水杯、磁枕、磁性腹带等。 特点：安全、方便、无痛苦。 依据：中医经络理论，在人体经穴处施加磁场。 作用：活血化淤、镇静止痛、消肿消炎、安神降压等。 疗效：高血压、神经衰弱、各种疼痛性疾病乳肌劳损、扭挫伤、骨质增生、类风湿关节炎等。 磁场类型：恒定磁场、旋转磁场、脉冲磁场、交变磁场等 研究内容：磁场类型、磁场强度、作用部位、治疗时间等,五、心磁场与心磁图 (Magnetocardiogram),心肌的兴奋心脏电场体外（
10、心）磁场。 在体外测定胸部周围磁场变化，记录下来就是心磁图。 心磁图与心电图一样，用P波、QRS波群、T波、和ST段命名,心磁图与心电图比较：心磁图是非接触性的记录法，SQUID磁强计装置体积大且价格昂贵。,六、 肺磁场,多数粉尘具有磁性：肺内积蓄的粉尘在外部强的恒磁场下将被磁化。 把外加恒磁场撤去，肺内被磁化的粉尘产生的附加磁场仍然存在，经测定可推测粉尘的量和分布情况。 探测方法： 用工频消磁器使肺部污染的强磁性物质去磁，诸点测量作第一张肺磁图 施加一均匀磁场使污染物质磁化，做第二张肺磁图； 两张肺磁图对应点数据相减，得第三张肺磁图即为强磁性污染剩余场在肺中的分布图。,脑电 神经活动联系着体
11、内复杂的信息处理系统，支配着从运动、体感、听觉、视觉等基本功能，到语言、情感、思维等高级功能。 微弱的电(磁)信号有波形、幅度、能量、频率、相位、频谱等特征，与特定的正常和异常生理活动过程相对应。,脑磁图是脑神经细胞的生物电流产生的磁场，在头部表面的检测结果。 测量的是体内神经电流源引发的瞬间磁场。,七、脑磁图 (Magnetoenceghalogram),脑磁图检测分类： 自发性脑磁场： 波；癫痫性棘波。 诱发性脑磁场：体感意识、听觉、视觉等诱发磁场。 内因性脑磁场：意识、随意运动前主观设想、抽象思维。,优点： 不受组织电阻的影响； 无损伤； 对脑内兴奋部位推断有独特性,脑磁图蓝色区为癫痫灶,组成： SQID本身被封在一个超导屏蔽的小盒内，可对干扰磁场进行部分屏蔽； 检测线匝，用来探测磁场； 杜瓦瓶，内盛液氦。,超导量子干涉仪 （Superconducting Quantum Interference Device, 又称SQID磁强计) 灵敏度达 10-15 T,思考题,1、蛋白质、DNA和生物水的电特性（偶极矩） 2、理解细胞静息电位和动作电位的产生 3、为什么说细胞具有电阻和电容的特征 4、人体生物磁场的来源,
