临床医学工程技术课程讲稿

2、激光的生物效应 2.1、温热效应：波长在红外和可见光波段的激光主要产生温热效 应。 2.2、压强效应：激光照射产生的压强由两种因素形成，一是由激 光辐射本身产生的；二是由于生物组织受热急剧膨胀而产生汽 化、沸腾和固体的直接汽化形成的巨大压强，进而破坏那些未 直接被照射的部分。两种压强的总效应是引起组织改变乃至破 坏的关键。 2.3、光化效应：包括分子光化反应和敏化反应。利用光能作为激 活能而产生的化学反应叫光化反应。敏化反应是指吸光物质本 身只是一个敏化剂，它能催化其他物质的化学反应。光化反应 是激光的生物效应和防病治病的医学基础。 2.4、电磁场作用：强脉冲激光经聚焦可产生极强的场强，可在生 物组织中产生各种次级效应，最终导致生物大分子引起变性， 产生自由基，从而引起一系列的生化反应，在生物体内引起光 化反应等。 2.5、弱激光生物效应：弱激光的生物效应表现在对机体生物细胞 的刺激作用，可对神经系统功能和免疫功能产生影响，也可用 于激光穴位照射等 2.6、激光医疗中应充分注意安全问题。
第一节 生物体的构成
原子 生物大分子 细胞水平 细胞器 细胞
组织
器官 系统 整体 图2-1 人体结构层次框图 宏观水平
生物效应：是指外加能量进入生物体后被生物体吸收并由此 产生相应的生物物理和生物化学过程，从而对生物体不同 层次的形态、结构、功能等各方面产生影响和变化。
细胞：是构成人体和其他生物体的基本单位。生物体内所有 的生理功能和生化反应都是在细胞及其产物的物质基础上 进行的。
1.2、主要表现为电阻性，可导致产生物理学效应、电化学效 应及其他的反应。 1.3、人体的各种脏器的电导率不同，当有一定的电流通过不 同脏器时，引起的电刺激反应不同。
1.4、电流对于人体组织具有一定的有益作用。
2、高频电磁场的生物效应 2.1、射频电磁场的生物效应：当有射频电磁场透入生物系统 中，将与生物组织发生相互作用时，导致不同生物层次上 的形态、结构、功能等方面的变化。在微波段时，称为微 波的生物效应。 2.2、大剂量的微波通过生物组织时可产生热效应，引起各种 物理、化学和生理的变化。 2.3、微波致癌：≤1mW/cm2，不会增加致癌危险。一定条件 的微波照射对其他致癌因素有促进作用。 2.4、一定条件的微波照射可引起动物和人体内分泌功能的改 变，也可引起新陈代谢和生化指标的变化。 2.5、在热效应的情况下，高功率密度的微波辐射可以导致染 色体畸变和有丝分裂改变，并且在足以产生热损伤的功率 密度情况下对细胞增生和脱氧核糖核酸的合成能力发生影 响。
第五节 生物体的热学特性和热的生物效应
一、生物体温度及其热学特性 1、人体的温度：人体具有一定的温度，正常为（36—37）℃。 体温的相对稳定是人生命活动的重要特征之一，是维持人 的机体各部分功能正常运转必不可少的。机体深部的温度 为深部体温。 2、人体温度能在不同的生存条件下通过各种自调节机制维持 一个变化范围，上限约为41℃，下限约为33℃。 3、环境温度对人体温度的影响：为保持人体具有稳定的温度， 高温时，人体加快体热的散失，低温时，将体内其他形式 能量向热能形式转化，减少体热的散失。 4、皮肤与外界进行热交换的方式：对流、蒸发、辐射。 5、人体血液的流动对于体温的调节起着十分重要的作用，天 热时分流到体表的血液多利于散热；寒冷时分流到体表的 血液大大减少，使皮肤接近于绝热层，对身体起到保温作 用。
二、血管的力学特性 1、血管：传输血液的通道。是中空的圆柱形管道，管壁受 到管内流动着的血液的压力和管外结缔组织的约束。血管 壁由弹性纤维、胶原纤维和平滑肌等成分组成，是一种黏 弹性体。
2、动脉血管的顺应性(C)：在一定的压强下，动脉管内压强 改变一个单位时引起管内体积的变化量。即C=dv/dP。动 脉顺应性大即动脉的可扩张性能好、弹性好。
3、脉搏波的传播：心脏向主动脉周期性的射血过程造成动 脉管中血液压力的时高时低的变化，以及动脉管时张时缩 的动作，波及和影响着整个动脉管系统，这个过程称为脉 搏波在动脉中的传播。血管越硬，脉搏波的传播速度越快。
三、生物体的声学特性和超声波的生物效应
1、生物体的声学特性 1.1、生物体的声学特性：超声波的特性 1.2、超声波的频率范围：（2*104—1012）Hz人耳听不到的声波。 1.3、超声波在生物体组织和器官中的传播特性：由于生物体各种 组织的组成成分和结构状况的差异，需建立不同的近似模型。 骨骼—固体中的波动方程；软组织—液体中的波动方程。 1.4、超声波的反射和折射：理想情况服从反射定律和折射定律 （类似光波的情况），声波被反射和折射（透射）各自所占入 射波总能量的百分比分别称为声强反射因数和声强透射因数。 1.5、超声波的声散射：超声波在传播的过程中遇到线度小的物质 微粒时，其传播方向会发生改变，这种现象称为声散射。 1.6、声吸收：声波在媒质中传播过程中，由于跟媒质间的相互作 用（媒质为非理想弹性，如黏滞性和其他原因）发生其他形式 能量的转变（主要转变为分子热运动能量），使声能减小。 1.7、声衰减：由声散射和声吸收作为主要原因造成的声能的衰减 之和构成了生物体组织总的声衰减。
2、超声波的生物效应 2.1、定义：指一定声强的超声波照射生物体时，对于生物体 组织的状态、形态结构或功能所产生的影响。与声强度、 频率以及生物体组织本身的性质有关。表现为可逆效应和 不可逆效应。 2.2、超声波的生物效应的类型：热效应、机械效应、空化效 应。 声强≤10W/cm2，辐射时间＞1S 热效应 声强(100—1000）W/cm2 机械效应 声强＞1000W/cm2 空化效应 2.3、人体安全照射的超声剂量随照射时间、检查部位、检查 对象变化： 照射1S，安全剂量可达到500 W/cm2 照射1min，安全剂量100mW/cm2 胎儿：30min 安全剂量20mW/cm2 成人腹部：60min 安全剂量40mW/cm2
第三节 人体磁场及磁场的生物效应
一、生物磁信号的产生 1、生物磁场：生物体的各种组织、器官（如脑、心、肺、 肌肉等）乃至细胞、分子都会产生微弱的磁场。 2、生物磁场的类型：脑磁场、心磁场、肝磁场、肺磁场、 视网膜磁场、神经磁场、肌磁场、肢体磁场及头皮磁场等。 3、生物磁场的产生： 脑磁场：大脑存在电活动 心磁场： 心脏活动 肺磁场：肺部组织中含有污染的物质和从空气中吸收铁 磁性物质引起的 肝、脾磁场：地磁场或其他外界磁场作用下产生的感应 磁场。
二、磁场的生物效应 1、生物体的组织、器官等置于外界磁场中时，生物组织、 器官等将在外磁场的作用下产生一定的生物效应。 2、人的生理节律与地磁场的分布和变化是相关的。 太阳黑子的活动（磁暴）对地磁产生强烈的影响，这种变 化对人的精神和生理、病理有一定的影响。 地磁场的变化对于原发性高血压患者、心脏病患者有明显 的影响。 3、磁场的生物效应是多方面的。 对免疫功能的影响；对于多种酶类活动的影响；对糖类、 蛋白质、核酸、自由基等影响；对肝、脾的影响；对生殖 细胞的影响和对抗辐射的作用以及磁处理水的理化性能。 4、人工磁场在医疗（磁疗）保健方面具有重要的意义。 镇痛、镇静解痉、消炎、消肿、降压、降血脂、止泻等。
二、激光的特性及其生物效应 1、激光的产生和特性 1.1、光和原子的作用：吸收、自发辐射、受激辐射 1.2、激光的产生：在特定的情况下处在高能级的原子受到外 来光子的作用后将向低能级跃迁，同时将释放出两个跟入 射光子的能量和振动状态完全相同的光子，而新的光子又 去作用更多的原子，产生更多的光子，于是进行了光放大， 这种情况叫原子的受激辐射，受激辐射是光子与高能级状 态原子的作用时产生的，所发出的光称为激光。 1.3、激光的性质：单色性好、方向性好各相干性强。 单色性好：激光的颜色最纯，即频率单一 方向性好：即在射程很长的情况下发散很小，光线高度 平行，激光在确定方向上的亮度比普通光源发光和太阳光 强百万倍以上，甚至更大。 相干性强：比普通光源强得多。
第四节 生物体的力学特性及力学的生物效应
一、骨的力学特性 1、骨骼的作用：骨骼是坚硬的和有生命的器官，有着丰富 的血管和神经分布。作用一是保护内脏，二是提供坚固的 运动链和肌肉附着点，便于肌肉和身体的活动。三是参与 机体的钙和磷的代谢。 2、骨的材料结构：由骨胶原和羟基磷灰石组成的复合材料。 具有非线性黏弹性性能。 3、骨的材料的力学特性：杨氏模量、剪切模量、黏弹性、 破坏时的极限应力和应变 4、软骨是特殊的结缔组织。软骨的力学性质随着组织中液 体的含量发生变化。 5、关节软骨：作为滑膜关节中衬垫骨的轴承，具有极强的 润滑特性，还有极好的减震作用。
2、光的生物效应 2.1、光辐射的生物效应：温热性、光化学性和直接电磁场效应 红外光和可见光主要表现为温热效应 紫外光主要表现为光化学性 直接电磁场效应发生在周期小于纳秒（ns）的脉冲波，是非线 性的电磁场与生物分子的相互作用而造成组织损伤的主要原因。 2.2、光辐射主要影响眼睛和皮肤。 急性作用：眼睛的光照射性角膜炎及温热性、光化学性视网 膜损伤和皮肤的红斑与烧伤。 迟发作用：引发眼睛白内障、可能形成视网膜变性及皮肤的 加速老化和皮肤癌。290-320nm波长的紫外线具有强的致癌作 用。 2.3、紫外线对人的效应分为有益和有害两种情况：长期缺乏紫外 线照射可对人体产生有害作用，最明显的现象是维生素D缺乏 症和由于磷和钙的新陈代谢紊乱发生儿童佝偻病，同时，由于 身体防御能力的减低而导致身体容易患许多疾患。有害效应为 急性和慢性两种，主要是影响眼睛和皮肤。
二、热的生物效应 1、热的生物效应：体内某些部位发生疾病时，这些区域的 温度就会发生改变，同时这种改变也会反映到体表的相应 部位的温度发生变化，对于体温的分布及其变化的研究有 助于对疾病的诊治。 2、新陈代谢是生命的基本特征，由于能量代谢的过程复杂， 无法建立一个对应的数学模型。 3、人体内热传导是一个十分复杂的过程，难以建立一个合 理的体内传热的数学模型。 4、医用红外热像仪补充和完善了应用热特性对人体测温的 技术。临床应用：头部、颈部、心血管、脊椎、四肢血管、 乳腺、前列腺、胃肠等 5、低温在医学上的广泛应用。
第二节 生物体的电特性及电磁场的生物效应