第七章__生物组织的电磁学性质和应用
生物电磁学中的作用机理研究
生物电磁学中的作用机理研究生物电磁学是一门研究电磁场对生物体的影响及其作用机理的学科。
近年来，随着电磁场技术的不断发展和应用，生物电磁学也逐渐成为了一个热门领域。
本文将从生物电磁学的概念入手，详细探讨电磁场对生物体的作用机理。
一、生物电磁学的概念生物电磁学是研究电磁场能对生物体产生哪些影响以及作用机理的一门学科。
电磁场是由电荷或电流产生的具有能量的物理场。
生物体中存在着多种电磁现象，如心电图、脑电图和肌电图等。
电磁场既可以对生物体产生负面影响，也可以产生正面影响。
因此，研究生物电磁学的目的在于了解电磁场对生物体的影响，从而利用电磁场进行治疗和保健。
二、电磁场对生物体产生的影响电磁场对生物体的影响与电磁场的频率、强度和时间等因素有关。
低频电磁场（低于100kHz）对生物体的影响主要是诱导电流，而高频电磁场（高于100kHz）则会产生热效应。
电磁场的强度越大，对生物体的影响也越大。
电磁场对生物体的影响可以表现在以下几个方面：1.电生理效应电磁场能够影响生物体的细胞膜和组织的电活动。
例如，电磁场能够影响心肌细胞的动作电位和心电图，进而影响心脏的收缩和舒张。
2.代谢效应电磁场能够影响生物体的能量代谢。
例如，电磁场能够影响细胞内的ATP合成和糖代谢，进而影响细胞的生长和分化。
3.免疫效应电磁场能够影响生物体的免疫系统。
例如，电磁场能够影响免疫细胞的分化和激活，进而影响生物体的免疫功能。
4.神经效应电磁场能够影响神经系统的功能。
例如，电磁场能够影响神经元之间的信号传递和突触可塑性，进而影响生物体的认知和行为等。
三、电磁场对生物体的作用机理电磁场对生物体的作用机理相对复杂，目前尚未完全清楚。
但研究表明，电磁场对生物体的影响与以下几个方面的机理有关：1.电场作用电磁场能够引起生物体内部的电流产生，从而对细胞膜和细胞内的离子分布产生影响。
电磁场还能改变细胞内外的电位差，进而影响细胞的代谢和信号传递等。
2.热效应高频电磁场能够产生热效应，引起组织的变温，从而影响细胞的代谢和增殖。
探究生物体内的电磁性质2
探究生物体内的电磁性质存在及作用PB10000摘要：目的：探究生物体内的电磁性质及其产生作用。
方法：观察生物体内电性、磁性得出结果。
结论：生物体内电场和磁场会对生物组织结构的形成和生命活动产生影响。
关键词：生物电效应、生物磁效应引言：世界上任何物体都有其电磁性质，生物体也不例外。
而且生物体内的电磁性质对其生命活动存在重要的影响。
本文旨在通过对生物体内电性、磁性的观察，来分析生物体内的电磁性质对其进行生命活动的影响。
正文：一、生物体内电性（产生原因及作用）：1.生物体内存在电荷，其主要存在形式为生物体内的离子、离子基团和电偶极子。
离子基团、电偶极子主要由氨基酸在水中离解产生或存在于DNA的碱基和磷酸酯中，此外电偶极子还可在生物水中找到，而离子主要是由组织液中的无机离子组成。
2.有机大分子的偶极矩：1.蛋白质：氨基酸靠肽键连接聚合成多肽链，而由于氨基中N元素核外电子排布特性使得N原子中心不重合，始终带有一个正电荷使得肽键产生极性，因此蛋白质具有偶极矩，μ=3.8D。
并由带电原子间的相互作用维持其空间构型2 .DNA ：DNA由核苷酸分子构成，核苷酸分子两端的基团都是极化的，具有一定的电偶极矩。
DNA中的每个碱基都具有一定的电偶极矩。
3.生物水的电性质：水分子有很强的偶极性，能与其它离子或生物大分子以氢键连接并决定其构型与功能，μ水=1.84D。
4.细胞电活动：生物电是以细胞为单位产生的，细胞电活动的基础是组织液中的离子。
1.细胞的静息电位（RP）：细胞膜内外存在电位差称为膜电位，细胞膜主要结构为磷脂双分子层，磷脂分子拥有一个亲水的磷酸头和一个疏水的甘油酯尾。
因此细胞膜实质上是一个半透膜，并对K+离子通透。
因此，细胞的静息电位是由K+离子的扩散引起，即为其的平衡电位。
根据能斯特方程：u=u2-u1=±2.3lg（K为波尔兹曼常数，Z为离子价数）可以求得膜电位。
2.细胞的动作电位（AP）：细胞受到刺激时，在RP基础上产生一个短暂、可逆、沿细胞膜扩布的电位，原因为刺激时膜对离子的通透性（电导）改变。
生物磁学的效应及运用
生物磁成像技术
生物磁感应与调控技术
利用生物磁测量技术发展出高分辨率、高 灵敏度的生物磁成像方法，有望在医学诊 断、生物学研究等领域发挥重要作用。
生物磁学在药物研发中的应用
通过感应和调控生物磁信号，实现对生物 体内生理过程的非侵入性探测和调控，具 有广阔的应用前景。
生物磁学的跨学科应用
利用生物磁学技术，可实现药物在体内的 实时监测和药效评估，有助于药物研发和 优化。
将生物磁学与生物学、医学、物理学、化 学等学科相结合，可拓展出众多新的跨学 科应用领域。
05
相关案例展示
医学案例：MRI的原理与应用
原理
MRI是一种基于生物磁学原理的医学影像技术。它利用强大的磁场和射频脉冲 ，使体内的氢原子核发生共振，并测量其共振信号，从而获得体内各组织的图 像。
应用
MRI广泛应用于临床诊断和治疗中，对于脑部疾病、肿瘤、心血管疾病等具有 很高的诊断价值。同时，由于其非侵入性，对患者的伤害较小，成为了现代医 学的重要工具。
农业案例：利用磁处理改善食品品质
磁处理
研究表明，利用磁场处理食品可以改善 其品质和口感。例如，磁场可以破坏食 品中的细菌和病毒，提高食品的卫生质 量；同时还可以改变食品中的分子结构 ，提高食品的营养价值。
VS
应用
在农业生产中，利用磁处理技术可以改善 种子的磁化率，提高种子的发芽率和产量 ；同时还可以对农产品进行磁处理，提高 农产品的营养价值和口感。
生物磁学的效应及运 用
2023-11-11
目录
• 生物磁学概述 • 生物磁学的效应 • 生物磁学的运用 • 生物磁学的前景与挑战 • 相关案例展示
01
生物磁学概述
生物磁学定义
生物磁学是一门研究生物体在磁场中行为、变化和相互作用的学科。 它涉及到生物学、物理学和医学等多个领域。
第七章 磁性物理与性能
至少有24次诺贝尔奖得主在磁学领域作出了杰出 的贡献；
我国的磁学前辈当数叶企孙（1924年从美国哈佛 大学获博士学位回国）、施汝为先生（1931年在 国内发表了第一篇磁学研究论文），现我国已有 十余所高校、十几个研究所及几百个生产企业从 事磁学研究、教学和生产。
磁学基础
i
Байду номын сангаас(a)在一个通有电流的导线周围铁屑的分布情况 (b)对于一根直导线，通过的电流与其产生的磁场的关系图
磁学基本量
磁化强度M
单位体积内具有磁偶极矩矢量和称为磁极化强度；单位体 积内具有的磁矩矢量和称为磁化强度，分别表示如下：
J
j
V
m
V
m
和
M
二者之间存在以下关系
J 0 M
3、磁场强度
磁场强度和磁感应强度均为表征磁场性质（即磁场强弱和方向）的两 个物理量。在充满均匀磁介质的情况下，若包括介质因磁化而产生的 磁场在内时，用磁感应强度B表示，其单位为特斯拉T，是一个基本物 理量； 单独由电流或者运动电荷所引起的磁场（不包括介质磁化而产生的磁 场时）则用磁场强度H表示，其单位为A/m2，是一个辅助物理量。
M H
磁性的微观解释
磁介质的基本单元：分子 分子内原子中电子的运动：
轨道运动——电子轨道磁矩
自旋运动——电子自旋磁矩
本征磁矩是物质磁性的主要来源
产生磁矩的原因
轨道磁矩
电子围绕原子核的轨道 运动，产生一个非常小 的磁场，形成一个沿旋 转轴方向的磁矩，即轨 道磁矩。 自旋磁矩 每个电子本身有自旋运 动产生一个沿自旋轴方 向的磁矩，即自旋磁矩。
涡旋电场使电子 的轨道角速度和 轨道磁矩都减小， 与外磁场方向相 反
生物电磁学的理论基础及应用
生物电磁学的理论基础及应用生物电磁学是研究生物体内的电场和磁场的产生、传播、感应和调控等现象的学科。
它涵盖了电生理学、磁共振成像、脑功能成像等多个领域，是生物医学工程、神经科学和生物物理学等学科的重要分支。
本文将介绍生物电磁学的理论基础和应用。
一、生物电现象生物体内的许多生理过程都伴随着电信号的产生和传播。
例如，人体心脏的跳动、神经的传递、肌肉的收缩等。
这些电信号的产生源都是来自细胞膜内的离子通道，从而形成了细胞膜电位差。
细胞膜电位差是一个非常重要的生物参数，它反映了细胞内外离子的浓度梯度和电化学梯度。
这些电信号在生物组织中传递的方式有两种：一是沿着神经纤维的轴向方向传递，称为神经传导；二是细胞之间通过外介质的电流和磁场相互作用而传递，称为细胞膜耦合。
二、电场和磁场的产生生物体内的电场和磁场是由电流和磁通量密度产生的。
电流是由离子在细胞内外来回运动造成的，而离子的运动是由电化学反应和生物大分子的活动引发的。
细胞内外的离子浓度差、细胞膜离子通道的通透性和细胞外刺激等因素都可以影响电流的大小和方向。
在这些电流作用下，周围环境中的细胞和器官也会受到电场和磁场的影响，从而产生细微的生理改变。
三、生物电磁场感应生物体内的电场和磁场可以相互作用，感应出一系列电压和电流。
例如，脑内的电活动可以感应出头皮和胸壁上的电位，这就是脑电图。
同样，磁共振成像也是利用生物体内磁场的效应进行成像的。
生物电磁场感应的原理是基于麦克斯韦方程组，它描述了电磁场的传播、感应和相互作用等现象。
四、生物电磁学的应用生物电磁学在医学、科研和工业等领域中有广泛的应用。
医学方面，脑电图、心电图和肌电图等是生物电磁学的代表性应用。
它们可以用来诊断神经和心脏等疾病，也可以用来监测患者的生命体征。
磁共振成像是另一重要的医学应用，它可以非侵入性地对人体进行成像，广泛用于神经科学、心血管病学和癌症等领域。
科研方面，生物电磁学被用来研究生物体内的电生理学、分子和细胞生物学等问题。
电磁学中的许多分支学科及其应用
电磁学中的许多分支学科及其应用电磁学作为物理学中的重要分支，其研究的内容广泛而深入，涉及从微观粒子到宏观天体的各个方面。
电磁学的基本理论，如麦克斯韦方程组，为我们理解和应用电磁现象提供了强有力的工具。
本文将介绍电磁学中的一些重要分支学科以及它们在现代科学技术中的应用。
1. 经典电磁学经典电磁学是电磁学的基础，主要研究静电场、稳恒磁场以及电荷和电流之间的相互作用。
经典电磁学的重要理论包括库仑定律、高斯定律、法拉第电磁感应定律和安培定律等。
这些理论为我们理解和描述日常生活中的电磁现象提供了基础。
2. 电磁波电磁波是电磁场的传播形式，其研究内容包括电磁波的产生、传播、衍射、干涉和吸收等。
电磁波在现代通信技术、医学诊断、材料科学研究等领域有广泛的应用。
例如，无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线等电磁波在通信、雷达、遥感、医学影像和材料加工等方面都发挥着重要作用。
3. 磁介质电磁学磁介质电磁学主要研究磁介质中的电磁现象，包括磁化的基本原理、磁场的测量和磁场的调控等。
磁介质电磁学在磁性材料、电机、变压器、传感器和遥感技术等领域有广泛的应用。
4. 电磁场与物质的相互作用电磁场与物质的相互作用是电磁学研究的重要内容，涉及到电荷和电流在电磁场中的运动、电磁场对物质性质的影响等。
这个分支学科在材料科学、生物医学工程和纳米技术等领域有重要应用。
例如，电磁场在半导体材料中的作用导致了电子器件的发展，电磁场对生物组织的影响被用于医学成像和治疗。
5. 量子电磁学量子电磁学是量子理论与电磁学相结合的分支学科，研究电磁现象在量子尺度上的性质。
量子电磁学在半导体器件、激光技术、量子计算和量子通信等领域有重要应用。
6. 凝聚态电磁学凝聚态电磁学是研究凝聚态物质中的电磁现象的学科，涉及到电子态、自旋态和电磁场的相互作用。
凝聚态电磁学在半导体器件、超级电容器、太阳能电池和热电材料等领域有重要应用。
7. 天体电磁学天体电磁学研究天体中的电磁现象，包括星际介质中的电磁波传播、恒星磁场、行星磁场、宇宙射线等。
生物体内电学特性及其在电磁场中的变化
生物体内电学特性及其在电磁场中的变化刘豪（哈尔滨工业大学材料科学与工程学院材料科学与工程系，哈尔滨 150001）摘要：随着电气工业以及通讯业的日益快速发展，电磁技术的应用给人类创造了巨大的物质文明的同时也把人们带进一个充满人造电磁辐射的环境里。
电磁场生物效应的发生与发展与电磁场本身的特性以及生物组织的电磁学性质密切相关，而生物组织的电磁学性质又随着电磁场频率的变化而变化。
我们将探讨不同电磁辐射作用下生物组织的电磁学特性变化，分析不同类型电磁场对于生物体产生的一些具体的影响，并对于电磁辐射影响健康的机理及其防护策略进行初步的研究。
关键词：电磁辐射；生物效应；生物组织；电磁特性人们生活的空间中交织着大量的电磁波，有环境中本来就具有的宇宙辐射、地磁场等，也有人为制造的各类电磁波如广播电磁波，无线通信电磁波以及工频电磁波等。
电磁场与生物体相互作用的本质是电磁场与构成生物体的各个层次的物质之间的相互作用，生物组织处于不同频率的外加电磁场中其表现的电磁特性会发生变化，不同场强、频率、振幅的电磁场所作用的对象也有所不同，同时电磁场与生物作用的时间长短不同所产生的生物效应也不同。
研究生物组织的电磁特性是研究电磁场与生物体之间相互作用的基础，对于电磁辐射影响生物组织的电磁特性的研究可以明确电磁场生物效应产生的微观机理，从而可以进行有效的防止或者减少电磁场对生物体的负面影响。
从电磁学角度来看，生物体是由大量细胞构成的具有复杂电磁性质的容积导体，对于生物体在电磁环境下其电磁性质的改变的研究可以揭示电磁场中生物体对于电磁能量的吸收及其与电磁场之间的耦合特性。
电磁场对于生物体电磁特性的影响在诸多领域都将得到具体应用。
[1]1 电磁辐射作用于人体的原理在电磁场中，生物分子既不是纯粹的导体，也不是纯粹的绝缘体，而是电介质。
由交变的电场、磁场产生的电磁波在空间传播时与生物体作用可以被生物体物质吸收。
生物体在交变磁场中受到电磁辐射的作用一般会发生以下的生物效应：1.1热效应电磁辐射作用于人体后，一部分被反射，另一部分被吸收。
生物电磁技术
生物电磁学的总结与展望
生物电磁学正处于实验观察和数据积累阶段,还未形成基础理 论甚至实验结果都存在疑问。今后在生物电磁学研究中应该 注意: (1)加强实验设计的合理性和研究方法的科学性:对实验的设 计、方法的选择和条件的控制都要十分谨慎。 (2)深入广泛进行重大性疾病和流行病学研究:基于生物电磁 学的复杂性,建议继续深入进行相关重大疾病和流行病学的研 究,从宏观角度确认电磁效应对生物体的影响。
(3)重视机理的研究:注重从物理学角度思考生物学问题。规范 化实验模型的建立对机理研究的意义尤为重要,同时借鉴数学、 物理、化学及生命科学等领域的新理论新方法。 (4)规范电磁的剂量学:电磁剂量学是生物学效应的研究基础,以 往研究结果很分散的原因之一是实验中电磁辐射的计量不统一 和不规范,以致不同研究者的实验结果缺少可比性。 (5)注重多学科交叉:生物电磁学涉及的内容十分广泛,要获得生 物电磁学领域的实质性进展,生物医学、物理及工程等领域研究 人员缺一不可。
1、用于双二重极的诊断 2、用于右心异常的诊断 3、对异常ST-T波有较高诊断价值 4、对预防心血管事件有重要意义 5、为心律失常介入治疗的辅助定位提供了一个新途径 6、用于诊断胎儿先天性心脏病
脑 心 肺
磁 图（MEG） 磁 图（MCG） 磁 图（MPG）
肺磁图（MPG）
肺磁图就是利用人体肺内蓄积的铁磁性粉尘， 在外部用强磁场进行磁化，使肺内粉尘带上磁 性，在中断磁化之后，在体表测得剩余磁感应 强度，并将其描记成点图或曲线图，即为肺磁 图。
生物电磁技术
生物磁学在医学诊断中的应用 磁处理技术在农业中的应用
磁处理方法：
应用磁场直接处理种子。磁场的类型有恒定磁场、变化磁 场等。 利用水以一定的流速通过磁场切割磁力线,以获得磁水,用 来浸种或农田灌溉。 应用磁场处理土壤使植物在超过地磁场的磁场中生长,如 直接制成磁性肥料施加到土壤中或喷施在叶面上。
(精编资料推荐)生物体内电学特性及其在电磁场中的变化
生物体内电学特性及其在电磁场中的变化刘豪（哈尔滨工业大学材料科学与工程学院材料科学与工程系，哈尔滨 150001）摘要：随着电气工业以及通讯业的日益快速发展，电磁技术的应用给人类创造了巨大的物质文明的同时也把人们带进一个充满人造电磁辐射的环境里。
电磁场生物效应的发生与发展与电磁场本身的特性以及生物组织的电磁学性质密切相关，而生物组织的电磁学性质又随着电磁场频率的变化而变化。
我们将探讨不同电磁辐射作用下生物组织的电磁学特性变化，分析不同类型电磁场对于生物体产生的一些具体的影响，并对于电磁辐射影响健康的机理及其防护策略进行初步的研究。
关键词：电磁辐射；生物效应；生物组织；电磁特性人们生活的空间中交织着大量的电磁波，有环境中本来就具有的宇宙辐射、地磁场等，也有人为制造的各类电磁波如广播电磁波，无线通信电磁波以及工频电磁波等。
电磁场与生物体相互作用的本质是电磁场与构成生物体的各个层次的物质之间的相互作用，生物组织处于不同频率的外加电磁场中其表现的电磁特性会发生变化，不同场强、频率、振幅的电磁场所作用的对象也有所不同，同时电磁场与生物作用的时间长短不同所产生的生物效应也不同。
研究生物组织的电磁特性是研究电磁场与生物体之间相互作用的基础，对于电磁辐射影响生物组织的电磁特性的研究可以明确电磁场生物效应产生的微观机理，从而可以进行有效的防止或者减少电磁场对生物体的负面影响。
从电磁学角度来看，生物体是由大量细胞构成的具有复杂电磁性质的容积导体，对于生物体在电磁环境下其电磁性质的改变的研究可以揭示电磁场中生物体对于电磁能量的吸收及其与电磁场之间的耦合特性。
电磁场对于生物体电磁特性的影响在诸多领域都将得到具体应用。
[1]1 电磁辐射作用于人体的原理在电磁场中，生物分子既不是纯粹的导体，也不是纯粹的绝缘体，而是电介质。
由交变的电场、磁场产生的电磁波在空间传播时与生物体作用可以被生物体物质吸收。
生物体在交变磁场中受到电磁辐射的作用一般会发生以下的生物效应：1.1热效应电磁辐射作用于人体后，一部分被反射，另一部分被吸收。
磁场对生物组织的影响与应用研究
磁场对生物组织的影响与应用研究磁场，作为一种物理现象，一直以来都引起了科学家们的兴趣与好奇。
它不仅存在于自然界中，也可以通过人为手段产生。
磁场对于生物组织的影响与应用研究，是一个备受关注的领域。
本文将探讨磁场对生物组织的影响以及它在医学、生物学等领域中的应用研究。
磁场对生物组织的影响是一个复杂而又神秘的课题。
磁场对生物体的影响主要体现在两个方面，即磁场对生物体内的电流和磁场对生物体内的磁性物质的影响。
首先，磁场对生物体内的电流有着直接的影响。
生物体内存在着许多电流，比如神经传导、细胞内的离子流动等。
磁场可以通过电磁感应的原理，改变电流的流动方向和速度，从而对生物体产生影响。
研究表明，磁场的改变可以影响神经传导的速度和细胞内的离子流动，从而对生物体的生理功能产生影响。
例如，磁场的改变可以改变脑电图的波形，影响大脑的认知和思维能力。
其次，磁场对生物体内的磁性物质也有着重要的影响。
生物体内存在着一些磁性物质，比如血液中的铁离子、神经元中的铁蛋白等。
磁场可以通过作用于这些磁性物质上，改变它们的磁性状态，从而对生物体产生影响。
研究表明，磁场的改变可以影响血液的流动速度和血红蛋白的氧合状态，从而对血液循环和氧供给产生影响。
此外，磁场的改变还可以影响神经元的活动和细胞内的代谢过程，从而对生物体的生理功能产生影响。
磁场对生物组织的影响研究的深入，为其在医学、生物学等领域中的应用提供了理论基础。
磁场在医学中的应用主要体现在磁共振成像（MRI）技术和磁治疗技术。
MRI技术是一种利用磁场和无线电波来生成高清晰度的人体内部影像的技术。
它通过对人体内部的磁性物质进行扫描和分析，可以获得人体内部的详细结构和功能信息。
MRI技术在医学诊断中有着广泛的应用，可以用于检测各种疾病，如肿瘤、心脑血管疾病等。
它不仅可以提供高分辨率的图像，还可以对人体内部的代谢过程进行动态观察，对疾病的早期诊断和治疗起到了重要作用。
磁治疗技术是一种利用磁场对生物体进行治疗的技术。
生物电磁学的应用ppt课件
谢谢！
生物电磁学的应用
生物电磁学是研究非电离辐射电磁波（场） 与生物系统不同层次相互作用规律及其应用 的边缘学科，主要涉及电磁场与微波技术和 生物学。其意义在开发电磁能在医学、生物 学方面的应用以及对电磁环境进行评价和防 护。。
生物电磁学与工程电磁场差别：
1、前者的作用对象是具有个体差异的生命物质； 2、前者的作用对象是根据人为需要而选取并加 工的电磁媒质或单元而后者的作用要让测量 系统服从于作用对象。
3.电磁场的条件研究
生物体是物质运动的高级发展阶段的复杂体 系，受电磁场作用后的生物效应不如物理效 应那样简单明确，而要复杂得多。因此在实 际操作中对电磁场有不同的要求： (1)场型和频率。电磁场可分为恒定电磁场和交变电磁场，对 恒定场还要考虑场的均匀度（用梯度表示），交变场是场强 和方向随时间变化的场，一般用频率来表示场的不同特性。 在均匀场和不均匀场中引起的生物效应是有区别的。另外， 交变磁场频率的不同对细胞的通透性和损伤影响也不同。
(2) 电磁场阈值。电磁场阈值是电磁场能否引起生物效应的 临界条件，生物受到电磁场和电磁场梯度作用时，它们 的强度必须超过某一数值，才能引起生物效应。不同的 生物或生命现象具有不同的电磁场阈值。 (3)电磁场极限值。电磁场极限值是电磁场导致生物损伤的 临界条件。其中电磁场作用时间是一个极其重要的因素， 场强随时间延长产生累积效应，这种累积效应会使生物 体内某些因子过量，最终破坏生物体的部分结构或功能。 一般用细胞存活率曲线模型来确定电磁场对细胞平均致 死剂量。
一、
在医学中的应用
1.心肌自律性和人工心脏起博 在心肌细胞中，有一类细胞在未受到外界刺激下， 也能产生周期性动作电位，这种自动起博的特性称 为心脏的自律性，心脏能有节奏地跳动（收缩和舒 张）正是心脏自律性的表现。 当心脏兴奋的自律性受到破坏或心肌细胞的功能出 现障碍时，将会导致泵血功能失调，甚至危及人体 生命。人工心脏电起博，就是利用一定大小的脉冲 电流来刺激心脏，使心脏按一定频率收缩和舒张， 达到心脏起博的目的。
生物电磁场
• 在电工理论与生物学及医学等学科的交叉领域， 从学科建设的角度提出了“生物电工理论”这一 新的学科概念，体现了学科交叉、技术相融、应 用相通的特点；对生物电工理论的研究领域作了 探讨性的界定，对生物电工理论的内涵、外延以 及与其他各学科的关系进行了讨论：并从生物信 号的采集、处理以及数学建模、计算机仿真、生 物电磁场等方面对生物电工理论的应用前景作了 展望。 •现在我们讨论生物电磁场对人类的影响及应用：
无症状性心肌缺血
医学研究表明磁场对 病理性心脏功能失调 有一定的治疗作用， 这主要是磁场能使心 血管扩张，改善心脏 的血液循环，使心脏 的供氧及营养状况得 到改善。对血液成分 的作用 经过试验发现， 磁场可使血液中的红 细胞体积增大，携带 氧的能力增强，这样 有利于改善组织内的 供血供氧改善各组织 营养状况，促进新陈 代谢 。
电磁辐射危害
• 3、累积效应：热效应和 非热效应作用于人体后， 对人体的伤害尚未来得及 自我修复之前（通常所说 的人体承受力---内抗力）， 再次受到电磁波辐射的话， 其伤害程度就会发生累积， 久之会成为永久性病态， 危及生命。对于长期接触 电磁波辐射的群体，即使 功率很小，频率很低，也 可能会诱发想不到的病变， 应引起警惕。
生物电磁场对人体抗衰老与保健的效果
• 实验中所用的量子共振仪
生物电磁场对人体抗衰老与保健的效果
• 人体在接受量子共振仪的检测
生物电磁场对人体抗衰老与保健的效果 • 结果得到了比原效 果更好的、全面改 善人体健康水平， 而无任何不良反应 的效果。结论生物 场导是绿色保健的 新途径，值得推崇 和推广
•
电 磁 波 敏 感 症
电磁辐射危害
• 电磁辐射危害人体的机理主要 是热效应、非热效应和累积效 应等 • 1、热效应：人体70%以上是水， 水分子受到电磁波辐射后相互 摩擦，引起机体升温，从而影 响到体内器官的正常工作。 • 2、非热效应：人体的器官和组 织都存在微弱的电磁场，它们 是稳定和有序的，一旦受到外 界电磁场的干扰，处于平衡状 态的微弱电磁场即将遭到破坏， 人体也会遭受损伤。
生物电磁学
生物电磁学
生物电磁学是指研究由电，磁场引发的生物效应的学科。
主要关注的问题包括：电磁场对生物体的效应及其机制，特别是电磁暴对生物体的影响；以及自然界频繁出现的电磁场（太阳辐射，大气电离产物，雷电时的电场等等）对人体的影响及机制。
生物电磁学是一门新兴的学科，它理论基础是物理学、生物物理学、生化学、生物学和细胞生物学。
研究内容涵盖从生物物理学角度建立电磁场和生物体的相互作用模型，刻画已知电磁场的相互作用和对生物体的潜在影响，建立及设计抗电磁的细胞生物实验，探索电磁场与生物过程的内在联系，以及研究电磁场诱发的新型生物效应等。
生物电磁学致力于为研究生物过程在电子电磁环境中的内在联系提供一个科学上面的框架，还将帮助更有效地应对电磁环境所带来的潜在危害。
生物电磁学以深入研究电磁场对生物物理性质和生物过程的影响为核心，着重探讨环境电磁场对生物系统及其分子等水平的影响，很突出的是如何破解电磁场的能量传递机制，以及这种机制如何控制生物体的行为和性质。
新型电子电磁设备的大规模投入使得环境电磁场加快变化，对周围的动植物等重要生态系统产生深远的影响。
生物电磁学研究能够充分发挥电磁领域的重要作用，帮助我们控制和纠正这些变化，以保护生态环境的稳定性。
同时，生物电磁学也研究利用电磁场给生物体提供有利的条件，尤其是利用电磁场干预生物体的发育过程，这对总结和研究生物体的发育规律具有极大的意义。
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许多人都知道，家里养的鸽子可以从离家几十、 几百甚至上千公里的地方飞回家里；燕子等候鸟 每年都在春秋两季分别从南方飞回北京，又从北 方飞到南方；一些海龟从栖息的海湾游出几百几 千公里后又能回到原来的栖息处。它们是如何辨 别方向的？尤其是在茫茫的海洋上。难道它们也 像人类航海时一样使用指南针吗？大量的和长期 的观察研究表明，这些生物从原居处远行后再回 到原居处，的确是与地球磁场有关的，或者可能 有关的。我们来看看一些观察研究的情况。
生物组织的电学性质
• • • • 生物组织的基本单元是细胞 可兴奋的细胞（神经、肌肉）有电活动 大量的细胞是不可兴奋细胞 产生原因是细胞膜对钠、钾离子通透性随 时间变化（静息电位、动作电位） • ε、σ、ρ
生物电阻抗
组织 0.9%氯化钠溶液 血清 全血 肌胳肌 电阻率（· cm） 50 70～78 160～230 470～711 电导率 140 105 56～85 58～90 组织 脾 正常乳房 乳癌 肾髓质 电阻率 （· cm） 630 430 170 400 电导率 — — — —
慢振荡电流偶极子模型
突触后电位的电流强度随着与突触的距离增大按指 数 减小，衰减长度λ=0.1 ~ 0.2 mm。在一定距离范围 内，突触后电位就象一个沿树突取向的强度为 P =λI的 电流偶极子。
目前，人们普遍认为：脑电主要是由大脑皮质锥 体细胞顶树突的突触后电位总和形成的。
脑电的相位特性
曾将两组鸽子分别绑上强磁性的永磁铁块和弱磁性的 铜块，在远离鸽巢放飞后，绑有铜块的鸽子全部都飞 回鸽巢，但大部分绑有永磁铁的鸽子却迷失方向而未 返回鸽巢。这表明永磁铁的磁场干扰，使鸽子不能识 别地球磁场。又曾将一组鸽子放置在鸽巢和与鸽巢的 地球磁场相同的地磁共轭点(距鸽巢数千公里)之间的 中点处，放飞后这些鸽子大约有一半飞回原来的鸽巢， 其余的鸽子却飞到鸽巢的地球磁场共轭点处了。这表 明鸽子是依靠地球磁场来识别鸽巢的。进一步观察研 究发现鸽子头部含有少量的强磁性物质四氧化三铁 (Fe3O4)。我国古代的司南指南器就是利用天然磁铁矿 石制造的，其主要成分也是Fe3O4。但是鸽子是否是利 用其头部的Fe3O4导航(识别地球磁场方向)？又是如何 利用Fe3O4导航的？这些都是需要进一步研究的问题。
鱼也是一种对磁场十分敏感的生物。生物学家注意到 鱼类的间脑会对磁场产生感觉。当把鱼放入它完全陌 生的水域里，并且尽可能排出水温、水流的干扰和影 响，鱼一般都会沿着磁力线的方向游动。北美有一种 鲑鱼，它辨识路径的能力是惊人的。这些鲑鱼通常在 北美阿拉斯加到加利福尼亚的小溪里产卵。小鱼孵出 后，便成群结队对地沿着小溪、小河游向太平洋。他 们在浩瀚无际的太平洋里沿着逆时针方向环游了一个 巨大的圈子之后，还能正确无误地回到美洲，并寻找 到原来的河道入口，再游经小河、小溪最终返回故里。 而这类鲑鱼完全是依靠灵敏的磁罗盘来导航的。一次 美国科学家奎恩汤姆在小河的岸边放了一块电磁铁， 当成群的鲑鱼游过磁铁附近时，突然接通电源。奇迹 出现了，这群鲑鱼游向也突然改变了90度。
ECG理论
• 心脏电活动近似为一个随时间变化的向量
• 心脏是一个电偶极子
– 电场随心跳周期变化，从心房到心室或从起搏 点到心肌
Einthoven三角
• 向量的构成
– 即具有强度，又具有方向性的电位幅度称为心电向量 – 至少需要两个已知向量才能组成心偶极子向量 – 三肢体导联 • VI：RA-〉LA • VII：RA-〉LL • VIII：LA-〉LL
生物医学工程学是这样一门学科：它把人体各个层 次上的生命过程（包括病理过程）看作是一个系统 的状态变化的过程；把工程学的理论和方法与生物 学、医学的理论和方法有机地结合起来去研究这类 系统状态变化的规律，并在此基础上，应用各种工 程技术手段，建立适宜的方法和装置，以最有效的 途径，人为地控制这种变化，以达预定的目标。生 物医学工程学的根本任务在于保障人类健康，为疾 病的预防、诊断、治疗和康复服务。
把主成分分析（PCA）视为一种正交投影，则所有主 成分则是所投影的正交空间中的向量。假设把一维脑电时 间序列看成是由多个变量共同产生的结果，这符合脑电产 生的生物物理过程，即脑电是大量脑神经元群电活动的集 中表现。 由于各主成分彼此不相关，因此所有主成分向量 构成一个多维的正交空间，使得我们可以在此正交空 间来观察脑电信号的相位变换。
+100 +50 0 -50 -100 时间（ms）
①
② ③ ④
细胞受到刺激后的这种短暂的电势差值，叫做动作电势， 能够产生这种动作电势的细胞叫做可兴奋细胞。 应用 生物器官或组织对外界刺激作出反应，如含羞草的敏感细 胞受到刺激后，马上产生动作电势，当传到叶座时，使叶 座基部膨压发生变化，引起叶柄下垂，小叶关闭。还有大 型多核细胞的狸藻，其动作电势更为显著。
将各种组织和细胞的电阻抗摸拟成某种线路，并通 过各种电学参量的测定值来解释生物体的结构和功 能，这种方法被称为生物电测技术。
Re
Rinp Re Rm Re
Cinp
R1
Cm
Rm R2
Rm
Cm
Cm Ri Ri
皮肤人造膜
细胞悬液肌肉
Ri
无髓鞘神经轴突细胞
阻抗模拟电路
问题一：
神经轴突的神经传导的电学模型?
心肌（无血）
心肌（灌满血） 肝 肺（呼气）
—
207～224 506～672 401 744～766
50～107
— 6～90 5～55 —
皮质
脂肪 脑灰质 白质 —
610
1808～2205 480 750 —
—
0.4 — — —
肺（充气）
生物膜
• 细胞被看 为一个球 形电容 • 一般情况 下不考虑 细胞的电 感作用
神经细胞的构造？ 用什么模型来描绘轴突？ 轴突对脉冲的传导和放大？ 神经传导中的能量耗费？
生命物质的介电特性
生物物质的介电特性研究应从单个细胞到各种生物组织 逐步进行研究。 1）氨基酸溶液的分子极化规律可表示为
1 c
和1分别为溶液和溶剂的介电常量，c为溶质浓度；系数定量表示电容率的增
D c D n in k cok D c D n on k cik n k n k
RT Uo Ui ln ZF
其中，D+n、D-k分别表示各种正负离子的通透系数，c+in、 c+on和c-ik、c-ok分别为各种正、负离子在膜内外的摩尔离子浓 度。
对出生在美国东南海岸的一种海龟游动进行的观察显示在 图4中，幼海龟在大西洋中沿着顺时针路线出游，经过若干 年后又能回到出生地产卵。这些海龟是依靠什么导航呢？ 有的观察研究者认为同地球磁场有关，并进行了这样的实 验研究。在装有海水并加上人造磁场的大容器中，观测到 磁场的确影响海龟的航行。当人造磁场反向时，海龟的游 动也反向。这表明磁场是影响海龟的航行的。
2 研究方法
以往的谱分析方法，如功率谱分析或双谱分析，都有 赖于信号的Fourier变换。虽然Fourier变换在频域上是完全 局部化了的(能把信号分解到每个频率细节)，但在时域上 没有任何局部分辨能力，这对瞬态信号的局部分析十分不 利。因此，Fourier变换不适合脑电分析。相比之下，小波 变换具有良好的时频局部化能力，能有效地提取非稳信号 的特征。对于非稳定变化的信号，人们常常关心的不只是 该信号的幅度细节，而是更注重该信号在不同时刻的频率 和相位细节，这意味着小波变换有可能很适合脑电的相位 分析。
生物膜电势 吸附电势 电荷分布电势 氧化还原电势 实验证明，在所有用半透膜隔开的两种或几种以上的电 解液，或电解液相同但浓度不同的膜两侧，都存在着电势 差，这种电势差称为跨膜电势或膜电势。
二、扩散电势（能斯特电势）
单一离子的扩散电势 设细胞膜两侧存在某种相同种类的正离子。膜内离子浓度为 ci (mol· m-3)，膜外离子浓度为co ，膜内向膜外迁移的离子形 成内负外正的电场E
加，称为电容率电增量。
2）生物组织的介电性质要用复介电常数
i r r r
'' tg r
' r
实部为习惯意义上的相对介电常数， 虚部为损耗因素，δ称损耗角
3）生物组织的介电常数可以通过电容法来测定。
生物电势 能斯特方程
一、生物电势的产生
扩散电势 (最基本、最重要)
其中q=ZF，Z为离子价（取绝对值），F为法拉第常数， F≈96500C· mol-1 此式即是著名的能斯特方程，它是经典理论中计算扩散电动 势的基本方程。 若将自然对数变换为常用对数，在室温下（27℃），单价离 子的能斯特方程可简化为
ci U o U i 59.5 lg co
多离子的扩散电势
3 基于Fourier变换的脑电相位谱
设X(n)表示一长度为N点的离散时间序列，则离散Fourier 变换的实部与虚部分别为
其中，ф(k)为对应各离散频率成分的相位
4 基于小波变换的脑电相位谱
设X(n)表示一长度为N点的离散时间序列，则在尺 度j上，离散小波分解为
5 基于主成分的脑电相位谱
标准十二导连体系
问题二：
心电图的形成原理?
激动扩布的电偶学说 容积导体概念 导连的概念、构成和发展 导连和心电图，概念、发展、应用
EEG的物质基础：
大脑神经细胞（cell）或神经元（neuron）、神经递 质（Neurotransmitter）、各种离子等。 神经元是由细胞核(nucleus)，细胞体(cell body)， 轴索(axon)，树突（dendrites）和突触(synapse)等所构 成的。 神经元之间是通过突触（神经元间接合处）间的 化学物质的传递和化学反应而产生活动电流的方式来接 受和传递信息的。
这就是著名的Gokdman-Hadgkin-Katz方程，简称GHK方程