生物与电磁学

生物与电磁学 Revised as of 23 November 2020

生物与电磁学

[摘要] 本片文章一方面描述了生物活体特别是人体自身的电磁过程及其与生命活动的关系和宏观表现形式。生物体的各种电磁信号及其性质。另一方面，描述了外界电磁场对生物活体的作用以及各种电磁场对生物系统的各种生物学效应。

[关键词] 生物电磁信号；生物热效应；生物非热效应

Biology and electromagnetism

Abstract：The article describes the one hand, living organisms, especially the body's own electromagnetic process and its relationship with life activities and macro forms. A variety of organisms and the nature of electromagnetic signals. On the other hand, describes the external electromagnetic field effects on living organisms and a variety of electromagnetic fields on biological systems of various biological effects.

Key words：Bio-electromagnetic signals;Bio-thermal effect;Non-thermal effects of

biological

生物中的电与磁

生物体电磁信号的内容相当广泛，包括心电、心磁、脑电、脑磁、生物阻抗和神经肌电刺激等等。生物体电磁信号帮助我们研究生物体自身的电磁过程和其生命活动的关系。

心电与心磁

心脏周围的组织和体液都能导电，因此可将人体看成为一个具有长、宽、厚三度空间的容积导体。心脏好比电源，无数心肌细胞动作电位变化的总和可以传导并反映到体表。在体表很多点之间存在着电位差，也有很多点彼此之间无电位差是等电的。心脏在每个心动周期中，由起搏点、心房、心室相继兴奋，伴随着的变化，这些生物电的变化称为心电。

的心房和心室肌肉的周期性收缩和舒张伴随着复杂的交变生物，由此而产生了心磁场。上面提到1963年首次测得人体心磁场，其强度为-1010特斯拉。其随时间的变化称为心磁图（MCG）。

脑电与脑磁

人脑可人为诱发出一种脑电变化，如心理事件或认知事件诱导出的脑电位变化，被称作（ERP、event-related potential），亦称为认知电位。事

件相关电位一般都比自发电位微弱，这些微弱的信号常常被淹没在自发电位中难以觉察。要提取这些信号，可以对被试者多次进行事件刺激，每次都会产生一定的微弱信号，再通过计算机将含有这些微弱信号的自发电位进行叠加和平均化处理，由于自发脑电的波形与刺激间没有固定关系，但每次由相同事件诱发出的电位的波形则是一致的，这样，相同的诱发出来的电位就会叠加起来，越来越大，结果与事件相关的电位信号就会从自发脑电的背景中突显出来，这样就可以记录到事件相关电位。

脑磁技术（MEG）记录的是根据神经元的突触后电位所产生的电流形成的相关脑磁场信号。当动作电位沿细胞膜这到突触时，囊泡中的神经递质释放到突触间隙中，产生触后电位。突触后电位的时空跨距明显大于动作电位，在单位面积（数平方厘米）脑皮层的数千个锥体细胞几乎同步发放的神经冲动能够形成集合电流，并产生与电流方向呈正切的脑磁场。将头颅作为球形导体在颅外与之呈正切方向均能检测到脑磁场信号。

由于脑磁场信号强度明显强于头皮信号，并且磁场为空间探测，不受头皮电位变化干扰，因此MEG能做到高度准确空间定位，可以相当精确处理脑功能信号传递过程，在颅外能够检测5mm范围内的脑功能活动区其时相分辨可达到。这些是EEG无法做到的。

大脑磁场的强度仅为地球磁场的亿万分之一（100fT）。脑功能区呈多方位立体分布，信号为立体传递。这需要以脑研究和临床为目的现代MEG必须具备以下条件：

①可靠磁场屏蔽系统；为确保脑磁场信号变化不被破坏。目前除采用必要防磁场屏蔽室装置外，在信号处理上装有抗外磁场干扰的软件设备，这样进一步保证检测信号的纯净。

②灵敏的磁场探测系统；该系统主要由采集线圈和超导量子干扰装置（Superconducting Quantum Interference Device,SQUID）组成。该系统处于—296°C液氦中的超导状态工作，确保探测磁通道量产生的微弱电流信号不损耗。目前MEG的探测感应器已发展成全头多通感应探测系统具有100以个SQUID。

③综合信息处理系统：通过计算机不令能将获得信号转换成曲线图，等高线图信息，而且可与MRI或CT等解剖学影像信息叠加整合，形成脑功能解剖定位。此外MEG还可与脑诱发磁场技术，多导联EEG等技术相互进行综合信息处理。

④检测简便安全。MEG检查时病人无需非凡位置，而且对人体无任何侵袭及其它不良影响。

电磁场中的生物效应

大量的流行病学调查和对生命各个层次上的实验研究表明电磁场有明甚的牛物效应，实验表明电磁场对心脏节律、神经生理、生化代谢、免疫机能、植物生长等方面都有明显的影响。

电磁场作用于生物体，能引起两类生物效应。

电磁场的生物热效应

使其温度升高，并由此而引起的生理和病理变化的作用，这叫做热效应。这是生物体内各层次的生物物质吸收电磁能后转成为热能之故。热效应有如下特点：

1．在平衡态附近时，生物系统对电磁场的响应一直到100000V/m的场强时都是线性的；

2．系统产热正比于场强平方；

3．这种热效应和其它不同加热方式加热生物系统所产生的效应是相同的。

电磁场的生物热效应机理

电磁场的生物热效应机理已经是众所周知的，也是被普遍承认的。生物体可简单地视为一个具有电阻、电容的装满生理盐水的大容器，在电磁场的作用下，生物组织内的极性分子产生取向作用，同周围分子碰撞、摩擦产生热量；同时生物组织内的离子在电磁场的作用下产生迁移而引起传导电流，该传导电流通过具有+定电阻值的组织时产生欧姆热。在高温电磁场中的生物体导体因电磁感应而使组织加热。

电磁场的非热生物效应

所谓非热效应．按理论物理学家Flolich的看法，即是指电磁场通过使生物体温度升高的热作用以外的方式改变生理生化过程的效应。总结电磁场非热效应的实验和理论研究，有如下几个特点：

(1)非线性。一个微弱的电磁场刺激可以引起生物靶较强的响应。这种响应在物理学r和处卜临界点物态的相变相类似，在化学上和催化反应相类似，在工程学上和放人器过程相类似。

(2)相十性。电磁波是一种周期振荡并在卒间传播的电磁场，能与之产生相互作用的靶必须在频率上、相位上、偏振方向上乃至波形上(对非简谐波而言，其谐波的正弦分量上)要相等或相近满足一定条件，如共振条件。而靶系统的这些由结构和系统所决定的固有条件和外界电磁场的参数合拍时，才能发生相互作用。这种相互作用的结果能产生热效应(当电磁场功率流密度很大时，比如大