生物与电磁学
基本概念—生物电磁学和电磁生物学
生物电磁学是研究生物各层次的物质的电磁特性、生物电磁特性的测量和生物电磁特性的应用等。从物理学角度分析，生物体内存在着不同层次的电磁特性，这是生物体内电磁场的来源，也是和外界电磁场相互作用的位点。电磁生物学主要是研究电磁波（场）的生物学效应，也就是说生物体在外界电磁波（场）中，对不同频率和不同强度的电磁波（场），生物体会产生什么样的效应。通常，可将其划分为热效应、非热效应和累积效应。电磁辐射已经成为一种环境污染，联合国人类环境会议已经将电磁辐射列为必须控制的社会公害之一。电磁辐射的频谱很宽（0~ HZ），不同频率电磁辐射的生物学效应也是不同的，通常所说的电磁辐射是频率在300GHZ一下，其中和人类健康密切相关的是工频辐射和射频辐射，目前人们最关注的是高压线和变电站周围的电磁场对人体健康影响、手机和基站的电磁辐射对健康的影响、各种电磁治疗疾病的方法是否有效等。
总的来说，生物电磁以及电磁生物主要是研究生命活动本身所产生的电磁场以及外加电磁场对生物体的作用，是研究非电离辐射电磁波（场）与生物系统各不同层次相互作用规律和应用的交叉学科。对生物自身电磁信息的研究，其主要是通过体表电磁信息的检测来反推生物体内的神经活动。比如说可以依靠头皮电信号和头外磁场分布，可以反推脑内相应的活动神经元的位置及活动强度等。对于外加电磁场对生物体的作用，一个根本问题是生物体的吸收的电磁剂量问题。而从电学角度看，生命体是由无数细胞构成的一个复杂容积导体，对外界高频电磁场有一定的屏蔽作用。因此外加电磁场对生物体内的组织和器官的影过计算外加电磁场在生物体内的分布来推测体内电磁信息。而不管从宏观还是微观上分析，这些都是以研究生物各层次物质的电磁特性为基础的。
概述
电磁场和生物的关系
电磁场是相互依存的电场和磁场的总称，电场随时间变化产生磁场，磁场随时间变化产生电场，形成电磁场。电磁场与生物组织和生命过程存在着紧密的关系。在1953年，美国芝加哥大学ler等在实验室模拟原始大气在雷电作用下可能发生的现象，结果由无机物产生了氨基酸，这些氨基酸是构成生命的基本单位，是生命的起源。此外，所有地球上的生物都生活在地球磁场环境和电磁辐射（雷电、宇宙射线）中，地磁环境存在于生命之前，地球生物在地磁环境中萌生、演化和存在。因此生命和电磁场有着千丝万缕的关系。目前已经证实一些鸟类和鱼类是靠电磁场来辨别方向的，更特别的是存在一种趋磁细菌，其体内含有排列整齐的磁小体，这些磁小体能够使其沿地磁场方向泳动。
电磁学在生物医学中的应用
电磁学在生物医学中的应用电磁学是研究电荷、电场、电流、磁场以及它们之间相互作用的一门学科。
随着科技的进步，电磁学在各个领域得到了广泛的应用，特别是在生物医学领域，其应用更加深入。
本文将探讨电磁学在生物医学中的应用。
1.电磁学对于医疗治疗的应用电磁波在生物界中的应用已有很长的历史，电子射线、X射线、电磁波能够治疗癌症、心律不齐、面瘫等疾病。
电磁治疗是以脉冲和非脉冲、低频和高频电磁波的作用为基础的一种物理治疗方法。
电磁波的灵活性与可变性，意味着适合呈定制性的治疗，可以对不同疾病、不同情况进行精准的治疗。
例如，磁共振成像（MRI）是一种通过产生磁场和辐射出强烈的无线电波以创建详细的内部身体图像的技术。
MRI 技术已广泛应用于诊断脑损伤、肌肉损伤、癌症等内部医学检查，以及许多其他需要详细的内部图像的医疗过程中。
2.电磁学对脑神经功能的影响及其应用神经功能障碍是目前世界面临的一大疾病，如癫痫、帕金森病、失眠症。
电磁学在脑神经功能治疗方面也有着广泛的应用。
一些研究人员已经利用射频能量来刺激大脑的特定区域来帮助治疗帕金森病、震颤性麻痹、抽动症、强迫症和其他神经系统疾病。
一般而言，射频能量会被用作刺激一些大脑皮层区域的方法，这些区域被认为能够控制某些运动功能，例如手部协调和语言。
射频刺激法可以大大提高患者状态的体质和身体本身的能力，从而帮助他们有效地控制疾病症状。
3.电磁学在生命科学方面的应用当然，电磁学的应用不仅仅是医疗，还包括在生命科学方面的创新应用，特别是仿生学。
特别是，在实验室中，可以使用电磁波来激发化学反应；对于细胞、酶、蛋白质、受体等分子，可以在其自然的共振频率下通过外加电磁信号对其产生重要的影响。
电磁学在诊断和治疗方面越来越受到人们的关注，其应用在不断发展中。
虽然仍有很多研究需要开展，但可以预见的是，电磁学在生物医学领域中的应用必将发挥更加重要的作用，实现更加精准的诊断和治疗。
生物电磁技术
A
X射线造影剂
造影剂，是为增强影像观察效果而注入(或服用)到人 体组织或器官的化学制品。这些制品的密度高于或低于 周围组织，形成的对比用某些器械显示图像。
在生物电磁领域，研究的是一种新型的造影剂—磁性
X射线造影剂。它是一种磁性液体,这种造影剂具有流动
性好、覆盖力强等优点. 当这种磁性液体进人体内后,在
A
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。
16
A
肺磁图的医学应用
由于铁磁性物质广泛存在于工业粉尘中，具有代表性的就是 磁铁矿，铁磁性物质易被磁化，剩磁大小与量的多少成正比； 因此，可以通过测定肺部剩磁大小估算各工种工人的肺内粉 尘含量，实现对尘肺病的早期诊断，这也是肺磁图技术的主 要应用之一。
脾等几个器官上.虽然生命体的这种磁性极弱,但仍能
为医学疾病的诊断提供重要的检测依据。
7
A
生物磁学在医学诊断中的应用
➢ 生命体自身弱磁性在医学诊断中的应用 ➢ 外加磁场和磁性物质在医学诊断上的应用
8
A
生命体自身弱磁性在医学诊断中的应用
➢脑 磁 图（MEG） ➢心 磁 图（MCG） ➢肺 磁 图（MPG）
9
A
脑磁图（MEG）
人的颅脑周围存在的磁场称为脑磁场。但这
种磁场强度很微弱，要用特殊的设备才能测知
并记录下来．需建立一个严密的电磁场屏蔽室，
在这个屏蔽室中，将受检者的头部置于特别敏
感的超冷电磁测定器中，通过特殊的仪器可测
出颅脑的极微弱的脑磁波，再用记录装置把这
《生物电磁学》课程教学大纲(本科)
《生物电磁学》课程教学大纲课程编号：08043111课程名称：生物电磁学英文名称：Biological electromagnetism课程类型：学科基础课课程要求：必修学时/学分：32/2 （讲课学时：28实验学时：0上机学时：4）适用专业：生物医学工程一、课程性质与任务生物电磁学包括电磁场与电磁波、生物电磁效应两部分内容，主要学习宏观电磁现象在特定范围和特定条件下的具体表现，了解电磁现象的发生规律、掌握基本的定性和定量分析方法，以及生物电磁场分析方法。
使学生认识基本电磁现象，掌握基本的分析方法，培养学生的基本素质和专业素养。
电磁场课程的主要任务是：在大学物理（电磁学）的基础上, 进一步掌握宏观电磁场的基本规律和基本分析方法；对电磁场与电磁波有比较完整的理解；学会定性分析生物电磁学中关键问题,并部分了解定量分析的基本方法；通过对电磁场与电磁波课程的学习，培养学生的逻辑推理能力和掌握基本的科学研究方法。
二、课程与其他课程的联系先修课程：《大学物理》，应掌握大学物理中电磁学基础知识。
三、课程教学目标1.通过本课程的学习，使学生了解电磁学的重要意义，掌握静态电磁场的基本方程和基本性质，理解均匀传输线的基本方程，掌握电磁场的一维标量波动方程，了解生物电磁场。
（支撑毕业能力要,1. 1,1.2, 2.1）2 .使学生初步具有综合运用电磁场的理论知识和技术手段对生物医学工程中的典型问题进行抽象、建模、分析和求解的能力，培养学生的工程伦理素养；（支撑毕业能力要求2.2）3.培养学生的工程实践学习能力，使学生掌握电磁场和电磁波的典型分析方法，获得基本技能的基本训练；（支撑毕业能力要求3. 1）4.注重培养学生的外语能力和文献资料查询能力，结合生物医学工程学科的发展情况, 有针对性地推荐学生阅读一些专业文献，并鼓励学生围绕课堂教学内容，充分利用互联网和数字图书馆等现代化手段，自主搜寻和查阅相关参考资料，从而提高学生快速获取新知识和新信息的能力；（支撑毕业能力要求3. 2）四、教学内容、基本要求与学时分配五、其他教学环节（课外教学环节、要求、目标）无六、教学方法本课程以课堂教学为主，结合自学、上机及测验等教学手段和形式完成课程教学任务。
生物电磁学技术在医学领域中的应用
生物电磁学技术在医学领域中的应用随着科技的发展和人们对健康的关注不断提高，生物电磁学技术在医学领域中的应用也得到了越来越多的关注和研究。
生物电磁学技术是研究生物体的电生理过程及其与外界电磁场的相互作用的学科，其在医学领域中的应用涉及到多个方面。
1. 生物电磁学技术在神经科学领域中的应用神经科学是研究神经系统结构、功能和调节机制的学科，而生物电磁学技术则可以通过记录和分析神经元所产生的电信号，进一步深入研究神经系统的组织结构、神经元之间的联接和信号传递机制等。
比如，脑电图（EEG）和磁共振成像（MRI）等技术就是通过测量和分析神经元所产生的电信号以及其在大脑中的分布情况，来探究人类大脑的结构和功能。
除了脑电图和磁共振成像技术，还有一些生物电磁学技术在神经科学领域的研究也非常重要。
例如，单细胞电生理测量技术可以通过记录单个神经元所产生的电信号，来研究神经元的特异性和功能。
而在明确神经元功能特殊性方面，微电极技术则可以利用其高灵敏度和空间分辨率，提供对单个神经元的详细观察。
2. 生物电磁学技术在心脏病学领域中的应用心电图（ECG）是一种通过记录心脏肌肉产生的电信号，来判断心脏是否正常的技术。
而生物电磁学技术在心脏病学领域的应用，则更多地集中于心电图信号分析、心律失常监测和心模拟器设计等方面。
心电图信号分析可以通过对心电图信号的频率、振幅和形态等特征进行定量分析，来辅助诊断各种心脏疾病。
同时，相较于传统的心电图分析技术，应用生物电磁学技术进行的心电图信号分析可以提供更为精确和全面的结果。
心律失常监测则是通过记录和分析心脏肌肉产生的电信号，以识别和预防心律失常等心脏病的方法。
现阶段，不同的生物电磁学技术被广泛应用在心律失常的诊断和治疗中，如心电监测、心跳检测、心肌激动波传导分析等。
心模拟器设计是以生物电磁学技术为核心思想的一种创新技术。
它可以通过在心脏肌肉表面植入电极，将脉搏变得同步和有规律，从而治疗由心房颤动引起的心力衰竭等心脏疾病。
《生物电磁学》部分内容摘录
《生物电磁学》部分内容摘录一、基本信息：《生物电磁学》北京：国防工业出版社庞小峰编著2008年7月第1版第1次印刷普通高等教育“十一五”国家级规划教材二、内容摘录（按章节顺序）前言生物电磁学是研究包括电离辐射、静电场和磁场在内的电磁波与具有电磁结构的生物体相互作用的机理、特性、规律以及应用的一门新兴学科。
第一章生物组织的电磁结构和特性由于外加电磁场仅能与生物体中具有电磁特性的组织和分子等进行相互作用，于是在研究电磁场与生物体的相互作用时，必须首先了解生物组织本身所具有的电磁特性。
（P1）所谓生物组织的电磁特性，具体讲，就是它带有的电荷，具有电和磁偶极矩大小和分布及所形成的电流特征等。
研究生物的电磁特性就是找出具有上述这些电磁特性的生物组织或组织中的成分，如蛋白质、DNA和细胞等具有什么性质的电磁特性。
用现代的电生理和生物技术，如微电极（尺寸为10-4cm～10-5cm）和膜片钳等技术检测出它们所具有的带点特性，用超导量子相干仪检测出组织的磁性等。
研究表明，由各种生物组织构成的生物体的内部都存在复杂多样的电磁特性，于是生物体（包括人体）是能与外加电磁场发生相互作用。
（P1）1.1在生命系统中的电磁相互作用一切生命体，不论人还是动、植物，都是由原子与分子组成的。
在生命中起重要作用的是由氨基酸和核苷酸组成的蛋白质和DNA，以及糖类和脂类分子。
它们都是独立存在于生命体中。
那么，它们又是如何由小分子的氨基酸和核苷酸等组成的呢？按现代物理学的知识，自然界中存在强、弱、电磁和引力等四种相互作用力。
对于生命体来讲，没有必要去考虑它们之间的强、弱和引力等相互作用，由于这些力不是太大就是太小，生命运动一般不涉及它们。
剩下的就只有电磁相互作用了。
这就是说，生命系统中的各个成分，包括小分子、大分子、各种离子等都是靠电磁相互作用将它们组成一个活的生命体的。
由此，电磁相互作用是生命体中主导性的相互作用力。
这种相互作用在生命体中主要以下面几种形式体现出来。
生物电磁学研究的当前状况与前景
生物电磁学研究的当前状况与前景生物电磁学是一门研究电磁场对生物系统的影响的学科，自上世纪60年代开始逐渐成为一个重要的学科领域。
随着世界各地对电磁辐射对人体健康影响的日益关注，生物电磁学的研究也愈发重要。
目前，生物电磁学的研究主要集中在两个方面，一个是微波辐射对人体健康的影响研究，另一个是生物电磁场的治疗应用。
下面分别从这两方面来探讨一下生物电磁学的研究现状和前景。
一、微波辐射对人体健康的影响研究随着移动通信技术的飞速发展，微波辐射对人体的影响越来越引起关注。
近年来，国内外很多科学家对周围环境的微波辐射水平进行了检测和监测，发现微波辐射不仅在移动通信、电视、广播等领域中普遍存在，也出现在家庭、公共交通工具、商场、学校等生活场所。
这也导致很多人对微波辐射是否会对健康造成影响产生了担忧。
因此，对微波辐射的生物学效应研究，成为了当今国内外生物电磁学研究的重点之一。
已有很多研究表明，微波辐射对时间和剂量都有着剂量依赖性的影响，可能会引发一些健康问题，如头痛、睡眠障碍、焦虑等症状，还有可能会影响女性生育能力等。
一些研究人员已经开始探索生物细胞与微波辐射之间的作用机理，并在这方面投入了大量的时间和精力。
目前，生物学效应的机理较为复杂，涉及到细胞通讯、分子结构、免疫调节等方面，需要对其进行深入的研究，以便更好地掌握微波辐射的安全标准。
与此同时，新技术正在不断涌现，这些技术对电磁辐射的输出控制、生物电磁场的监测等方面都有很广泛的应用前景。
例如，虚拟人技术、仿真计算等技术可以帮助研究人员更好地研究微波辐射对人体的生物学效应。
未来也可能会出现像移动通信自动调节功率、GPS导航无线电波处理、航空、铁路、轨道交通的防辐射处理等技术。
二、生物电磁场的治疗应用生物电磁场是指某些生物体内存在的电场、磁场和电流等，它们在维持生命活动和生命本底状态的调控中起着重要作用。
而生物电磁场与健康之间的关系也成为了近年来的研究热点。
目前，人们已经开始探索利用生物电磁学的知识来进行疾病诊断和治疗的可能性。
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。
生物电磁学的研究现状与未来
生物电磁学的研究现状与未来生物电磁学，又称生物电学或生物电磁场学，是研究生物系统与电磁环境之间相互作用的学科。
它包括生物体内各种电生理现象的分析和应用、电生物学、生物电磁学和电磁生物效应等多个学科。
生物电磁学已经成为一个热门话题，谈起生物电磁学，我们不得不提及电磁波对人类健康的影响，其中包括低频电磁场对人类健康的影响。
低频电磁场影响是比较明显的，国际电磁辐射专家组织-国际非电离辐射保护委员会ICNIRP指出，长期接触强磁场可能对人体健康产生不利影响，可能引起怀孕失败、胎儿畸形、白血病等。
但是，低频电磁波对人体健康的具体影响仍是一个未知数，这也引发了人们对生物电磁学的深入研究。
生物电磁学的研究现状生物电磁学研究范围涉及电磁波的生物效应、生物体电和生物电磁感知等多方面内容。
它在生命科学、医学、生态学、环保等领域都有广泛应用。
事实上，生物电磁学的研究已经进入了“无线通信电磁辐射与生物体健康关系”的时代，它也逐渐成为第四代细胞治疗，非侵入性治疗肿瘤等的重要手段。
生物电磁学的研究方法主要包括磁共振（MRI）、电磁波测量、微电极记录等手段，而这些技术的进步也促进了生物电磁学的发展。
其中，MRI成像技术是较为先进的技术之一，它利用的是人体内原有核磁共振（NMR）乃至电子自旋共振（ESR）等性质,高精度地测定了神经系统和其它生理系统的不同组成及互动情况。
广义上看，MRI技术与神经科学密切相关。
MRI技术不仅可以用于表观解剖学、结构解剖学及功能解剖学的研究，也可以用于检测神经疾病、肿瘤和肾移植等相关疾病，因此，在临床医疗中具有广泛的应用。
电磁波和细胞损伤之间的关系一直是一个研究热点，电磁波如何影响细胞，特别是脑细胞还不是很清楚。
事实上，现在国内外大多数关于电磁波的实验都集中在不同强度、频率、时间等方面的研究上，在有关脑细胞损伤和反应方面的研究成果尚不是非常充分，仍有待深入和进一步探讨。
生物电磁学的未来在未来，生物电磁学的研究将会更加深入和广泛，一方面，电子科技发展繁荣，电子模拟技术将提供更精确、更可靠的生物模拟，研究生物复杂现象的理论、数值仿真机制也将更为完善。
生物电磁学的基础研究及其在医学中的应用
生物电磁学的基础研究及其在医学中的应用生物电磁学是一门研究生物体与电磁场相互作用的学科，它已成为现代医学、生物学、生物医学工程、电生理学、生物物理学等领域的重要组成部分，对于直接或间接地促进医学和生物医学的处理、治疗和预防发挥着重要作用。
一、生物电磁学的基础研究生物电磁学从理论上研究生物体与电磁场的相互作用机理，从实践上研究电磁场作用下生物系统的变量和效应。
1.生物体的电性质和电磁场生物体本身具有一定的电性质，例如脑部神经元放电过程、心脏搏动等都是与生物电现象密切相关的。
而电磁场的作用在于它能够对生物体进行刺激和干扰，这些刺激和干扰有可能导致细胞损伤、代谢紊乱以及器官损伤等，因此对电磁场在慢性和短期的作用下的效应进行探究，是生物电磁学的研究方向之一。
2.生物体与磁场的相互作用在生物电磁学中，磁场与生物体的相互作用主要表现在磁诱导电流的产生和作用，即，当磁场作用于动态的生物组织时，会产生诱导电流，这种诱导电流可能影响组织的代谢活动和器官功能。
因此，对磁场的生物效应开展研究也是生物电磁学的重要内容。
二、生物电磁学在医学中的应用生物电磁学在医学中的应用十分广泛，主要涉及器官刺激、医学影像、治疗等几个方面。
1.器官刺激生物电磁学在器官刺激方面的应用主要有脑刺激和深部脉冲磁刺激。
其中，脑刺激是利用强磁场作用于大脑皮层，通过形成刺激电影（EEG）来研究脑功能，而深部脉冲磁刺激则是用于刺激人体深部组织，诊断和治疗一些复杂的疾病。
2.医学影像生物电磁学在医学影像上的应用包括磁共振成像（MRI）和功能性磁共振成像（fMRI）。
其中，MRI是一种通过强磁场和无线电波来制造图像的方法，可被应用于诊断多种疾病，例如肿瘤、心脏病和神经系统疾病等；而fMRI则是研究大脑功能相当重要的方法，它可以显示大脑功能区域，人们可以通过监视这些活跃区域来了解大脑响应刺激的方式。
3.治疗生物电磁学在治疗方面的应用主要包括磁疗和超声治疗。
第四节 生物电磁学
§4 生物电磁学
§4.1 电磁学的基本理论 §4.2 生物电现象 §4.3 生物电位 能斯特方程 §4.4 静息电位和动作电位 §4.5 细胞组织的电特性 §4.6 细胞电泳 §4.7 生物磁场
§4.1 电磁学基本理论
库仑定律 电荷的量子化：任何带电体所带的电量只能 是电子电量e 的整数倍,即Q = ne ( n是整数)。 库仑定律： 在真空中两个点电荷之间的相互作用力的大小 与它们之间所带的电荷量的乘积成正比,与它 们之间的距离平方成反比；作用力的方向沿着 它们之间的连线；同号电荷相互排斥, 异号电 荷相互吸引。
圆线圈轴线上任一点 2 0 IR i B 3 2 2 2 R x 2
载流长直导线
0 I B cos 1 cos 2 4 a
x0 B
0 I
2R
方向与电流方向成右手螺旋
无限长载流 长直导线 B
0 I 2 a
方向与电流方向成右手螺旋
运动电荷的磁场
由毕奥-沙伐尔定律 直导线上的电流元I dl 所产生的磁感应强度 小 B 的大
电势差和电势
电势能 类似于重力场，对静电场引进电势能的概念: 静电场力对 q 所做的功等于 q0 的电势能的 0 减少量:
E pa E pb Wab q0 E d l
a
b
电场中a、b 两点的电势差为
U ab U a U b
E pa E pb q0
Edl
q
E 2 0
当 0 时，场强方向垂直指向两侧 当 0 时，场强方向从两侧垂直指向平面
静电场的环路定理、电势
静电场的环路定理 在点电荷q 产生的电场中， 试探电荷 q0从a 点运动到 b 点时电场力做的功为
生物电磁学与应用
生物电磁学与应用生物电磁学是指研究生物体与电磁场的相互作用，从而探索电磁场如何影响和调控生物系统的功能和代谢。
生物电磁学的研究领域非常广泛，包括电磁场对人体健康的影响、电磁刺激对神经系统的调控、生物电现象的机理及其应用等等。
在当今科技飞速发展的时代，生物电磁学的研究和应用也越来越成为一个备受关注的领域。
对于电磁场对人体健康的影响，长期以来就是一个备受争议的话题。
普遍认为，高强度电磁场对人体健康有一定的威胁，它可能引起人体内部的细胞、组织和器官产生电压和电流，进而影响人体的神经、心血管和免疫系统等。
调查研究表明，长期接触高强度电磁场会增加患癌症和其他许多疾病的风险，而低剂量电磁场的健康效应则尚未明确。
然而，在一些特定的情况下，电磁场也可以被利用来改善人体健康。
例如，生物电磁学在医学领域中的应用，已经取得了许多令人瞩目的成果。
对于神经系统疾病的治疗，脑功能重建等方面，生物电磁学技术的应用已经得到了越来越多的关注。
例如激光刺激和放电刺激可以改善脑损伤的功能，和其他治疗方法相比，减少治疗副作用。
另外一些应用领域包括骨折愈合，伤口愈合，嗓音恢复，雄激素分泌，等等。
生物电磁学的应用越来越多，也则有助于改善人体的生理和代谢功能，提高生命质量。
在实现良性应用的基础上，生物电磁学给科学家在探究人体功能方面提供了一个新的工具。
在神经科学领域中，生物电磁学将神经元的反应和导电机制等变化与人体的认知、行为相关的活动联系起来，为神经元的研究提供了新的方法。
然而，鉴于电磁场对人体健康的影响及应用值仍存在许多未知，科学家和医生仍需要更加系统和精确的研究。
人们可以长时间暴露于电磁场，以获得更完整的认识。
这样的实验需要确保测试的安全性，排除其他可能干扰试验的因素，如：“明天它会怎么样”或“我会对电磁场产生反应吗”。
人们需要对生物电磁学进行深入的研究，以便更好地了解人体的生理功能和疾病之间的关系。
我们现在已经了解到电磁场对人体健康和行为的影响程度，也为改善人体健康和生活方式提供了新的方案。
生物电磁学的研究进展与应用
生物电磁学的研究进展与应用生物电磁学是研究生物体内的电磁现象及其与生命过程之间的关系的学科。
自从鲁米尼茨的细胞膜模型提出以来，人们越来越关注生物体内的电生理学和生物电磁学现象。
我国也开始了生物电磁学的研究，生物电磁学的研究进展与应用逐渐展现出丰富的内涵。
一、生物电磁学基础研究1、细胞膜电位细胞膜电位是细胞内外电荷分布的差异。
通过细胞膜离子通道对离子流进行调节，产生了与刺激质量和时间长度相关的去极化、复极化和超极化等电位变化。
生物电磁学的基本研究可以探究细胞膜电位的产生、变化和调控机制。
2、电离辐射与生物体电离辐射的生物效应研究已经持续很长时间。
电离辐射可以通过产生自由基导致DNA、RNA及其相关蛋白质发生损伤、突变等变化。
电离辐射的生物效应是生物电磁学研究中的一部分。
3、生物电磁场与生命现象生物电磁场是表现为动物和人体生物电生成与传播过程的磁和电场。
近年来，生物电磁场与生命现象之间的研究浮出了水面。
其重要性在于生物电磁场与生命两者之间的内在联系，为科学家提供了探索人体内在机制的路径。
二、生物电磁学的应用1、磁共振成像磁共振成像是一种医学成像技术，采用强磁场与高频磁场共同作用的方法来获取图像。
磁共振成像的发布与普及，重塑了现代医学的面貌。
2、电刺激疗法电刺激疗法是利用电流刺激人体神经和肌肉组织，以达到治疗目的。
电刺激疗法可以用于中风、痛经、过敏等症状的治疗。
3、脑机接口技术脑机接口技术（Brain-Computer Interface）通过测量大脑活动电位、生物磁场和脑波等，提供了一种可以与大脑直接交互的手段，主要应用于康复和辅助医疗。
4、电磁辐射工业生产电子工程技术的飞速发展，使得电子器件的品质、功能越来越优越。
在电子工程中，电磁辐射被广泛地应用于通讯、雷达、无线电、卫星等各个方面。
生物电磁学在其中发挥着不可替代的作用。
总的来说，生物电磁学研究的进展和应用对于揭示生命过程和改善人类生活条件具有很大的价值。
生物电磁学的理论和应用
生物电磁学的理论和应用近年来，生物电磁学领域的研究正在逐渐走进人们的视野。
作为一门交叉学科，生物电磁学将生物学、物理学、电子学、医学等多方面知识相结合，在生物体中研究电磁场的作用、机理和应用。
理论基础生物电磁学研究的基础是生物体内的生物电现象。
生物体内存在着一系列电位差，例如神经元之间的电化学传递、细胞内外电位差的变化等。
这些电活动产生的电磁场是生物电磁学研究的重要对象。
另外，生物电磁学还涉及电离辐射、电磁波、静电场等方面的理论，这些理论对于研究电磁场与生物体相互作用的机理和影响具有重要意义。
应用领域生物电磁学的应用领域很广泛，其中最为广泛应用的领域是医疗领域。
生物电磁学在医疗领域的应用主要包括：1. 诊疗：生物电磁学常常被应用于神经和肌肉疾病的诊断和治疗。
例如，神经电生理检查可以帮助医生了解病人神经传导速度、信号强度等情况，帮助诊断各种神经病变。
2. 物理疗法：生物电磁学中的物理疗法主要采用一些高频电磁场，例如超声波、瞬变电磁场进行治疗，有利于促进软组织、骨骼和创伤的愈合，缓解疼痛等作用。
此外，生物电磁学在动物学、植物学、生态学等领域也有广泛的应用。
例如，电感植株抗冻、辐射治理等应用，都与生物电磁学有关。
挑战和展望生物电磁学的发展仍然面临挑战，尤其是在信号检测、仪器研制等方面仍有很大的发展空间。
此外，研究生物电磁场与生物体的相互作用机理并不容易，目前仍存在很多未解之谜。
未来，生物电磁学的发展将更加注重理论与实践的深入结合。
随着技术的不断进步和突破，电磁场的监测、计算以及处理方法将会不断优化，为生物电磁学领域的研究带来新的突破和发展的机遇。
生物电磁学技术在脑神经疾病治疗中的应用
生物电磁学技术在脑神经疾病治疗中的应用随着现代医学技术的不断发展，人们对于脑神经疾病的治疗也在不断地进行研究。
而作为一种非侵入性的物理疗法，生物电磁学技术在此领域也逐渐得到人们的关注和认可。
下面将就生物电磁学技术在脑神经疾病治疗中的应用进行探讨。
一、生物电磁学技术的概述生物电磁学技术是指运用特定频率、强度和时间的电磁场，对人体进行非侵入性的治疗，以促进人体自身的修复和再生。
生物电磁学技术的理论基础是电生理学和生物电磁学，主要包括两种类型：一是低频电磁场治疗技术，另一种是高频电磁场疗法。
低频电磁场治疗技术主要是依靠弱电场产生的诱导电流来对人体组织进行治疗，从而改善人体的生理功能和代谢过程，达到治疗的效果。
而高频电磁场疗法则基于交流电现象，利用高频电能对人体组织进行直接作用，促进血液循环、代谢功能和细胞增殖，从而起到治疗作用。
二、生物电磁学技术在脑神经疾病治疗中的应用1、神经系统疾病的治疗生物电磁学技术在神经系统疾病的治疗中，主要是依靠低频电磁场治疗技术。
低频电磁场治疗技术可以通过改善神经细胞的代谢状态，增强神经信号传导，从而促进神经的修复和再生，达到治疗的效果。
临床应用中，低频电磁场治疗技术主要应用在帕金森病、帕金森综合症、脑血管病、面瘫、神经性耳聋等多种神经系统疾病的治疗中。
例如，在帕金森病的治疗中，低频电磁场治疗技术可以通过改善神经元的兴奋性状态，促进神经元的再生和修复，从而减少病症的发作次数和程度。
2、抑郁症状的治疗抑郁症是一种常见的心理疾病，也是目前最难治疗的一种精神障碍。
而生物电磁学技术在抑郁症的治疗中，也取得了一定的成效。
近年来的研究表明，生物电磁学技术在抑郁症的治疗中，主要通过高频电磁场疗法来发挥作用。
高频电磁场疗法可以通过改善脑神经系统的生理功能，调节神经激素的分泌，从而起到对抑郁症状的改善作用。
3、脑卒中康复的治疗脑卒中是一种常见的神经系统疾病，而脑卒中后的康复治疗也是治疗中十分重要的一个环节。
生物电磁学技术在医学和生命科学中的应用
生物电磁学技术在医学和生命科学中的应用生物电磁学技术是指在医学和生命科学中使用电和磁的技术，以探索生命现象，研究疾病诊断和治疗等方面。
生物电磁学技术主要包括生物电学、磁学、超声学、光学等技术，这些技术有很多应用在医疗领域中。
本文将就其中的一些应用进行介绍。
1. 生物电学技术在医学中的应用生物电学是研究生物体产生、传导和应用电信号的学科。
生物体中存在着很多种生物电信号，比如脑电、心电、肌电等，这些信号可以反映出生物体内部的生理和病理状态。
因此，生物电学技术在医学领域中应用广泛。
脑电图（EEG）和心电图（ECG）是生物电学技术中最常见的应用之一。
脑电图可以通过记录头皮上的电信号，反映人体大脑的电活动情况，从而对神经系统疾病的诊断和治疗提供帮助。
心电图则可以记录心脏的电信号，判断心脏的功能状态和心律是否正常。
除此之外，生物电学技术还有一些新的应用，比如脉冲电疗、神经刺激技术等。
脉冲电疗可以用来治疗慢性疼痛、神经病、肌肉萎缩等疾病；神经刺激技术可以治疗帕金森病、癫痫、抑郁症等神经系统疾病。
这些技术的应用，大大拓宽了生物电学在医学中的应用。
2. 磁学技术在医学中的应用磁学是研究磁场及其与物质相互作用的学科。
磁学技术在医学领域中主要应用于磁共振成像（MRI）和磁治疗。
MRI是一种非侵入性的成像技术，可以通过磁场和无线电波的作用，获取人体内部的结构信息，用于疾病的诊断和治疗。
MRI成像无放射性损伤，且能够提供更好的分辨率和对软组织的成像，已经成为医学领域中最常用的成像技术之一。
磁治疗也是磁学技术在医学中的应用之一。
磁治疗可以用于治疗骨折、关节炎、皮肤疾病、疼痛等疾病。
通过对人体组织施加磁场，可以促进细胞的再生和修复，加速伤口的愈合。
3. 超声学技术在医学中的应用超声学技术是利用高频声波与人体组织相互作用，进行成像、检查、治疗的一种技术。
其中，超声成像（US）应用最为广泛。
超声成像是一种非侵入性的成像技术，可以通过超声波的反射和回声，获取人体内部的结构信息。
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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 electromagnetismAbstract：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，伴随着生物电的变化，这些生物电的变化称为心电。
心脏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电流，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。
其随时间的变化曲线称为心磁图（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，被称作事件相关电位（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1.0ms。
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，比如大于lO mw/cm2时)，也可能产生非热效应。
这里说靶系统所作的非热效应响应，是整个系统一致的或同步调的响应，这就叫相干性．只有这种相干性才使响应具有非线性特征。
(3)“窗口”特性。
生物靶系统只对住特性上或作用方式上符合一定条件的一种或一组电磁波作非热效应响应．而不对其他电磁波作响应的效应叫“窗口”效应。
有人还发现了“时间窗”。
例如：用人的淋巴细胞为材料，以不依赖cAMP的蛋白激酶活性为指标，用16Hz调制的450MHz，1．Omw／cm2的电磁场照射发现，15～30 min后酶活性急剧降低，45～60min后又回到对照水平。
(4)协同性。
如上所述，触发非热效应的外加电磁场刺激可以是很微弱的，但激发的生物响应却是很强大的。
这额外的能量显然是来源于生物体自身，亦即生物体内一定存在某种机制或者某种装置，在它的协同下非热生物效应才能产牛。
这在一定程度上，就像神经肌肉系统对环境刺激所产生的反射弧过程相类似m。
(5)非热特性。
从上述非热效应的定义可知，外界电磁场不是被靶生物体吸收后转化为热使温度升高来产生生物效应的，而是通过该生物体温度升高的热作用以外的方式来产生生物效应的。
产生这类生物效应的电磁场强度可以很弱，以致可以低于热噪声。
如果电磁场强到可以产生热效应，那么由于它也同时产生非热效应而使总效应更强。
(6)阈值特性。
引起非热效应的电磁场刺激既然只起触发作用或板机作用，它只需要能引发靶系统中协同装置产生协同作用那个强度即闽强度就可以了”1。
大丁阈值并不会得到什么额外的响应。
电磁场非热生物效应机理热效应的机理是较好理解的，然而大多数情况下，生物体更多的是暴露于更低强度的电磁场中，许多理论提m了低能量级电磁波对生物组织存在非热效应。
针对一些经典的连续电磁场非热生物效应，已经提出的比较成熟的理论主要有：(1)粒子对膜的穿透理论。
正常情况下，细胞内外维持约有70 mV的静息膜电位，从而形成势垒。
而膜两侧的离子浓度与势垒高度有一定的关系，离子出入膜必须穿过这层势垒。
当连续电磁波照射时，会在膜上产生一附加电位，从而使势垒发生变化，改变了膜的通透性。
这一理论很好地解释了微波可以改变粒子对膜的通透性这一非热效应，但它仅是在细胞的水平上进行研究的。
(2)生物系统的相干电振荡理论。
生物组织内存在有1010~10”Hz的相干电振荡，振荡偶极间存在有远程的、有选择性的相互吸引作用，相干电振荡的最低简正模式由生物新陈代谢能强烈地激发，不同的分化细胞其振荡频率不同。
当用十分接近生物体频率的微波照射时，将引起谐振，牛物体对微波会产生特异性吸引，从而影响相关的生物活性。
目前这一理论能较好地从生物大分子水平上解释“频率窗”效应的出现，但其生物标靶不明确，理论也有些粗糙。
(3)射频能量的谐振效应理论。
该理论引入了极限环的概念，认为无干扰时，生物体将维持稳定的极限环振荡。
当微波照射时，外界的电磁场作为，种周期性的策动力．会引起非线性的谐振效应，并且振动频率表现出对外界电磁场频率和强度的依赖性。
此理论可以较好地解释“频率窗”和“功率窗”效应的出现，但它是以生物体这一大系统为研究对象的。
(4)跨膜离子的回旋谐振理论。
细胞膜上存在⋯蛋白质通道，外部电磁场对穿过通道的钠离子、钙离子施以电场力和洛仑兹力的作用，从而改变r离子的通透行为。
此理论预言了离子在跨膜过程中的谐振行为及存在一组呈量子态的固有本征频率，这些预言都已为实验所证实，说明它是比较成功的。
但它只局限于细胞膜的研究上，只适用十低频或极低频调制的微波．未考虑调制频率对计算模型的影响。
(5)自由基假说。