生物医学工程学的基础理论

? 从科学发展史可知，对生物体内电现象的深入研究， 开始于意大利的医生、生理学家 伽伐尼与同时代的 物理学家 伏特 间的一场著名争论。
– 1678年荷兰生物学家斯威莫尔登用蛙的肌肉做实验，他把 肌肉放在玻璃管内，用一根银丝和一根铜棒去触及肌肉， 可引起肌肉的收缩活动。
– 伽伐尼于1791年发表了《肌肉运动中的电效应》，提出： ①一块蛙的神经-肌肉标本，即使放在离放电的静电区很 远的地方，当观察者触及它时，也会发生收缩。②在雷电 时刻竖立一条长的导线，那么大气的电荷也可用来刺激蛙 腿。③当将蛙腿用铜钩挂在铁栏杆上时，即使没有雷电， 也会产生收缩。
生物医学工程学基础理论
生物电磁学 超声医学
生物电磁学
戴启军 生物医学工程系
生物电磁学
? 生物电磁学 是研究生物体的电现象和磁现象 以及生 物电磁的应用 的一门学科。
? 生物电磁学是建立在膜生物物理学基础之上的侧重 于从宏观角度研究生物电现象和生物磁现象。
? 现代生物电磁学 在很多方面都已深入到细胞级甚至 是分子级的研究水平。
? P波代表左右两心房兴奋除极过程所产生的电压变化。 P-R 期间代表心房开始除极传经房室结、希氏束至心 室开始除极前的时间。 QRS 综合波代表室间隔与左 右两心室除极过程产生的电压变化。 ST 段代表心室 除极后慢慢恢复极化过程的电压变化。 T波代表心室 肌迅速恢复极化过程的电压变化。 U波是在T波后的 一个很小的正向波，代表心肌激动的“负后电位”。
? 心脏传导系统包括窦房结、结间束、房室结、房室束（希氏 束）和其分支以及分布到心室内的浦肯野纤维网。
? 正常心脏兴奋的起源点在窦房结。
? 心脏是人体中血液循环的动力源泉，依靠心脏有节 律性的搏动，使得血液不断在体内循环，以维持正 常的生命活动。
? 哺乳动物的心脏活动 可概括为两个过程：①心房收 缩推动血液进人心室，由房室瓣膜控制血流流动方 向。②心室收缩推动血液进人主动脉和肺动脉，血 液流动由半月瓣和肺动脉瓣控制。
– 伏特和伽伐尼的争论促使他们各自的派别进行 进一步的实 验，以此验证自己论点的正确。
? 伏特采用一组铜板和一组锌板，中间用盐水浸过的呢绒隔开，由 于不同金属与电解质相接触，产生了电动势，制造出了世界上第 一个直流电电池——伏特电池，这也是科学史上的一个重大发现。
? 伽伐尼为了验证自己的观点，舍去金属作为通路，他发现，在无 金属参与的情况下，神经肌肉标本上的肌肉仍可发生收缩现象， 这就有力地证明了生物电的存在。
? 心脏在搏动之前，心肌首先发生 兴奋，在兴奋过程 中产生微弱电流，该电流经人体组织向各部分传导。 由于身体各部分的组织不同，各部分与心脏间的距 离不同，因此在人体体表各部位，表现出不同的电 位变化，这种人体心脏内电活动所产生的表面电位 与时间的关系称为心电图，也称 体表心电图 。
心脏兴奋与相应的心电图波形
主要内容
一． 生物电及生物电的发现 二． 生物电现象 三． 电磁波在医学中的应用 四． 微波的生物效应 五． 毫米波生物学效应 六． 生物磁场现象 七． 生物电磁剂量学和电磁辐射的安全标准 八． 生物电磁场热点问题
生物电磁学
生物电 生物电的发现
生物电
? 生物电现象是“生命的火花” 。一旦生命活动停止， 电现象也就消失了。
– 现代医学临床和研究已广泛使用心电图、脑电图、肌电图、 胃电图、眼电图等来记录人体各部分器官的生物电变化。
– 研究生物电现象的生理学被称为电生理学。
生物电现象
? 心电 ? 脑电 ? 肌电 ? 其它生物电 ? 多道生理记录仪
Байду номын сангаас
心电
? 心脏的传导系统系指由一系 列特殊心脏细胞联结组成的 传导系统，这些细胞组织既 有自动产生兴奋的功能，又 有较一般心肌细胞更快的传 导功能，这样使兴奋有节律 地按一定顺序传播，使心脏 保持正常的有节律的收缩和 舒张，以维持血液循环。
生物电磁学
生物电现象
生物电现象
? 人体和动物组织在静止状态和活动状态都会产生与 生命状态密切相关的有规律的电现象，它是生物体 兴奋的重要标志，也是活组织的基本特征之一。
– 心脏的跳动，肌肉的收缩，大脑的活动等所体现的电活动 都与单个细胞的电活动有关。
? 人体内各部位产生的瞬时电位差，可以揭示出体内 电活动的某些特性。
生物电磁学的研究范围
? 外界电磁波（场）与生物体的相互作用
– 主要包括生物组织的介电特性、各层次的生物学效应及其 作用机理、生物电磁剂量容许暴露限值、生物医学中的应 用及用于生物和医疗的辐射系统等。Bioelectromagnetics
? 生物体自身产生的电磁现象
– 主要包括电磁现象的产生机理，电磁信号的测量、处理和 应用等。 Bioelectromagnetism
– 正常的生物电活动是生物和人体保持生命功能必不可少的 条件。若由于机体内部或外界原因造成生物电活动障碍， 如神经中毒、心电传导阻滞等，会引起疾病甚至死亡。
? 生物电的主要基础 是细胞膜内外有电位差，即 膜电 位。生物电现象是生物系统内一种普遍的 共有现象 。
? 生物电的测量
– 宏观测量，如脑电、心电和肌电等。 – 微观测量，利用微电极技术测量到单个细胞的电活动。
– 伽伐尼将这些现象发生的原因归之于标本中带有 动物电。 他认为，神经与肌肉带有相反的电荷，而金属导体的作用 仅是把神经与肌肉之间的通路接通而已。
– 伏特认为，伽伐尼实验中发现的所有能使蛙肌肉收缩的实 验都是由于双金属电流所引起的。他认为只要具备三件东 西，即两种不同的金属以及完成电路的导体就能产生电流 。 由于伽伐尼连接标本所用的金属性质不同就可以产生电位 差，而神经肌肉上的组织液体是含有电解质的。因此，用 金属与组织液接触时就产生了电流，蛙肌肉只充当了电路 的导体。伏特认为伽伐尼实验中所发生的现象，是外加电 流刺激了肌肉标本，才引起肌肉收缩。
生物电的发现
? 人类很早就发现了生物体的电现象。
– 早在公元前300多年前，古希腊人亚里士多德记载了地中 海电鳐有强烈的“震击”作用。
– 以后的资料陆续记载了非洲尼罗河内的电鲶和美洲的电鳗 等都具有发电器官。
– 早在公元一世纪，古罗马的医生就曾用 电鳗的放电来治疗 痛风。
? 人类关于生物电现象的系统研究，就起源于 伽伐尼 与伏特的有益争论。