生物电磁学

四、磁疗
●利用磁场治病，我国已有两千多年的历史。利用磁场的生物效应， 已制成多种磁疗仪器。简单的有磁石穴位粘帖胶布、磁化水杯、磁枕、 磁性腹带等。 特点：安全、方便、无痛苦。 依据：中医经络理论，在人体经穴处施加磁场。 作用：活血化淤、镇静止痛、消肿消炎、安神降压等。 疗效：高血压、神经衰弱、各种疼痛性疾病乳肌劳损、扭挫伤、骨质 增生、类风湿关节炎等。
三、 机体与外磁场的相互作用 1、感应电动势： 生物（带电）体在磁场中运动所致。 分子极化——电荷再分布； 带电粒子迁移——传导电流； 2、洛仑兹力： 磁场中，带电粒子改变原来的运动方向。 化学物质内部再分布。 3、磁化： 具有固有磁矩的永磁偶极子、磁性微粒、正负离子、自由基等受 磁场力矩作用产生磁化。 沿外磁场取向（离子转动、改变分子键角） 4、磁力： 使具有固有磁矩的微粒产生位移。导致化学物质的扩散和积累。
脑磁图检测分类： ①自发性脑磁场： α波；癫痫性棘波。 ②诱发性脑磁场：体感意识、听觉、视觉等诱发磁场。 ③内因性脑磁场：意识、随意运动前主观设想、抽象思维。
优点： 不受组织电阻的影响； 无损伤； 对脑内兴奋部位推断有独特性
脑磁图蓝色区为癫痫灶
超导量子干涉仪
（Superconducting Quantum Interference Device,
磁场类型：恒定磁场、旋转磁场、脉冲磁场、交变磁场等 研究内容：磁场类型、磁场强度、作用部位、治疗时间等
五、心磁场与心磁图 (Magnetocardiogram)
●心肌的兴奋→心脏电场→体外（心）磁场。 在体外测定胸部周围磁场变化，记录下来就是心磁图。 心磁图与心电图一样，用P波、QRS波群、T波、和S－T段命名
●心磁图与心电图比较：心磁图是非接触性的记录法，SQUID磁强 计装置体积大且价格昂贵。
六、 肺磁场
●多数粉尘具有磁性：肺内积蓄的粉尘在外部 强的恒磁场下将被磁化。 ▼把外加恒磁场撤去，肺内被磁化的粉尘产生 的附加磁场仍然存在，经测定可推测粉尘的量 和分布情况。
●探测方法： ▼用工频消磁器使肺部污染的强磁性物质去磁， 诸点测量作第一张肺磁图 ▼施加一均匀磁场使污染物质磁化，做第二张 肺磁图； ▼两张肺磁图对应点数据相减，得第三张肺磁 图即为强磁性污染剩余场在肺中的分布图。
又称SQID磁强计) 灵敏度达 10-15 T 组成： ①SQID本身被封在一个超导屏蔽的小盒内， 可对干扰磁场进行部分屏蔽； ②检测线匝，用来探测磁场； ③杜瓦瓶，内盛液氦。
思考题
1、蛋白质、DNA和生物水的电特性（偶极矩） 2、理解细胞静息电位和动作电位的产生 3、为什么说细胞具有电阻和电容的特征 4、人体生物磁场的来源
●诱发电位： 由外界诱发（电、光、声等刺激）引起 脑电位的变化（经头皮引出0～10μV)
脑电图
四、细胞的电参量
a
△x
L
2πa
+++++ +++++++++++ +++++++++
△x
— — — — — — +
r 2.5 m 1013 1014 cm2
The cell membrane as an RC circuit
电离辐射 直接作用 生物体分子激发电离 原始创伤 分子内能转移 生物自由基 1、加成反应： OH• 和H•对DNA分子碱基亲和力较大，造成核酸碱基损伤 2、抽氢反应：（氧化性） OH· 易从生物大分子中抽取一个 H ，造成DNA连断裂 3、电子俘获：（还原性） eaq- 攻击 导致—S—S—断裂，引起蛋白质、酶失活 DNA和膜是 射线的靶， 是引起细胞 变化的关键 间接作用 DNA周围物质(水)激发电离 扩散自由基 与生物分子作用 化学阶段
10-11~1s
物理阶段
10-18~10-11s
生物电磁学 (Bioelectromagnetism)
●用电磁学理论和方法研究包括电离辐射、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、规律以及应用的学科 生物电磁性质（产生机制、理化性质和时空变化规律）
电磁场的生物效应
§1—1 生物电特性
体内电荷形式： 离子、离子基团、电偶极子
蛋白质——构成成分氨基酸 在水中离解成离子基团或电 偶极子 DNA——碱基和磷酸酯存在 离子基团和电偶极子 生物水——电偶极子 组织液——无机离子 K+ Na+ Ca2+ Cl- 等
一、蛋白质和DNA的偶极矩 1、蛋白质的偶极矩 （电磁作用靶点）
氨基酸靠肽键联结聚合成多肽链
◆
神经细胞的电传导
轴突 树突
五、生物电阻抗
1. 不同组织导电性能差别大： 人体外层是导电能力很差的皮肤,内部有导电能力较强的体液。 各组织的含水量、含离子量和结构特征不同，电阻率不同。 人体组织的直流电阻率（ Ω·m） 组织 脑脊液 血清 血液 神经 肝 电阻率 0.555 0.714 1.85 25.0 80.0 组织 脑 脂肪 湿皮 干皮 无膜骨 肌肉 电阻率 107 10.8×102 38.0 ×102 40.0 ×103 20.0 ×105 90.0
七、脑磁图 (Magnetoenceghalogram) ☻脑电 神经活动联系着体内复杂的信息处理系统，支配着从运动、体感、 听觉、视觉等基本功能，到语言、情感、思维等高级功能。
☺微弱的电(磁)信号有波形、幅度、能量、频率、相位、频谱等特征， 与特定的正常和异常生理活动过程相对应。
●脑磁图是脑神经细胞的生物电流产生的磁场，在头部表面的检测结果。 测量的是体内神经电流源引发的瞬间磁场。
Z V Z V
◆ 电疗
外加各种频率的电流，可以影响体内的生理功能。
Effects of Frequency on Neuromuscular Stimulation
对电流强度的反应（50Hz) 1mA 刺激感（麻木）； 强烈麻刺感； 手难摆脱电源；
2—7mA
+ －
8—10mA
20—25mA 不能自主、呼吸困难； 25—80mA 呼吸肌痉挛、心室纤颤 对频率的反应
●大量细胞组成的生物组织——生物电信号源。 ●在体表检测电位的变化，可以反映体内的生理功能。
心电图导联
零电势点的确定
心电导联：以单极导联法为例
2cos600cos(1800+θ)= －cosθ
4、 脑电的产生
●大脑皮层有数以亿计的神经元组成，神经元具有生物电活动，大脑皮 层经常具有持续的节律性电位的改变，称为自发脑电活动。 用电极在头皮上观察皮层的电位(10～100μV)变化，记录到的脑电波称 为脑电图。
二、人体磁场
生物组织、器官、细胞等存在很微弱的磁场。产生原因：
①变动磁场：生物电荷运动产生。细胞膜内外的离子运动的生物电流产生 的磁场；如心磁场 10－11 T ，脑磁场 10－12 T
②定常磁场：自然界含有铁性成分及某些磁性物质(如Fe3O4 粉尘等）经 呼吸道吸入或经消化道食入人体内而形成的磁场；10－8 T ③感应磁场：生物磁性材料（如肝、脾）在外磁场的作用下产生的磁场; ④诱发磁场：在外界刺激下产生诱发电位，引起诱发磁场。如诱发脑磁场 10－13 T
C-G 6.2D 平均寿命 10－11 s A-T 5.9D
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水 1.84D

三、细胞电活动基础（组织液中的带电离子）
●人体任何细微的活动，都伴随着生物电的产生和变化 ●生物电是以细胞为单位产生的。 1、 细胞静息电位 细胞膜内外存在电位差，称为膜电位。 ⑴ 细胞膜——脂双层
磷酸头 （亲水性） 甘油酯尾
2. 人体电阻抗与电流频率有关：
人体可看成是一个电解质电容器和电阻的并联电路。 直流在细胞间隙流过；交流可通过细胞间隙和细胞
人体肌肉组织电阻率与频率的关系 频率 电阻率 0 90 100Hz 9.1 10kHz 7.7 10MHz 2.0 10GHz 0.8
3. 人体组织的电特性
4. 人体电阻抗的测量
§1—2 生物磁现象
生物磁学的研究内容包括两部分：
①生物机体自身或被诱发产生的磁场——诊断；
②磁场引起的生物效应——治疗。
一、生物材料的磁性
●人体中所含元素：碳、氢、氧、氮、硫、磷、氯、钠、钾、钙、镁、 铁等和一些微量元素。其中多数有顺磁性（3d 或 4d 族的过渡离子）。 蛋白质、酶和自由基均为顺磁性 ●占人体70%的水具有弱抗磁性。 ●极少数材料为铁磁性
（疏水）
磷脂分子
⑵
静息电位
u
半透膜
能斯特方程
KCl
式中k为玻耳兹曼常数；Z为离子价数。
2、 细胞的动作电位
● 细胞受到刺激时，膜电位发生突然变化，即动作电位。
●跨膜电位差形成的原因： ①膜内外各种离子分布不均匀——不对称性；
②膜对各种离子具有不同的通透性——选择通透性；
③离子间存在静电相互作用——离子浓度和功能不同。
3.8D
原子中心不重合 使肽键呈现极性
带电原子的相互作用 维持空间构型
2、DNA的偶极矩
DNA由核苷酸分子构成，核苷酸两端的基团都是 极化的，具有一定的电偶极矩。DNA中每一个碱 基都具有一定的电偶极矩.是电磁作用的靶点 二、生物水的电特性 水分子具有很强的偶极性；能与其它离子或生物 大分子之间以氢键相联系，决定其构象和功能
3、 心电的产生 ①电偶极子的形成 P = ql
刺 激
一个偶极子在体表某点的电位：
② 心电向量 部分心肌细胞偶极子的电位：
瞬时心电向量：
③ 心电图
●人体组织是容积导体，心肌细胞 兴奋时，心电偶形成心电场，使 人体体表各点均具有一定的电位 用心电图机记录下随心动周期而 变化的电位差波形即为心电图。