第二节_生物物质的磁性和生物磁场

SQUID systems
记录设备工作在 液氦所造成的200℃的低温下
心磁信号只有地 球磁场1/10-12。
这来自百度文库仪器全世界 也没有几台，中
国拥有
心磁图仪：无创伤检测技术，操作简便、可靠安全。病人只需平卧在床上，无需移动、不需注射 任何药物，通过探测心磁信号诊断冠状动脉有无缺血及其严重程度，灵敏度高达95％以上。
hn
No magnetic field
E= ħB0
Energy
mI =1/2 Ea=-1/2(ħB0)
共振吸收
B0
核磁共振
hn=ΔE= ·ħ ·B0
n=
B0 2
核磁矩不为零的核在磁场中能级分裂，对 高频辐射产生共振吸收的物理现象
核磁共振技术
在射频脉冲停止后，自旋系统已激化的原子 核，不能维持这种状态，将回复到磁场中原来的排 列状态，同时释放出微弱的能量，成为射电信号， 把这许多信号检出，并进行空间分辨，就可以得知 构成这一物体的原子核的位置和种类，据此可以绘 制成物体内部的精确立体图像.
第二节 生物物质的磁性和生物磁场
过去人们普遍认为，宇宙空间是什么都没有 的绝对真空。现在知道，小至原子、原子核和基 本粒子，大至太阳和其它天体，到处都充满着或 大或小的磁场。生物和人体也具有磁性。
生物分子、细胞、 组织或器官所具有 的磁性和其产生的“生
物磁场”.
生物磁怎 么产生？
内容
一、生物磁性的来源 二、人体和周围环境磁场强度的比较 三、微弱磁场检测方法技术 四、生物和人体磁场
用磁强计定期检查肺磁场的强度，做出随时间的衰减曲线，从 而可以知道肺的自清除能力。
每天吸一包烟的人的肺，一生中至少比不吸烟者的肺多吸入5kg的毒性颗粒! 会毒死巨噬细胞, 使肺对传染和其它污染物更加敏感。
15N 1/2 20.265 50.644 60.796 81.062
共振频率相差很大 31P 1/2 80.961 202.404 242.884 323.846
23Na 3/2 52.902 132.256 158.706 211.610
三、微弱磁场检测方法技术
磁屏蔽 一阶径向磁场梯度计 超导量子干涉仪
磁屏蔽
将一个铁壳放在外磁场中， 则铁壳的壁与空腔中的空气 可以看成是并联的磁路。由 于铁壳磁导率为空气磁导率 的上千倍，所以空腔的磁阻 比铁磁壁的磁阻大得多。这 样一来，外磁场的磁感应通 量中绝大部分沿着铁壳壁内 “通过”，“进入”空腔内 部得磁通量是很少的。
对单层球形屏蔽体，屏蔽效果：
S 1.3t / d
其中μ为磁导率，t为屏蔽体的厚度，d为屏蔽体平均直径。
铁磁材料的磁导率越高，屏蔽体厚度越大，容积越小，屏蔽效 果就越好。层数越多，越好。
赫尔辛基附近 的低温实验室
世界上最好 的磁屏蔽室
7千公斤磁屏蔽材料，同时屏蔽低、高频噪声干扰。 检测人体的固有磁场。 科学研究，磁场对细菌生长的影响。
一阶径向磁场梯度计
磁通—电压转换器件，利用超导量子隧道效应。 可以分辨相当于十亿分之一的地磁场变化，广泛用于科学研究。 可接收到脑和心脏产生的微弱的生物磁信号，诊断心脑病变， 装在飞机甚至卫星上，大面积地探测矿藏的分布。
北大物理系和中科院物理所研制的 工作于液氮温度下的SQUID（0.5× １０-５高斯 ）。
核磁共振技术
对粉尘环境下作业的工人进行劳动卫生检测，随 时了解工人肺部受污染地情况，可估计出一些工人发 生职业病的危险程度，以便及早采取防护措施。
2、可望成为尘肺性职业病的早期诊断手段
用X-射线影象诊断铁尘肺等疾病，只有当肺部发生 明显的物理变化（纤维化条纹）时才能检查出来。
发生了不可恢复的病变，肺泡已经持续性损伤、 细胞外基质反复破坏、修复、重建并过度沉积
三、微弱磁场检测方法技术
近年来，国内外对微弱磁场检测技术的研究有了迅速发展。 超导量子干涉装置，分辨率可达10-11高斯(人体磁场在10-8-104)，可用于医学检测和科学研究。 一阶径向磁场梯度计，主要是用来测量磁场梯度的仪器。 磁屏蔽，目前常采用的技术有铁磁屏蔽、交流屏蔽。 磁场测量仪与磁屏蔽技术结合可以大大地提高测量的分辨率。
利用核磁 共振成像技术 可以诊断人体 异常组织，判 断疾病.
原子核 自旋 自旋角动量 电荷 自旋磁矩
Angular momentum
J
X
r
mv
宏观
J 转动
自旋角动量
自旋
原
子
I自旋量子数
核
自旋磁矩
核磁矩也是空间方向量子化的。
称为磁旋比，每种核都有特定值。核的磁旋比越大，磁性就越强.
若令外磁场方向为z方向
一阶径向磁场梯度计
只要这两个线圈分开适当的距离，使通过这两个线圈的磁通 量有差别，一阶磁场梯度计就能在最佳信噪比的状态下有效 地检测到脑磁信号，同时减少周围环境噪声的干扰。
磁场梯度计只对附近的磁场源信号敏感，而对相对较远的磁 场源信号不敏感。这就是为什么磁场梯度计被称为"近视眼" 的原因。
超导量子干涉仪（Superconducting Quantum Interface Device，SQUID）
一、生物磁性的来源
1、生命活动产生的生物电 2、生物材料中含有顺磁性物质 3、生化反应中自由基的生成 4、侵入人体的外源性铁磁物质产生剩磁场
1、生命活动产生的生物电
根据电流产生磁场的原理，在生物的生命活动中伴随有各种离子 的流动，这些离子的流动会产生微弱的生物电流，微弱的生物电 流就会产生微弱的生物磁场。
4、侵入人体的外源性铁磁物质产生剩磁场
由于环境污染等原因，磁铁矿粉末通过呼吸道进入肺部， 通过食道进入肠胃系统等。这些磁铁矿粉末，在外界磁场作用 下被磁化，从而产生剩余磁场。随着吸入磁铁矿量的多少，肺 磁场强度会有变化，其量级一般为10-7-10-4高斯。
二、人体和周围环境磁场强度的比较
这些微弱的生物磁场能够测量出来， 对研究生物的生命活动很有意义。
3、生化反应中自由基的生成
自由基：能独立存在，含有未成对电子的原子，原子团、分子或离子。 自由基具有一个未被抵消的电子自旋磁矩，因而表现出顺磁性。
氧自由基，占机体内自由基的95%以上，是人体内氧化过程中释 放的一种活泼有害物质（寿命短ms）。在体内肆意掠夺其它分子 的电子，破坏DNA、RNA和蛋白质结构，使细胞、组织、脏器功 能降低、免疫功能下降，导致各种疾病的发生（衰老、肿瘤）、甚 至死亡。
B0
B0=-BB0
μB θ
=- mI · ·ħ ·B0
(ΔmI =1)
mI = I，I-1，…，-I，共有(2I+1)个值
Δ E=ħB0
Zeeman分裂
在外磁场B0下，原来简并度为(2I+1)的不同取向的核磁矩，分裂成(2I十1)个能
量间隔为
E B0
的不同能级，随着外磁场Bo增加，其能级间的间隔也增加。
7x11-point MCG mapping above the chest of a healthy person.
12 cm
20 cm
在生理研究和医学应用中，MCG可以更准确地判定病变部位和性质。这主要 体现在对冠心病人的检测和对胎儿心脏功能的检测。
冠状动脉是供应心肌血液的血管，有左，右2支， 向心脏表面延伸并不断分支进入心脏
核磁共振技术
效果最佳的是颅脑、脊髓、心脏大 血管、关节骨骼、软组织、盆腔等.
不同磁场B0 (T)下的共振频率n(MHz)
Nuclear I 1H 1/2
4.697 200
11.744 500
14.092 600
18.790 800
2H
1 30.701 76.753 92.102 122.804
不同原子核的 13C 1/2 50.288 125.721 150.864 201.154
z
z
z
m=1/2 m=1
m=2
B0
m=1
m=0
m=0
m= -1
m=-1/2
m= -1
m= -2
I = 1/2 I = 1
I=2
B0
-1/2
无磁场 取向随机
+1/2
外加磁场B0 磁矩沿磁场方向 (+1/2) 磁矩逆磁场方向 (-1/2)
E =-mI ·ħ ·B0
E
mI=-1/2, E =1/2 (ħB0)
4.2 心磁场和心磁图MCG（magnetocardiogram）
80 MCG
40
B (pT)
0
1.0
ECG
0.5
V (mV)
0.0
0
2
4
6
8
10
t (sec)
心磁图(MCG)与心电图(ECG)的对照
由于生物体内电流强度和方向分布相当复杂，所以 对心磁场的探测位置略有不同，得到的MCG差别很大。 这反映了心磁场探测比心电探测的优越性，可获得更多关 于心脏活动异常和病变的信息。
1、对工人肺部受污染情况定期检查，及早采取预防措施 2、可望成为尘肺性职业病的早期诊断手段 3、肺磁场可作为研究人肺功能的指标，了解肺自清除能力
1、对工人肺部受污染情况定期检查，及早采取预防措施
在冶金、采矿等部门作业的工人，其工作环境 的粉尘中往往含有浓度不同的Fe3O4或Fe2O3颗粒。当 这些微粒被吸入肺部并沉积于肺泡时，外磁场磁化后， 可保留一定的剩余磁场。
国内常规冠心病人的检测方法
运动心电图：病人需作一定量运动，心率达到120次／分钟以上 时才能看出有无冠状动脉缺血，灵敏度只有50％。由于运动量较 大，相当一部分人尤其是老人，不适合做此检查。
正常人心电图 心肌缺血的心电图
国内常规冠心病人的检测方法
冠状动脉造影技术：血液与血管壁是不透光的，且与心脏重叠， 所以血管腔内发生阻塞时，在普通X光下是无法看出来的。 用特制的心导管经下肢大动脉、腹主动脉到达心脏左，右冠脉口， 注入少量造影剂，使左、右冠状动脉及其主要分支得到清楚的显 影，可以发现各支动脉狭窄病变并且估计病变程度。 精度高，有创伤，危险性大。
对于近场源，如脑磁场，在两线匝 空间磁场分布不均匀，脑产生的磁 通穿过线圈时就会在线圈内产生感 应电流，电流极其微弱。
当整个传感器系统都工作在超低温 (－269℃)状态下时，这种感应电 流变成超导电流，用极细的超导材 料铌合金引出，就可以把磁场梯度 检测出来。
一阶径向磁场梯度计
对地磁场或距离较远的磁噪声源（远场源），磁场的 梯度随着距离的增加而迅速衰减，在两探测线匝处产生的 磁场可认为是均匀的。两线匝的磁通相等但反向而处于平 衡状态，因此可抗远场源的干扰。
胎儿心脏功能的检测
与胎儿心电图相比，胎儿心磁图受母体的影响明显 减低。心磁图能非常可靠的监测20周时的胎儿心率，而 且最早在16周时就可测到胎儿心率信号，可对生长迟滞， 缺氧，和先天缺陷等症候作出早期予警。
4.3 肺磁场和肺磁图
肺磁图：用不同的磁探测器在胸部和背部表面探测这种 磁场，作出剩余磁场在肺的各部分相应的强度分布，就 是肺磁图。 推算出肺内各部位铁磁物质的浓度分布，
四、生物和人体磁场
对生物体磁场研究的发展速度远不及对电场研究的发展速度。 原因是生物磁场极其微弱，又受到地磁和环境磁噪声的干扰。 所以直到1963年人心磁活动才被检测到。 近年来，由于高效磁屏蔽室的建成，超导量子干涉仪的应用，生 物磁场的研究才获得了较快的发展。 目前已探测到的人体磁场有心磁场、脑磁场、神经磁场、肺磁场、 眼磁场、视网膜磁场、肌磁场、肝磁场等。
心脏收缩舒张产生磁场约10-5-10-6高斯（地磁0.3-0.5高斯）； 脑自发磁场强度为10-8。
2、生物材料中含有顺磁性物质
含有过度族原子（Fe、Mn、Co、Cu等）的生物材 料在一定条件下表现顺磁性。例如，含Fe的血红蛋白、 肌红蛋白和铁蛋白；含Co的维生素B12；含Cu的血蓝蛋 白和肝铜蛋白等。这些生物材料表现的磁性与其结构 和功能有密切关系。
利用肺磁场检测，参照已有的资料，制定出诊断不同病症的指标， 有可能作为粉尘类职业病早期诊断的有效手段。
3、肺磁场可作为研究人肺功能的指标，了解肺自清除能力
肺具有自清除的能力。当粉尘侵入到肺部时，肺泡巨嗜细胞（免疫 系统）能吞食这些微粒，并把它们带到肺外。
受试者吸入一定量的磁铁矿粉末。这些粉末通过外加磁场进行 磁化后，便在肺部产生了剩余磁场。
4.1 生物和人体电场与磁场的关系 4.2 心磁场和心磁图MCG（magnetocardiogram） 4.3 肺磁场和肺磁图 4.4 脑磁图
4.1 生物和人体电场与磁场的关系
心脏、脑组织等的电场在不同部位发生随时 间的变化就是心电图、脑电图。根据电磁感应规 律，变化的电场必然伴生变化的磁场，两者的方 向相互垂直。这样对应人体心电图就有心磁图， 脑电图有脑磁图等等。