生物电磁学幻灯片.ppt

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1、生物电磁学第1页，共39页，编辑于2022年，星期一生物电磁学生物电磁学(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）生物电磁性质（产生机制、理化性质和时空变化规律）电磁场的生物效应电磁场的生物效应第2页，共39页，编辑于2022年，星期一11 11 生物电特性生物电特性蛋白质蛋白质构成成分氨基酸在水中构成成

2、分氨基酸在水中离解成离子基团或电偶极子离解成离子基团或电偶极子DNA碱基和磷酸酯存在离子基碱基和磷酸酯存在离子基团和电偶极子团和电偶极子生物水生物水电偶极子电偶极子组织液组织液无机离子无机离子 K K+Na Na+CaCa2+2+Cl Cl-等等体内电荷形式体内电荷形式：离子、离子基团、电偶极子离子、离子基团、电偶极子第3页，共39页，编辑于2022年，星期一氨基酸靠肽键联结聚合成多肽链氨基酸靠肽键联结聚合成多肽链原子中心不重合使原子中心不重合使肽键呈现极性肽键呈现极性一、蛋白质和一、蛋白质和DNA的偶极矩的偶极矩1 1、蛋白质的偶极矩、蛋白质的偶极矩 （电磁作用靶点）（电磁作用靶点）第4页，

3、共39页，编辑于2022年，星期一带电原子的相互作用维持带电原子的相互作用维持空间构型空间构型第5页，共39页，编辑于2022年，星期一二、生物水的电特性二、生物水的电特性水分子具有很强的偶极性；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，决定其构象和功能以氢键相联系，决定其构象和功能平均寿命平均寿命10101111 s s2 2、DNADNA的偶极矩的偶极矩DNADNA由核苷酸分子构成，核苷酸两端的基团都是极化的，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。具有一定的电偶极矩。DNADNA中每一个碱基都具有一定的中每一个

4、碱基都具有一定的电偶极矩电偶极矩.是电磁作用的靶点是电磁作用的靶点A-T 5.9DC-G 6.2D第6页，共39页，编辑于2022年，星期一 磷酸头磷酸头（亲水性）（亲水性）甘油酯尾甘油酯尾（疏水）（疏水）磷脂分子磷脂分子 细胞膜细胞膜脂双层脂双层1、细胞静息电位细胞静息电位细胞膜内外存在电位差，称为膜电位。细胞膜内外存在电位差，称为膜电位。人体任何细微的活动，都伴随着生物电的产生和变化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。生物电是以细胞为单位产生的。三、细胞电活动基础三、细胞电活动基础（组织液中的带电离子）（组织液中的带电离子）第7页，共39页，编辑于20

5、22年，星期一式中式中k k为玻耳兹曼常数；为玻耳兹曼常数；Z为离子价数。为离子价数。能斯特方程能斯特方程半透膜半透膜u 静息电位静息电位KClKCl第8页，共39页，编辑于2022年，星期一2、细胞的动作电位细胞的动作电位 细胞受到刺激时，膜电位发生突然变化，即细胞受到刺激时，膜电位发生突然变化，即动作电位动作电位。第9页，共39页，编辑于2022年，星期一跨膜电位差形成的原因：跨膜电位差形成的原因：膜内外各种离子分布不均匀膜内外各种离子分布不均匀不对称性不对称性；膜对各种离子具有不同的通透性膜对各种离子具有不同的通透性选择通透性选择通透性；离子间存在静电相互作用离子间存在静电相互作用离子浓

6、度和功能不同离子浓度和功能不同。第10页，共39页，编辑于2022年，星期一3、心电的产生心电的产生一个偶极子在体表某点的电位：一个偶极子在体表某点的电位：P=ql刺刺激激电偶极子的形成电偶极子的形成第11页，共39页，编辑于2022年，星期一部分心肌细胞偶极子的电位：部分心肌细胞偶极子的电位：瞬时心电向量：瞬时心电向量：心电向量心电向量第12页，共39页，编辑于2022年，星期一第13页，共39页，编辑于2022年，星期一人体组织是容积导体，心肌细胞兴奋时，人体组织是容积导体，心肌细胞兴奋时，心电偶形成心电场，使人体体表各点心电偶形成心电场，使人体体表各点均具有一定的电位均具有一定的电位 用

7、心电图机记录下随心动周期而变化的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。电位差波形即为心电图。心电图心电图大量细胞组成的生物组织大量细胞组成的生物组织生物电信号源。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。在体表检测电位的变化，可以反映体内的生理功能。第14页，共39页，编辑于2022年，星期一零电势点的确定零电势点的确定心电图导联心电图导联第15页，共39页，编辑于2022年，星期一心电导联：以单极导联法为例心电导联：以单极导联法为例第16页，共39页，编辑于2022年，星期一2cos600cos(1800+)=cos第17页，共39页，编辑于2022年，星

8、期一4 4、脑电的产生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，称为具有持续的节律性电位的改变，称为自发脑电自发脑电活动。活动。用电极在头皮上观察皮层的电位用电极在头皮上观察皮层的电位(10(10100100V)V)变化，记录到的脑电波称为变化，记录到的脑电波称为脑电图脑电图。诱发电位：诱发电位：由外界诱发（电、光、声等刺激）引起脑由外界诱发（电、光、声等刺激）引起脑电位的变化（经头皮引出电位的变化（经头皮引出0 01010V)V)第18页，共39页，编辑于2022年

9、，星期一脑电图脑电图第19页，共39页，编辑于2022年，星期一xaL2a+四、细胞的电参量四、细胞的电参量x第20页，共39页，编辑于2022年，星期一The cell membrane as an RC circuit 第21页，共39页，编辑于2022年，星期一 神经细胞的电传导神经细胞的电传导树突树突轴突轴突第22页，共39页，编辑于2022年，星期一五、生物电阻抗五、生物电阻抗1.1.不同组织导电性能差别大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。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

10、不同。各组织的含水量、含离子量和结构特征不同，电阻率不同。组织组织电阻率电阻率组织组织电阻率电阻率脑脊液脑脊液血清血清血液血液神经神经肝肝0.5550.7141.8525.080.0脑脑脂肪脂肪湿皮湿皮干皮干皮无膜骨无膜骨肌肉肌肉10710.810238.0 10240.0 10320.0 10590.0人体组织的直流电阻率（人体组织的直流电阻率（m）第23页，共39页，编辑于2022年，星期一2.人体人体电阻抗与阻抗与电流流频率有关：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。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直流在细胞间隙流

11、过；交流可通过细胞间隙和细胞频率频率0100Hz10kHz10MHz10GHz电阻率电阻率909.17.72.00.8人体肌肉组织电阻率与频率的关系人体肌肉组织电阻率与频率的关系第24页，共39页，编辑于2022年，星期一3.3.人体组织的电特性人体组织的电特性第25页，共39页，编辑于2022年，星期一4.人体电阻抗的测量人体电阻抗的测量第26页，共39页，编辑于2022年，星期一Effects of Frequency on Neuromuscular Stimulation 电疗电疗+对电流强度的反应（对电流强度的反应（50Hz)50Hz)1mA 1mA 刺激感（麻木）；刺激感（麻木）；

12、2 27mA 7mA 强烈麻刺感；强烈麻刺感；8 810mA 10mA 手难摆脱电源；手难摆脱电源；202025mA 25mA 不能自主、呼吸困难；不能自主、呼吸困难；252580mA 80mA 呼吸肌痉挛、心室纤颤呼吸肌痉挛、心室纤颤对频率的反应对频率的反应外加各种频率的电流，可以影响体内的生理功能。外加各种频率的电流，可以影响体内的生理功能。第27页，共39页，编辑于2022年，星期一人体中所含元素：碳、氢、氧、氮、硫、磷、氯、钠、钾、钙、镁、铁等和一些微人体中所含元素：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（量元素。其中多数有顺磁性（3d 3d

13、或或 4d 4d 族的过渡离子）。蛋白质、酶和自由基均为族的过渡离子）。蛋白质、酶和自由基均为顺磁性顺磁性占人体占人体70%70%的水具有弱抗磁性。的水具有弱抗磁性。极少数材料为铁磁性极少数材料为铁磁性一、生物材料的磁性一、生物材料的磁性12 12 生物磁现象生物磁现象生物磁学的研究内容包括两部分生物磁学的研究内容包括两部分：生物机体自身或被诱发产生的磁场生物机体自身或被诱发产生的磁场诊断；诊断；磁场引起的生物效应磁场引起的生物效应治疗。治疗。第28页，共39页，编辑于2022年，星期一二、人体磁场二、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：生物组织、器官、细胞等存在很微弱的

14、磁场。产生原因：变动磁场变动磁场：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：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；如心磁场场；如心磁场 1011 T，脑磁场，脑磁场 1012 T定常磁场定常磁场：自然界含有铁性成分及某些磁性物质：自然界含有铁性成分及某些磁性物质(如如Fe3O4 粉尘等）经呼吸道吸粉尘等）经呼吸道吸入或经消化道食入人体内而形成的磁场；入或经消化道食入人体内而形成的磁场；108 T感应磁场感应磁场：生物磁性材料（如肝、脾）在外磁场的作用下产生的磁场：生物磁性材料（如肝、脾）在外磁场的作用下产生的磁场;诱发磁场诱发磁场：在外界刺激下产生诱发电位

15、，引起诱发磁场。如诱发脑磁场：在外界刺激下产生诱发电位，引起诱发磁场。如诱发脑磁场10101313 T T第29页，共39页，编辑于2022年，星期一第30页，共39页，编辑于2022年，星期一三、三、机体与外磁场的相互作用机体与外磁场的相互作用1、感应电动势、感应电动势：生物（带电）体在磁场中运动所致。生物（带电）体在磁场中运动所致。分子极化分子极化电荷再分布；电荷再分布；带电粒子迁移带电粒子迁移传导电流；传导电流；2、洛仑兹力：、洛仑兹力：磁场中，带电粒子改变原来的运动方向。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。化学物质内部再分布。3、磁化、磁化：具有固有磁矩的永磁偶极子

16、、磁性微粒、正负离子、自由基等受磁场力矩作用产生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。磁化。沿外磁场取向（离子转动、改变分子键角）沿外磁场取向（离子转动、改变分子键角）4、磁力：、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。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。第31页，共39页，编辑于2022年，星期一四、磁疗四、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。

17、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。特点特点：安全、方便、无痛苦。：安全、方便、无痛苦。依据依据：中医经络理论，在人体经穴处施加磁场。：中医经络理论，在人体经穴处施加磁场。作用作用：活血化淤、镇静止痛、消肿消炎、安神降压等。：活血化淤、镇静止痛、消肿消炎、安神降压等。疗效疗效：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：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。关节炎等。磁场类型：磁场类型：恒定磁场、旋转磁场、脉冲磁场、交变磁场等恒定磁场、旋转磁场、脉冲磁场、交变磁场等研究内容：研究内容：磁场类型、磁场强度、作

18、用部位、治疗时间等磁场类型、磁场强度、作用部位、治疗时间等 第32页，共39页，编辑于2022年，星期一五、心磁场与心磁图五、心磁场与心磁图 (Magnetocardiogram)心肌的兴奋心肌的兴奋心脏电场心脏电场体外（心）磁场。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。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，用心磁图与心电图一样，用P P波、波、QRSQRS波群、波群、T T波、和波、和S ST T段命名段命名第33页，共39页，编辑于2022年，星期一心磁图与心电图比较：心磁图是非接触性的记录法，心磁图与心电图比较：心磁图是非接触性的记录

19、法，SQUIDSQUID磁强计装置体积大且磁强计装置体积大且价格昂贵。价格昂贵。第34页，共39页，编辑于2022年，星期一六、六、肺磁场肺磁场多数粉尘具有磁性多数粉尘具有磁性：肺内积蓄的粉尘在外部强的恒：肺内积蓄的粉尘在外部强的恒磁场下将被磁化。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。仍然存在，经测定可推测粉尘的量和分布情况。探测方法探测方法：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测量作第一张肺磁图施加一均匀磁场

20、使污染物质磁化，做第二张肺磁施加一均匀磁场使污染物质磁化，做第二张肺磁图；图；两张肺磁图对应点数据相减，得第三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。即为强磁性污染剩余场在肺中的分布图。第35页，共39页，编辑于2022年，星期一脑电脑电 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、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。听觉、视觉等基本功能，到语言、情感、思维等高级功能。微弱的电微弱的电(磁磁)信号有波形、幅度、能量、频率、相位、频谱等特征，与特定的信号有波形、幅度

21、、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。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。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。测量的是体内神经电流源引发的瞬间磁场。七、脑磁图七、脑磁图 (Magnetoenceghalogram)第36页，共39页，编辑于2022年，星期一 脑磁图检测分类：脑磁图检测分类：自发性脑磁场：自发性脑磁场：波；癫痫性棘波。波；癫痫性棘波。诱发性脑磁场：诱发性脑磁场：体感意识、听觉、视觉等诱发磁场。体感意识、听觉、视觉等诱发磁场。内因

22、性脑磁场：内因性脑磁场：意识、随意运动前主观设想、抽象思维。意识、随意运动前主观设想、抽象思维。优点：优点：不受组织电阻的影响；不受组织电阻的影响；无损伤；无损伤；对脑内兴奋部位推断有独特性对脑内兴奋部位推断有独特性脑磁图蓝色区为癫痫灶脑磁图蓝色区为癫痫灶第37页，共39页，编辑于2022年，星期一组成：组成：SQIDSQID本身被封在一个超导屏蔽的小盒内，可对干扰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；磁场进行部分屏蔽；检测线匝，用来探测磁场；检测线匝，用来探测磁场；杜瓦瓶，内盛液氦。杜瓦瓶，内盛液氦。超导量子干涉仪超导量子干涉仪（Superconducting Quantum Interference Device,又称又称SQIDSQID磁强计磁强计)灵敏度达灵敏度达 10 10-15 -15 T T第38页，共39页，编辑于2022年，星期一思考题思考题1 1、蛋白质、蛋白质、DNADNA和生物水的电特性（偶极矩）和生物水的电特性（偶极矩）2 2、理解细胞静息电位和动作电位的产生、理解细胞静息电位和动作电位的产生3 3、为什么说细胞具有电阻和电容的特征、为什么说细胞具有电阻和电容的特征4 4、人体生物磁场的来源、人体生物磁场的来源第39页，共39页，编辑于2022年，星期一