生物电磁学.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,电离辐射,直接作用,间接作用,生物体分子激发电离,DNA周围物质(水)激发电离,原始创伤,扩散自由基,分子内能转移,与生物分子作用,生物自由基,物理阶段,10,-18,10,-11,s,化学阶段,10,-11,1s,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）,e,aq,-,攻击 导致SS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,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,11 生物电特性,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,+,Ca,2+,Cl,-,等,体内电荷形式,：,离子、离子基团、电偶极子,氨基酸靠肽键联结聚合成多肽链,原子中心不重合使肽键呈现极性,一、蛋白质和DNA的偶极矩,1、蛋白质的偶极矩,（电磁作用靶点）,带电原子的相互作用维持空间构型,式中k为玻耳兹曼常数；,Z,为离子价数。,能斯特方程,半透膜,u,静息电位,KCl,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：,膜内外各种离子分布不均匀,不对称性,；,膜对各种离子具有不同的通透性,选择通透性,；,离子间存在静电相互作用,离子浓度和功能不同,。,3、心电的产生,一个偶极子在体表某点的电位：,P=ql,刺激,电偶极子的形成,部分心肌细胞偶极子的电位：,瞬时心电向量：,心电向量,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。,心电图,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。,零电势点的确定,心电图导联,心电导联：以单极导联法为例,2cos60,0,cos(180,0,+,)=,cos,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(10100,V)变化，记录到的脑电波称为,脑电图,。,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010,V),脑电图,x,a,L,2,a,+,+,四、细胞的电参量,x,The cell membrane as an RC circuit,神经细胞的电传导,树突,轴突,五、生物电阻抗,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。,组织,电阻率,组织,电阻率,脑脊液,血清,血液,神经,肝,0.555,0.714,1.85,25.0,80.0,脑,脂肪,湿皮,干皮,无膜骨,肌肉,107,10.810,2,38.0 10,2,40.0 10,3,20.0 10,5,90.0,人体组织的直流电阻率（m）,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,频率,0,100Hz,10kHz,10MHz,10GHz,电阻率,90,9.1,7.7,2.0,0.8,人体肌肉组织电阻率与频率的关系,3.人体组织的电特性,4.人体电阻抗的测量,Effects of Frequency on Neuromuscular Stimulation,电疗,+,对电流强度的反应（50Hz),1mA 刺激感（麻木）；,27mA 强烈麻刺感；,810mA 手难摆脱电源；,2025mA 不能自主、呼吸困难；,2580mA 呼吸肌痉挛、心室纤颤,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。,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,一、生物材料的磁性,12 生物磁现象,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诊断；,磁场引起的生物效应治疗。,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：,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,定常磁场,：自然界含有铁性成分及某些磁性物质(如Fe,3,O,4,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,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;,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,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。,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。,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ST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。,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。,七、脑磁图,(Magnetoenceghalogram),脑磁图检测分类：,自发性脑磁场：,波；癫痫性棘波。,诱发性脑磁场：,体感意识、听觉、视觉等诱发磁场。,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,组成：,SQID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；,检测线匝，用来探测磁场；,杜瓦瓶，内盛液氦。,超导量子干涉仪,（Superconducting Quantum Interference Device,又称SQID磁强计)灵敏度达 10,-15,T,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,