十四、生物電磁效應與應用

第14章生物電磁效應與應用人體電磁兼容原理電磁波的生物效應電磁輻射的防護現(xiàn)在是1頁\一共有31頁\編輯于星期三生物電與人體電磁兼容生物電生物膜：以液晶態(tài)的雙層脂類分子為基本框架，其上有蛋白質，蛋白質分子有的鑲嵌在脂類雙分子層之間，即“嵌入蛋白”，有的只是附著于脂類雙層表面，為“周緣蛋白”?，F(xiàn)在是2頁\一共有31頁\編輯于星期三生物膜的作用（1）為生命物質提供了相對穩(wěn)定的新陳代謝環(huán)境，防止了外界物理和化學的擾動和內部物質的無選擇逸出（2）信號傳導、物質運輸、能量傳遞、吸收分泌、藥物作用、神經(jīng)興奮傳導和心肌節(jié)律性的同步搏動等生理功能，都是通過生物膜結構來完成的（3）生物膜是信息傳遞的重要“接口”，也是對外界電磁輻射騷擾的敏感“設備”之一（4）一般，外界的電磁輻射以感應耦合的方式影響細胞膜，而內部的電磁場，則可通過傳導耦合的方式實現(xiàn)騷擾現(xiàn)在是3頁\一共有31頁\編輯于星期三人體電磁兼容人體組織呈現(xiàn)一定的電阻抗特性（1）皮膚的最外層是表皮，包括角質層，其中有汗腺孔，下面是真皮及皮下組織，其中有大量血管。由于真皮及皮下組織導電性較好，可模擬為純電阻R。皮膚的阻抗大小主要取決于角質層，角質層相當于一層很薄的絕緣膜，類似于電容器的中間介質，真皮和電極片類似于電容器的兩個極板。由于汗腺孔里有少量離子通過，所以我們把表皮模擬為漏電的電容器。其表皮的阻抗可看成純電容C和純電阻R的并聯(lián)。（2）皮下深部的各種組織都是由細胞組成的，細胞膜的主要成分是脂類物質和各種膜蛋白，由于脂類物質在電學上幾乎絕緣，它相當于電容器的中間介質，而因蛋白的功能特性，在宏觀上膜兩側造成特定的導電狀態(tài)，所以細胞膜兩側及膜內脂類物質綜合起來可看成漏電的電容器C1（因細胞膜具有離子的通透性），而膜蛋白產(chǎn)生了膜電阻R1，所以細胞膜產(chǎn)生的阻抗等效于R1、C1并聯(lián)電路?，F(xiàn)在是4頁\一共有31頁\編輯于星期三人體組織的電導率（1）是位置和頻率的函數(shù)，而且隨溫度變化，某些組織還顯現(xiàn)出各向異性。（2）因此人體組織的電學性質具有高度的非均勻性和色散性?，F(xiàn)在是5頁\一共有31頁\編輯于星期三電磁場與人體相互作用中的電磁場問題，散射體就是具有非均勻、非線性、局部為各向異性參數(shù)的人體，在研究人體組織的宏觀電磁特性時，可簡化為宏觀電磁參數(shù)——磁導率、介電常數(shù)和電導率的描述。應用1.31cm立方模型，每一立方塊內組織均勻，把人體16種組織按電參數(shù)最多歸為12類(即：肌肉、脂肪/骨/軟骨、血、腸、肝、腎、胰/脾、充氣-肺、心、神經(jīng)/腦、皮膚、眼睛)?，F(xiàn)在是6頁\一共有31頁\編輯于星期三圖中表示入射波頻率為100MHz時，人體吸收的SAR（比吸收率）分布，定義為每公斤人體組織所吸收的電磁功率，是生物醫(yī)學中的一個重要參數(shù)，用來度量電磁輻射在生物單位組織中所感應的電場。比吸收率能夠考慮熱效應和非熱效應，體溫升高率也和比吸收率成正比。現(xiàn)在是7頁\一共有31頁\編輯于星期三電磁波的生物效應電磁波生物效應電磁波對人體產(chǎn)生影響的機理：（1）對電子傳送的影響（2）對自由基活動的影響（3）對生物膜通透性的影響（4）對蛋白質和酶活性的影響（5）對遺傳基因的影響現(xiàn)在是8頁\一共有31頁\編輯于星期三熱效應（1）生物體的組成物質成分均是由原子、分子組成（2）分子可分為極性分子與非極性分子（3）電磁通過非極性分子時形成一定的電場，而極性分子在電場作用下形成的偶極子有一定的取向性（4）在交變電磁波不斷變化的情況下，極性分子將隨頻率變化而來回排隊（5）在頻率不太高的時候分子運動速度尚能適應，在分子運動時會碰撞摩擦而產(chǎn)生熱（6）在頻率高時分子將來不及運動，只將能量滯留并以轉化為熱的形式表達出來現(xiàn)在是9頁\一共有31頁\編輯于星期三非熱效應（1）在有些情況下，受電磁波輻射的生物組織產(chǎn)熱少，但出現(xiàn)了效應，如人體失衡、頭暈、疲勞、惡心等，目前稱這種產(chǎn)熱少而發(fā)生的效應為非熱效應（2）人體的自我調整能力是電磁輻射生物熱效應存在閾值的主要原因（3）靜電場、恒磁場、低頻場只能引起非熱效應（低頻場無法致熱）（4）研究表明：強電線的工頻電磁場對人體組織也產(chǎn)生有害影響，會使神經(jīng)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、內分泌系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)等發(fā)生一些反應與變化現(xiàn)在是10頁\一共有31頁\編輯于星期三現(xiàn)在是11頁\一共有31頁\編輯于星期三現(xiàn)在是12頁\一共有31頁\編輯于星期三積累效應（1）磁場的生物效應有滯后、累積和放大等特性（2）因為磁場要引起生物體在分子、細胞、組織、臟器或整體在代謝、功能、結構上發(fā)生變化需在磁場作用于生物體一段時間之后，這種現(xiàn)象稱為滯后（3）引起滯后的原因是在生物大分子中，有各種偶極子、離子基因或結合的無機離子，它們受位阻和勢能的限制，在空間上只能有少數(shù)穩(wěn)定的構象位置，在外電作用下，它們可發(fā)生從一個平衡位置向另一個平衡位置的躍進，由于離子基因和絡合離子也都以不同的鍵合形式存在，它們之間也同樣有電偶極矩，當電偶極矩發(fā)生趨向外電場的轉動時，必須克服一定的勢壘，所以必須有一個時間過程（4）從能量觀點上看，作用劑量（場強和梯度與時間的乘積）越大，引起的生物效應也越大，這表現(xiàn)出累積效應（5）一般說來，外加磁場的能量是很小的，但它能產(chǎn)生能量變化，其原因在于磁場僅是一種觸發(fā)條件，經(jīng)體內信息反饋和放大，最后導致很大的能量變化。其他效應：如遠后效應、后代效應現(xiàn)在是13頁\一共有31頁\編輯于星期三微波的生物效應高頻電磁波對生物體的作用主要以輻射方式進行根據(jù)電磁輻射的連續(xù)性，電磁波可分為連續(xù)波和脈沖波，因其物理特性不同，生物效應也不盡相同微波與生物體相互作用的基本方程：進入生物組織的微波的相位變化和衰減，受微波輻射的生物體吸收的能量透熱療法神經(jīng)衰弱癥候群微波的熱效應和非熱效應現(xiàn)在是14頁\一共有31頁\編輯于星期三電磁的應用與防護電磁在生物醫(yī)學中的應用治療方面的應用（1）電磁場在低頻、幾千赫茲到幾吉赫茲的范圍內，以適當?shù)姆绞胶蜁r間作用于人身體及身體的各部位及人的器官后，可以治療多種疾?。?）毫米波在熱療中的應用也很廣泛（3）癌癥的高溫治療（4）將微波輻射與針灸技術結合起來現(xiàn)在是15頁\一共有31頁\編輯于星期三（5）將手術刀與微波輻射器相結合組成一種新的手術刀（6）利用微波加熱作用可以對冷藏器官、儲藏的血漿進行解凍

用新型血制品解凍裝置解凍普通冰凍血漿,我們未觀察到對纖維蛋白原含量、PT、KPTT、總蛋白、白蛋白的有害影響,與傳統(tǒng)水浴解凍裝置相比較,各觀察指標差異不顯著,無統(tǒng)計學意義(P>0.05);輸注后無輸血相關副作用。新型血制品解凍裝置采用微波水熱法對冰凍血漿進行解凍。微波能直接穿透冰凍血漿,使血漿中的極性分子隨微波周期進行高速振動產(chǎn)生熱能,并使其迅速解凍,故微波水熱法解凍時間是傳統(tǒng)水浴法的三分之一,解凍時間的縮短能減少解凍時血漿袋微孔滲透的危險,有助于預防細菌污染。冰凍血漿解凍過程中凝血因子喪失和蛋白變性的主要原因是血漿受熱的時間和強度,微波水熱法解凍血漿時熱傳導形式以電磁波與液體對流并存,使其受熱均勻,在較低溫度下迅速解凍。新型血制品解凍裝置所采用的加熱器為磁控管微波發(fā)生器,產(chǎn)生2450MHz低功率微波,加熱時間為3min,對離體的細胞和蛋白幾乎無損傷,用微波水熱法替代傳統(tǒng)水浴法,無需預熱,節(jié)省準備時間,解凍速度快,采用紅外線測溫探頭和智能溫控儀,測量控制精度高,保證了解凍溫度在安全范圍內自動調節(jié)和血漿質量,具有快速、安全的優(yōu)點,特別適合在野戰(zhàn)、重大災害等急救時快速提供血漿現(xiàn)在是16頁\一共有31頁\編輯于星期三診斷方面的應用電磁波診斷的依據(jù)（1）根據(jù)人體組織介電特性的變化進行測量（2）根據(jù)熱輻射特性（3）根據(jù)運動物體的多譜勒頻移現(xiàn)在是17頁\一共有31頁\編輯于星期三微波醫(yī)學成像的原理及特點（1）利用不同生物組織對電磁波的吸收、反射和透射特性的不同，從它們對電磁波的散射場中獲取介質電磁參數(shù)的分布信息，由于不同組織具有不同的電磁參量，因此通過電磁參數(shù)的分布圖像可獲取組織邊界、血流量及溫度分布等有用信息（2）安全可靠，而且使用低功率密度，能分辨低密度組織，能分辨大的不連續(xù)性區(qū)域，經(jīng)濟現(xiàn)在是18頁\一共有31頁\編輯于星期三微波的醫(yī)學應用（1）微波照射生物組織后可以獲得良好的醫(yī)療效果（2）微波用于治療腫瘤腦部腫瘤微波作用腦組織，和腦組織中溫度的分布與比吸收率的關系。Mechling等做了臨床模擬腦組織的研究。Matsumi和Nakagawa則在猴腦實驗中觀察了微波加熱的安全性。在對猴腦組織分別進行40，43，44，45，46℃加熱60分鐘后，立即和延遲（7天）做組織病理觀察發(fā)現(xiàn)，高于44℃60分鐘即可對正常猴腦組織造成損傷。提示微波對腦組織的安全溫度在43℃。Ryan在應用于臨床前也做了天線矩陣模型中的溫度分布測試，并在23例腦腫瘤患者治療中使用1～6支天線組成矩陣的加熱方法。觀察發(fā)現(xiàn)，915MHz微波，功率20～40W，加熱1小時，天線矩陣的瘤區(qū)中心溫度最高達60.1℃，邊緣在43℃以上，作用可達5.9cm×2.8cm×2.8cm。Seegen-schmiedt等對3例復發(fā)的腦膠質瘤使用192銥加微波熱療的方法，在CT下，50Gy192銥被50cGy／1h注入到瘤體周圍，在注射前后30分鐘分別在瘤區(qū)使用915MHz微波體外輻射，功率20～30W，時間1小時。結果：2例患者改善，生存期為7，12，15個月。尸檢：2例治療區(qū)無腫瘤活動，1例在非治療區(qū)有瘤體生長。術者認為，該法對復發(fā)腦膠質瘤非常有效，但尚未達到延長患者生存期的目標?，F(xiàn)在是19頁\一共有31頁\編輯于星期三

眼部腫瘤為安全地在眼部腫瘤中應用微波，F(xiàn)inger等設計了一套眼球內腫瘤的模擬系統(tǒng)。在一個充滿眼球組織相等介質的聚丙烯凍膠盒內，用一種熱敏感的液體水晶卡將凍膠一分為二，微波天線的熱場分布可在膠體內具體表現(xiàn)出來，天線通過卡進入膠體的另半部分對膠體加熱。通過此種實驗，幫助天線設計。結果設計出的天線在模擬實驗中證明對眼是安全的。Finger等對44例早期脈絡膜黑色素瘤患者實施該技術，頻率2450MHz，功率10～15W，將針狀天線插入到腫瘤下作斑點狀加熱治療，同時在鞏膜測溫，腫瘤邊緣最低溫度42℃，時間45分鐘，然后接受放療。全部病例接受隨訪，6例死亡，1例因瘤體轉移（39個月后），2例眼球摘除，2例青光眼。平均隨訪22．2個月，有97．7％的病例局部腫瘤控制。該作者認為，以上方法治療脈絡膜黑色素瘤可降低放療劑量，也有較好的作用。

（3）毫米波的作用現(xiàn)在是20頁\一共有31頁\編輯于星期三脈沖電磁場的醫(yī)學應用（1）電穿孔是功能強大的將核酸、蛋白及其它分子導入多種細胞的高效技術。通過高強度的電場作用，瞬時提高細胞膜的通透性，從而吸收周圍介質中的外源分子。這種技術可以將核苷酸、DNA與RNA、蛋白、糖類、染料及病毒顆粒等導入原核和真核細胞內。下圖左為利用裸DNA疫苗進行首次臨床實驗，通過活體電穿孔程序將其導入丙型肝炎患者體內產(chǎn)生了抗病毒效果，下圖右為電穿孔在美容方面的應用現(xiàn)在是21頁\一共有31頁\編輯于星期三（2）電融合在兩電極間(1mm)放入原生質體懸液；給電極施加高頻(1MHz)交流電壓(如300V·cm-1)，40sec，原生質體表面電荷重新分布，具有正負極性，因相互吸引，使多個原生質體排成串珠(pearlchain)狀；施加一次直流脈沖電壓(如2.0kV·cm-1,30μsec)，串珠間的原生質體質膜局部破裂，脂質分子重新排列，引起質膜融合；斷電，已融合的原生質體在膜張力的作用下逐漸成為球狀，未融合的細胞被分開。

現(xiàn)在是22頁\一共有31頁\編輯于星期三磁場在理療學上的應用磁療作用原理（1）一切生命現(xiàn)象，均與機體內電子傳遞或離子轉移有關。磁場可以影響電子或離子的運動速度和方向，因此磁場可以引起生物電的質和量的變化；（2）當磁場作用于人體時，還可在人體內產(chǎn)生微電流。可影響人體的生物電，還可引起離子濃度和運動速度的變化，從而產(chǎn)生熱。磁療的治療作用的表現(xiàn)止痛作用、鎮(zhèn)靜作用、消炎作用、消腫作用、降壓作用、對腫瘤的作用磁療器械及應用特點現(xiàn)在是23頁\一共有31頁\編輯于星期三電磁場在其他方面的應用電磁場對動植物的作用及應用（1）微波殺菌（2）微波殺蟲（3）靜電場對淀粉酶、過氧化物酶、脫氫酶、果酸酶和蛋白酶等的活性都有影響（4）對植物種子進行靜電處理，能提高種子活化能和種子內多種酶的活性，對種子有消毒殺菌作用，可提高種子的發(fā)芽勢、出苗率、幼苗長勢和抗病蟲害能力，改善植株品質（5）利用高壓靜電對西紅柿保鮮效果的實驗現(xiàn)在是24頁\一共有31頁\編輯于星期三電磁場對物質的作用及應用（1）微波電磁場可以加速許多化學反應，其中包括許多有機和無機化合物的合成反應（2）微波燒結陶瓷（3）微波等離子體化學汽相沉積在光纖快速制備、金剛石薄膜、非晶硅太陽能薄膜的沉積、芯片的亞微米級刻蝕等新材料合成和高技術領域中有了十分迅速