生物电磁学演示文稿

生物电磁学演示文稿目前一页\总数一百二十二页\编于二十点第2讲

生物电磁学3.1生物电特性3.2电力电化作用3.3电刺激与组织兴奋性3.4静电生物效应3.5生物磁现象3.6磁场对生物水和细胞的作用3.7磁场生物效应概述2目前二页\总数一百二十二页\编于二十点3.1生物电特性3.1.1蛋白质的偶极矩3.1.2生物水的电特性3.1.3细胞电活动基础3.1.4细胞的电参量3.1.5生物电阻抗3.1.6中心导体模型

生物组织的介电性质3目前三页\总数一百二十二页\编于二十点

生物体内充满了电荷，绝大部分电荷以离子、离子基团和电偶极子的形式存在。（1）组成蛋白质的20种氨基酸中有13种在水中能离解产生离子基团或表现电偶极子特性；（2）DNA大分子中的碱基和磷酸酯也存在离子基团和偶极子；（3）生物水本身就有强烈的电偶极作用；（4）生物体本身还存在Na+、K+、Ca2+、Fe2+、Mg2+、Cl-等无机离子；4目前四页\总数一百二十二页\编于二十点3.1.1蛋白质的偶极矩

在组成蛋白质的13种极性氨基酸中，根据其在水中的状态，分为酸性、碱性、中性；（1）酸性或碱性氨基酸侧链在不解离的状态下也存在极性基团而表现极性；（2）由氨基酸聚合成多肽链是靠肽键联结的，由于原子中心不重合而使肽键呈现极性，5目前五页\总数一百二十二页\编于二十点

在生物体中，水不仅提供细胞的生活环境，还在相当程度上决定着生物大分子的构象和功能，影响生命活动中物质输运、能量转换和信息传递过程。（1）水分子具有很强的偶极性；（2）能与其它水分子，离子或生物大分子的极性基团之间形成氢键；3.1.2生物水的电特性6目前六页\总数一百二十二页\编于二十点3.1.3细胞电活动基础

生物电现象是生物界一种极普通的生理现象。细胞膜电位瞬时改变可导致组织兴奋。细胞电位是解释各种生物电、生物磁现象和效应的基础。1、细胞静息电位静息电位：指细胞未受刺激时，存在于细胞膜内外两侧的电位差。静息电位表现为膜内带负电而膜外带正电的状态，称为极化状态。各种细胞的静息电位数值不同；如：哺乳动物的神经细胞的静息电位为-70mV；骨骼肌细胞为-90mV；人的红细胞为-10mV；7目前七页\总数一百二十二页\编于二十点

在细胞内液和外液中，有Na+、K+、Cl-、Ca+等各种离子和一些带电荷的蛋白质分子，一般细胞内液和外液中各自正负电荷是相等的，但同一离子在细胞内外液中浓度却相差很大。细胞内细胞外K+Na+Cl-K+Na+Cl-人红细胞13613835164154胃肠平滑肌细胞16222405.9137134蛙骨骼及细胞1551244145120枪乌贼轴突3694439134985208目前八页\总数一百二十二页\编于二十点可兴奋细胞静息电位V的Goldman-Hodgkin-Kalz方程：9目前九页\总数一百二十二页\编于二十点

生物组织可以对外界刺激发生反应，当刺激达到一定阈值时，生物组织发生反应，称为兴奋。在神经和肌肉中，这种能力高度发展，主要表现是细胞膜的电位发生快速的改变。2、细胞的动作电位动作电位：当刺激强度较小时，细胞膜内外的电位差会在短时间内减小，减小程度与刺激电极间距的大小成反比，细胞膜电位仍是外正内负。当刺激强度超过某一阈值时，可兴奋细胞的跨膜电位，在短时间内由外正内负变为外负内正，达到最大值后，再逐渐恢复到原来的状态。这种短暂的电位变化，成为动作电位。细胞处于静止电位时称为极化，极化量减小时成为去极化；10目前十页\总数一百二十二页\编于二十点（1）去极化（2）反极化（3）复极化（4）超极化动作电位一般分为四个时相：

细胞动作电位的产生，取决细胞膜两侧的电压和膜对于特定离子，尤其是钠、钾离子随时间变化的通透性。当动作电位发生时，细胞对于钠、钾离子通透性显著增加。11目前十一页\总数一百二十二页\编于二十点

膜是由脂类物质构成的，脂类物质在电学上近乎绝缘，但蛋白质组分特性、构象及膜上位置变化，造成膜两侧某种特定导电状态。

3.1.4细胞的电参量膜两侧的糖和蛋白质也往往有许多带电的离子基团，并且与细部内液和外液中的各种离子相互作用，形成一定厚度的电荷层，相当于一个电容器。12目前十二页\总数一百二十二页\编于二十点膜同时兼有电阻和电容的复合特性，在直流或极低频率下，细胞膜阻抗较内外液电阻高得多，电流几乎不能进入胞内空间；而高频电流时，膜阻抗相对很低，细胞内外空间电流的分布简单地取决于内外液电阻间的相对大小。13目前十三页\总数一百二十二页\编于二十点3.1.5生物电阻抗在低频电流下，生物结构具有复杂的电阻性质。有的是普通的欧姆电阻，在一定范围内，其电压、电流呈线性关系；有的呈非线性，其中还有对称性和非对称性。生物阻抗和生物机体或组织体积的变化有关。14目前十四页\总数一百二十二页\编于二十点

长柱形细胞，如神经轴突和肌纤维细胞，其长度远大于细胞直径，可用电缆模型描述，用电缆方程表示。3.1.6中心导体模型rorororiririrmrmrmrmCmCmCmCm15目前十五页\总数一百二十二页\编于二十点3.1.7生物组织的介电性质电介质在电场中的一个重要特征是介质的极化现象。生物组织中含有大量带电荷的离子及各种极性分子，外电场会导致这些荷电离子和极性分子的某种运动，表现出生物组织的极化现象。介电常数：表征介质的极化程度；生物组织的介电常数和外场频率相关；16目前十六页\总数一百二十二页\编于二十点3.2电力电化作用3.2.1细胞电泳3.2.2电热作用3.2.3电化作用17目前十七页\总数一百二十二页\编于二十点3.2.1细胞电泳细胞电泳：当细胞膜外表面呈现负电荷特性时，在外直流电场的作用下，细胞连同其界面吸附层一起向电场正极方向运动，称为细胞电泳。电渗：细胞悬液中带有正电荷的分散介质则向电场负极方向移动，称为电渗。细胞电泳率：细胞在单位电场强度、单位时间内移动的距离。18目前十八页\总数一百二十二页\编于二十点当电流通过人体时，电流经过的路径如图：3.2.2电热作用19目前十九页\总数一百二十二页\编于二十点将不易起化学反应的直流电极直接作用于机体时，电极附近将发生电化反应。在阴极：在阳极：3.2.3电化作用20目前二十页\总数一百二十二页\编于二十点3.3电刺激与组织兴奋性3.3.1兴奋性3.3.2脉冲刺激与生物效应3.3.3SMC刺激与生物效应3.3.4电致生长与修复21目前二十一页\总数一百二十二页\编于二十点按生理学定义：组织兴奋性阴极兴奋性>1，兴奋性升高；阳极兴奋性<1,兴奋性下降；3.3.1兴奋性22目前二十二页\总数一百二十二页\编于二十点

细胞或机体内外环境的任何变化，可能引起它们的反应，从而构成刺激。刺激因素有：物理的（力、热、声、光、电、辐射），化学的（酸、碱、盐、离子）；生物的（色素分布、血流量、含水量、激素）；

3.3.2脉冲刺激与生物效应23目前二十三页\总数一百二十二页\编于二十点用尖脉冲刺激肌肉，刺激响应与脉冲频率有关：肌肉（M）对刺激频率（S）的响应24目前二十四页\总数一百二十二页\编于二十点用正弦低频电流（<150Hz）调制等幅中频交流（>1000Hz），得到正弦调制交流电流（SMC），即是脉冲电流，其具有低频和中频的优点，是经常采用的一种刺激源。SMC的作用，可加强细胞信使RNA的合成，提高有关肌肉细胞的机能，防止肌萎缩；SMC具有明显镇痛作用，能有效治疗肋间神经痛等；SMC能改善血循环和营养吸收能力，治疗血循环紊乱和营养失衡。3.3.3SMC刺激与生物效应25目前二十五页\总数一百二十二页\编于二十点用小的直流电治疗创伤和溃疡，能加速伤口的愈合和修复；直流电还可抑制细菌生长；3.3.4电致生长与修复26目前二十六页\总数一百二十二页\编于二十点3.4静电生物效应静电生物效应是静电场与生物相互作用，引起刺激或抑制生物生长发育或致死效应。如

(1)高压静电场对离体培养肿瘤细胞及小鼠S-180细胞生长有抑制作用

(2)静电场能促进萝卜对矿质元素的吸收（3）电晕电场对大田作物和蔬菜生长有较大影响。（4）静电场对人体生理有明显影响。27目前二十七页\总数一百二十二页\编于二十点3.5生物磁现象3.5.1生物材料的磁性3.5.2人体磁场28目前二十八页\总数一百二十二页\编于二十点狭义生物磁学:指研究不同层次生物材料所产生的磁场；广义生物磁学：除狭义生物磁学内容外，还包括磁生物学，即研究外界磁场对生物机体在不同层次的作用所产生的生物效应及其相应的作用机理；物质的磁性可以通过在外加磁场作用下的磁化过程来认识，也可以通过测量磁性的仪器来探测。对生物大分子的广泛研究得知，大多数生物大分子是各相异性反磁性，少数为顺磁性，极少数呈铁磁性；3.5.1生物材料的磁性29目前二十九页\总数一百二十二页\编于二十点3.5.2人体磁场正常人体组织是非磁性的，磁化率小，没有剩余的磁矩。人体磁性的来源:（1）生物电流产生的磁场；（2）由生物磁性材料产生的感应磁场；（3）侵入人体内的强磁性物质产生的剩余磁场30目前三十页\总数一百二十二页\编于二十点3.6磁场对生物水和细胞的作用3.6.1磁场与生物体相互作用因子3.6.2磁场对生物体内水的作用3.6.3磁场对组织细胞的作用31目前三十一页\总数一百二十二页\编于二十点3.6.1磁场与生物体相互作用因子磁场作用于生物体产生的效应取决于磁场和生物体的某些相互作用因子。对生物效应有影响的磁场因子有:磁场类型、磁场梯度、磁场的方向、作用的部位与范围、作用时间等；影响磁场作用的生物因素有：生物材料、生物体的磁性、组成、部位、种属、机能状态及敏感性等。根据磁场的强度，将磁场的生物效应分为：强磁场效应，地磁场效应和极弱磁场效应；>10-2T的属于强磁场；<10-7T的属于极弱磁场或近零磁场；32目前三十二页\总数一百二十二页\编于二十点3.6.2磁场对生物体内水的作用经磁场处理的水称为磁水。外加磁场对水作用，可使水的比重、沸点、表面张力等特性发生变化。磁场能使水聚体的偶极矩取向发生变化，改变原子核外电子的激发程度，实现共振。33目前三十三页\总数一百二十二页\编于二十点3.6.3磁场对组织细胞的作用磁场对生物组织细胞的影响是多种多样的。在较高感生电势作用下，细胞可能被击穿，或被感生电流烧坏，或被磁矩扭曲，甚至引起细胞死亡；另一方面，磁场作用亦可促进组织细胞带电微粒的运动，调整生物分子的液晶结构，改变胞膜的通透性，促进代谢过程，加强组织细胞的生长；34目前三十四页\总数一百二十二页\编于二十点3.7磁场的生物效应3.7.1磁致遗传效应3.7.2磁致生长（死亡）效应3.7.3磁致生理生化效应3.7.4磁致放大效应3.7.5产生磁致生物效应的条件35目前三十五页\总数一百二十二页\编于二十点磁场处理导致生物后代发生遗传改变的现象称为磁生物遗传效应，或称磁致遗传效应。3.7.1磁致遗传效应曲线表明：果蝇最初几代的发育期比未处理的对照组的平均发育期有成倍的增长，而在以后的各代中，处理组的发育期逐渐缩短。a实验观测结果；b对照组平均发育期36目前三十六页\总数一百二十二页\编于二十点3.7.2磁致生长（死亡）效应磁场对生物生长、发育、衰老和死亡等生命过程均能产生影响；例如：

1）海胆卵置于10-14T的超导体强磁场中处理2小时，其早期分裂显著延迟；2）强度高于1.4T的恒定均匀磁场能抑制细菌的生长；3）小白鼠在约10-7T的磁场中养一年后，寿命缩短6个月，并丧失生育力；37目前三十七页\总数一百二十二页\编于二十点3.7.3磁致生理生化效应磁场作用于生物机体，可使机体的某些功能发生变化。例如：磁场可以改变果蝇的趋光性和活动性；可以提高或抑制一些生物大分子的活性；磁场对动物和人体作用的影响因素很复杂，具有明显的时间积累性和滞后性。38目前三十八页\总数一百二十二页\编于二十点3.7.4磁致放大效应在许多观测到的磁场生物效应中，外加磁场的能量常常是很小的，但产生的生物效应却往往较大，从能量的观点考虑，较弱的磁场只是起激发作用，生物体起到能量放大作用，相当于一个线性放大器，这种现象称为磁致生物放大效应。39目前三十九页\总数一百二十二页\编于二十点3.7.5产生磁致生物效应的条件生物的磁场阈值作用时间场型和频率40目前四十页\总数一百二十二页\编于二十点

生物磁学（biomagnetism）是研究生物磁性和生物磁场的生物物理学分支。通过生物磁学研究，可以获得有关生物大分子、细胞、组织和器官结构与功能关系的信息，了解生命活动中物质输运、能量转换和信息传递过程中生物磁性的表现和作用。生物磁学研究与物理学、生物学、心理学和生理学、医学等有密切关系，并在工农业生产、医学诊断和治疗、环境保护、生物工程等方面有广阔应用前景。41目前四十一页\总数一百二十二页\编于二十点研究内容：生物物质的磁性和生物及人体的磁场；外磁场作为一种物理因素，与生物及人体相互作用产生的生物效应。生物磁学发展史：史记“齐王侍医遂病，自炼五石服之”；李时珍在《本草纲目》中记述：“慈石取铁，如慈母之招子”，故名磁石，详细记载了磁石形状，制备方法和药物作用；公元1世纪，希腊医生曾经将磁石作为泻药，公元18世纪在巴黎建立了磁学会，19世纪，Bertrand《法国动物磁学》。42目前四十二页\总数一百二十二页\编于二十点近代磁学发展史：60年代，历史背景：工农业，医药业，新兴科学技术，磁场对生物体和人体的作用。（1）防护有害作用，利用有益作用，（2）物理学，磁学及技术的发展，测量微弱生物磁信号；超导量子干涉仪，磁探测仪器，核磁共振，顺磁共振，穆斯堡尔效应等；（3）生物学和医学的发展，分子生物学，生物物理学，生物化学，分子药理学和分子免疫学，生物人体结构和功能，分子水平。生物磁学由简单到复杂，由现象到本质，由宏观到微观逐步发展。43目前四十三页\总数一百二十二页\编于二十点生物磁学学会的建立：为了推广磁疗的工作，1979年在徐州召开了全国磁疗会议，1980年在长沙召开了全国磁疗专题会议，1985年在郑州召开了第一届全国生物磁学会议，1987年在吉林召开了第二届全国生物磁学会议，1989年在北京召开了第三届全国生物磁学会议，1991年在上海召开了第四届全国生物磁学会议，等。历届全国性磁学会议的召开，通过学术交流，促进了磁疗和生物磁学的发展。44目前四十四页\总数一百二十二页\编于二十点当前生物磁学的研究和应用主要有以下主要方面：1.生物材料的磁性(分子，细胞，组织），微观结构和功能关系；2.生物和人体磁场的探测，心磁，脑磁和肺磁等，是医学诊断的依据。3.各种磁场的生物效应；4.生物磁学应用研究，基础应用和临床应用（磁疗）。45目前四十五页\总数一百二十二页\编于二十点生物磁来源：生物体在其生命活动中能对外显示微弱的生物磁场主要是因为以下三个原因：（1）生物电荷运动产生的磁场。人体神经器官和组织的活动往往伴随着微弱的生物电流。（2）生物磁性材料产生的感应磁场。组成活体的物质具有微弱的磁性，它们在受到地磁场或外界磁场的作用下就会产生出微弱的磁矩，因而形成了感应场。（3）生物体内强磁场物质产生的磁场。在少数生物体内，含有微量的强磁性物质（主要是Fe3O4），这种物质能使生物体对磁场有敏锐的反应。46目前四十六页\总数一百二十二页\编于二十点趋磁细菌及磁小体1975年，美国生物学家Blakemore发现并命名了自然界存在存在的一类奇特的微生物——趋磁细菌。47目前四十七页\总数一百二十二页\编于二十点人体磁场人体的生物磁场究竟由哪些因素产生的，归纳起来主要有以下几个方面：（1）生物电流：由于人体在生理活动中，体内带电离子发生流动，因而形成了生物电流，如脑电流、心电流、肌电流等。（2）体内强磁物质的剩余磁场：当某些强磁性物质进入人体组织器官以后，在外加磁场作用下被磁化，外加磁场去掉后而产生剩余磁场。（3）由生物磁性材料产生的感应磁场：组成人活体的物质具有一定的磁性，称为“生物磁性材料”。这种材料在地磁场及其他外界磁场的作用下便产生感应磁场（4）人体本身产生的磁场：根据实验结果表明，普通人的经络及穴位点也可测出磁性。一般人体的磁性活动所表现出来的磁场强度都很微弱。48目前四十八页\总数一百二十二页\编于二十点外磁场引起的生物效应――生物磁效应这些磁场生物效应在微观上主要有以下表现：1．磁场影响电子和离子的运动。生物体中的氧化和还原反应、神经冲动的传递和生物电流的主要载体都与电子或离子的运动和传递有关，而磁场会对运动电荷产生洛伦兹力，影响电荷运动，由此影响与电荷运动相关的生命现象。2．磁场影响自由基和含磁性原子的蛋白质和酶的活动。一方面这些物质在磁场中受到磁力或磁力矩作用；另一方面，当恒定磁场和高频磁场同时作用时，一定条件下会产生磁共振。3．磁场影响生物膜渗透和生物代谢。如Na+、K＋、Cl－等的受力作用，从而影响生物膜的渗透能力，对生物体内生物化学反应速度和新陈代谢均产生了影响。4．磁场影响生物发育和遗传。例如，

含有生物遗传密码信息的DNA便含有高键能

的共价键和较低能的氢键。49目前四十九页\总数一百二十二页\编于二十点磁与生活和健康1、电磁强度与生活环境2、磁场对生物的影响3、磁疗的作用磁疗就是用来改善不良的人体电流分布和磁分布50目前五十页\总数一百二十二页\编于二十点一、物质的磁性二、生物物质的磁性和生物磁场三、磁场的生物效应四、磁场在医学中的应用（磁疗）51目前五十一页\总数一百二十二页\编于二十点一、磁介质的分类物质的磁性磁介质——能与磁场产生相互作用的物质磁化——磁介质在磁场作用下所发生的变化（1）顺磁质（3）铁磁质（2）抗磁质（4）超导体根据的大小和方向可将磁介质分为四大类附加磁场52目前五十二页\总数一百二十二页\编于二十点二.顺磁质与抗磁质的磁化分子磁矩轨道磁矩自旋磁矩——电子绕核的轨道运动——电子本身自旋等效于圆电流——分子电流顺磁质及其磁化分子的固有磁矩不为零无外磁场作用时，由于分子的热运动，分子磁矩取向各不相同,整个介质不显磁性。分子磁矩53目前五十三页\总数一百二十二页\编于二十点

有外磁场时，分子磁矩要受到一个力矩的作用，使分子磁矩转向外磁场的方向。

分子磁矩产生的磁场方向和外磁场方向一致，顺磁质磁化结果，使介质内部磁场增强。54目前五十四页\总数一百二十二页\编于二十点抗磁质及其磁化分子的固有磁矩为零在外磁场中，抗磁质分子会产生附加磁矩电子绕核的轨道运动电子本身自旋外磁场场作用下产生附加磁矩电子的附加磁矩总是削弱外磁场的作用。抗磁性是一切磁介质共同具有的特性。总与外磁场方向反向55目前五十五页\总数一百二十二页\编于二十点1、相对磁导率μ

r三、相对磁导率、磁导率2、磁导率真空中μ

r=1顺磁质μ

r>1抗磁质μ

r<1铁磁质μ

r>>156目前五十六页\总数一百二十二页\编于二十点一些物质的相对磁导率μr物质μr顺磁质铝氧（标准状态）空气（标准状态）铂抗磁质锑铜水氢铁磁质铸钢硅钢纯铁坡莫合金1+0.21×10-41+17.9×

10-71+3.6×

10-71+2.9×

10-41-7.0×

10-51-0.94×

10-51-0.88×

10-51-0.21×

10-6500~22007000（最大值）1800（最大值）100000（最大值）57目前五十七页\总数一百二十二页\编于二十点1、铁磁质的磁化规律装置：环形螺绕环;铁磁质Fe,Co,Ni及稀钍族元素的化合物，能被强烈地磁化实验测量B,如用感应电动势测量或用小线圈在缝口处测量；由得出曲线铁磁质的不一定是个常数，它是的函数四、铁磁质原理:励磁电流I;

用安培定理得H58目前五十八页\总数一百二十二页\编于二十点初始磁化曲线.......矫顽力饱和磁感应强度磁滞回线剩磁59目前五十九页\总数一百二十二页\编于二十点B的变化落后于H，从而具有剩磁，即磁滞效应。每个H对应不同的B与磁化的历史有关。磁滞回线--不可逆过程在交变电流的励磁下反复磁化使其温度升高的磁滞损耗与磁滞回线所包围的面积成正比。铁磁体于铁电体类似；在交变场的作用下，它的形状会随之变化，称为磁致伸缩（10-5数量级）它可用做换能器，在超声及检测技术中大有作为。60目前六十页\总数一百二十二页\编于二十点二、磁畴

根据现代理论，铁磁质相邻原子的电子之间存在很强的“交换耦合作用”，使得在无外磁场作用时，电子自旋磁矩能在小区域内自发地平行排列，形成自发磁化达到饱和状态的微小区域。这些区域称为“磁畴”多晶磁畴结构示意图61目前六十一页\总数一百二十二页\编于二十点显示磁畴结构的铁粉图形62目前六十二页\总数一百二十二页\编于二十点纯铁硅铁钴三种铁磁性物质的磁畴63目前六十三页\总数一百二十二页\编于二十点Si-Fe单晶(001)面的磁畴结构箭头表示磁化方向64目前六十四页\总数一百二十二页\编于二十点临界温度(铁磁质的居里点)

每种磁介质当温度升高到一定程度时，由高磁导率、磁滞、磁致伸缩等一系列特殊状态全部消失，而变为顺磁性。不同铁磁质具有不同的转变温度如：铁为1040K，钴为1390K，镍为630K

用磁畴理论可以解释铁磁质的磁化过程、磁滞现象、磁滞损耗以及居里点。65目前六十五页\总数一百二十二页\编于二十点3.

有剩磁、磁饱和及磁滞现象。铁磁质的特性2.

有很大的磁导率。放入线圈中时可以使磁场增强102~

104倍。4.温度超过居里点时，铁磁质转变为顺磁质。1.

磁导率μ不是一个常量，它的值不仅决定于原线圈中的电流，还决定于铁磁质样品磁化的历史。

B

和H

不是线性关系。66目前六十六页\总数一百二十二页\编于二十点铁磁质的应用(1)作变压器的软磁材料。纯铁，硅钢坡莫合金(Fe，Ni)，铁氧体等。r大，易磁化、易退磁（起始磁化率大）。饱和磁感应强度大，矫顽力(Hc)小，磁滞回线的面积窄而长，损耗小（HdB面积小）。还用于继电器、电机、以及各种高频电磁元件的磁芯、磁棒。67目前六十七页\总数一百二十二页\编于二十点(2)作永久磁铁的硬磁材料钨钢，碳钢，铝镍钴合金(3)作存储元件的矩磁材料Br=BS

，Hc不大，磁滞回线是矩形。用于记忆元件，当+脉冲产生H>HC使磁芯呈+B态，则–脉冲产生H<–

HC使磁芯呈–B态，可做为二进制的两个态。矫顽力(Hc)大（>102A/m)，剩磁Br大磁滞回线的面积大，损耗大。还用于磁电式电表中的永磁铁。耳机中的永久磁铁，永磁扬声器。锰镁铁氧体，锂锰铁氧体68目前六十八页\总数一百二十二页\编于二十点生物物质的磁性和生物磁场

从生物大分子、细胞、组织、器官、系统以及整体，每一层次都表现出不同的磁性，有些生物材料本身所特有，有些是生命活动中产生的电磁感应，有些是由外源性的磁性物质所引起的。一、生物磁性的来源1、生命材料中含有顺磁性物质过渡元素（Fe、V、Mn、Co、Mo）的生物材料（1）Fe、血红蛋白、肌蛋白和铁蛋白；（2）含Co的维生素B12；（3）含Cu血蓝蛋白和肝红蛋白。69目前六十九页\总数一百二十二页\编于二十点2、生命活动产生的生物电

电活动，新陈代谢，能量与物质交换，信息传递，电子离子转运，大脑调控，肌肉运动，心脏运动，动作电位，生物电导致了磁场。3、侵入人体的外源性铁磁物质产生剩磁场四氧化三铁肺部吸入粉尘胃肠磁化4、其他

生化反应过程形成的自由基，产生了顺磁性物质，电子自旋生物磁场都很弱70目前七十页\总数一百二十二页\编于二十点71目前七十一页\总数一百二十二页\编于二十点二、微弱磁场检测方法技术

地球磁场的强度约为0.5G，城市中的各种磁噪声也十分严重，可达0.005G，在这样强的磁噪声中要测量十分微弱的生物磁信号，必须有高度灵敏的磁强计和良好的磁屏蔽室，以防止周围环境的噪声干扰。由于这些条件的限制。使得对生物磁信号的研究进展行很缓慢。直到60年代后期，随着测量技术的不断的发展，陆续研制出了一系列的测量手段，如感应线圈式磁强计，磁通门式磁强计，超导量子干涉仪（SQUID）磁强计，空间鉴别技术，交流屏蔽和空间鉴别技术发展。72目前七十二页\总数一百二十二页\编于二十点1、铁磁屏蔽

对直流磁场的屏蔽相当困难，采用高磁导率的磁性材料制成屏蔽体影响屏蔽效率因素：（1）铁磁材料的磁导率，越高越好；（2）屏蔽体厚度，越厚越好；（3）容积，越小越好；（4）层数，越多越好。麻省理工学院，26层磁屏蔽室，成本相当昂贵2、空间鉴别技术即一次微商梯度仪或二次，相互抵销（磁源，地磁，干扰磁）73目前七十三页\总数一百二十二页\编于二十点

梯度仪是由两个相隔很近、同样的线圈反向串接而成，当两线圈所处磁场不均匀时，才有磁通通过，从而引起超导环内的磁通发生相应的变化；而在均匀磁场时是不灵敏的，从而可以抵销干扰磁场，测量人体磁场。3、“涡旋电流”式磁屏蔽与空间鉴别技术

用高磁导率金属材料制成屏蔽体，可使外界交流磁场在该屏蔽体内产生涡旋电流，设法使该涡旋电流产生的磁场与外界交流磁干扰相互抵销，一般用铝制成。4、磁通门式磁强计和超导量子干涉仪（SQUID）

超导量子干涉仪是一个磁电变换器，由磁通量变化转变成电量的变化，由于灵敏度极高，故可以记录人体磁场。74目前七十四页\总数一百二十二页\编于二十点75目前七十五页\总数一百二十二页\编于二十点SQUID磁强计组成：1、SQUID本身，被密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，内盛液氮。测量微弱的几种技术(Gs)型式范围分辨率感应线圈磁通门SQUID10-4~100<1010-9~10-310-4~10-710-6~10-710-10~10-1176目前七十六页\总数一百二十二页\编于二十点三、生物物质磁性与其结构和功能关系大多数生物大分子具有各向异性的抗磁性少数表现为顺磁性（过渡金属离子），自由基极少数生物大分子（含有铁的氧化物）表现为铁磁性1、生物分子的抗磁性生物分子在磁场中发生与磁场反向的运动（取向）（1）叶绿素1T垂直时，效应最大，平行时，效应最小（2）杂环聚核苷酸链组成的碱基对（DNA）在10TDNA分子的纵轴向磁场的垂直方向取向。2、生物材料顺磁性（1）磁化率与其结构和功能间有许多信息，如蛋白质、酶功能活动（2）肝铁血色病重型地中海贫血等77目前七十七页\总数一百二十二页\编于二十点3、顺磁共振、核磁共振、穆斯堡尔谱仪应用于生物材料研究探测物质的微观结构灵敏度高、选择性好、可研究动态和瞬变过程78目前七十八页\总数一百二十二页\编于二十点79目前七十九页\总数一百二十二页\编于二十点四、生物和人体磁场1、心磁场和心磁图MCG1963年，鲍莱（Baule）等人第一次探测到心磁场1970年，科恩（Cohen）用SQUID记录到心磁图（1）心磁图与心电图相比，对某些疾病的诊断，有更大的优越性，灵敏度和准确度都高，可得到更多关于心脏活动异常和病变的信息；（2）如对左心室肥厚和高血压病的正确诊断率可达40%~55%，而心电图只有14%~20%；（3）能测出肌肉、神经等组织损伤所产生的直流电磁场，故对早期心肌梗死可及早作出诊断；（4）可检测到胎儿的心脏功能（30~35周）；80目前八十页\总数一百二十二页\编于二十点2、神经磁场和脑磁图MEG1968年科恩（Cohen）首次在头颅的枕部测到与脑电图相对应的自发脑磁图（MEG）

磁探测器直径较小，可在头部任意移动，以及有磁场和电流源的明确对应关系，可以较准确地探测到脑的某一局部区域的磁场变化，空间分辨率达到2~3mm，深度5cm，对中枢神经生理学和医学诊断有重要意义。目前用脑磁图来确定癫痫病人的病灶明显优于脑电图3、肌磁场和肌磁图MMG

可以在不同部位和不同距离测量肌磁场，由此可更准确地得到相关的体电流分布，可以测到由于肌肉损伤产生的恒磁场或慢变化磁场，这些都是肌电图所做不到的。81目前八十一页\总数一百二十二页\编于二十点4、肺磁场和肺磁图原因是外源性，剩余磁肺磁场的强度与分布与肺不同部位沉积的铁磁性微粒的浓度有某种相关性5、生物和人体磁场的特点（1）生物磁场的探测可以不与生物体直接接触，避免了与被测对象接触而引起的电磁干扰；（2）生物电测量的电位变化，多为大范围电活动的综合表现，而生物磁场的测量在探头尺寸允许的精度内，可以分辨到mm尺度的电磁变化；（3）生物电测量只能得到相对的电位变化信号，而生物磁场测量能得到交变和恒定的磁场数值；82目前八十二页\总数一百二十二页\编于二十点（4）由于磁探头可在空间任意移动，改变位置和方向，因而能得到三维的磁场分布图，所以能较准确地了解机体内部的磁场源和活动细节；（5）磁场探测是非损伤性技术，更宜于临床使用；当然与细胞水平的生物电测量，也有其局限性83目前八十三页\总数一百二十二页\编于二十点第三节磁场的生物效应产生生物效应的两个因子：磁场因子和机体因子磁场因子有磁场类型，强度，均匀性，方向，作用时间机体因子有机体的磁性，机体的组成，机体部位和敏感性各种类型磁场的生物效应不同生物层次的生物效应（一）磁场因子1、磁场类型可分为恒磁砀和变磁场，变磁又分为高频、低频、连续变化和脉冲变化，各种不同磁场产生生物效应不同，原因不同如低频有刺激作用，高频没有84目前八十四页\总数一百二十二页\编于二十点2、磁感应强度

引起生物效应有磁阈值，与磁强不是线性关系，磁强小是刺激作用，大到一定程度是抑制作用，与磁强梯度有关，生物效应是由磁场变化引起的。3、磁强的均匀性

电子顺磁共振和核磁共振要求均匀度达到百万分之一，稳定度达亿分之一，均匀与否产生的生物效应也不同。4、磁场的方向

磁场是有方向的矢量，当其方向和机体某一结构或过程的方向的夹角变动时，生物效应将随之而变，有时最大，有时没有。85目前八十五页\总数一百二十二页\编于二十点5、磁场的作用时间累积效应，短时间刺激作用，长时间累积作用（二）机体因子（1）机体的磁性（2）机体的组成

含有下列成分（铁磁微粒、正负离子、永磁偶极子、非球形抗磁或顺磁微粒、自由基）之一的机体，才可能说明它和磁场相互作用机制，也有较明显的生物效应，其他虽可发生生物效应，但机制多半不明。（3）机体部位和敏感度小动物整体处于磁场中，按神经、内分泌、感觉器官、心血管，血液、消化、肌肉、排泄、呼吸、皮肤和骨86目前八十六页\总数一百二十二页\编于二十点

局部作用于机体时，通过血液循环，其下是消化、神经、呼吸、泌尿系统。此外，局部作用时，既引起局部变化，没受到作用的系统也有应答，这说明机体的调节（神经、内分泌）至少参与了生物效应的产生。（三）生物效应

磁场从开始作用到看到机体的生物效应，一般有一段时间，其主要原因是产生生物效应的磁场必须同时同方向地作用一段时间，机体才发生明显的生物效应。87目前八十七页\总数一百二十二页\编于二十点一、各种类型磁场的生物效应1、地磁场的生物效应

地磁是生物和人的环境物理因素，有些生物利用地磁发挥一定的生理功能，且当地磁场发生剧烈变化时，则会出现生理状态的改变。（1）生物的向磁性和导航作用A）感知地磁的物质或器官，鸽子，猴鸟，鳗鱼和蜗牛海豚等都含有四氧化三铁，铁颗粒，铁蛋白，有天然剩磁B）细菌沿地磁方向游动的本领C）人鼻窦壁（5微米处）有一层铁质层，它具有三种功能：是存储铁组织的场所，与磁感觉有关，有助于骨的生长和复原88目前八十八页\总数一百二十二页\编于二十点

人体本身是个磁体，因些也有两极，人站立时，头和上身是N极，下身和脚是S极；人平卧时，右侧是N极，左侧是S极；人正面是N极，背面是S极。在自然定律有所谓稳态平衡，即此时物体最稳定，人睡觉时，头朝北脚朝南，人体处于平衡，轻微的扰动不会影响睡眠深度，反之，人体处于不稳定平衡，稍一搅动，就会失去平衡，睡得不安稳，甚至烦躁；产妇临盆时，若头朝北，则分娩会顺利些，老人临终时，若头朝北，会安然离去。D）植物的生长与地磁有关，在S极下，青土豆比附近的成熟快些2、地磁场变化引起的生物效应

月球也是磁体，海水受吸而生潮，人体70%是水，而水又是抗磁体，当然会受到月球磁场的影响，满月时因地磁起伏而流得快些，疯子在满月时，病情会加重，原发性高血压与地磁变化有关。89目前八十九页\总数一百二十二页\编于二十点在新月满月禁食是合乎科学的，因有助于减少体液和维持平衡。

地磁起伏主要来源于太阳的耀斑和黑子的活动，它们在地球上引起磁暴，随耀斑和黑子的大小，磁暴可维持几小时到几天，起伏达0.005G，当地磁迅速起或脉动时，常见心脏病发作，脉动磁场还对脑电波起作用，搅乱其心理因素，体内生物电势也被搅动，此外暴风雨也使地磁起伏。2、恒定磁场的生物效应强磁场B>0.01T均匀强磁强梯度场（1）恒定均匀强磁场的生物效应A）细菌B>1.4T能抑制细菌的生长；B）海胆卵10~14T2小时早期分裂受到显著的延迟；C）果蝇0.01~0.15T畸变不明显，0.3~0.4T畸变迅速增加；90目前九十页\总数一百二十二页\编于二十点D）小鼠0.4T肝脏氧化酶活性变化，尿中钾、钠离子增加，肾上腺病理变化，10~14T，1小时，无变化，与作用时间有关；E）血凝速率：红细胞在0.005、0.004、0.5分别增加21%、25%、30%（2）恒定梯度磁场的生物效应与均匀磁场比，影响更显著A）果蝇10~14T1~2小时未见蛹虫显著变化；0.4T/mm2.2T，1小时果蝇蛹几分钟后就死亡，5%~10%成虫畸变；B）肿瘤小白鼠0.1T/mm0.24~0.48T增长缓慢，15天停止，22天开始缩小，27天消失，磁疗医治肿瘤成为可能。91目前九十一页\总数一百二十二页\编于二十点3、极弱磁场的生物效应A）鸡胚胎组织5*10-9T4天未见影响；B）小白鼠1*10-7T一年，寿命缩短6个月，而且不可能再生育；C）酶的活性有降低趋势；D）海军5*10-8T14天，生理心理无变化，磁致压眼闪光4、交变磁场的生物效应生物电流效应1）磁致压眼闪光，0.01T与频率有关，20~30Hz最显著；2）青蛙视网膜：0.02T20Hz视网膜神经节的电活动，延迟5ms;3）抑制大肠杆菌的生长，60Hz、600Hz0.002T与频率有关，越大越显著；4）Yc-8淋巴瘤细胞2000Hz时生长快，60Hz旋转磁场生长变慢；92目前九十二页\总数一百二十二页\编于二十点5）50Hz、0.02T大、小白鼠，增强对感染的抵抗能力，血中类固醇、白细胞数目提高；6）豚鼠50Hz0.02T生理功能改变一个月后复原二、磁场对不同生物层次的效应1、磁场对生物大分子和细胞的效应1）磁场能影响生物大分子的空间构象、活性和功能0.3~0.4T0.02T/mm创伤愈合实验成纤维细胞的增殖和纤维化两种作用下降，DNA合成下降，s-37肿瘤细胞0.37T1~3小时磁场能影响一些蛋白质和酶的活性、生化、生理功能如胰蛋白酶1.5T活性增强2）磁场对细胞的生物效应93目前九十三页\总数一百二十二页\编于二十点影响细胞的形态和机能，DNA合成下降，正常和肿瘤细胞的生长受到抑制2、磁场对生物组织和器官的生物效应（1）磁场对心血管系统的作用A）磁场对治疗血小板减少性紫斑，再生障碍性贫血有一定疗效

例：正常人全血B=0.05T30min，白细胞部分凝血活酶时间（KPTT），凝血酶原时间（PT），凝血酶时间（TT）和红细胞压积，全血粘度。结论：KPTT缩短，全血粘度降低，比一些常用活血瘀药更显著。B）磁场对心脏功能影响的实验94目前九十四页\总数一百二十二页\编于二十点T波随B的增大而显著增大，原因可能是主动脉血流产生磁致附加电势，心率无变化，血压无变化，核磁共振对心脏无直接损害。（2）磁场对消化器官的作用A）旋转磁场0.08~0.1T作用于动物腹部，家兔小肠运动振幅明显受抑制；B）小鼠肠蠕动和吸收功能实验旋转磁场（0.15T)20分钟，结论是加快蠕动，加快吸收；C）磁化的口服补液盐（MORS）抑制肠胃推进运动，钙离子浓度下降。（3）磁场对其他器官和系统的作用A）镇痛作用95目前九十五页\总数一百二十二页\编于二十点

永磁片（0.15~0.25T)贴在大腿外侧，效果好于醋酸和电刺激，对疼痛反映时间作为指标，结论是：有镇痛作用，随B的增加效果增强；原因可能是对神经末梢对外界刺激的感应性减弱，减少了感觉神经活动的传导。B）对脑电波的影响N衰弱，0.18T脑部，波、节律消失。C）消炎作用旋转磁场有明显的降低炎症，减少介质的致炎作用；磁场能阻御急性渗出过程和促进肿胀吸收过程。96目前九十六页\总数一百二十二页\编于二十点3、关于人体接触磁场的安全问题副作用：植物神经系统失调，头晕，记忆力下降，失眠，情绪欠佳，易疲劳。特点：时间累积性，滞后性。短时间，小于2T不会危害防护标准：最大暴露小于2T；恒磁小于500mT;时变7.5mT50Hz1h1~8mT8h>2T4~5T只能几分钟核磁共振仪B<2T<3T/s措施：距离和时间磁屏97目前九十七页\总数一百二十二页\编于二十点三、磁场生物效应微观机理探讨1、对电子传递的影响原因：（1）氧化还原反映，血红素受到磁场的影响；（2）生物半导体效应，叶绿素进行光合作用，光能转化为化学能2、对自由基活动的影响

在下列过程中（植物的光合作用，种子的发芽，动物和人的致癌，辐射损伤，衰老的过程等）都伴随着自由基的产生，转移和消失。自由基具有较大的化学活性，它所带未抵销的电荷和自旋磁矩受到洛仑兹力、力矩的作用。3、对生物膜通透性的影响98目前九十八页\总数一百二十二页\编于二十点

磁场影响钠、钾、钙等离子，在生物膜中的运输（主动、被动），新陈代谢，能量传输，与生化、生理、生物电相关过程。（４）对蛋白质和酶活性的影响顺磁质，影响酶的活性参与的新陈代谢（５）对遗传基因的影响磁场对人体作用机制的几种理论（一）电动力学理论一切磁现象都是由于运动电荷所产生的，磁现象的本质就是电荷的运动。磁场对电荷，一磁场对另一磁场，都会产生作用力。磁场对运动电荷产生劳伦兹力，对载流导体产生安培力；磁场能改变原子和分子的轨道磁矩和自旋磁矩的方向；通过电磁感应作用，磁场还能使导体产生感应电动势和感应电流99目前九十九页\总数一百二十二页\编于二十点1.产生微电流人体各种体液都是电解质溶液，属于导体，在交变磁场中，磁力线做切割导体的运动，将产生感生电流；随着心脏的收缩与舒张，血管也不停地进行运动，而且血液也是不断地在流动，所以虽是恒定磁场，由于血管和血流的运动，对磁力线进行切割，也将在体内产生电流。进行磁疗所产生的感生电流是很弱小的，即微电流。微电流的产生可对体内生物电活动发生影响，从而影响各器官各组织的代谢和功能。例如，在交变磁场作用下，Na+、K+、C1－等离子的活动能力加强，改变了膜电位，增强细胞膜的通透性，促进细胞膜内外物质的交换等。

100目前一百页\总数一百二十二页\编于二十点

2.磁场对生物电的作用人体内有各种生物电流，如心电、脑电、肌电和神经动作电位等。生物电是生理活动的重要组成部分。在磁场作用下，生物电流将受到磁场力的作用，即磁场将对生物电流的分布、电荷运动形式及其能量状态发生作用，因而引起有关组织器官的功能发生相应的变化。此外，生物体的氧化还原反应过程中，发生电子的传递；磁场可能对电子传递过程产生作用而影响生化反应过程。101目前一百零一页\总数一百二十二页\编于二十点（二）酶学说

酶是在细胞内生成的，其化学本质属于蛋白质的生物催化剂。有些酶类的催化活性，除了蛋白质部分外，还需要金属离子，即金属离子是酶活性中心的组成部分。有些酶的分子中虽不含有金属，但需要金属离子激活。例如，许多磷酸移换酶需要Mg++，许多水解肽键的酶需要Co++、Mn++、Mg++或Zn++的激活，才转变成具有活性的酶。此外，Na+K+、Ca++、Cu++等十余种阳离子及一些阴离子（C1－）等均对某些酶具有激活作用。磁场可能通过对上述金属离子和非金属离子的作用影响酶的催化活性，而对人体产生作用。有人认为磁场有镇静止痛、降低血压和减轻炎症反应等作用，同磁场提高胆硷酯酶、单胺氧化酶、组胺酶和激肽酶的活性有关102目前一百零二页\总数一百二十二页\编于二十点（三）经穴作用许多疾病的磁疗是用于穴位而产生疗效。例如磁片贴敷大椎、肺俞、膻中治疗喘息性支气管炎，旋磁作用神阈，有显著止泻疗效等。现代仪器检查证实，穴位经络存在电活动现象。例如，穴位比周围皮肤有较高的电位。当某脏器功能亢进时，相应经络穴位的皮肤电位增高或电阻值下降；当某器官活动功能减弱时，相应经络穴位的皮肤电位也随之降低，而电阻值则升高。因此推测阻值则升高。因此推测，磁场可能影响经络的是电磁活动过程而起机能调节作用。103目前一百零三页\总数一百二十二页\编于二十点（四）神经内分泌作用

磁场作用于全身时，各系统参与反应的程度可按下列顺序排列：神经，内分泌、感觉器官、心血管、血液、消化、肌肉、排泄、呼吸、皮肤、骨。神经和体液系统对磁场的作用最为敏感，即机体对磁场作用的反应中，神经和内分泌系统起重要作用。在磁场作用时，神经既能参与原始反应的快速感受系统，也参与其缓慢感受系统。当弱磁场作用较长时间时，也能引起缓慢系统的反应。内分泌系统也明显参与机体对磁场作用的反应。在磁场作用下，观察到动物某些激素分泌增加。104目前一百零四页\总数一百二十二页\编于二十点磁场在医学中的应用一、磁疗患处穴位永磁片贴敷旋转磁场电磁场综合作用1、治疗各种炎症和外科损伤

急性扭损伤，腰肌劳损，风湿性关节炎，类风湿关节炎，关节炎，皮肤各种炎症2、磁场麻醉

磁疗可改善睡眠状态，缓解肌肉痉挛，减轻面肌抽搐，减轻喘息性支气管炎和搔痒症等。这可能与磁场对神经系统的作用有关。中药磁石有镇心安神、平肝潜阳作用。105目前一百零五页\总数一百二十二页\编于二十点3、疼痛性疾病和神经衰弱症状

磁场有明显止痛作用。动磁场止痛较快，但不巩固；恒磁场止痛较慢，但止痛时间较长。磁疗常用于治疗各种疼痛，如软组织损伤痛，神经痛，炎症性疼痛，内脏器官疼痛和癌性疼痛等。磁疗止痛效果快慢不一，多数病人在磁疗后数分钟至10分钟即可出现止痛效果。4、呼吸系统疾病支气管哮喘，肺水肿，磁场抗肺渗出效应5、肠胃疾病腹泻及小儿功能性腹泻106目前一百零六页\总数一百二十二页\编于二十点6、治疗肿瘤

磁疗对良性和恶性肿瘤有一定影响，可使良性肿瘤，如纤维瘤、脂肪瘤、毛细血管瘤、腱鞘囊肿等缩小或消失。对恶性肿瘤也有缩小肿块及改善症状的作用。大剂量非均匀磁场效果显著，一般均匀磁场对恶性肿瘤无效。7、骨折磁场有促进骨折愈合的作用，加速骨痂的生长。8、治疗结石症，冠心病和高血压

低强度恒磁场（15～50mT）治疗冠心病或早期高血压患者，多数病人在治疗后一般状况改善，头痛，心区痛减轻或消失，血压下降，脉率减慢。107目前一百零七页\总数一百二十二页\编于二十点二、磁疗器械1、磁片磁片的材料有铁氧体、金属磁和稀土钴三类。磁片