十四生物电磁效应与应用

十四生物电磁效应与应用生物电与人体电磁兼容生物电生物膜:以液晶态得双层脂类分子为基本框架,其上有蛋白质,蛋白质分子有得镶嵌在脂类双分子层之间,即“嵌入蛋白”,有得只就是附着于脂类双层表面,为“周缘蛋白”。生物膜得作用(1)为生命物质提供了相对稳定得新陈代谢环境,防止了外界物理和化学得扰动和内部物质得无选择逸出(2)信号传导、物质运输、能量传递、吸收分泌、药物作用、神经兴奋传导和心肌节律性得同步搏动等生理功能,都就是通过生物膜结构来完成得(3)生物膜就是信息传递得重要“接口”,也就是对外界电磁辐射骚扰得敏感“设备”之一(4)一般,外界得电磁辐射以感应耦合得方式影响细胞膜,而内部得电磁场,则可通过传导耦合得方式实现骚扰人体电磁兼容人体组织呈现一定得电阻抗特性(1)皮肤得最外层就是表皮,包括角质层,其中有汗腺孔,下面就是真皮及皮下组织,其中有大量血管。由于真皮及皮下组织导电性较好,可模拟为纯电阻R。皮肤得阻抗大小主要取决于角质层,角质层相当于一层很薄得绝缘膜,类似于电容器得中间介质,真皮和电极片类似于电容器得两个极板。由于汗腺孔里有少量离子通过,所以我们把表皮模拟为漏电得电容器。其表皮得阻抗可看成纯电容C和纯电阻R得并联。(2)皮下深部得各种组织都就是由细胞组成得,细胞膜得主要成分就是脂类物质和各种膜蛋白,由于脂类物质在电学上几乎绝缘,她相当于电容器得中间介质,而因蛋白得功能特性,在宏观上膜两侧造成特定得导电状态,所以细胞膜两侧及膜内脂类物质综合起来可看成漏电得电容器C1(因细胞膜具有离子得通透性),而膜蛋白产生了膜电阻R1,所以细胞膜产生得阻抗等效于R1、C1并联电路。人体组织得电导率(1)就是位置和频率得函数,而且随温度变化,某些组织还显现出各向异性。(2)因此人体组织得电学性质具有高度得非均匀性和色散性。电磁场与人体相互作用中得电磁场问题,散射体就就是具有非均匀、非线性、局部为各向异性参数得人体,在研究人体组织得宏观电磁特性时,可简化为宏观电磁参数——磁导率、介电常数和电导率得描述。应用1、31cm立方模型,每一立方块内组织均匀,把人体16种组织按电参数最多归为12类(即:肌肉、脂肪/骨/软骨、血、肠、肝、肾、胰/脾、充气-肺、心、神经/脑、皮肤、眼睛)。图中表示入射波频率为100MHz时,人体吸收得SAR(比吸收率)分布,定义为每公斤人体组织所吸收得电磁功率,就是生物医学中得一个重要参数,用来度量电磁辐射在生物单位组织中所感应得电场。比吸收率能够考虑热效应和非热效应,体温升高率也和比吸收率成正比。电磁波得生物效应电磁波生物效应电磁波对人体产生影响得机理:(1)对电子传送得影响(2)对自由基活动得影响(3)对生物膜通透性得影响(4)对蛋白质和酶活性得影响(5)对遗传基因得影响热效应(1)生物体得组成物质成分均就是由原子、分子组成(2)分子可分为极性分子与非极性分子(3)电磁通过非极性分子时形成一定得电场,而极性分子在电场作用下形成得偶极子有一定得取向性(4)在交变电磁波不断变化得情况下,极性分子将随频率变化而来回排队(5)在频率不太高得时候分子运动速度尚能适应,在分子运动时会碰撞摩擦而产生热(6)在频率高时分子将来不及运动,只将能量滞留并以转化为热得形式表达出来非热效应(1)在有些情况下,受电磁波辐射得生物组织产热少,但出现了效应,如人体失衡、头晕、疲劳、恶心等,目前称这种产热少而发生得效应为非热效应(2)人体得自我调整能力就是电磁辐射生物热效应存在阈值得主要原因(3)静电场、恒磁场、低频场只能引起非热效应(低频场无法致热)(4)研究表明:强电线得工频电磁场对人体组织也产生有害影响,会使神经系统、免疫系统、内分泌系统、心血管系统、生殖系统等发生一些反应与变化大家学习辛苦了，还是要坚持继续保持安静积累效应(1)磁场得生物效应有滞后、累积和放大等特性(2)因为磁场要引起生物体在分子、细胞、组织、脏器或整体在代谢、功能、结构上发生变化需在磁场作用于生物体一段时间之后,这种现象称为滞后(3)引起滞后得原因就是在生物大分子中,有各种偶极子、离子基因或结合得无机离子,她们受位阻和势能得限制,在空间上只能有少数稳定得构象位置,在外电作用下,她们可发生从一个平衡位置向另一个平衡位置得跃进,由于离子基因和络合离子也都以不同得键合形式存在,她们之间也同样有电偶极矩,当电偶极矩发生趋向外电场得转动时,必须克服一定得势垒,所以必须有一个时间过程(4)从能量观点上看,作用剂量(场强和梯度与时间得乘积)越大,引起得生物效应也越大,这表现出累积效应(5)一般说来,外加磁场得能量就是很小得,但她能产生能量变化,其原因在于磁场仅就是一种触发条件,经体内信息反馈和放大,最后导致很大得能量变化。其她效应:如远后效应、后代效应微波得生物效应高频电磁波对生物体得作用主要以辐射方式进行根据电磁辐射得连续性,电磁波可分为连续波和脉冲波,因其物理特性不同,生物效应也不尽相同微波与生物体相互作用得基本方程:进入生物组织得微波得相位变化和衰减,受微波辐射得生物体吸收得能量透热疗法神经衰弱症候群微波得热效应和非热效应电磁得应用与防护电磁在生物医学中得应用治疗方面得应用(1)电磁场在低频、几千赫兹到几吉赫兹得范围内,以适当得方式和时间作用于人身体及身体得各部位及人得器官后,可以治疗多种疾病(2)毫米波在热疗中得应用也很广泛(3)癌症得高温治疗(4)将微波辐射与针灸技术结合起来(5)将手术刀与微波辐射器相结合组成一种新得手术刀(6)利用微波加热作用可以对冷藏器官、储藏得血浆进行解冻

用新型血制品解冻装置解冻普通冰冻血浆,我们未观察到对纤维蛋白原含量、PT、KPTT、总蛋白、白蛋白得有害影响,与传统水浴解冻装置相比较,各观察指标差异不显著,无统计学意义(P>0、05);输注后无输血相关副作用。新型血制品解冻装置采用微波水热法对冰冻血浆进行解冻。微波能直接穿透冰冻血浆,使血浆中得极性分子随微波周期进行高速振动产生热能,并使其迅速解冻,故微波水热法解冻时间就是传统水浴法得三分之一,解冻时间得缩短能减少解冻时血浆袋微孔渗透得危险,有助于预防细菌污染。冰冻血浆解冻过程中凝血因子丧失和蛋白变性得主要原因就是血浆受热得时间和强度,微波水热法解冻血浆时热传导形式以电磁波与液体对流并存,使其受热均匀,在较低温度下迅速解冻。新型血制品解冻装置所采用得加热器为磁控管微波发生器,产生2450MHz低功率微波,加热时间为3min,对离体得细胞和蛋白几乎无损伤,用微波水热法替代传统水浴法,无需预热,节省准备时间,解冻速度快,采用红外线测温探头和智能温控仪,测量控制精度高,保证了解冻温度在安全范围内自动调节和血浆质量,具有快速、安全得优点,特别适合在野战、重大灾害等急救时快速提供血浆诊断方面得应用电磁波诊断得依据(1)根据人体组织介电特性得变化进行测量(2)根据热辐射特性(3)根据运动物体得多谱勒频移微波医学成像得原理及特点(1)利用不同生物组织对电磁波得吸收、反射和透射特性得不同,从她们对电磁波得散射场中获取介质电磁参数得分布信息,由于不同组织具有不同得电磁参量,因此通过电磁参数得分布图像可获取组织边界、血流量及温度分布等有用信息(2)安全可靠,而且使用低功率密度,能分辨低密度组织,能分辨大得不连续性区域,经济微波得医学应用(1)微波照射生物组织后可以获得良好得医疗效果(2)微波用于治疗肿瘤脑部肿瘤微波作用脑组织,和脑组织中温度得分布与比吸收率得关系。Mechling等做了临床模拟脑组织得研究。Matsumi和Nakagawa则在猴脑实验中观察了微波加热得安全性。在对猴脑组织分别进行40,43,44,45,46℃加热60分钟后,立即和延迟(7天)做组织病理观察发现,高于44℃60分钟即可对正常猴脑组织造成损伤。提示微波对脑组织得安全温度在43℃。Ryan在应用于临床前也做了天线矩阵模型中得温度分布测试,并在23例脑肿瘤患者治疗中使用1～6支天线组成矩阵得加热方法。观察发现,915MHz微波,功率20～40W,加热1小时,天线矩阵得瘤区中心温度最高达60、1℃,边缘在43℃以上,作用可达5、9cm×2、8cm×2、8cm。Seegen-schmiedt等对3例复发得脑胶质瘤使用192铱加微波热疗得方法,在CT下,50Gy192铱被50cGy／1h注入到瘤体周围,在注射前后30分钟分别在瘤区使用915MHz微波体外辐射,功率20～30W,时间1小时。结果:2例患者改善,生存期为7,12,15个月。尸检:2例治疗区无肿瘤活动,1例在非治疗区有瘤体生长。术者认为,该法对复发脑胶质瘤非常有效,但尚未达到延长患者生存期得目标。

眼部肿瘤为安全地在眼部肿瘤中应用微波,Finger等设计了一套眼球内肿瘤得模拟系统。在一个充满眼球组织相等介质得聚丙烯冻胶盒内,用一种热敏感得液体水晶卡将冻胶一分为二,微波天线得热场分布可在胶体内具体表现出来,天线通过卡进入胶体得另半部分对胶体加热。通过此种实验,帮助天线设计。结果设计出得天线在模拟实验中证明对眼就是安全得。Finger等对44例早期脉络膜黑色素瘤患者实施该技术,频率2450MHz,功率10～15W,将针状天线插入到肿瘤下作斑点状加热治疗,同时在巩膜测温,肿瘤边缘最低温度42℃,时间45分钟,然后接受放疗。全部病例接受随访,6例死亡,1例因瘤体转移(39个月后),2例眼球摘除,2例青光眼。平均随访22、2个月,有97、7％得病例局部肿瘤控制。该作者认为,以上方法治疗脉络膜黑色素瘤可降低放疗剂量,也有较好得作用。

(3)毫米波得作用脉冲电磁场得医学应用(1)电穿孔就是功能强大得将核酸、蛋白及其她分子导入多种细胞得高效技术。通过高强度得电场作用,瞬时提高细胞膜得通透性,从而吸收周围介质中得外源分子。这种技术可以将核苷酸、DNA与RNA、蛋白、糖类、染料及病毒颗粒等导入原核和真核细胞内。下图左为利用裸DNA疫苗进行首次临床实验,通过活体电穿孔程序将其导入丙型肝炎患者体内产生了抗病毒效果,下图右为电穿孔在美容方面得应用(2)电融合在两电极间(1mm)放入原生质体悬液;给电极施加高频(1MHz)交流电压(如300V·cm-1),40sec,原生质体表面电荷重新分布,具有正负极性,因相互吸引,使多个原生质体排成串珠(pearlchain)状;施加一次直流脉冲电压(如2、0kV·cm-1,30μsec),串珠间得原生质体质膜局部破裂,脂质分子重新排列,引起质膜融合;断电,已融合得原生质体在膜张力得作用下逐渐成为球状,未融合得细胞被分开。

磁场在理疗学上得应用磁疗作用原理(1)一切生命现象,均与机体内电子传递或离子转移有关。磁场可以影响电子或离子得运动速度和方向,因此磁场可以引起生物电得质和量得变化;(2)当磁场作用于人体时,还可在人体内产生微电流。可影响人体得生物电,还可引起离子浓度和运动速度得变化,从而产生热。磁疗得治疗作用得表现止痛作用、镇静作用、消炎作用、消肿作用、降压作用、对肿瘤得作用磁疗器械及应用特点电磁场在其她方面得应用电磁场对动植物得作用及应用(1)微波杀菌(2)微波杀虫(3)静电场对淀粉酶、过氧化物酶、脱氢酶、果酸酶和蛋白酶等得活性都有影响(4)对植物种子进行静电处理,能提高种子活化能和种子内多种酶得活性,对种子有消毒杀菌作用,可提高种子得发芽势、出苗率、幼苗长势和抗病虫害能力,改善植株品质(5)利用高压静电对西红柿保鲜效果得实验电磁场对物质得作用及应用(1)微波电磁场可以加速许多化学反应,其中包括许多有机和无机化合物得合成反应(2)微波烧结陶瓷(3)微波等离子体化学汽相沉积在光纤快速制备、金刚石薄膜、