生物電磁學演示文稿當前1頁，總共122頁。第2講

生物電磁學3.1生物電特性3.2電力電化作用3.3電刺激與組織興奮性3.4靜電生物效應3.5生物磁現象3.6磁場對生物水和細胞的作用3.7磁場生物效應概述2當前2頁，總共122頁。3.1生物電特性3.1.1蛋白質的偶極矩3.1.2生物水的電特性3.1.3細胞電活動基礎3.1.4細胞的電參量3.1.5生物電阻抗3.1.6中心導體模型

生物組織的介電性質3當前3頁，總共122頁。

生物體內充滿了電荷，絕大部分電荷以離子、離子基團和電偶極子的形式存在。（1）組成蛋白質的20種氨基酸中有13種在水中能離解產生離子基團或表現電偶極子特性；（2）DNA大分子中的堿基和磷酸酯也存在離子基團和偶極子；（3）生物水本身就有強烈的電偶極作用；（4）生物體本身還存在Na+、K+、Ca2+、Fe2+、Mg2+、Cl-等無機離子；4當前4頁，總共122頁。3.1.1蛋白質的偶極矩

在組成蛋白質的13種極性氨基酸中，根據其在水中的狀態，分為酸性、堿性、中性；（1）酸性或堿性氨基酸側鏈在不解離的狀態下也存在極性基團而表現極性；（2）由氨基酸聚合成多肽鏈是靠肽鍵聯結的，由于原子中心不重合而使肽鍵呈現極性，5當前5頁，總共122頁。

在生物體中，水不僅提供細胞的生活環境，還在相當程度上決定著生物大分子的構象和功能，影響生命活動中物質輸運、能量轉換和信息傳遞過程。（1）水分子具有很強的偶極性；（2）能與其它水分子，離子或生物大分子的極性基團之間形成氫鍵；3.1.2生物水的電特性6當前6頁，總共122頁。3.1.3細胞電活動基礎

生物電現象是生物界一種極普通的生理現象。細胞膜電位瞬時改變可導致組織興奮。細胞電位是解釋各種生物電、生物磁現象和效應的基礎。1、細胞靜息電位靜息電位：指細胞未受刺激時，存在于細胞膜內外兩側的電位差。靜息電位表現為膜內帶負電而膜外帶正電的狀態，稱為極化狀態。各種細胞的靜息電位數值不同；如：哺乳動物的神經細胞的靜息電位為-70mV；骨骼肌細胞為-90mV；人的紅細胞為-10mV；7當前7頁，總共122頁。

在細胞內液和外液中，有Na+、K+、Cl-、Ca+等各種離子和一些帶電荷的蛋白質分子，一般細胞內液和外液中各自正負電荷是相等的，但同一離子在細胞內外液中濃度卻相差很大。細胞內細胞外K+Na+Cl-K+Na+Cl-人紅細胞13613835164154胃腸平滑肌細胞16222405.9137134蛙骨骼及細胞1551244145120槍烏賊軸突3694439134985208當前8頁，總共122頁?？膳d奮細胞靜息電位V的Goldman-Hodgkin-Kalz方程：9當前9頁，總共122頁。

生物組織可以對外界刺激發生反應，當刺激達到一定閾值時，生物組織發生反應，稱為興奮。在神經和肌肉中，這種能力高度發展，主要表現是細胞膜的電位發生快速的改變。2、細胞的動作電位動作電位：當刺激強度較小時，細胞膜內外的電位差會在短時間內減小，減小程度與刺激電極間距的大小成反比，細胞膜電位仍是外正內負。當刺激強度超過某一閾值時，可興奮細胞的跨膜電位，在短時間內由外正內負變為外負內正，達到最大值后，再逐漸恢復到原來的狀態。這種短暫的電位變化，成為動作電位。細胞處于靜止電位時稱為極化，極化量減小時成為去極化；10當前10頁，總共122頁。（1）去極化（2）反極化（3）復極化（4）超極化動作電位一般分為四個時相：

細胞動作電位的產生，取決細胞膜兩側的電壓和膜對于特定離子，尤其是鈉、鉀離子隨時間變化的通透性。當動作電位發生時，細胞對于鈉、鉀離子通透性顯著增加。11當前11頁，總共122頁。

膜是由脂類物質構成的，脂類物質在電學上近乎絕緣，但蛋白質組分特性、構象及膜上位置變化，造成膜兩側某種特定導電狀態。

3.1.4細胞的電參量膜兩側的糖和蛋白質也往往有許多帶電的離子基團，并且與細部內液和外液中的各種離子相互作用，形成一定厚度的電荷層，相當于一個電容器。12當前12頁，總共122頁。膜同時兼有電阻和電容的復合特性，在直流或極低頻率下，細胞膜阻抗較內外液電阻高得多，電流幾乎不能進入胞內空間；而高頻電流時，膜阻抗相對很低，細胞內外空間電流的分布簡單地取決于內外液電阻間的相對大小。13當前13頁，總共122頁。3.1.5生物電阻抗在低頻電流下，生物結構具有復雜的電阻性質。有的是普通的歐姆電阻，在一定范圍內，其電壓、電流呈線性關系；有的呈非線性，其中還有對稱性和非對稱性。生物阻抗和生物機體或組織體積的變化有關。14當前14頁，總共122頁。

長柱形細胞，如神經軸突和肌纖維細胞，其長度遠大于細胞直徑，可用電纜模型描述，用電纜方程表示。3.1.6中心導體模型rorororiririrmrmrmrmCmCmCmCm15當前15頁，總共122頁。3.1.7生物組織的介電性質電介質在電場中的一個重要特征是介質的極化現象。生物組織中含有大量帶電荷的離子及各種極性分子，外電場會導致這些荷電離子和極性分子的某種運動，表現出生物組織的極化現象。介電常數：表征介質的極化程度；生物組織的介電常數和外場頻率相關；16當前16頁，總共122頁。3.2電力電化作用3.2.1細胞電泳3.2.2電熱作用3.2.3電化作用17當前17頁，總共122頁。3.2.1細胞電泳細胞電泳：當細胞膜外表面呈現負電荷特性時，在外直流電場的作用下，細胞連同其界面吸附層一起向電場正極方向運動，稱為細胞電泳。電滲：細胞懸液中帶有正電荷的分散介質則向電場負極方向移動，稱為電滲。細胞電泳率：細胞在單位電場強度、單位時間內移動的距離。18當前18頁，總共122頁。當電流通過人體時，電流經過的路徑如圖：3.2.2電熱作用19當前19頁，總共122頁。將不易起化學反應的直流電極直接作用于機體時，電極附近將發生電化反應。在陰極：在陽極：3.2.3電化作用20當前20頁，總共122頁。3.3電刺激與組織興奮性3.3.1興奮性3.3.2脈沖刺激與生物效應3.3.3SMC刺激與生物效應3.3.4電致生長與修復21當前21頁，總共122頁。按生理學定義：組織興奮性陰極興奮性>1，興奮性升高；陽極興奮性<1,興奮性下降；3.3.1興奮性22當前22頁，總共122頁。

細胞或機體內外環境的任何變化，可能引起它們的反應，從而構成刺激。刺激因素有：物理的（力、熱、聲、光、電、輻射），化學的（酸、堿、鹽、離子）；生物的（色素分布、血流量、含水量、激素）；

3.3.2脈沖刺激與生物效應23當前23頁，總共122頁。用尖脈沖刺激肌肉，刺激響應與脈沖頻率有關：肌肉（M）對刺激頻率（S）的響應24當前24頁，總共122頁。用正弦低頻電流（<150Hz）調制等幅中頻交流（>1000Hz），得到正弦調制交流電流（SMC），即是脈沖電流，其具有低頻和中頻的優點，是經常采用的一種刺激源。SMC的作用，可加強細胞信使RNA的合成，提高有關肌肉細胞的機能，防止肌萎縮；SMC具有明顯鎮痛作用，能有效治療肋間神經痛等；SMC能改善血循環和營養吸收能力，治療血循環紊亂和營養失衡。3.3.3SMC刺激與生物效應25當前25頁，總共122頁。用小的直流電治療創傷和潰瘍，能加速傷口的愈合和修復；直流電還可抑制細菌生長；3.3.4電致生長與修復26當前26頁，總共122頁。3.4靜電生物效應靜電生物效應是靜電場與生物相互作用，引起刺激或抑制生物生長發育或致死效應。如

(1)高壓靜電場對離體培養腫瘤細胞及小鼠S-180細胞生長有抑制作用

(2)靜電場能促進蘿卜對礦質元素的吸收（3）電暈電場對大田作物和蔬菜生長有較大影響。（4）靜電場對人體生理有明顯影響。27當前27頁，總共122頁。3.5生物磁現象3.5.1生物材料的磁性3.5.2人體磁場28當前28頁，總共122頁。狹義生物磁學:指研究不同層次生物材料所產生的磁場；廣義生物磁學：除狹義生物磁學內容外，還包括磁生物學，即研究外界磁場對生物機體在不同層次的作用所產生的生物效應及其相應的作用機理；物質的磁性可以通過在外加磁場作用下的磁化過程來認識，也可以通過測量磁性的儀器來探測。對生物大分子的廣泛研究得知，大多數生物大分子是各相異性反磁性，少數為順磁性，極少數呈鐵磁性；3.5.1生物材料的磁性29當前29頁，總共122頁。3.5.2人體磁場正常人體組織是非磁性的，磁化率小，沒有剩余的磁矩。人體磁性的來源:（1）生物電流產生的磁場；（2）由生物磁性材料產生的感應磁場；（3）侵入人體內的強磁性物質產生的剩余磁場30當前30頁，總共122頁。3.6磁場對生物水和細胞的作用3.6.1磁場與生物體相互作用因子3.6.2磁場對生物體內水的作用3.6.3磁場對組織細胞的作用31當前31頁，總共122頁。3.6.1磁場與生物體相互作用因子磁場作用于生物體產生的效應取決于磁場和生物體的某些相互作用因子。對生物效應有影響的磁場因子有:磁場類型、磁場梯度、磁場的方向、作用的部位與范圍、作用時間等；影響磁場作用的生物因素有：生物材料、生物體的磁性、組成、部位、種屬、機能狀態及敏感性等。根據磁場的強度，將磁場的生物效應分為：強磁場效應，地磁場效應和極弱磁場效應；>10-2T的屬于強磁場；<10-7T的屬于極弱磁場或近零磁場；32當前32頁，總共122頁。3.6.2磁場對生物體內水的作用經磁場處理的水稱為磁水。外加磁場對水作用，可使水的比重、沸點、表面張力等特性發生變化。磁場能使水聚體的偶極矩取向發生變化，改變原子核外電子的激發程度，實現共振。33當前33頁，總共122頁。3.6.3磁場對組織細胞的作用磁場對生物組織細胞的影響是多種多樣的。在較高感生電勢作用下，細胞可能被擊穿，或被感生電流燒壞，或被磁矩扭曲，甚至引起細胞死亡；另一方面，磁場作用亦可促進組織細胞帶電微粒的運動，調整生物分子的液晶結構，改變胞膜的通透性，促進代謝過程，加強組織細胞的生長；34當前34頁，總共122頁。3.7磁場的生物效應3.7.1磁致遺傳效應3.7.2磁致生長（死亡）效應3.7.3磁致生理生化效應3.7.4磁致放大效應3.7.5產生磁致生物效應的條件35當前35頁，總共122頁。磁場處理導致生物后代發生遺傳改變的現象稱為磁生物遺傳效應，或稱磁致遺傳效應。3.7.1磁致遺傳效應曲線表明：果蠅最初幾代的發育期比未處理的對照組的平均發育期有成倍的增長，而在以后的各代中，處理組的發育期逐漸縮短。a實驗觀測結果；b對照組平均發育期36當前36頁，總共122頁。3.7.2磁致生長（死亡）效應磁場對生物生長、發育、衰老和死亡等生命過程均能產生影響；例如：

1）海膽卵置于10-14T的超導體強磁場中處理2小時，其早期分裂顯著延遲；2）強度高于1.4T的恒定均勻磁場能抑制細菌的生長；3）小白鼠在約10-7T的磁場中養一年后，壽命縮短6個月，并喪失生育力；37當前37頁，總共122頁。3.7.3磁致生理生化效應磁場作用于生物機體，可使機體的某些功能發生變化。例如：磁場可以改變果蠅的趨光性和活動性；可以提高或抑制一些生物大分子的活性；磁場對動物和人體作用的影響因素很復雜，具有明顯的時間積累性和滯后性。38當前38頁，總共122頁。3.7.4磁致放大效應在許多觀測到的磁場生物效應中，外加磁場的能量常常是很小的，但產生的生物效應卻往往較大，從能量的觀點考慮，較弱的磁場只是起激發作用，生物體起到能量放大作用，相當于一個線性放大器，這種現象稱為磁致生物放大效應。39當前39頁，總共122頁。3.7.5產生磁致生物效應的條件生物的磁場閾值作用時間場型和頻率40當前40頁，總共122頁。

生物磁學（biomagnetism）是研究生物磁性和生物磁場的生物物理學分支。通過生物磁學研究，可以獲得有關生物大分子、細胞、組織和器官結構與功能關系的信息，了解生命活動中物質輸運、能量轉換和信息傳遞過程中生物磁性的表現和作用。生物磁學研究與物理學、生物學、心理學和生理學、醫學等有密切關系，并在工農業生產、醫學診斷和治療、環境保護、生物工程等方面有廣闊應用前景。41當前41頁，總共122頁。研究內容：生物物質的磁性和生物及人體的磁場；外磁場作為一種物理因素，與生物及人體相互作用產生的生物效應。生物磁學發展史：史記“齊王侍醫遂病，自煉五石服之”；李時珍在《本草綱目》中記述：“慈石取鐵，如慈母之招子”，故名磁石，詳細記載了磁石形狀，制備方法和藥物作用；公元1世紀，希臘醫生曾經將磁石作為瀉藥，公元18世紀在巴黎建立了磁學會，19世紀，Bertrand《法國動物磁學》。42當前42頁，總共122頁。近代磁學發展史：60年代，歷史背景：工農業，醫藥業，新興科學技術，磁場對生物體和人體的作用。（1）防護有害作用，利用有益作用，（2）物理學，磁學及技術的發展，測量微弱生物磁信號；超導量子干涉儀，磁探測儀器，核磁共振，順磁共振，穆斯堡爾效應等；（3）生物學和醫學的發展，分子生物學，生物物理學，生物化學，分子藥理學和分子免疫學，生物人體結構和功能，分子水平。生物磁學由簡單到復雜，由現象到本質，由宏觀到微觀逐步發展。43當前43頁，總共122頁。生物磁學學會的建立：為了推廣磁療的工作，1979年在徐州召開了全國磁療會議，1980年在長沙召開了全國磁療專題會議，1985年在鄭州召開了第一屆全國生物磁學會議，1987年在吉林召開了第二屆全國生物磁學會議，1989年在北京召開了第三屆全國生物磁學會議，1991年在上海召開了第四屆全國生物磁學會議，等。歷屆全國性磁學會議的召開，通過學術交流，促進了磁療和生物磁學的發展。44當前44頁，總共122頁。當前生物磁學的研究和應用主要有以下主要方面：1.生物材料的磁性(分子，細胞，組織），微觀結構和功能關系；2.生物和人體磁場的探測，心磁，腦磁和肺磁等，是醫學診斷的依據。3.各種磁場的生物效應；4.生物磁學應用研究，基礎應用和臨床應用（磁療）。45當前45頁，總共122頁。生物磁來源：生物體在其生命活動中能對外顯示微弱的生物磁場主要是因為以下三個原因：（1）生物電荷運動產生的磁場。人體神經器官和組織的活動往往伴隨著微弱的生物電流。（2）生物磁性材料產生的感應磁場。組成活體的物質具有微弱的磁性，它們在受到地磁場或外界磁場的作用下就會產生出微弱的磁矩，因而形成了感應場。（3）生物體內強磁場物質產生的磁場。在少數生物體內，含有微量的強磁性物質（主要是Fe3O4），這種物質能使生物體對磁場有敏銳的反應。46當前46頁，總共122頁。趨磁細菌及磁小體1975年，美國生物學家Blakemore發現并命名了自然界存在存在的一類奇特的微生物——趨磁細菌。47當前47頁，總共122頁。人體磁場人體的生物磁場究竟由哪些因素產生的，歸納起來主要有以下幾個方面：（1）生物電流：由于人體在生理活動中，體內帶電離子發生流動，因而形成了生物電流，如腦電流、心電流、肌電流等。（2）體內強磁物質的剩余磁場：當某些強磁性物質進入人體組織器官以后，在外加磁場作用下被磁化，外加磁場去掉后而產生剩余磁場。（3）由生物磁性材料產生的感應磁場：組成人活體的物質具有一定的磁性，稱為“生物磁性材料”。這種材料在地磁場及其他外界磁場的作用下便產生感應磁場（4）人體本身產生的磁場：根據實驗結果表明，普通人的經絡及穴位點也可測出磁性。一般人體的磁性活動所表現出來的磁場強度都很微弱。48當前48頁，總共122頁。外磁場引起的生物效應――生物磁效應這些磁場生物效應在微觀上主要有以下表現：1．磁場影響電子和離子的運動。生物體中的氧化和還原反應、神經沖動的傳遞和生物電流的主要載體都與電子或離子的運動和傳遞有關，而磁場會對運動電荷產生洛倫茲力，影響電荷運動，由此影響與電荷運動相關的生命現象。2．磁場影響自由基和含磁性原子的蛋白質和酶的活動。一方面這些物質在磁場中受到磁力或磁力矩作用；另一方面，當恒定磁場和高頻磁場同時作用時，一定條件下會產生磁共振。3．磁場影響生物膜滲透和生物代謝。如Na+、K＋、Cl－等的受力作用，從而影響生物膜的滲透能力，對生物體內生物化學反應速度和新陳代謝均產生了影響。4．磁場影響生物發育和遺傳。例如，

含有生物遺傳密碼信息的DNA便含有高鍵能

的共價鍵和較低能的氫鍵。49當前49頁，總共122頁。磁與生活和健康1、電磁強度與生活環境2、磁場對生物的影響3、磁療的作用磁療就是用來改善不良的人體電流分布和磁分布50當前50頁，總共122頁。一、物質的磁性二、生物物質的磁性和生物磁場三、磁場的生物效應四、磁場在醫學中的應用（磁療）51當前51頁，總共122頁。一、磁介質的分類物質的磁性磁介質——能與磁場產生相互作用的物質磁化——磁介質在磁場作用下所發生的變化（1）順磁質（3）鐵磁質（2）抗磁質（4）超導體根據的大小和方向可將磁介質分為四大類附加磁場52當前52頁，總共122頁。二.順磁質與抗磁質的磁化分子磁矩軌道磁矩自旋磁矩——電子繞核的軌道運動——電子本身自旋等效于圓電流——分子電流順磁質及其磁化分子的固有磁矩不為零無外磁場作用時，由于分子的熱運動，分子磁矩取向各不相同,整個介質不顯磁性。分子磁矩53當前53頁，總共122頁。

有外磁場時，分子磁矩要受到一個力矩的作用，使分子磁矩轉向外磁場的方向。

分子磁矩產生的磁場方向和外磁場方向一致，順磁質磁化結果，使介質內部磁場增強。54當前54頁，總共122頁?？勾刨|及其磁化分子的固有磁矩為零在外磁場中，抗磁質分子會產生附加磁矩電子繞核的軌道運動電子本身自旋外磁場場作用下產生附加磁矩電子的附加磁矩總是削弱外磁場的作用?？勾判允且磺写沤橘|共同具有的特性。總與外磁場方向反向55當前55頁，總共122頁。1、相對磁導率μ

r三、相對磁導率、磁導率2、磁導率真空中μ

r=1順磁質μ

r>1抗磁質μ

r<1鐵磁質μ

r>>156當前56頁，總共122頁。一些物質的相對磁導率μr物質μr順磁質鋁氧（標準狀態）空氣（標準狀態）鉑抗磁質銻銅水氫鐵磁質鑄鋼硅鋼純鐵坡莫合金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當前57頁，總共122頁。1、鐵磁質的磁化規律裝置：環形螺繞環;鐵磁質Fe,Co,Ni及稀釷族元素的化合物，能被強烈地磁化實驗測量B,如用感應電動勢測量或用小線圈在縫口處測量；由得出曲線鐵磁質的不一定是個常數，它是的函數四、鐵磁質原理:勵磁電流I;

用安培定理得H58當前58頁，總共122頁。初始磁化曲線.......矯頑力飽和磁感應強度磁滯回線剩磁59當前59頁，總共122頁。B的變化落后于H，從而具有剩磁，即磁滯效應。每個H對應不同的B與磁化的歷史有關。磁滯回線--不可逆過程在交變電流的勵磁下反復磁化使其溫度升高的磁滯損耗與磁滯回線所包圍的面積成正比。鐵磁體于鐵電體類似；在交變場的作用下，它的形狀會隨之變化，稱為磁致伸縮（10-5數量級）它可用做換能器，在超聲及檢測技術中大有作為。60當前60頁，總共122頁。二、磁疇

根據現代理論，鐵磁質相鄰原子的電子之間存在很強的“交換耦合作用”，使得在無外磁場作用時，電子自旋磁矩能在小區域內自發地平行排列，形成自發磁化達到飽和狀態的微小區域。這些區域稱為“磁疇”多晶磁疇結構示意圖61當前61頁，總共122頁。顯示磁疇結構的鐵粉圖形62當前62頁，總共122頁。純鐵硅鐵鈷三種鐵磁性物質的磁疇63當前63頁，總共122頁。Si-Fe單晶(001)面的磁疇結構箭頭表示磁化方向64當前64頁，總共122頁。臨界溫度(鐵磁質的居里點)

每種磁介質當溫度升高到一定程度時，由高磁導率、磁滯、磁致伸縮等一系列特殊狀態全部消失，而變為順磁性。不同鐵磁質具有不同的轉變溫度如：鐵為1040K，鈷為1390K，鎳為630K

用磁疇理論可以解釋鐵磁質的磁化過程、磁滯現象、磁滯損耗以及居里點。65當前65頁，總共122頁。3.

有剩磁、磁飽和及磁滯現象。鐵磁質的特性2.

有很大的磁導率。放入線圈中時可以使磁場增強102~

104倍。4.溫度超過居里點時，鐵磁質轉變為順磁質。1.

磁導率μ不是一個常量，它的值不僅決定于原線圈中的電流，還決定于鐵磁質樣品磁化的歷史。

B

和H

不是線性關系。66當前66頁，總共122頁。鐵磁質的應用(1)作變壓器的軟磁材料。純鐵，硅鋼坡莫合金(Fe，Ni)，鐵氧體等。r大，易磁化、易退磁（起始磁化率大）。飽和磁感應強度大，矯頑力(Hc)小，磁滯回線的面積窄而長，損耗小（HdB面積?。?。還用于繼電器、電機、以及各種高頻電磁元件的磁芯、磁棒。67當前67頁，總共122頁。(2)作永久磁鐵的硬磁材料鎢鋼，碳鋼，鋁鎳鈷合金(3)作存儲元件的矩磁材料Br=BS

，Hc不大，磁滯回線是矩形。用于記憶元件，當+脈沖產生H>HC使磁芯呈+B態，則–脈沖產生H<–

HC使磁芯呈–B態，可做為二進制的兩個態。矯頑力(Hc)大（>102A/m)，剩磁Br大磁滯回線的面積大，損耗大。還用于磁電式電表中的永磁鐵。耳機中的永久磁鐵，永磁揚聲器。錳鎂鐵氧體，鋰錳鐵氧體68當前68頁，總共122頁。生物物質的磁性和生物磁場

從生物大分子、細胞、組織、器官、系統以及整體，每一層次都表現出不同的磁性，有些生物材料本身所特有，有些是生命活動中產生的電磁感應，有些是由外源性的磁性物質所引起的。一、生物磁性的來源1、生命材料中含有順磁性物質過渡元素（Fe、V、Mn、Co、Mo）的生物材料（1）Fe、血紅蛋白、肌蛋白和鐵蛋白；（2）含Co的維生素B12；（3）含Cu血藍蛋白和肝紅蛋白。69當前69頁，總共122頁。2、生命活動產生的生物電

電活動，新陳代謝，能量與物質交換，信息傳遞，電子離子轉運，大腦調控，肌肉運動，心臟運動，動作電位，生物電導致了磁場。3、侵入人體的外源性鐵磁物質產生剩磁場四氧化三鐵肺部吸入粉塵胃腸磁化4、其他

生化反應過程形成的自由基，產生了順磁性物質，電子自旋生物磁場都很弱70當前70頁，總共122頁。71當前71頁，總共122頁。二、微弱磁場檢測方法技術

地球磁場的強度約為0.5G，城市中的各種磁噪聲也十分嚴重，可達0.005G，在這樣強的磁噪聲中要測量十分微弱的生物磁信號，必須有高度靈敏的磁強計和良好的磁屏蔽室，以防止周圍環境的噪聲干擾。由于這些條件的限制。使得對生物磁信號的研究進展行很緩慢。直到60年代后期，隨著測量技術的不斷的發展，陸續研制出了一系列的測量手段，如感應線圈式磁強計，磁通門式磁強計，超導量子干涉儀（SQUID）磁強計，空間鑒別技術，交流屏蔽和空間鑒別技術發展。72當前72頁，總共122頁。1、鐵磁屏蔽

對直流磁場的屏蔽相當困難，采用高磁導率的磁性材料制成屏蔽體影響屏蔽效率因素：（1）鐵磁材料的磁導率，越高越好；（2）屏蔽體厚度，越厚越好；（3）容積，越小越好；（4）層數，越多越好。麻省理工學院，26層磁屏蔽室，成本相當昂貴2、空間鑒別技術即一次微商梯度儀或二次，相互抵銷（磁源，地磁，干擾磁）73當前73頁，總共122頁。

梯度儀是由兩個相隔很近、同樣的線圈反向串接而成，當兩線圈所處磁場不均勻時，才有磁通通過，從而引起超導環內的磁通發生相應的變化；而在均勻磁場時是不靈敏的，從而可以抵銷干擾磁場，測量人體磁場。3、“渦旋電流”式磁屏蔽與空間鑒別技術

用高磁導率金屬材料制成屏蔽體，可使外界交流磁場在該屏蔽體內產生渦旋電流，設法使該渦旋電流產生的磁場與外界交流磁干擾相互抵銷，一般用鋁制成。4、磁通門式磁強計和超導量子干涉儀（SQUID）

超導量子干涉儀是一個磁電變換器，由磁通量變化轉變成電量的變化，由于靈敏度極高，故可以記錄人體磁場。74當前74頁，總共122頁。75當前75頁，總共122頁。SQUID磁強計組成：1、SQUID本身，被密封在一個超導屏蔽的小盒內，可對干擾磁場進行部分屏蔽；2、檢測線匝，用來探測磁場；3、杜瓦瓶，內盛液氮。測量微弱的幾種技術(Gs)型式范圍分辨率感應線圈磁通門SQUID10-4~100<1010-9~10-310-4~10-710-6~10-710-10~10-1176當前76頁，總共122頁。三、生物物質磁性與其結構和功能關系大多數生物大分子具有各向異性的抗磁性少數表現為順磁性（過渡金屬離子），自由基極少數生物大分子（含有鐵的氧化物）表現為鐵磁性1、生物分子的抗磁性生物分子在磁場中發生與磁場反向的運動（取向）（1）葉綠素1T垂直時，效應最大，平行時，效應最?。?）雜環聚核苷酸鏈組成的堿基對（DNA）在10TDNA分子的縱軸向磁場的垂直方向取向。2、生物材料順磁性（1）磁化率與其結構和功能間有許多信息，如蛋白質、酶功能活動（2）肝鐵血色病重型地中海貧血等77當前77頁，總共122頁。3、順磁共振、核磁共振、穆斯堡爾譜儀應用于生物材料研究探測物質的微觀結構靈敏度高、選擇性好、可研究動態和瞬變過程78當前78頁，總共122頁。79當前79頁，總共122頁。四、生物和人體磁場1、心磁場和心磁圖MCG1963年，鮑萊（Baule）等人第一次探測到心磁場1970年，科恩（Cohen）用SQUID記錄到心磁圖（1）心磁圖與心電圖相比，對某些疾病的診斷，有更大的優越性，靈敏度和準確度都高，可得到更多關于心臟活動異常和病變的信息；（2）如對左心室肥厚和高血壓病的正確診斷率可達40%~55%，而心電圖只有14%~20%；（3）能測出肌肉、神經等組織損傷所產生的直流電磁場，故對早期心肌梗死可及早作出診斷；（4）可檢測到胎兒的心臟功能（30~35周）；80當前80頁，總共122頁。2、神經磁場和腦磁圖MEG1968年科恩（Cohen）首次在頭顱的枕部測到與腦電圖相對應的自發腦磁圖（MEG）

磁探測器直徑較小，可在頭部任意移動，以及有磁場和電流源的明確對應關系，可以較準確地探測到腦的某一局部區域的磁場變化，空間分辨率達到2~3mm，深度5cm，對中樞神經生理學和醫學診斷有重要意義。目前用腦磁圖來確定癲癇病人的病灶明顯優于腦電圖3、肌磁場和肌磁圖MMG

可以在不同部位和不同距離測量肌磁場，由此可更準確地得到相關的體電流分布，可以測到由于肌肉損傷產生的恒磁場或慢變化磁場，這些都是肌電圖所做不到的。81當前81頁，總共122頁。4、肺磁場和肺磁圖原因是外源性，剩余磁肺磁場的強度與分布與肺不同部位沉積的鐵磁性微粒的濃度有某種相關性5、生物和人體磁場的特點（1）生物磁場的探測可以不與生物體直接接觸，避免了與被測對象接觸而引起的電磁干擾；（2）生物電測量的電位變化，多為大范圍電活動的綜合表現，而生物磁場的測量在探頭尺寸允許的精度內，可以分辨到mm尺度的電磁變化；（3）生物電測量只能得到相對的電位變化信號，而生物磁場測量能得到交變和恒定的磁場數值；82當前82頁，總共122頁。（4）由于磁探頭可在空間任意移動，改變位置和方向，因而能得到三維的磁場分布圖，所以能較準確地了解機體內部的磁場源和活動細節；（5）磁場探測是非損傷性技術，更宜于臨床使用；當然與細胞水平的生物電測量，也有其局限性83當前83頁，總共122頁。第三節磁場的生物效應產生生物效應的兩個因子：磁場因子和機體因子磁場因子有磁場類型，強度，均勻性，方向，作用時間機體因子有機體的磁性，機體的組成，機體部位和敏感性各種類型磁場的生物效應不同生物層次的生物效應（一）磁場因子1、磁場類型可分為恒磁碭和變磁場，變磁又分為高頻、低頻、連續變化和脈沖變化，各種不同磁場產生生物效應不同，原因不同如低頻有刺激作用，高頻沒有84當前84頁，總共122頁。2、磁感應強度

引起生物效應有磁閾值，與磁強不是線性關系，磁強小是刺激作用，大到一定程度是抑制作用，與磁強梯度有關，生物效應是由磁場變化引起的。3、磁強的均勻性

電子順磁共振和核磁共振要求均勻度達到百萬分之一，穩定度達億分之一，均勻與否產生的生物效應也不同。4、磁場的方向

磁場是有方向的矢量，當其方向和機體某一結構或過程的方向的夾角變動時，生物效應將隨之而變，有時最大，有時沒有。85當前85頁，總共122頁。5、磁場的作用時間累積效應，短時間刺激作用，長時間累積作用（二）機體因子（1）機體的磁性（2）機體的組成

含有下列成分（鐵磁微粒、正負離子、永磁偶極子、非球形抗磁或順磁微粒、自由基）之一的機體，才可能說明它和磁場相互作用機制，也有較明顯的生物效應，其他雖可發生生物效應，但機制多半不明。（3）機體部位和敏感度小動物整體處于磁場中，按神經、內分泌、感覺器官、心血管，血液、消化、肌肉、排泄、呼吸、皮膚和骨86當前86頁，總共122頁。

局部作用于機體時，通過血液循環，其下是消化、神經、呼吸、泌尿系統。此外，局部作用時，既引起局部變化，沒受到作用的系統也有應答，這說明機體的調節（神經、內分泌）至少參與了生物效應的產生。（三）生物效應

磁場從開始作用到看到機體的生物效應，一般有一段時間，其主要原因是產生生物效應的磁場必須同時同方向地作用一段時間，機體才發生明顯的生物效應。87當前87頁，總共122頁。一、各種類型磁場的生物效應1、地磁場的生物效應

地磁是生物和人的環境物理因素，有些生物利用地磁發揮一定的生理功能，且當地磁場發生劇烈變化時，則會出現生理狀態的改變。（1）生物的向磁性和導航作用A）感知地磁的物質或器官，鴿子，猴鳥，鰻魚和蝸牛海豚等都含有四氧化三鐵，鐵顆粒，鐵蛋白，有天然剩磁B）細菌沿地磁方向游動的本領C）人鼻竇壁（5微米處）有一層鐵質層，它具有三種功能：是存儲鐵組織的場所，與磁感覺有關，有助于骨的生長和復原88當前88頁，總共122頁。

人體本身是個磁體，因些也有兩極，人站立時，頭和上身是N極，下身和腳是S極；人平臥時，右側是N極，左側是S極；人正面是N極，背面是S極。在自然定律有所謂穩態平衡，即此時物體最穩定，人睡覺時，頭朝北腳朝南，人體處于平衡，輕微的擾動不會影響睡眠深度，反之，人體處于不穩定平衡，稍一攪動，就會失去平衡，睡得不安穩，甚至煩躁；產婦臨盆時，若頭朝北，則分娩會順利些，老人臨終時，若頭朝北，會安然離去。D）植物的生長與地磁有關，在S極下，青土豆比附近的成熟快些2、地磁場變化引起的生物效應

月球也是磁體，海水受吸而生潮，人體70%是水，而水又是抗磁體，當然會受到月球磁場的影響，滿月時因地磁起伏而流得快些，瘋子在滿月時，病情會加重，原發性高血壓與地磁變化有關。89當前89頁，總共122頁。在新月滿月禁食是合乎科學的，因有助于減少體液和維持平衡。

地磁起伏主要來源于太陽的耀斑和黑子的活動，它們在地球上引起磁暴，隨耀斑和黑子的大小，磁暴可維持幾小時到幾天，起伏達0.005G，當地磁迅速起或脈動時，常見心臟病發作，脈動磁場還對腦電波起作用，攪亂其心理因素，體內生物電勢也被攪動，此外暴風雨也使地磁起伏。2、恒定磁場的生物效應強磁場B>0.01T均勻強磁強梯度場（1）恒定均勻強磁場的生物效應A）細菌B>1.4T能抑制細菌的生長；B）海膽卵10~14T2小時早期分裂受到顯著的延遲；C）果蠅0.01~0.15T畸變不明顯，0.3~0.4T畸變迅速增加；90當前90頁，總共122頁。D）小鼠0.4T肝臟氧化酶活性變化，尿中鉀、鈉離子增加，腎上腺病理變化，10~14T，1小時，無變化，與作用時間有關；E）血凝速率：紅細胞在0.005、0.004、0.5分別增加21%、25%、30%（2）恒定梯度磁場的生物效應與均勻磁場比，影響更顯著A）果蠅10~14T1~2小時未見蛹蟲顯著變化；0.4T/mm2.2T，1小時果蠅蛹幾分鐘后就死亡，5%~10%成蟲畸變；B）腫瘤小白鼠0.1T/mm0.24~0.48T增長緩慢，15天停止，22天開始縮小，27天消失，磁療醫治腫瘤成為可能。91當前91頁，總共122頁。3、極弱磁場的生物效應A）雞胚胎組織5*10-9T4天未見影響；B）小白鼠1*10-7T一年，壽命縮短6個月，而且不可能再生育；C）酶的活性有降低趨勢；D）海軍5*10-8T14天，生理心理無變化，磁致壓眼閃光4、交變磁場的生物效應生物電流效應1）磁致壓眼閃光，0.01T與頻率有關，20~30Hz最顯著；2）青蛙視網膜：0.02T20Hz視網膜神經節的電活動，延遲5ms;3）抑制大腸桿菌的生長，60Hz、600Hz0.002T與頻率有關，越大越顯著；4）Yc-8淋巴瘤細胞2000Hz時生長快，60Hz旋轉磁場生長變慢；92當前92頁，總共122頁。5）50Hz、0.02T大、小白鼠，增強對感染的抵抗能力，血中類固醇、白細胞數目提高；6）豚鼠50Hz0.02T生理功能改變一個月后復原二、磁場對不同生物層次的效應1、磁場對生物大分子和細胞的效應1）磁場能影響生物大分子的空間構象、活性和功能0.3~0.4T0.02T/mm創傷愈合實驗成纖維細胞的增殖和纖維化兩種作用下降，DNA合成下降，s-37腫瘤細胞0.37T1~3小時磁場能影響一些蛋白質和酶的活性、生化、生理功能如胰蛋白酶1.5T活性增強2）磁場對細胞的生物效應93當前93頁，總共122頁。影響細胞的形態和機能，DNA合成下降，正常和腫瘤細胞的生長受到抑制2、磁場對生物組織和器官的生物效應（1）磁場對心血管系統的作用A）磁場對治療血小板減少性紫斑，再生障礙性貧血有一定療效

例：正常人全血B=0.05T30min，白細胞部分凝血活酶時間（KPTT），凝血酶原時間（PT），凝血酶時間（TT）和紅細胞壓積，全血粘度。結論：KPTT縮短，全血粘度降低，比一些常用活血瘀藥更顯著。B）磁場對心臟功能影響的實驗94當前94頁，總共122頁。T波隨B的增大而顯著增大，原因可能是主動脈血流產生磁致附加電勢，心率無變化，血壓無變化，核磁共振對心臟無直接損害。（2）磁場對消化器官的作用A）旋轉磁場0.08~0.1T作用于動物腹部，家兔小腸運動振幅明顯受抑制；B）小鼠腸蠕動和吸收功能實驗旋轉磁場（0.15T)20分鐘，結論是加快蠕動，加快吸收；C）磁化的口服補液鹽（MORS）抑制腸胃推進運動，鈣離子濃度下降。（3）磁場對其他器官和系統的作用A）鎮痛作用95當前95頁，總共122頁。

永磁片（0.15~0.25T)貼在大腿外側，效果好于醋酸和電刺激，對疼痛反映時間作為指標，結論是：有鎮痛作用，隨B的增加效果增強；原因可能是對神經末梢對外界刺激的感應性減弱，減少了感覺神經活動的傳導。B）對腦電波的影響N衰弱，0.18T腦部，波、節律消失。C）消炎作用旋轉磁場有明顯的降低炎癥，減少介質的致炎作用；磁場能阻御急性滲出過程和促進腫脹吸收過程。96當前96頁，總共122頁。3、關于人體接觸磁場的安全問題副作用：植物神經系統失調，頭暈，記憶力下降，失眠，情緒欠佳，易疲勞。特點：時間累積性，滯后性。短時間，小于2T不會危害防護標準：最大暴露小于2T；恒磁小于500mT;時變7.5mT50Hz1h1~8mT8h>2T4~5T只能幾分鐘核磁共振儀B<2T<3T/s措施：距離和時間磁屏97當前97頁，總共122頁。三、磁場生物效應微觀機理探討1、對電子傳遞的影響原因：（1）氧化還原反映，血紅素受到磁場的影響；（2）生物半導體效應，葉綠素進行光合作用，光能轉化為化學能2、對自由基活動的影響

在下列過程中（植物的光合作用，種子的發芽，動物和人的致癌，輻射損傷，衰老的過程等）都伴隨著自由基的產生，轉移和消失。自由基具有較大的化學活性，它所帶未抵銷的電荷和自旋磁矩受到洛侖茲力、力矩的作用。3、對生物膜通透性的影響98當前98頁，總共122頁。

磁場影響鈉、鉀、鈣等離子，在生物膜中的運輸（主動、被動），新陳代謝，能量傳輸，與生化、生理、生物電相關過程。（４）對蛋白質和酶活性的影響順磁質，影響酶的活性參與的新陳代謝（５）對遺傳基因的影響磁場對人體作用機制的幾種理論（一）電動力學理論一切磁現象都是由于運動電荷所產生的，磁現象的本質就是電荷的運動。磁場對電荷，一磁場對另一磁場，都會產生作用力。磁場對運動電荷產生勞倫茲力，對載流導體產生安培力；磁場能改變原子和分子的軌道磁矩和自旋磁矩的方向；通過電磁感應作用，磁場還能使導體產生感應電動勢和感應電流99當前99頁，總共122頁。1.產生微電流人體各種體液都是電解質溶液，屬于導體，在交變磁場中，磁力線做切割導體的運動，將產生感生電流；隨著心臟的收縮與舒張，血管也不停地進行運動，而且血液也是不斷地在流動，所以雖是恒定磁場，由于血管和血流的運動，對磁力線進行切割，也將在體內產生電流。進行磁療所產生的感生電流是很弱小的，即微電流。微電流的產生可對體內生物電活動發生影響，從而影響各器官各組織的代謝和功能。例如，在交變磁場作用下，Na+、K+、C1－等離子的活動能力加強，改變了膜電位，增強細胞膜的通透性，促進細胞膜內外物質的交換等。

100當前100頁，總共122頁。

2.磁場對生物電的作用人體內有各種生物電流，如心電、腦電、肌電和神經動作電位等。生物電是生理活動的重要組成部分。在磁場作用下，生物電流將受到磁場力的作用，即磁場將對生物電流的分布、電荷運動形式及其能量狀態發生作用，因而引起有關組織器官的功能發生相應的變化。此外，生物體的氧化還原反應過程中，發生電子的傳遞；磁場可能對電子傳遞過程產生作用而影響生化反應過程。101當前101頁，總共122頁。（二）酶學說

酶是在細胞內生成的，其化學本質屬于蛋白質的生物催化劑。有些酶類的催化活性，除了蛋白質部分外，還需要金屬離子，即金屬離子是酶活性中心的組成部分。有些酶的分子中雖不含有金屬，但需要金屬離子激活。例如，許多磷酸移換酶需要Mg++，許多水解肽鍵的酶需要Co++、Mn++、Mg++或Zn++的激活，才轉變成具有活性的酶。此外，Na+K+、Ca++、Cu++等十余種陽離子及一些陰離子（C1－）等均對某些酶具有激活作用。磁場可能通過對上述金屬離子和非金屬離子的作用影響酶的催化活性，而對人體產生作用。有人認為磁場有鎮靜止痛、降低血壓和減輕炎癥反應等作用，同磁場提高膽鹼酯酶、單胺氧化酶、組胺酶和激肽酶的活性有關102當前102頁，總共122頁。（三）經穴作用許多疾病的磁療是用于穴位而產生療效。例如磁片貼敷大椎、肺俞、膻中治療喘息性支氣管炎，旋磁作用神閾，有顯著止瀉療效等?，F代儀器檢查證實，穴位經絡存在電活動現象。例如，穴位比周圍皮膚有較高的電位。當某臟器功能亢進時，相應經絡穴位的皮膚電位增高或電阻值下降；當某器官活動功能減弱時，相應經絡穴位的皮膚電位也隨之降低，而電阻值則升高。因此推測阻值則升高。因此推測，磁場可能影響經絡的是電磁活動過程而起機能調節作用。103當前103頁，總共122頁。（四）神經內分泌作用

磁場作用于全身時，各系統參與反應的程度可按下列順序排列：神經，內分泌、感覺器官、心血管、血液、消化、肌肉、排泄、呼吸、皮膚、骨。神經和體液系統對磁場的作用最為敏感，即機體對磁場作用的反應中，神經和內分泌系統起重要作用。在磁場作用時，神經既能參與原始反應的快速感受系統，也參與其緩慢感受系統。當弱磁場作用較長時間時，也能引起緩慢系統的反應。內分泌系統也明顯參與機體對磁場作用的反應。在磁場作用下，觀察到動物某些激素分泌增加。104當前104頁，總共122頁。磁場在醫學中的應用一、磁療患處穴位永磁片貼敷旋轉磁場電磁場綜合作用1、治療各種炎癥和外科損傷

急性扭損傷，腰肌勞損，風濕性關節炎，類風濕關節炎，關節炎，皮膚各種炎癥2、磁場麻醉

磁療可改善睡眠狀態，緩解肌肉痙攣，減輕面肌抽搐，減輕喘息性支氣管炎和搔癢癥等。這可能與磁場對神經系統的作用有關。中藥磁石有鎮心安神、平肝潛陽作用。105當前105頁，總共122頁。3、疼痛性疾病和神經衰弱癥狀

磁場有明顯止痛作用。動磁場止痛較快，但不鞏固；恒磁場止痛較慢，但止痛時間較長。磁療常用于治療各種疼痛，如軟組織損傷痛，神經痛，炎癥性疼痛，內臟器官疼痛和癌性疼痛等。磁療止痛效果快慢不一，多數病人在磁療后數分鐘至10分鐘即可出現止痛效果。4、呼吸系統疾病支氣管哮喘，肺水腫，磁場抗肺滲出效應5、腸胃疾病腹瀉及小兒功能性腹瀉106當前106頁，總共122頁。6、治療腫瘤

磁療對良性和惡性腫瘤有一定影響，可使良性腫瘤，如纖維瘤、脂肪瘤、毛細血管瘤、腱鞘囊腫等縮小或消失。對惡性腫瘤也有縮小腫塊及改善癥狀的作用。大劑量非均勻磁場效果顯著，一般均勻磁場對惡性腫瘤無效。7、骨折磁場有促進骨折愈合的作用，加速骨痂的生長。8、治療結石癥，冠心病和高血壓

低強度恒磁場（15～50mT）治療冠心病或早期高血壓患者，多數病人在治療后一般狀況改善，頭痛，心區痛減輕或消失，血壓下降，脈率減慢。107當前107頁，總共122頁。二