十四生物電磁效應(yīng)與應(yīng)用

十四生物電磁效應(yīng)與應(yīng)用第一頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期五生物膜的作用（1）為生命物質(zhì)提供了相對(duì)穩(wěn)定的新陳代謝環(huán)境，防止了外界物理和化學(xué)的擾動(dòng)和內(nèi)部物質(zhì)的無選擇逸出（2）信號(hào)傳導(dǎo)、物質(zhì)運(yùn)輸、能量傳遞、吸收分泌、藥物作用、神經(jīng)興奮傳導(dǎo)和心肌節(jié)律性的同步搏動(dòng)等生理功能，都是通過生物膜結(jié)構(gòu)來完成的（3）生物膜是信息傳遞的重要“接口”，也是對(duì)外界電磁輻射騷擾的敏感“設(shè)備”之一（4）一般，外界的電磁輻射以感應(yīng)耦合的方式影響細(xì)胞膜，而內(nèi)部的電磁場(chǎng)，則可通過傳導(dǎo)耦合的方式實(shí)現(xiàn)騷擾第二頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期五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(zhì)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(dǎo)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(zhì)層，角質(zhì)層相當(dāng)于一層很薄的絕緣膜，類似于電容器的中間介質(zhì)，真皮和電極片類似于電容器的兩個(gè)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(xì)胞組成的，細(xì)胞膜的主要成分是脂類物質(zhì)和各種膜蛋白，由于脂類物質(zhì)在電學(xué)上幾乎絕緣，它相當(dāng)于電容器的中間介質(zhì)，而因蛋白的功能特性，在宏觀上膜兩側(cè)造成特定的導(dǎo)電狀態(tài)，所以細(xì)胞膜兩側(cè)及膜內(nèi)脂類物質(zhì)綜合起來可看成漏電的電容器C1（因細(xì)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(xì)胞膜產(chǎn)生的阻抗等效于R1、C1并聯(lián)電路。第三頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期五人體組織的電導(dǎo)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(xué)性質(zhì)具有高度的非均勻性和色散性。第四頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期五電磁場(chǎng)與人體相互作用中的電磁場(chǎng)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(shí)，可簡(jiǎn)化為宏觀電磁參數(shù)——磁導(dǎo)率、介電常數(shù)和電導(dǎo)率的描述。應(yīng)用1.31cm立方模型，每一立方塊內(nèi)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)。第五頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期五圖中表示入射波頻率為100MHz時(shí)，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(xué)中的一個(gè)重要參數(shù)，用來度量電磁輻射在生物單位組織中所感應(yīng)的電場(chǎng)。比吸收率能夠考慮熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)，體溫升高率也和比吸收率成正比。第六頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期五電磁波的生物效應(yīng)電磁波生物效應(yīng)電磁波對(duì)人體產(chǎn)生影響的機(jī)理：（1）對(duì)電子傳送的影響（2）對(duì)自由基活動(dòng)的影響（3）對(duì)生物膜通透性的影響（4）對(duì)蛋白質(zhì)和酶活性的影響（5）對(duì)遺傳基因的影響第七頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期五熱效應(yīng)（1）生物體的組成物質(zhì)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(shí)形成一定的電場(chǎng)，而極性分子在電場(chǎng)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(duì)（5）在頻率不太高的時(shí)候分子運(yùn)動(dòng)速度尚能適應(yīng)，在分子運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)碰撞摩擦而產(chǎn)生熱（6）在頻率高時(shí)分子將來不及運(yùn)動(dòng)，只將能量滯留并以轉(zhuǎn)化為熱的形式表達(dá)出來第八頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期五非熱效應(yīng)（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(yīng)，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(yīng)為非熱效應(yīng)（2）人體的自我調(diào)整能力是電磁輻射生物熱效應(yīng)存在閾值的主要原因（3）靜電場(chǎng)、恒磁場(chǎng)、低頻場(chǎng)只能引起非熱效應(yīng)（低頻場(chǎng)無法致熱）（4）研究表明：強(qiáng)電線的工頻電磁場(chǎng)對(duì)人體組織也產(chǎn)生有害影響，會(huì)使神經(jīng)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)等發(fā)生一些反應(yīng)與變化第九頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期五第十頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期五第十一頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期五積累效應(yīng)（1）磁場(chǎng)的生物效應(yīng)有滯后、累積和放大等特性（2）因?yàn)榇艌?chǎng)要引起生物體在分子、細(xì)胞、組織、臟器或整體在代謝、功能、結(jié)構(gòu)上發(fā)生變化需在磁場(chǎng)作用于生物體一段時(shí)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(jié)合的無機(jī)離子，它們受位阻和勢(shì)能的限制，在空間上只能有少數(shù)穩(wěn)定的構(gòu)象位置，在外電作用下，它們可發(fā)生從一個(gè)平衡位置向另一個(gè)平衡位置的躍進(jìn)，由于離子基因和絡(luò)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(dāng)電偶極矩發(fā)生趨向外電場(chǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，必須克服一定的勢(shì)壘，所以必須有一個(gè)時(shí)間過程（4）從能量觀點(diǎn)上看，作用劑量（場(chǎng)強(qiáng)和梯度與時(shí)間的乘積）越大，引起的生物效應(yīng)也越大，這表現(xiàn)出累積效應(yīng)（5）一般說來，外加磁場(chǎng)的能量是很小的，但它能產(chǎn)生能量變化，其原因在于磁場(chǎng)僅是一種觸發(fā)條件，經(jīng)體內(nèi)信息反饋和放大，最后導(dǎo)致很大的能量變化。其他效應(yīng)：如遠(yuǎn)后效應(yīng)、后代效應(yīng)第十二頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期五微波的生物效應(yīng)高頻電磁波對(duì)生物體的作用主要以輻射方式進(jìn)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(yīng)也不盡相同微波與生物體相互作用的基本方程：進(jìn)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(yīng)和非熱效應(yīng)第十三頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期五電磁的應(yīng)用與防護(hù)電磁在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用治療方面的應(yīng)用（1）電磁場(chǎng)在低頻、幾千赫茲到幾吉赫茲的范圍內(nèi)，以適當(dāng)?shù)姆绞胶蜁r(shí)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(yīng)用也很廣泛（3）癌癥的高溫治療（4）將微波輻射與針灸技術(shù)結(jié)合起來第十四頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期五（5）將手術(shù)刀與微波輻射器相結(jié)合組成一種新的手術(shù)刀（6）利用微波加熱作用可以對(duì)冷藏器官、儲(chǔ)藏的血漿進(jìn)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(duì)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(biāo)差異不顯著,無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05);輸注后無輸血相關(guān)副作用。新型血制品解凍裝置采用微波水熱法對(duì)冰凍血漿進(jìn)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(jìn)行高速振動(dòng)產(chǎn)生熱能,并使其迅速解凍,故微波水熱法解凍時(shí)間是傳統(tǒng)水浴法的三分之一,解凍時(shí)間的縮短能減少解凍時(shí)血漿袋微孔滲透的危險(xiǎn),有助于預(yù)防細(xì)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(shí)間和強(qiáng)度,微波水熱法解凍血漿時(shí)熱傳導(dǎo)形式以電磁波與液體對(duì)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(shí)間為3min,對(duì)離體的細(xì)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(yù)熱,節(jié)省準(zhǔn)備時(shí)間,解凍速度快,采用紅外線測(cè)溫探頭和智能溫控儀,測(cè)量控制精度高,保證了解凍溫度在安全范圍內(nèi)自動(dòng)調(diào)節(jié)和血漿質(zhì)量,具有快速、安全的優(yōu)點(diǎn),特別適合在野戰(zhàn)、重大災(zāi)害等急救時(shí)快速提供血漿第十五頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期五診斷方面的應(yīng)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(jìn)行測(cè)量（2）根據(jù)熱輻射特性（3）根據(jù)運(yùn)動(dòng)物體的多譜勒頻移第十六頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期五微波醫(yī)學(xué)成像的原理及特點(diǎn)（1）利用不同生物組織對(duì)電磁波的吸收、反射和透射特性的不同，從它們對(duì)電磁波的散射場(chǎng)中獲取介質(zhì)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(jì)第十七頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期五微波的醫(yī)學(xué)應(yīng)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(guān)系。Mechling等做了臨床模擬腦組織的研究。Matsumi和Nakagawa則在猴腦實(shí)驗(yàn)中觀察了微波加熱的安全性。在對(duì)猴腦組織分別進(jìn)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(duì)正常猴腦組織造成損傷。提示微波對(duì)腦組織的安全溫度在43℃。Ryan在應(yīng)用于臨床前也做了天線矩陣模型中的溫度分布測(cè)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(shí)，天線矩陣的瘤區(qū)中心溫度最高達(dá)60.1℃，邊緣在43℃以上，作用可達(dá)5.9cm×2.8cm×2.8cm。Seegen-schmiedt等對(duì)3例復(fù)發(fā)的腦膠質(zhì)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(shí)間1小時(shí)。結(jié)果：2例患者改善，生存期為7，12，15個(gè)月。尸檢：2例治療區(qū)無腫瘤活動(dòng)，1例在非治療區(qū)有瘤體生長(zhǎng)。術(shù)者認(rèn)為，該法對(duì)復(fù)發(fā)腦膠質(zhì)瘤非常有效，但尚未達(dá)到延長(zhǎng)患者生存期的目標(biāo)。第十八頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期五

眼部腫瘤為安全地在眼部腫瘤中應(yīng)用微波，F(xiàn)inger等設(shè)計(jì)了一套眼球內(nèi)腫瘤的模擬系統(tǒng)。在一個(gè)充滿眼球組織相等介質(zhì)的聚丙烯凍膠盒內(nèi)，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(chǎng)分布可在膠體內(nèi)具體表現(xiàn)出來，天線通過卡進(jìn)入膠體的另半部分對(duì)膠體加熱。通過此種實(shí)驗(yàn)，幫助天線設(shè)計(jì)。結(jié)果設(shè)計(jì)出的天線在模擬實(shí)驗(yàn)中證明對(duì)眼是安全的。Finger等對(duì)44例早期脈絡(luò)膜黑色素瘤患者實(shí)施該技術(shù)，頻率2450MHz，功率10～15W，將針狀天線插入到腫瘤下作斑點(diǎn)狀加熱治療，同時(shí)在鞏膜測(cè)溫，腫瘤邊緣最低溫度42℃，時(shí)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(zhuǎn)移（39個(gè)月后），2例眼球摘除，2例青光眼。平均隨訪22．2個(gè)月，有97．7％的病例局部腫瘤控制。該作者認(rèn)為，以上方法治療脈絡(luò)膜黑色素瘤可降低放療劑量，也有較好的作用。

（3）毫米波的作用第十九頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期五脈沖電磁場(chǎng)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用（1）電穿孔是功能強(qiáng)大的將核酸、蛋白及其它分子導(dǎo)入多種細(xì)胞的高效技術(shù)。通過高強(qiáng)度的電場(chǎng)作用，瞬時(shí)提高細(xì)胞膜的通透性，從而吸收周圍介質(zhì)中的外源分子。這種技術(shù)可以將核苷酸、DNA與RNA、蛋白、糖類、染料及病毒顆粒等導(dǎo)入原核和真核細(xì)胞內(nèi)。下圖左為利用裸DNA疫苗進(jìn)行首次臨床實(shí)驗(yàn)，通過活體電穿孔程序?qū)⑵鋵?dǎo)入丙型肝炎患者體內(nèi)產(chǎn)生了抗病毒效果，下圖右為電穿孔在美容方面的應(yīng)用第二十頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期五（2）電融合在兩電極間(1mm)放入原生質(zhì)體懸液；給電極施加高頻(1MHz)交流電壓(如300V·cm-1)，40sec，原生質(zhì)體表面電荷重新分布，具有正負(fù)極性，因相互吸引，使多個(gè)原生質(zhì)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(zhì)體質(zhì)膜局部破裂，脂質(zhì)分子重新排列，引起質(zhì)膜融合；斷電，已融合的原生質(zhì)體在膜張力的作用下逐漸成為球狀，未融合的細(xì)胞被分開。

第二十一頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期五磁場(chǎng)在理療學(xué)上的應(yīng)用磁療作用原理（1）一切生命現(xiàn)象，均與機(jī)體內(nèi)電子傳遞或離子轉(zhuǎn)移有關(guān)。磁場(chǎng)可以影響電子或離子的運(yùn)動(dòng)速度和方向，因此磁場(chǎng)可以引起生物電的質(zhì)和量的變化；（2）當(dāng)磁場(chǎng)作用于人體時(shí)，還可在人體內(nèi)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(yùn)動(dòng)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(duì)腫瘤的作用磁