人體中電現(xiàn)象的一些探討知識(shí)講解

人體中電現(xiàn)象的一些探討

14系張煒PB03206221骨頭壓電效應(yīng)=>電致伸縮效應(yīng)=>心臟心臟表面電勢分布=>心臟起搏器與去纖顫器=>

對(duì)于骨頭，我們大家都不陌生，可我們真正了解它嗎？

骨頭的一些特殊性質(zhì)壓電性質(zhì)

電致伸縮性質(zhì)

當(dāng)骨頭受到壓縮或拉伸時(shí)，骨頭某些對(duì)應(yīng)表面上會(huì)產(chǎn)生異性的極化電荷——壓電效應(yīng)。

在運(yùn)動(dòng)當(dāng)中，我們的骨頭會(huì)產(chǎn)生一定程度的變形，這樣就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電勢差，這個(gè)電勢差從醫(yī)學(xué)上來講，能促進(jìn)鈣的吸收陳沉積，對(duì)骨骼發(fā)育有很大的幫助。我們航天英雄楊利偉，在外太空時(shí)也需要運(yùn)動(dòng)來保持骨骼健康良好。

骨頭的電致伸縮效應(yīng)——當(dāng)在骨頭表面加上一個(gè)電壓時(shí)，骨頭會(huì)產(chǎn)生伸長或壓縮的微小形變。

有些手臂暫時(shí)不能活動(dòng)的病人，如果我們?cè)谒軅氖直凵系倪m當(dāng)部位加一電勢差，就能促進(jìn)鈣的沉積，讓其更早康復(fù)。

我們將這樣一個(gè)儀器簡化如下

=>直徑75ｍｍ的手臂，手臂組織的介電常數(shù)εｔ＝４

骨頭直徑２５ｍｍ，介電常數(shù)εｂ＝２

極板靠近手臂處還有０.５ｍｍ厚的一層絕緣體，介電常數(shù)εｉ＝１.５

骨頭正極板負(fù)極板手臂兩極板間電勢差50V已知，骨頭中的電場強(qiáng)度Ｅ有多大？我們可以把問題近似簡化如下圖所示的，這樣一個(gè)平行板電容器問題。把兩極板間的骨頭，組織，絕緣體看作是填充于其間的不同介質(zhì)。

=>骨頭組織絕緣體EE現(xiàn)在，我們可以得到結(jié)果了！我們用i代表絕緣體，用t代表手臂組織，用b代表骨頭。V=2Ei·di+2Et·dt+Eb·db=50.(1)D應(yīng)該是連續(xù)的，因此D=ε?！う舏·Ei=ε?！う舤·Et=ε。·εb·Eb這樣我們把（1）式中的Ei和Et用Eb表示，得到只含一個(gè)未知量Eb的方程，代入有關(guān)數(shù)據(jù)，求得Eb=970V/m.即骨頭當(dāng)中的電場強(qiáng)度為970V/m。鈣離子是帶電荷的，我們可以感覺到這個(gè)電場有利鈣離子向骨頭沉積。圖中小紅圓圈代表鈣離子，黑色圓柱體代表骨頭。當(dāng)然，鈣的沉積遠(yuǎn)非如此簡單，骨頭當(dāng)中電場強(qiáng)度的測量也遠(yuǎn)不止這么簡單，都是一個(gè)很復(fù)雜的研究，它牽涉到物理，醫(yī)學(xué)的多方面領(lǐng)域。在這里我只是想通過這個(gè)簡單模型說明些問題。

通過網(wǎng)上相關(guān)研究資料的調(diào)查，我發(fā)現(xiàn)國內(nèi)這方面的研究進(jìn)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外。因?yàn)橥ㄟ^國內(nèi)的科技搜索引擎，如中國學(xué)術(shù)期刊網(wǎng)，萬方數(shù)據(jù)等，都很難找到相關(guān)資料，幾乎可以說是沒有。而國外的Ei，IEEE等就明顯要多一些。這應(yīng)該有著很好的發(fā)展前景。=>前面，我們看了骨頭與電現(xiàn)象的聯(lián)系。下面，我們來看看心臟方面與電有什么有趣的關(guān)系。對(duì)于心，我們了解它多少？我們知道，當(dāng)加于其心臟的電壓大到一定值時(shí)，就會(huì)引發(fā)心臟的收縮。我們也經(jīng)常在電視里看到醫(yī)生搶救病人時(shí)用的心臟起搏器。我們知道心電圖。過測量人體皮膚表面的電勢分布，來研究心臟處電勢的大體分布。心臟處于人體內(nèi)部，外圍有著人體的各不同組織成分，其導(dǎo)電性能必然很復(fù)雜，應(yīng)該說是一個(gè)極復(fù)雜的各向異性的環(huán)境。但這些并不代表我們不能從此方面來做些探討?？纯磳?shí)驗(yàn)結(jié)果：=>

讓我們把它與這幅電偶極子等勢圖作些比較，看能發(fā)現(xiàn)什么相似的地方？=>我們發(fā)現(xiàn)其間有著一定的相似性，這給了我們一個(gè)不小的震撼。

心臟的等電勢圖類似于一個(gè)電偶極子的等電勢圖。由于兩者的比較方法是極粗糙的，我們不能要求吻合的程度很大。有這么一些相似性已經(jīng)很不錯(cuò)了。這意味著什么呢？這給我們研究心電場提供了一個(gè)很好的思路，對(duì)心臟疾病的診斷提供了一個(gè)強(qiáng)有力的方法。當(dāng)然這需要精準(zhǔn)的儀器作為前提條件。=>心臟起搏器和去纖顫器。

心臟可以說是一個(gè)有生物體控制著的泵，當(dāng)心臟受到某種傷害時(shí)，心肌會(huì)發(fā)生激烈的顫動(dòng)，在醫(yī)學(xué)上叫做纖維性顫動(dòng)。為了恢復(fù)心臟的正常工作，我們需要一個(gè)心臟起搏器和去纖顫器。當(dāng)去纖顫器外部極板于3毫秒內(nèi)放電400J，求瞬時(shí)電流的大小，瞬時(shí)電壓的大小？

若兩極板間人體電阻R=50Ω。Е=I2?R?t=V?I?tI2=E/（R?t）代入相關(guān)數(shù)據(jù)可得I=51.6AV=E/（I?t）=400/（51.6?0.003）=2.58kV可植入起搏器實(shí)物圖隨著微型可嵌入式去纖顫器的發(fā)展，所需的激發(fā)能量也隨之減少了許多。其更大的優(yōu)點(diǎn)還在于，他靠心臟更近，當(dāng)病發(fā)時(shí)，儀器可自行放電治療，而無須像外用式那樣，需要醫(yī)生的臨場救治，為病人贏得了寶貴的時(shí)間，時(shí)間就是生命。至此，我們從人體的骨頭，心臟兩方面做了些與電現(xiàn)象有關(guān)的研究，發(fā)現(xiàn)生物體是與電緊