1、 10.1 生物医学电磁学概念及其发展动因生物医学电磁学概念及其发展动因 10.2 生物电磁现象及其产生机理生物电磁现象及其产生机理 10.3 生物医学电磁效应生物医学电磁效应 10.4 生物医学电磁信号的特点生物医学电磁信号的特点 10.5 生物医学电磁逆问题生物医学电磁逆问题返回10.1 生物医学电磁学概念及其发展动因生物医学电磁学概念及其发展动因 10.1.1生物电学生物电学生物电学研究生物和人体的电学特征生物电学研究生物和人体的电学特征.即生物电活动规律即生物电活动规律.它是一门边它是一门边缘科学缘科学.生物电学的研究成果是深入认识人体生理活动规律和病理、生物电学的研究成果是深入认识人
2、体生理活动规律和病理、药理机制的基础之一药理机制的基础之一.同时也不断为医学临床诊断与治疗提供新的方同时也不断为医学临床诊断与治疗提供新的方法和技术开发的理论基础和定量数据法和技术开发的理论基础和定量数据.目前目前.在各种学科协作、交叉和在各种学科协作、交叉和融合基础上融合基础上.该学科一方面对生物电产生机制和活动规律的研究已深该学科一方面对生物电产生机制和活动规律的研究已深入到生物大分子水平入到生物大分子水平.另一方面另一方面.该学科在临床医学应用上正日益深入该学科在临床医学应用上正日益深入指导和引导着更多的新技术和新仪器的开发指导和引导着更多的新技术和新仪器的开发.生物电学的应用十分广生物
3、电学的应用十分广泛泛.下一页返回10.1 生物医学电磁学概念及其发展动因生物医学电磁学概念及其发展动因 10.1.2生物磁学生物磁学生物磁学生物磁学()作为生物学和磁学相互渗透的作为生物学和磁学相互渗透的边缘学科边缘学科.研究生命物质的磁性、生物磁现象和生命活动过程中的结研究生命物质的磁性、生物磁现象和生命活动过程中的结构功能关系构功能关系.以及外磁场对生物体磁的影响以及外磁场对生物体磁的影响.是生物物理学的分支是生物物理学的分支.研研究生物磁学究生物磁学.可以获得有关生物大分子、细胞、组织和器官结构与功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能关系的信息.了解生命活动中物
4、质输运、能量转换和信息传递过程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、作用和应用中生物磁性的表现、作用和应用.生物磁学研究与物理学、生物学、生物磁学研究与物理学、生物学、心理学、生理学和医学等有密切关系心理学、生理学和医学等有密切关系.且在工农业生产、医学诊断和且在工农业生产、医学诊断和治疗、健康监护、环境保护、生物工程以及军事等方面有广阔应用前治疗、健康监护、环境保护、生物工程以及军事等方面有广阔应用前景景.上一页 下一页返回10.1 生物医学电磁学概念及其发展动因生物医学电磁学概念及其发展动因 10.1.3生物电磁学生物电磁学生物电磁学是研究非电离辐射电磁波生物电磁
5、学是研究非电离辐射电磁波(场场)与生物系统不同层次的相互与生物系统不同层次的相互作用规律及其应用的边缘学科作用规律及其应用的边缘学科.主要涉及电磁场与微波技术和生物学主要涉及电磁场与微波技术和生物学.其意义在于开发电磁能在医学、生物学方面的应用以及对电磁环境进其意义在于开发电磁能在医学、生物学方面的应用以及对电磁环境进行评价和防护行评价和防护.生物电磁学的研究内容主要包括以下生物电磁学的研究内容主要包括以下 个方面个方面:()电磁场电磁场(波波)的生物学效应的生物学效应:研究在电磁场研究在电磁场(波波)作用下生物系统产作用下生物系统产生了什么生了什么.()生物学效应机理生物学效应机理:研究在电
6、磁场研究在电磁场(波波)作用下会产生什么作用下会产生什么.上一页 下一页返回10.1 生物医学电磁学概念及其发展动因生物医学电磁学概念及其发展动因()生物电磁剂量学生物电磁剂量学:研究在不同条件下会产生什么研究在不同条件下会产生什么.()生物组织的电磁特性生物组织的电磁特性:研究在电磁场研究在电磁场(波波)作用下产生什么的生物作用下产生什么的生物学本质学本质.()生物学效应的作用生物学效应的作用:研究产生的效应做什么和如何做研究产生的效应做什么和如何做.()生物电磁效应的应用生物电磁效应的应用:如何合理利用生物电磁学效应如何合理利用生物电磁学效应.为人类生产、为人类生产、生活服务生活服务.生物
7、电磁学与工程电磁场与微波技术的不同主要体现为生物电磁学与工程电磁场与微波技术的不同主要体现为:()工程电磁场与微波技术的作用对象是具有个体差异的生命物质工程电磁场与微波技术的作用对象是具有个体差异的生命物质.()工程电磁场与微波技术作用的对象是根据人为需要而选取的工程电磁场与微波技术作用的对象是根据人为需要而选取的.进进而进行加工的电磁媒质或单元而进行加工的电磁媒质或单元.而生物电磁学的作用要让测量系统服而生物电磁学的作用要让测量系统服从于作用对象从于作用对象.上一页 下一页返回10.1 生物医学电磁学概念及其发展动因生物医学电磁学概念及其发展动因.生物医学电磁学生物医学电磁学本书给出生物医学
8、电磁学的定义如下本书给出生物医学电磁学的定义如下:生物医学电磁学是一门边缘科学生物医学电磁学是一门边缘科学.它综合和融合生物电学、生物磁学、它综合和融合生物电学、生物磁学、生物电磁学等多门学科生物电磁学等多门学科.用电磁学理论和方法研究生物体及其与外加用电磁学理论和方法研究生物体及其与外加电磁场的相互作用电磁场的相互作用.其主要内容包括两个方面其主要内容包括两个方面:生物体自发电磁现象的生物体自发电磁现象的性质性质(产生机制、理化性质和时空变化规律产生机制、理化性质和时空变化规律).电磁场的生物效应及其电磁场的生物效应及其规律和应用规律和应用.也即是说也即是说.生物医学电磁学是利用电磁学的理论
9、和技术、生物医学电磁学是利用电磁学的理论和技术、工程方法工程方法.研究生物体自发电磁现象产生的内部机制研究生物体自发电磁现象产生的内部机制.上一页 下一页返回10.1 生物医学电磁学概念及其发展动因生物医学电磁学概念及其发展动因以及外加电场、磁场和电磁场、电磁波与生物体相互作用的机理、特以及外加电场、磁场和电磁场、电磁波与生物体相互作用的机理、特性、规律、效应性、规律、效应.以及对这些效应和规律合理地利用、应用的边缘学以及对这些效应和规律合理地利用、应用的边缘学科科.它与生理学、心理学、生物物理学、生物学、医学各学科等均有它与生理学、心理学、生物物理学、生物学、医学各学科等均有不同程度的交叉与
10、结合不同程度的交叉与结合.特别是对生理电信号特别是对生理电信号(心电信号、肌电信号、心电信号、肌电信号、脑电信号和胃肠电信号脑电信号和胃肠电信号)、磁信号、光信号和声波振动等的检测和提、磁信号、光信号和声波振动等的检测和提取取.生物医学测量是对生物体中包含的生命现象、状态、性质、变量生物医学测量是对生物体中包含的生命现象、状态、性质、变量和成分等信息进行检测和量化的技术和成分等信息进行检测和量化的技术.10.1.5生物医学电子学生物医学电子学上一页 下一页返回10.1 生物医学电磁学概念及其发展动因生物医学电磁学概念及其发展动因生物医学电磁学是生物医学工程学科的一个分支生物医学电磁学是生物医学
11、工程学科的一个分支.属于生物医学电子属于生物医学电子学的范畴学的范畴.生物医学电子学生物医学电子学().是应用电子学科各门理论技术和工程方法解决生物医学中的是应用电子学科各门理论技术和工程方法解决生物医学中的问题问题.以生命体本身的特殊性为出发点来研究生物医学各个方面具体以生命体本身的特殊性为出发点来研究生物医学各个方面具体问题的科学问题的科学.生物医学电子学有相近或相似的名称生物医学电子学有相近或相似的名称.如生物电子学如生物电子学()、生物工程、生物工程()、生、生物医学工程物医学工程()等等.它它们互相包含们互相包含.相互交叉相互交叉.很多时候、很多文献和作者几乎把它们混为一很多时候、很
12、多文献和作者几乎把它们混为一谈谈.不严加区分不严加区分.上一页 下一页返回10.1 生物医学电磁学概念及其发展动因生物医学电磁学概念及其发展动因 因为它们的主要研究内容都涉及电子信息科学技术和生物医学科学因为它们的主要研究内容都涉及电子信息科学技术和生物医学科学的交叉领域的交叉领域.其基础和应用研究主要在以下几个方面集中涉及生物医其基础和应用研究主要在以下几个方面集中涉及生物医学电磁学内容学电磁学内容.生物医学信息检测生物医学信息检测生物医学信息检测是对携带有生物结构和特性信息的化学量、物理量生物医学信息检测是对携带有生物结构和特性信息的化学量、物理量(电磁量、机械量等电磁量、机械量等)进行检
13、测的方法进行检测的方法.以及所需传感器件和系统的研以及所需传感器件和系统的研究究.特别是对生理电信号特别是对生理电信号(心电信号、心电信号、肌电信号、脑电信号和胃肠电信肌电信号、脑电信号和胃肠电信号号)、磁信号、光信号和声波振动等的检测和提取、磁信号、光信号和声波振动等的检测和提取.生物医学测量是对生物医学测量是对生物体中包含的生命现象、状态、性质、变量和成分等信息进行检测生物体中包含的生命现象、状态、性质、变量和成分等信息进行检测和量化的技术和量化的技术.上一页 下一页返回10.1 生物医学电磁学概念及其发展动因生物医学电磁学概念及其发展动因是一种最基础性的重要技术是一种最基础性的重要技术.
14、其应用领域包括其应用领域包括:生命科学研究、医学研生命科学研究、医学研究及临床诊断、病人监护、治疗控制、人工器官及其测评等究及临床诊断、病人监护、治疗控制、人工器官及其测评等.在生物在生物医学的所有领域医学的所有领域.包括生物力学、生物材料、生物医学电磁学、生理包括生物力学、生物材料、生物医学电磁学、生理系统的建模与仿真等系统的建模与仿真等.必须直接或间接应用生物医学测量技术。必须直接或间接应用生物医学测量技术。生物医学测量具有多种显著特点生物医学测量具有多种显著特点:生命系统的多变量特性生命系统的多变量特性.强噪声背景强噪声背景中微弱中微弱(往往还是同频往往还是同频)信号的检测与提取信号的检
15、测与提取.被测对象具有闭环特性被测对象具有闭环特性(生生命体具有精确的自动调节能力命体具有精确的自动调节能力).测量结果会受被测对象的生理和心理测量结果会受被测对象的生理和心理因素的影响因素的影响(活动、运动对测量的影响活动、运动对测量的影响.多种原因导致血糖浓度降低从多种原因导致血糖浓度降低从而影响生理和心理等而影响生理和心理等).测量过程受测量本身影响比较严重测量过程受测量本身影响比较严重.有时候不有时候不可忽略可忽略.被测对象的安全性问题被测对象的安全性问题.新方法建立与评估的困难新方法建立与评估的困难(建模困难建模困难).适用性问题以及重复性必须仔细考虑和处理的问题等适用性问题以及重复
16、性必须仔细考虑和处理的问题等.上一页 下一页返回10.1 生物医学电磁学概念及其发展动因生物医学电磁学概念及其发展动因.生物医学信号和信息的处理生物医学信号和信息的处理生物医学信号和信息的处理是指应用并发展信息处理的基本理论生物医学信号和信息的处理是指应用并发展信息处理的基本理论.根根据生物医学信号的特点据生物医学信号的特点.对所采集的生物医学信号、信息进行分析、对所采集的生物医学信号、信息进行分析、分辨、识别、提取、解释、分类、显示、存储和传输分辨、识别、提取、解释、分类、显示、存储和传输.其目的一是对其目的一是对生物体系结构与功能的研究生物体系结构与功能的研究.二是对疾病进行辅助诊断和治疗
17、二是对疾病进行辅助诊断和治疗.或进行或进行健康监护健康监护.这方面除了涉及微弱信号的动态提取及自适应处理、高阶统计信号处这方面除了涉及微弱信号的动态提取及自适应处理、高阶统计信号处理等现代信号处理方法外理等现代信号处理方法外.还涉及电磁场的一个重要研究领域还涉及电磁场的一个重要研究领域电磁逆问题电磁逆问题.比如生理比如生理(多道多道)电磁信号反演及其同步表述电磁信号反演及其同步表述.如心电和心如心电和心磁磁(脑电、脑磁脑电、脑磁)信号、计算机断层成像、核磁共振等信号、计算机断层成像、核磁共振等.上一页 下一页返回10.1 生物医学电磁学概念及其发展动因生物医学电磁学概念及其发展动因.生物系统的
18、建模与仿真生物系统的建模与仿真建模和仿真是事物之间相似性的运用建模和仿真是事物之间相似性的运用.建模根据一些先验知识和实验建模根据一些先验知识和实验数据、工程技术方法及手段构造相应生物系统的数学模型数据、工程技术方法及手段构造相应生物系统的数学模型.仿真是指仿真是指利用计算机对所构建的数学模型利用计算机对所构建的数学模型.在给定初始条件、边界关系及其他在给定初始条件、边界关系及其他约束条件的情况下约束条件的情况下.求出解答并显示其结果求出解答并显示其结果.包括人机功能学、人工智包括人机功能学、人工智能、机器视觉和人工神经网络的研究等都是如此能、机器视觉和人工神经网络的研究等都是如此.研究生物系
19、统研究生物系统.对生对生物医学的建模、电磁仿真软件的研究、开发和运用成为必然的途径和物医学的建模、电磁仿真软件的研究、开发和运用成为必然的途径和手段手段.上一页 下一页返回10.1 生物医学电磁学概念及其发展动因生物医学电磁学概念及其发展动因.电磁场与生物物质的相互作用及影响电磁场与生物物质的相互作用及影响这方面研究包括从辐射源这方面研究包括从辐射源(声、光、电磁声、光、电磁)沿介质到生物目标的传播、沿介质到生物目标的传播、散射、能量转换和相互作用的微观过程和机理散射、能量转换和相互作用的微观过程和机理.以及辐射场和生物物以及辐射场和生物物质作用以后所产生的生物物理、生物化学质作用以后所产生的
20、生物物理、生物化学.以及动物心理、遗传特性以及动物心理、遗传特性的变化的变化.主要包括主要包括:对场在生物媒质中传播特性的理论计算对场在生物媒质中传播特性的理论计算.细胞和生细胞和生物组织介质电特性的测量物组织介质电特性的测量.生物效应的研究生物效应的研究.电磁场电磁场(包括射频微波、包括射频微波、强电磁脉冲、高空核电磁脉冲等强电磁脉冲、高空核电磁脉冲等)对生理和心理的影响对生理和心理的影响.如对中枢神经如对中枢神经系统、癌变和遗传变异的影响等系统、癌变和遗传变异的影响等.磁生物效应的研究磁生物效应的研究.电磁波治疗机理电磁波治疗机理和波谱特性的研究等和波谱特性的研究等.上一页 下一页返回10
21、.1 生物医学电磁学概念及其发展动因生物医学电磁学概念及其发展动因.生物医学仪器生物医学仪器现代生物医学的进步越来越依赖于生物医学仪器现代生物医学的进步越来越依赖于生物医学仪器.也在多方面体现为也在多方面体现为医学仪器的进步医学仪器的进步.无论从社会和经济效益考虑无论从社会和经济效益考虑.医学治疗、诊断、监护、医学治疗、诊断、监护、模拟仿真研究和医疗系统管理仪器、设备的研究和发展都非常重要模拟仿真研究和医疗系统管理仪器、设备的研究和发展都非常重要.包括影像诊断仪包括影像诊断仪.如核磁共振仪等如核磁共振仪等.监护仪器监护仪器.其发展趋势是高性能传其发展趋势是高性能传感器和信号处理器在系统层次的结
22、合感器和信号处理器在系统层次的结合.构成智能传感器构成智能传感器.包括植入式机包括植入式机器人、介入式电极、可穿戴传感器等器人、介入式电极、可穿戴传感器等.以实现小型化、集成化、可视以实现小型化、集成化、可视化、网络化、自动化、智能化和长时期实时监护化、网络化、自动化、智能化和长时期实时监护.康复和保健器械康复和保健器械.如如心脏起搏器、电子耳蜗等心脏起搏器、电子耳蜗等.上一页 下一页返回10.1 生物医学电磁学概念及其发展动因生物医学电磁学概念及其发展动因.生物医学传感器及材料生物医学传感器及材料生物医学信号检测、成像等生物医学信号检测、成像等.都离不开传感器都离不开传感器.传感器的地位不言
23、而喻传感器的地位不言而喻.此处不赘述此处不赘述.重点强调重点强调:新型生物医学传感器在很大程度上依赖于新型新型生物医学传感器在很大程度上依赖于新型生物医学材料的研究成功及运用生物医学材料的研究成功及运用.而对这些具有特定用途和性能的功而对这些具有特定用途和性能的功能材料的研究能材料的研究.无不涉及其电磁特性无不涉及其电磁特性.包括对人体功能材料、仿生功能包括对人体功能材料、仿生功能材料的研究、开发和应用材料的研究、开发和应用.材料电磁特性的研究成果用于人体器官、材料电磁特性的研究成果用于人体器官、组织代换组织代换.对救死扶伤具有极大的现实意义和广阔的前景对救死扶伤具有极大的现实意义和广阔的前景
24、.上一页 下一页返回10.1 生物医学电磁学概念及其发展动因生物医学电磁学概念及其发展动因从以上几个方面看出从以上几个方面看出.生物医学电子学的主要组成部分生物医学电子学的主要组成部分.以及其主要研以及其主要研究内容究内容.是与生物医学电磁学相关的是与生物医学电磁学相关的.生物医学电子学研究的内容更加生物医学电子学研究的内容更加广泛广泛.涵盖领域更多涵盖领域更多.学科门类更复杂学科门类更复杂.生物医学电磁学研究的内容则生物医学电磁学研究的内容则更加微观更加微观:主要是生物医学电磁现象、生物医学电磁效应以及它们的主要是生物医学电磁现象、生物医学电磁效应以及它们的应用应用.10.1.6生物医学电磁
25、学的发展动因生物医学电磁学的发展动因生物医学电磁学的发展有生物医学电磁学的发展有 个方面的动因个方面的动因:上一页 下一页返回10.1 生物医学电磁学概念及其发展动因生物医学电磁学概念及其发展动因()对生物体生命活动过程及其进化本质的深入探索的需要对生物体生命活动过程及其进化本质的深入探索的需要.生物电生物电磁学是揭示人类生命活动过程不可缺少的一门学科磁学是揭示人类生命活动过程不可缺少的一门学科.对掌握人类以及对掌握人类以及生物体生命活动、进化的本质生物体生命活动、进化的本质.进一步揭示和掌握人类的生理、心理进一步揭示和掌握人类的生理、心理活动深层的、本质的规律活动深层的、本质的规律.对人类自
26、身发展、人工智能、仿生学均有对人类自身发展、人工智能、仿生学均有重大科学和实践意义重大科学和实践意义.()生物医学自身发展完善的需要生物医学自身发展完善的需要.生物体特别是人类疾病谱的变化生物体特别是人类疾病谱的变化对生物电磁学研究提出了新的要求对生物电磁学研究提出了新的要求.研究生物医学电磁学研究生物医学电磁学.提供定量的提供定量的医学诊断和治疗数据医学诊断和治疗数据.不仅具有深远的社会和经济效益不仅具有深远的社会和经济效益.也极具科学价也极具科学价值值.上一页 下一页返回10.1 生物医学电磁学概念及其发展动因生物医学电磁学概念及其发展动因()电磁环境复杂化对生物电磁学提出了挑战电磁环境复
27、杂化对生物电磁学提出了挑战.平时的射频微波辐射、平时的射频微波辐射、战时的电磁脉冲防护都需要生物电磁学给出定量的实验数据以及其他战时的电磁脉冲防护都需要生物电磁学给出定量的实验数据以及其他研究结论、结果作为制定标准的依据研究结论、结果作为制定标准的依据.或者攻防武器的基准或者攻防武器的基准.脑控与反脑控与反脑控技术、利用电磁效应进行的生理摧残与防护等脑控技术、利用电磁效应进行的生理摧残与防护等.都需要生物医学都需要生物医学电磁学的研究成果电磁学的研究成果.()人体通信及体域网的发展要求对生物医学电磁现象和电磁效应给人体通信及体域网的发展要求对生物医学电磁现象和电磁效应给予基础理论支撑予基础理论
28、支撑.()人机医学、人工智能开发和利用需要生物医学电磁学的突破性进人机医学、人工智能开发和利用需要生物医学电磁学的突破性进展及支撑展及支撑.特别是新的医学成像诊断、治疗、健康护理技术以及仪器特别是新的医学成像诊断、治疗、健康护理技术以及仪器设备的研发设备的研发.需要生物电磁效应等的研究结果作为基础数据需要生物电磁效应等的研究结果作为基础数据.上一页 下一页返回10.1 生物医学电磁学概念及其发展动因生物医学电磁学概念及其发展动因()人类活动空间的拓展、走向太空的梦想要求生物电磁学解决未知人类活动空间的拓展、走向太空的梦想要求生物电磁学解决未知问题问题.()磁辐射剂量、限值的确定磁辐射剂量、限值
29、的确定.相关标准的制定相关标准的制定.需要生物医学电磁学需要生物医学电磁学的研究成果作为支撑的研究成果作为支撑.()新的生物医学测量手段、方法和仪器的研发新的生物医学测量手段、方法和仪器的研发.需要对生物医学电需要对生物医学电磁现象、外部电磁场与生物体的相互作用、生物医学电磁效应进行深磁现象、外部电磁场与生物体的相互作用、生物医学电磁效应进行深入的基础研究入的基础研究.包括自然灾害以及事故现场生命搜救仪器和设备的研包括自然灾害以及事故现场生命搜救仪器和设备的研发发.上一页返回.生物电磁现象及其产生机生物电磁现象及其产生机 10.2.1生物电现象及其本质生物电现象及其本质(一一)定义定义生物电生
30、物电.指生物的器官、组织和细胞在生命活动过程中发生的电位及指生物的器官、组织和细胞在生命活动过程中发生的电位及其变化其变化.生物电的本质是由于生物体内部的带电粒子数量、极性、所生物电的本质是由于生物体内部的带电粒子数量、极性、所处位置发生变化引起的电磁场变化处位置发生变化引起的电磁场变化.它是生物活组织的一个基本特征它是生物活组织的一个基本特征.体现生命活动过程中的一类物理、物理体现生命活动过程中的一类物理、物理 化学变化过程和结果化学变化过程和结果.生物生物电包括生物体内产生的各种电位或电流电包括生物体内产生的各种电位或电流.如细胞膜电位、静息电位、如细胞膜电位、静息电位、动作电位动作电位.
31、以及心电、脑电、肌电等以及心电、脑电、肌电等.简言之简言之.生物电是生物体所呈现生物电是生物体所呈现的电现象的电现象.下一页返回.生物电磁现象及其产生机生物电磁现象及其产生机人体生命过程中的新陈代谢及一切活动都产生电人体生命过程中的新陈代谢及一切活动都产生电.心电是心脏跳动产心电是心脏跳动产生的电波生的电波.脑电是大脑活动产生的电波脑电是大脑活动产生的电波.电生理学发现人体横膈肌及其电生理学发现人体横膈肌及其动作神经能产生较大的肌电动作神经能产生较大的肌电.形成人体内的发电机形成人体内的发电机.仿生学研究发现仿生学研究发现.最小的细菌消耗葡萄糖而产生电最小的细菌消耗葡萄糖而产生电.人体任何一个
32、细微的活动都与生物电有关人体任何一个细微的活动都与生物电有关.人体某一部位受到刺激后人体某一部位受到刺激后.感觉器官就会产生兴奋感觉器官就会产生兴奋.就是生物电就是生物电.感官和大脑之间的刺激感官和大脑之间的刺激 反应反应主要通过生物电传导来实现主要通过生物电传导来实现.心脏跳动时产生心脏跳动时产生 的电压的电压.眼眼睛开闭产生睛开闭产生 电压电压.读书或思考问题时大脑产生读书或思考问题时大脑产生.电压电压.正常人的心脏、肌肉、视网膜、大脑等的生物电变化都是正常人的心脏、肌肉、视网膜、大脑等的生物电变化都是很有规律的很有规律的.这是心电图、肌电图、视网膜电图、脑电图等医学仪器这是心电图、肌电图
33、、视网膜电图、脑电图等医学仪器的物理基础的物理基础.上一页 下一页返回.生物电磁现象及其产生机生物电磁现象及其产生机自然界其他动物也有生物电现象自然界其他动物也有生物电现象.有的生物电流、电压还相当大有的生物电流、电压还相当大.在一在一些大洋沿岸些大洋沿岸.一种体形较大叫作军舰鸟的海鸟一种体形较大叫作军舰鸟的海鸟.它有着高超的飞行技术它有着高超的飞行技术.能在飞鱼落水前的一刹那叼住它能在飞鱼落水前的一刹那叼住它.从不失手从不失手.经过经过 多年研究多年研究.科学科学家发现军舰鸟的电细胞非常发达家发现军舰鸟的电细胞非常发达:视网膜与脑细胞组织构成了一套功视网膜与脑细胞组织构成了一套功能齐全的生物
34、电路能齐全的生物电路.是一种比人类现有的任何雷达都要先进百倍的生是一种比人类现有的任何雷达都要先进百倍的生物雷达物雷达.它的脑细胞组织则是一部无与伦比的生物电脑它的脑细胞组织则是一部无与伦比的生物电脑.因此有上述绝因此有上述绝技技.(二二)生物电与一般电的区别和联系生物电与一般电的区别和联系生物电与一般意义上电的不同特点是生物电与一般意义上电的不同特点是:第一第一.形成生物电的最基本单元的带电粒子分布在生物体中的不同坐形成生物电的最基本单元的带电粒子分布在生物体中的不同坐标位置标位置.从而导致生物电有三维空间概念从而导致生物电有三维空间概念.通常是各向异性的通常是各向异性的.上一页 下一页返回
35、.生物电磁现象及其产生机生物电磁现象及其产生机第二第二.生物体内的导电特性因随生物体内的生物化学和物理变化而变生物体内的导电特性因随生物体内的生物化学和物理变化而变化化.而这些变化是跟时间有关的而这些变化是跟时间有关的.从而导致生物体内电从而导致生物体内电(磁磁)特性以及电特性以及电(磁磁)场的复杂时变特性场的复杂时变特性.第三第三.采用通常的测量电的方法测量生物电采用通常的测量电的方法测量生物电.具有可重复性差具有可重复性差.甚至不甚至不可重复性可重复性.同时同时.测量系统、测量方法对被测体参数的影响必须考虑测量系统、测量方法对被测体参数的影响必须考虑.一般不可忽略一般不可忽略.对测量数据、
36、结果需要进行适当的必要修正对测量数据、结果需要进行适当的必要修正.但是但是.从电的本质及其作用规律上来说从电的本质及其作用规律上来说.生物电与普通电二者没有区别生物电与普通电二者没有区别.因此因此.电电(磁磁)学、电磁场和电磁波理论的基本原理、定理、法则和规学、电磁场和电磁波理论的基本原理、定理、法则和规律等律等.宏观上对生物电同样适用宏观上对生物电同样适用.这是生物医学电磁学研究的前提条件这是生物医学电磁学研究的前提条件.上一页 下一页返回.生物电磁现象及其产生机生物电磁现象及其产生机(三三)生物组织的介电特性生物组织的介电特性生物体是一种复杂电介质生物体是一种复杂电介质.其结构组成呈多元化
37、其结构组成呈多元化.有体液、脂肪、肌肉、有体液、脂肪、肌肉、骨骼、气腔等骨骼、气腔等.形态上是一种非平衡态介质形态上是一种非平衡态介质.其电磁参数随时间、温度、其电磁参数随时间、温度、血流等生理因素变化血流等生理因素变化.甚至随心理因素变化甚至随心理因素变化.因此从物理角度看因此从物理角度看.生物生物体是一种具有各向异性的有耗非均匀时变、同时具有旋波性的复合介体是一种具有各向异性的有耗非均匀时变、同时具有旋波性的复合介质质.因此除了导电特性因此除了导电特性.生物组织还具有介电性质生物组织还具有介电性质.这是由于生物组织中含这是由于生物组织中含有大量带电荷的离子及各种极性分子有大量带电荷的离子及
38、各种极性分子.外电场会导致这些电荷离子和外电场会导致这些电荷离子和极性分子的某种运动极性分子的某种运动.表现出生物组织的极化现象表现出生物组织的极化现象.对于生物体对于生物体.因新因新陈代谢作用陈代谢作用.介质处于一种非平衡态介质处于一种非平衡态.因此电磁波因此电磁波(特别是微波特别是微波)与生物与生物体的作用远比与普通介质的作用复杂体的作用远比与普通介质的作用复杂.影响因素也多。影响因素也多。上一页 下一页返回.生物电磁现象及其产生机生物电磁现象及其产生机生物组织介电特性是指生物分子中的束缚电荷生物组织介电特性是指生物分子中的束缚电荷(只能在分子线度范围只能在分子线度范围内运动的电荷内运动的
39、电荷)对外加电场的响应特性对外加电场的响应特性.电介质在电场中的一个重要特电介质在电场中的一个重要特征是介质的极化现象征是介质的极化现象.与普通介质一样与普通介质一样.表征生物组织介质极化程度的表征生物组织介质极化程度的参量是生物组织的介电常数参量是生物组织的介电常数.介电常数是电介质固有的一种物理属性介电常数是电介质固有的一种物理属性.可表示电介质存储电场能量的能力可表示电介质存储电场能量的能力.反映该电介质提高电容器电容量反映该电介质提高电容器电容量的能力的能力.与生物组织电导率一样与生物组织电导率一样.生物组织的介电常数和外场频率相关生物组织的介电常数和外场频率相关.即具有即具有色散性质
40、色散性质.有时候也叫作频散现象有时候也叫作频散现象.上一页 下一页返回.生物电磁现象及其产生机生物电磁现象及其产生机 10.2.2 生物磁和生物磁现象生物磁和生物磁现象任何物质都有或强或弱的磁性任何物质都有或强或弱的磁性.生物体也不例外生物体也不例外.同时同时.生物体也有电生物体也有电磁辐射磁辐射.对生物大分子的广泛研究得知对生物大分子的广泛研究得知.大多数生物大分子是各向异性大多数生物大分子是各向异性反磁性的反磁性的.少数为顺磁性少数为顺磁性.极少数呈铁磁性极少数呈铁磁性.正常人体组织是非磁性的正常人体组织是非磁性的.磁化率小磁化率小.没有剩余的磁矩没有剩余的磁矩.人体磁场的来源主要有人体磁
41、场的来源主要有:上一页 下一页返回.生物电磁现象及其产生机生物电磁现象及其产生机()生物电流产生的磁场生物电流产生的磁场.由于人体在生理活动中由于人体在生理活动中.体内带电离子发生体内带电离子发生流动流动.因而形成了生物电流因而形成了生物电流.如脑电流、心电流、肌电流等如脑电流、心电流、肌电流等.因此人体因此人体神经器官和组织的活动往往伴随着微弱的生物电流神经器官和组织的活动往往伴随着微弱的生物电流.这些电流产生磁这些电流产生磁场场.电活动导致新陈代谢、能量与物质交换、信息传递、电子离子转电活动导致新陈代谢、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、心脏活动、动作电位等运、大
42、脑调控、肌肉运动、心脏活动、动作电位等.生物电导致磁场生物电导致磁场产生产生.()由生物磁性材料产生的感应磁场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磁组成人活体的物质具有一定磁性性.称为生物磁性材料称为生物磁性材料.在地磁场或外界磁场的作用下就会产生出微弱在地磁场或外界磁场的作用下就会产生出微弱的磁矩的磁矩.产生感应磁场产生感应磁场.上一页 下一页返回.生物电磁现象及其产生机生物电磁现象及其产生机()侵入人体内的强磁性物质产生的剩余磁场侵入人体内的强磁性物质产生的剩余磁场.体内强磁物质体内强磁物质(主要是主要是四氧化三铁、肺部和胃肠吸入的粉尘等四氧化三铁、肺部和胃肠吸入的粉尘等
43、)磁化能使生物体对磁场有敏磁化能使生物体对磁场有敏锐的反应锐的反应.在外加磁场作用下被磁化在外加磁场作用下被磁化.外加磁场去掉后也有剩余磁场产外加磁场去掉后也有剩余磁场产生生.()人体本身产生的磁场人体本身产生的磁场.生化反应过程形成的自由基生化反应过程形成的自由基.以及生物组织以及生物组织的旋波性的旋波性.产生顺磁性物质产生顺磁性物质.实验表明实验表明.普通人的经络及穴位点也可测普通人的经络及穴位点也可测出磁性出磁性.但一般人体自身磁性活动所表现出来的磁场强度都很微弱但一般人体自身磁性活动所表现出来的磁场强度都很微弱.上一页返回.生物医学电磁效应生物医学电磁效应 10.3.1非线性效应非线性
44、效应一个微弱的电磁场作用于生物体后一个微弱的电磁场作用于生物体后.可激发出较强大的响应可激发出较强大的响应.体现出非体现出非线性特点线性特点.与普通无生命的导体、绝缘体及半导体不同与普通无生命的导体、绝缘体及半导体不同.生命体系是个生命体系是个开放的耗散结构开放的耗散结构.而且正常情况下是一个自治的系统而且正常情况下是一个自治的系统.新陈代谢的能量新陈代谢的能量不仅使生命维持在非平衡态不仅使生命维持在非平衡态.也赋予了系统中有序结构的相干性和协也赋予了系统中有序结构的相干性和协同性同性.电磁辐射起初始触发作用电磁辐射起初始触发作用.触发生物体系自身的特定活动结构和触发生物体系自身的特定活动结构
45、和运动机制运动机制.使生命体有序而协作地引起非线性的响应使生命体有序而协作地引起非线性的响应.人体中的神经系人体中的神经系统、内分泌系统及免疫系统中都有这类非线性响应统、内分泌系统及免疫系统中都有这类非线性响应.非线性效应的几非线性效应的几个重要表现如下个重要表现如下.下一页返回.生物医学电磁效应生物医学电磁效应()场型效应场型效应:不同场型引起的生物医学效应不同不同场型引起的生物医学效应不同.比如恒定磁场生效比如恒定磁场生效慢慢.同样强度交变磁场则生效快等同样强度交变磁场则生效快等.()矢量效应矢量效应:电磁场强度及其梯度都是具有大小和方向的矢量电磁场强度及其梯度都是具有大小和方向的矢量.矢
46、量矢量不同不同.生物效应亦不同生物效应亦不同.()滞后效应滞后效应:电磁场作用于生命体后电磁场作用于生命体后.需要经过一定时间才能产生效需要经过一定时间才能产生效应应.而去掉外场后而去掉外场后.在生命体中产生的效应则能滞留一定时间在生命体中产生的效应则能滞留一定时间.()积累效应积累效应:一定的电磁场强度及其梯度一定的电磁场强度及其梯度.当作用时间、次数达到一当作用时间、次数达到一定的标准值时定的标准值时.才能产生效应才能产生效应.这个由量变到质变的过程这个由量变到质变的过程.即是积累效即是积累效应应.对于磁场对于磁场.积累效应的剂量是磁场强度积累效应的剂量是磁场强度 或磁场梯度或磁场梯度/与
47、时间与时间 的乘积的乘积.上一页 下一页返回.生物医学电磁效应生物医学电磁效应()层次效应层次效应:从生物大分子、细胞、组织、器官、系统以及整体从生物大分子、细胞、组织、器官、系统以及整体.每每一层次的人体组织与体表的距离不同一层次的人体组织与体表的距离不同.比如各内脏组织与体表有不同比如各内脏组织与体表有不同距离距离.造成人体组织结构具有明显的层次特点造成人体组织结构具有明显的层次特点.因而外场作用具有层次因而外场作用具有层次性性.10.3.2热效应和非热效应热效应和非热效应电磁波辐射生物系统电磁波辐射生物系统.会引起生物系统结构、功能等方面的改变会引起生物系统结构、功能等方面的改变.称为称
48、为电磁波的生物学电磁波的生物学效应效应.如果该效应与生物系统吸收电磁波能量后产生的温度升高有关如果该效应与生物系统吸收电磁波能量后产生的温度升高有关.就称为热效应就称为热效应.否则否则.产生的效应与这种温度升高无关产生的效应与这种温度升高无关.就称为非热效就称为非热效应应.上一页 下一页返回.生物医学电磁效应生物医学电磁效应电磁辐射被吸收后电磁辐射被吸收后.强度和方向快速变化的电磁场使生物体内分子的强度和方向快速变化的电磁场使生物体内分子的偶极子振动甚至重新取向偶极子振动甚至重新取向.并与周围介质分子并与周围介质分子(粒子粒子)碰撞摩擦而产生碰撞摩擦而产生热热.电磁辐射的热效应的特点是线性特性
49、电磁辐射的热效应的特点是线性特性.系统产热量正比于场强的平系统产热量正比于场强的平方方.这种热效应与其他的加热方式等效这种热效应与其他的加热方式等效.非热效应的特点是相干性、窗非热效应的特点是相干性、窗特性、协同性、非线性和阈值性特性、协同性、非线性和阈值性.10.3.3窗效应窗效应生物学非热效应的能源是生物系统自身的新陈代谢能生物学非热效应的能源是生物系统自身的新陈代谢能.外界的电磁波外界的电磁波仅起触发作用仅起触发作用.窗效应是电磁波生物学非热效应的典型代表窗效应是电磁波生物学非热效应的典型代表.窗效应又窗效应又分为频率窗和强度分为频率窗和强度(或功率密度或功率密度)窗效应窗效应.此外还有
50、作用时间窗特性此外还有作用时间窗特性.上一页 下一页返回.生物医学电磁效应生物医学电磁效应频率窗效应指在某一频段内频率窗效应指在某一频段内.只有某些离散的、频率区间极窄的电磁只有某些离散的、频率区间极窄的电磁波才能产生的生物学效应波才能产生的生物学效应.频率窗较容易理解频率窗较容易理解:这是周期振幅的电磁场这是周期振幅的电磁场的频率的频率.跟生物电介质中电荷的本征频率耦合而产生的共振吸收跟生物电介质中电荷的本征频率耦合而产生的共振吸收.而强而强度窗效应指在某一功率密度范围内度窗效应指在某一功率密度范围内.只有某些离散的、功率密度区间只有某些离散的、功率密度区间极窄的电磁波才能产生的生物学效应极
