1、 14系 张炜 PB03206221 骨头 压电效应 =电致伸缩效应 =心脏 心脏表面电势分布 =心脏起搏器与去纤颤器=对于骨头,我们大家都不陌生,可我们真正了解它吗?骨头的一些特殊性质 压电性质 电致伸缩性质 当骨头受到压缩或拉伸时,骨头某些对应表面上会产生异性的极化电荷压电效应。在运动当中,我们的骨头会产生一定程度的变形,这样就会产生一个电势差,这个电势差从医学上来讲,能促进钙的吸收陈沉积,对骨骼发育有很大的帮助。我们航天英雄杨利伟,在外太空时也需要运动来保持骨骼健康良好。我们发现骨头有着与它们相似的电压反应特征,由此我们可得出结论,骨头也有着类似的压电效应。横坐标为小针刺击压电材料的频率
2、,纵坐标为相应材料表面产生的电压。图中显示有三条曲线。它们分别是Tendon 腱,Bone 骨头,Balcen 布加内酯。腱和布加内酯都是高分子的压电材料 频率/Hz电压/V骨头的电致伸缩效应当在骨头表面加上一个电压时,骨头会产生伸长或压缩的微小形变。有些手臂暂时不能活动的病人,如果我们在他受伤的手臂上的适当部位加一电势差,就能促进钙的沉积,让其更早康复。我们将这样一个仪器简化如下=直径75的手臂,手臂组织的介电常数 骨头直径,介电常数 极板靠近手臂处还有.厚的一层绝缘体,介电常数.骨头正极板负极板手 臂两极板间电势差50V已知,骨头中的电场强度有多大?我们可以把问题近似简化如下图所示的,这样
3、一个平行板电容器问题。把两极板间的骨头,组织,绝缘体看作是填充于其间的不同介质。=骨头组织绝 缘 体EE现在,我们可以得到结果了!我们用i代表绝缘体,用t代表手臂组织,用b代表骨头。V=2E i d i+2E t d t+E b d b=50.(1)D应该是连续的,因此D=。i E i=。t E t=。b E b 这样我们把(1)式中的 E i和E t 用E b表示,得到只含一个未知量E b的方程,代入有关数据,求得E b=970 V/m.即骨头当中的电场强度为970 V/m。钙离子是带电荷的,我们可以感觉到这个电场有利钙离子向骨头沉积。图中小红圆圈代表钙离子,黑色圆柱体代表骨头。当然,钙的沉
4、积远非如此简单,骨头当中电场强度的测量也远不止这么简单,都是一个很复杂的研究,它牵涉到物理,医学的多方面领域。在这里我只是想通过这个简单模型说明些问题。通过网上相关研究资料的调查,我发现国内这方面的研究进展远远落后于国外。因为通过国内的科技搜索引擎,如中国学术期刊网,万方数据等,都很难找到相关资料,几乎可以说是没有。而国外的E i,IEEE等就明显要多一些。这应该有着很好的发展前景。=前面,我们看了骨头与电现象的联系。下面,我们来看看心脏方面与电有什么有趣的关系。对于心,我们了解它多少?我们知道,当加于其心脏的电压大到一定值时,就会引发心脏的收缩。我们也经常在电视里看到医生抢救病人时用的心脏起
5、搏器。我们知道心电图。过测量人体皮肤表面的电势分布,来研究心脏处电势的大体分布。心脏处于人体内部,外围有着人体的各不同组织成分,其导电性能必然很复杂,应该说是一个极复杂的各向异性的环境。但这些并不代表我们不能从此方面来做些探讨。看看实验结果:=让我们把它与这幅电偶极子等势图作些比较,看能发现什么相似的地方?=我们发现其间有着一定的相似性,这给了我们一个不小的震撼。心脏的等电势图类似于一个电偶极子的等电势图。由于两者的比较方法是极粗糙的,我们不能要求吻合的程度很大。有这么一些相似性已经很不错了。这意味着什么呢?这给我们研究心电场提供了一个很好的思路,对心脏疾病的诊断提供了一个强有力的方法。当然这
6、需要精准的仪器作为前提条件。=心脏起搏器和去纤颤器。心脏可以说是一个有生物体控制着的泵,当心脏受到某种伤害时,心肌会发生激烈的颤动,在医学上叫做纤维性颤动。为了恢复心脏的正常工作,我们需要一个心脏起搏器和去纤颤器。当去纤颤器外部极板于3毫秒内放电400 J,求瞬时电流的大小,瞬时电压的大小?若两极板间人体电阻 R=50。=I R t=V I t I =E/(R t)代入相关数据可得 I=51.6 A V=E/(I t)=400/(51.6 0.003)=2.58 kV可植入起搏器实物图 随着微型可嵌入式去纤颤器的发展,所需的激发能量也随之减少了许多。其更大的优点还在于,他靠心脏更近,当病发时,仪器可自行放电治疗,而无须像外用式那样,需要医生的临场救治,为病人赢得了宝贵的时间,时间就是生命。至此,我们从人体的骨头,心脏两方面做了些与电现象有关的研究,发现生物体是与电紧密相关的。生物体其他方面也有着很值得我们探究的地方,如前几届学生做的神经传导,电鳗放电等。另外磁与生物体也是密不可分的,这是一个很好的研究领域。由于水平有限只能写到这里啦。感谢电词电磁教学组老师提供的机会!祝各位老师元旦快乐!