生物电磁效应 基础知识

电磁场的生物效应 对于磁场，物理学用磁场强度H和磁感应强度B来描述，物理学一开始用磁场强度H来描述磁场，后来才发现了和电场强度相对应的磁感应强度B。严格地说，H和B不是同一术语，H是磁场，B是磁通密度（详细的分析可以参见《电动力学》），B是H所感应的磁场，所以B又叫磁感应强度。二者的关系为： B = u H 其中u是导磁率。 磁场可以产生于变化的电场（如电流就是变化的电场），也可以产生于永磁铁，地球就是一个巨大的磁铁，所以在地球表面的生物都会受到地磁场的作用，另外，人们还利用电、磁相互作用的原理制作了一些用来研究生物在各种不同强度下各种反映的仪器。 对作用和效应有影响的磁场参数有类型、磁强、均匀性、方向、作用时间等几个方面；就机体方面，对作用和效应有影响的机体因子有磁性、组成、种类、敏感性、部位和血流速度等几个方面。 生物效应：磁场从开始作用到看见机体的生物效应，一般有一段延迟时间。其主要原因可能是产生效应的磁场必须同时同方向地作用一段时间（叫物理作用时间），机体才发生明显的生物效应，累积的物理量中的大多数，可看作是产生生物效应的阈前量，并且是可逆的。所谓可逆是指磁场方向和坐标（器官、细胞、分子）方向发生变化时，其发生生物效应的可能性也变，甚至变得反相，因此应设法使磁场方向和机体方向的夹角不变，这样累积的物理量就可能达到阈值，产生可见的生物效应。 下面分别讨论地磁的生物效应以及磁效应在生物学中的一些具体的应用： （一）、地磁的生物效应 很多的星体周围都具有磁场，地球也有，我们称之为地磁场。地球近似一均匀磁化球，但有区变和日变，区变指因为区域的不同而不同，有的磁强差别很大。每天变化约0.0001——0.0004G/day。磁南（S）极在地球北极附近，磁北极在地球南极附近，平均的磁强为0.5G。 法国细菌学家巴斯德（Pasteur）1862年发现，地磁场能促进所有植物的生长，在S极下，青土豆比附近的成熟快些。 人体也同样是个磁体，也有两极。人站立时，上N极，下S极。平卧时则右侧是N极，左侧是S极，人正面是N极，背面是S极。在自然定律有所谓的稳态平衡，即此种状态下时物体最稳定，地球北极有磁S极，人睡觉时，头朝北，脚朝南，则人体处于稳态平衡，轻微的扰动不会影响睡眠深度，从而能改善健康。反之，则稍一扰动，就会失去平衡，睡得不安稳，甚至烦躁，失眠。 （二）、DNA新陈代谢与生物磁效应 脱氧核糖酸(DNA)是所有生物(一部分病毒除外)的遗传物质，也就是遗传基因的组合。DNA存在于细胞核的染色体中。DNA和核糖枝酸(RNA)统称为核酸。核酸具有复杂的结构：由嘌呤碱基或嘧啶碱基与戊糖形成核苷，一个核苷的糖上一个OH基被磷酸化时，变为核苷酸，面核苷酸借助于磷酸二酯键连接成一种特定次序(一级结构)，便形成核酸。戊糖中一个OH基说O变为H时称为脱氧核糖核酸，DNA便是含脱氧核糖的核酸。DNA这种生物大分子具有复杂的双螺旋结构，螺旋的空间缠绕、曲折等还构成二级、三级等高级结构。核酸中诸原子主要是以共价键相结合，使整体结构稳定，保持遗传特性，两条螺旋中的碱基又以氢键相结合，使局部结构可能受到外界因素作用而发生畸变，由此可能产生变异。一些物理因素(如r射线、X射线、激光、磁场和超声等)能诱发生物突变便是基于低键能氢键的畸变。从生物磁学观点看，磁场可能引起DNA中氢键的畸变，影响H+离子的隧道效应，从而可导致部分遗物质结构(遗传消息)的变化，产生磁致遗传变异也可以利用磁共振等磁学方法来研究DNA的结构及在各种因素作用下，引起的构型等微观结构的变化。 新陈代谢是生命现象的不可缺少的重要特征，它包括生物体内物质的代谢和能量的代谢(转换)。从生物磁学观点看，自由基和载流子都会产生磁现象和磁效应，都可以采用磁技术进行其微观过程和机制的研究或应用。 从以上的讨论可以看出，生物磁现象、磁效应、生物磁技术以及它们的应用领域都是非常广阔的，综合它们所具有的宏观特点，分析它们可能涉及的生物微观察过程和机制，又都显示出与磁学理论有极为密切的联系，但却不能简单地归结为纯物理现象和磁效应，而必须考虑生命现象和生物科学的复杂性和特殊性，正确处理物理运动形态和生物运动形态的既有联系又有区别的辩证关系。在医学领域的应用不仅要有流行病学的调查，还要有动物实验与临床观察的依据，才能真正地发挥现代医用生物磁学的威力，为人类服务，为人类造福。 生物受到磁场和磁场梯度的作用时，它们的强度必须超过一定数值，才会引起磁场的生物效应，称为磁场阈效应。这一定的磁场或磁场梯度或磁场与其梯度和乘积分别称为阈磁场(BC)或阈磁场梯度(dB／dX)或阈磁场梯度积(B．dB／dX)。大量实验表明，不同生物或生命现象具有不同的阈磁场或阈磁场梯度或阈磁场·梯度积。 另一此生物则对磁场梯度或磁场·梯度积敏感。因此，研究磁场的生物效应时，必须仔细控制磁场和磁场梯度，在决定这些磁场参量的情况下进行实验观测。有些磁场生物效应难于重复甚至得到矛盾的结果。一种可能就是不同实验室或不同作者所用的磁场参量(包括强度和梯度)不相同引起的。 （三）、磁共振成像系统的生物效应 对于CT技术，很多人并不陌生，很多医院都有CT机。但是对于MRI（磁共振成像）很多人并不了解。CT是应用X射线对人体某一层面扫描后，其透过层面的X线强度的衰减成像。MRI与CT同属于计算机成像（具体见计算机成像的知识内容），图象都是体层图象，有共同病理生理与病理解剖基础，两者有很多相同点，但也有不同点：比如，MRI没有电离辐射，对机体无甚不良影响；可以直接作出横断面矢状面和各种斜面图象等，但同时MRI要昂贵得多。 （磁共振成像MRI图） 1980 年以来MRI 技术获得了突飞猛进的发展但是进行MRI 检查时受检者暴露于静磁场梯度磁场和射频磁场的辐射之中从理论上讲上述各种场都将产生相关的生物学效应几年来其生物效应有无临床意义即MRI是否安全的问题一直受到人们关注因此关于MRI 生物效应的研究从来就没有停止过其无计其数然而目前还不能得出MRI 对机体存在潜在危害的结论或者说还没有理由认为它是有损的显然这方面的课题有待于更深入地研究本文综述MRI 对人体可能造成的种种影响即多年来人们在MRI 生物学效应研究方面所取得的成果。 一、生物效应研究的特殊性近年来先后出现的磁共振血管成像心脏MRI 电影MRI 快速与超快速成像准实时动态MRI 功能成像和介入MRI 等技术给人以日新月异之感相比之下MRI 的生物效应研究却远远滞后了其原因主要有以下几个方面： (1) 生物效应研究的难度大 (2) 生物效应的影响因素多在磁共振成像过程中有可能导致生物效应的三种场均受多种因素影响这也是不同研究报告中出现相反结果的原因。 (3) MRI 系统千差万别目前全世界有MRI 系统近万台场强从0.1T 到7T(也可能更高)。 (4) 硬件发展过快。 (5)静磁场和RF 场的生物效应中均有窗口效应实际上目前为止的所有MRI 生物效应研究实验都是在特定的窗口中进行的亦即其实验结果不能任意推广。 二、静磁场的生物效应主要在以下几个方面: 1. 温度效应 静磁场对哺乳动物体温的影响称为温度效应(Temperature Effect) 它是MRI技术出现后最早受到关注的生物效应之一.但是多年来由于存在磁场使体温升高磁场不影响体温甚至磁场使身体某些部位的体温下降等多种观点。 1989年富兰克(G.S.Frank)等人采用荧光温度计在更精确的实验和环境条件下对1.5T 磁场中人体的体温变化进行了测量。该实验所用的测温比较科学其结果很快被广泛接受，它证明静磁场不影响人的体温。 2. 磁流体动力学效应 磁流体动力学效应(Magnetohydrodynamic Effect)是指，由磁场中的血流以及其他流动液体产生的生物效应在静磁场中它能使红细胞的沉积速度加快心电图发生改变并有可能感应出生物电位。 血液中的血红蛋白是氧的载体它的活性成分为血红素由于血红素含有一个铁离子(血红素铁) 使它具有一定的磁性但这种磁性与血红蛋白的氧合水平有关： 氧离血红蛋白有非常大的磁矩表现为顺磁性了； 氧合血红蛋白则没有磁矩或顺磁性效果氧离血红蛋白的顺磁特性有可能使血液中的红细胞在强磁场(包括强梯度场)中出现一定程度的沉积沉积的方向取决于血流在磁场中的相对位置由于动静脉血含氧量不同(血红蛋白的氧合水平不同) 沉积的程度也稍有不同根据这一原理人们用场梯度实验成功地分离了血液。血液在磁场中的沉积现象又叫静态血磁效应。 3. 中枢神经系统效应 急性短期地暴露于2.0T 以下的静磁场对人体不会产生明显的生物学影响但是1990 年以后全世界出现了多台4.0T 以上的MRI 系统大多数志愿者在这种超高场系统中出现眩晕恶心头痛口中有异味等主观感觉显然超高场磁体可导致人体某种显著的生理变化超高场的生理效应基础以及应采取的对策等都是需要进一步研究的课题。 三、梯度磁场的生物效应 1. 梯度场及其感应电流 梯度场的情况就大不相同梯度磁场是一种时变场根据法拉第电磁感应定律变化的磁场将在导体中感应出电流人体组织作为导体当穿过它的磁通量发生变化时同样会产生电流梯度场的这种感应电流是其生物效应的主要来源梯度场变化引起的法拉第感应电流在人体内部构成回路因此越是靠近机体外周的组织电流密度越大(作用半径大) 而越接近身体中心的组织电流越小电流通路还因组织类型的不同而异例如脂肪和骨等低电导的组织将改变感应电流的方向另外如果组织的导电性能很好感应电流还会进一步加大。 2. 梯度场的心血管效应 强电流对心血管系统的作用为直接刺激血管和心肌纤维等电敏感性细胞使其发生去极化过程引起心律不齐心室或心房纤颤等有计算表明当17mA以上的直流电通过心脏时就会发生心室纤颤一般将皮肤(感觉)神经或外周骨骼肌神经受到刺激(抽搐或收缩)看作心律不齐或心室纤颤出现的先兆。 3. 磁致光幻视 当磁场变化率为1T/s 时每平方厘米组织范围内产生的感生电流还不足1 A 而神经活动的电流密度高达3000 A/cm2 。可见常规MRI 检查时组织内产生的感应电流非常小但是当梯度变化率加快并使组织电流密度达到300A/cm2 左右即达到神经活动电流密度阈值的10%时就有可能导致误动作因此组织中比较显著的感应电流对生物组织有害无益。 梯度感应电流在神经系统的主要表现是所谓视觉磁致光幻视磁致光幻视(Wagnetophosphene)又叫光幻视或磁幻视是指在梯度场的作用下受试者眼前出现闪光感或色环的现象这种现象目前被认为是电刺激被检者视网膜感光细胞后形成的视觉紊乱是梯度场最敏感的生理反应之一光幻视与梯度场变化率和静磁场强度均有关系且在梯度场停止后自动消失进行常规MRI 检查时(1.5T 以下) 梯度场的变化率在20T/s 以下产生的电流密度也不足3 A/cm2 因而不会出现上述幻视觉但当双眼暴露于4.0T 的静磁场中时梯度场的变化(20~40Hz)便很容易使正常人产生磁幻视。 4. 梯度场的有关安全 美国FDA 和英国NRPB 是两家权威的梯度场安全标准发布机构FDA 安全标准的基本内容是MRI 扫描过程中病人所经受的梯度场变化率不能达到甚至超过使外周神经出现误刺激的阈值里另外还有一些附加标准。 四、射频场的生物效应 人体是具有一定生物电阻的导体因此当人体受到电磁波照射时就有将其能量转换为欧姆热的能力实践表明MRI 扫描时RF 激励波的功率将全部或大部被人体所吸收其生物效应主要是体温的变化。 （四）射频场的生物效应 射频场对体温有影响:MRI 扫描中,波所传送的能量首先由组织吸收，然后以热的形式放出使体温得以提高。静磁场与体温无关,因此，MRI检查时，病人体温的变化完全是射频场作用的结果。另外射频场易损伤一些器官特别是人体中散热功能不好的器官如眼睛等，对温度的升高非常敏感。因此这些部位是最容易受MRI系统射频幅射损伤。 在生活中，利用磁场制成的各种治疗、保健器材如各种磁枕头、磁鞋、磁按摩仪等。 上图就是利用磁场的生物效应制成的健康靠垫，集生物磁场、远红外效应、负离子效应、按摩于一体。 　　健康靠垫往往是按照人体穴位分布，在靠垫表层分布了一些永久磁石，能有效促进局部血液循环，改善微循环状态与营养供给速度，提高机体免疫能力，增强腰部活动力。同时具有消炎、消肿、镇痛等功效。 （五）、手机电磁场辐射对人体的影响 手机辐射到底有害还是无害，多年以来专家一直对此争论不休。一般认为，手机的电磁波很弱，对人体影响微乎其微。北京交大的一项调查表明，手机的电磁辐射，有一半被人体吸收，其中有四分之一被人脑吸收。据调查，长期使用手机的人，已经出现头晕、记忆力减退、视力下降、耳部出现红斑等症状。中国消费者协会曾做过一项测试，测试结果发现，手机辐射最高的达到10000微瓦／平方厘米，最小值也达到300微瓦／平方厘米，电磁辐射剂量已严重超过我国相关卫生标准允许的上限。除了手机外，各种家用电器、电子设备、办公自动化设备、移动通讯设备等电器装置只要处于操作使用状态，它的周围就会存在电磁辐射。据专家介绍，长期处于高电磁辐射环境下，可能会对人体健康产生以下影响： 　　1.对心血管系统的影响，表现为心悸,失眠,心动过缓，心搏血量减少，窦性心率不齐，白细胞减少，免疫功能下降等。 　　2.对视觉系统的影响，表现为视力下降，引起白内障等。 　　3.对生殖系统的影响，表现为性功能降低。 　　4.长期处于高电磁辐射的环境中，会使血液、淋巴液和细胞原生质发生改变；影响人体的循环系统、免疫、生殖和代谢功能，严重的还会诱发癌症，并会加速人体的癌细胞增殖。 5.装有心脏起搏器的病人处于高电磁辐射的环境中，会影响心脏起搏器的正常使用。 此外，据德国《图片报》2004年12月的一则报道，欧盟科学家最近的研究结果证实，手机辐射能够破坏细胞和带有人类遗传信息的ＤＮＡ。来自7个欧盟国家的12个研究小组就电磁场对人类细胞的影响这一课题进行了为期3年的研究。专家们测定，如果手机对于每公斤人体组织的辐射值大于1．3瓦，那就会对人的遗传信息造成破坏，而现在辐射的极限值则是每公斤2瓦。此外，电磁场还会使人体产生一种有害的蛋白质。电磁辐射无色无味无形，可以穿透包括人体在内的多种物质。 参考文献：《物理因子的生物效应》刘普和 著，科学出版社； http://www.songfu.com； 两篇参考文献的来源：http://www.gangchang.net/Article_Show.asp?ArticleID=1934 ；其一作者为：赵喜平，文献来源：http://www.tech-ex.com/article_images/230354/ms944.pdf） http://it.sohu.com/20041210/n223421587.shtml http://finance.sina.com.cn/x/20010807/92162.html http://tech.sina.com.cn/news/it/2000-03-10/19666.shtml 生物电磁效应（Bioelectromagnetic Effects）  生物电磁效应主要研究生物系统与电磁场的相互关系和相互作用，与生命科学、环境科学、生物医学工程学以及电磁学都有密切的关系。其主要研究内容包括三方面：  生物体的电磁特性及与生命活动的关系  1929年，伯格（H. Berger）就发现了人体的脑电波，这意味着存在脑磁场。直到1972年，科恩（Cohen）等利用超导量子干涉仪（SQUID）才测得高质量的脑磁图。现在已经认识到人体中存在心磁场、脑磁场、神经磁场、肝磁场和肺磁场等多种磁场。测量并研究生物体自身的电磁特性，对认识生命活动本质和探索新的医学诊断治疗原理和方法有极为重要的意义。  利用各种先进的电磁场测量仪器，可以研究各种常态和病态的生物体的各种电磁效应。另外利用体表的电磁分布图反求体内源的分布和强度，也是有重要意义的电磁逆问题。  生物体认知活动及其机理研究是目前生物和医学研究的前沿课题。生物体的情绪和思维变化可以影响其电磁特性，从而可以通过电磁特性的变化对认知活动等加以研究。  电磁场的生物效应  外加电磁场和环境电磁场（如地磁场）对生物系统的各种影响的研究是目前国际上十分活跃的研究领域。例如移动手机对人体大脑的影响问题就是典型的电磁场的生物效应问题。  一方面人们可以利用电磁场对生物的有利效应，应用于生物医学，研究和探索各种新的治疗方法。另一方面研究对策以防止其负效应对人体的危害，包括研究和解决电磁污染问题。因而电磁场的生物效应研究意义十分重大。  目前不同磁场（地磁场、恒定磁场、交变磁场等）的各种生物效应，如对细胞和血液的影响、对酶和自由基的影响、对器官和组织的影响、对心理和思维活动的影响等，日益受到重视并取得一定进展。但总的来说，该研究尚处于不甚成熟却迅猛发展的阶段，主要是积累资料和探索规律。电磁场对生物的宏观效应与微观机制间的关系问题目前尚未得到深入研究，这是今后研究的重点。  利用生物电磁效应丰富和提高各种诊断和治疗手段  利用生物电磁效应，可以研究新的疾病诊断方法。如各种人体磁图（心磁图、脑磁图、肺磁图等）能提供人体的生理和病理状态的信息，通过异常和正常的磁图比较，可作为诊断疾病的有效手段。利用生物电磁效应，也可以丰富新的治疗方法。如电工研究所研制的诱发电位仪、微波治疗仪以及各种磁疗装置等。  这一部分研究内容可以有力促进新型医疗设备的开发和研制工作。随着各国政府对生命健康和环境保护的日益重视，生命科学、生物技术和环境科学等研究领域得到蓬勃发展。与此同时，生物电磁效应的研究也越来越受到重视。集中中国科学院的整体优势，开展生物电磁效应的研究已迫在眉睫。（同意，我们不能落后于这个技术，不能说这个技术有2面性，会有危害，就单存的禁止，不研究这个技术，现在害人者手中所用的技术已经领先于许多国家官方的研究了。所以疯鸡景X村II栋706才会如此嚣张狂妄的叫嚣，谁要你倒霉，就是偷窥你怎么了，你有证据你去告！因为疯鸡家认为，凭借它手中的仪器就可以为所欲为，就可以嚣张的逍遥法外，我们受害者就拿它家无能为力，无法抓住它家了。魔高一尺，道高一丈！这我是相信的，但我不希望这是在经历过重大灾难后，人们才会加以重视，才会加紧打击的。就像文革，造成了巨大灾难。虽然后来拨乱反正，但是已经造成的许多灾难都是无法弥补的。所以我希望不要等到这个技术酿成巨祸，才会去想办法解救，早点重视，早点开展研究，早点防治，早点打击治理。师夷长技以制夷。可以避免很多可以早日发现并避免的重大灾祸。）  中国科学院电工研究所在生物电磁效应的基础研究方面已开展了多项工作，并且研制出多种利用生物电磁效应原理的医疗设备。同时，电工研究所还具有各种先进的电磁场检测装置和各种磁体。目前有各种永磁磁体近十台，场值从40mT到1800mT，尺寸大小各异；有常导磁体多台；特别是超导电工开放实验室有多台超导磁体，磁场最高可达14T。这一切都为进一步开展生物电磁效应研究打下了良好的基础。