部分1人和能量的关系.ppt
2023/11/5,1,第二章 人和能量的关系,主要内容人体电学特性人体阻抗：细胞，组织阻抗特性电流的生理效应低频电流作用高频电流作用人体电磁场特性生物体磁现象电磁场生物学效应生物体机械特性超声波对人体作用生物体光学特性生物超微弱发光可见光对人体作用发生性射线对人体作用X射线危害X射线防护,2023/11/5,2,2.1、生物体的电特性,2.1.1 细胞电特性 细胞膜同时具有电阻和电容的特性，在直流和极低频的情况下，基本上是绝缘的，整个细胞可以看作是一种绝缘层包围的导电区。细胞静息电位跨膜电位的行程。细胞动作电位,2023/11/5,3,细胞膜及其电位示意图,2023/11/5,4,生物电的利用,最早被人注意到的生物电现象是电鳗鱼放电。在公元前三百多年，亚里士多德（Aristotle）提出了电鳗鱼的“震击”作用，在公元一世纪，古罗马医生就曾用电鳐的放电来治疗痛风。1678年，荷兰生物学家斯威莫尔登（Svay Malden）用蛙的肌肉做肌肉的收缩实验，但未引起关注。从1780年开始，意大利学者伽尔伐尼（Galvani）用蛙和蛙的肌肉标本研究神经与肌肉的生物电现象，并于1791年发表著作，于1974年做出了决定性实验，发现了神经和肌肉的损伤电位，确定了神经和肌肉的放电作用。随后，与伽尔伐尼同时代的物理学家伏特（Volt）发明了电位计，客观记录了新鲜蛙肌的损伤电位达5080毫伏。,2023/11/5,5,静息电位,静息电位（resting potential,RP）是指细胞未受刺激时存在于细胞膜内、外两侧的电位差。细胞膜处于静息电位时，膜内侧聚集负电荷，带负电；膜外侧聚集正电荷，带正电，细胞膜两侧保持稳定的电位差,2023/11/5,6,动作电位,细胞膜受到刺激时，表现出细胞兴奋的过程即为动作电位的过程。动作电位是膜受刺激后，在原有的静息电位基础上发生的膜两侧电位的快速而可逆的翻转和复原。动作电位产生的基础Na-K泵，需要消耗三磷酸腺苷（ATP）,2023/11/5,7,动作电位传导,在细胞膜上任何一点产生的动作电位会不衰减地传播到整个细胞膜上，这称之为动作电位的传导。,2023/11/5,8,细胞膜的电阻和电容特性,细胞膜同时具有电阻和电容特性。位于细胞膜内的细胞液和膜外的细胞外液均为含有多种带电离子的导电性良好的溶液，而细胞膜两侧存在稳定的电位差（静息电位），且对某些带电离子不通透，此种情况下细胞膜近似于已充电的电容（因两侧已聚集电荷）。对于其它可通透的带电离子，如Na+、K+离子，相当于有电流通过，此时细胞膜相当于电阻。由此膜电阻和膜电容同时存在，成并联关系,2023/11/5,9,2.1.2 皮肤阻抗,皮肤可分为表皮、真皮、皮下三层。皮肤电阻基本上集中在表皮层，特别是角质层，皮脂（皮脂腺分泌）次之；真皮与皮下层的电阻较小。人体皮肤有角质层时，单位长度电阻率高达几十万欧姆厘米（cm）；但无角质层时，降至8001000cm,2023/11/5,10,皮肤阻抗,干燥的皮肤为100300/cm2，而潮湿的皮肤电阻只有干燥皮肤的1%。汗腺的分泌可以大大降低角质层电阻。为了减小皮肤电阻对测量的影响，在进行人体电信号测量时，经常要首先将皮肤表层的角质层和皮脂去除，其常用方法为用酒精或细砂纸擦洗皮肤表面或在皮肤表面涂抹导电膏。,2023/11/5,11,皮肤电阻抗,对于涂敷导电膏的情况，因角质层中存在的主要是死亡的角质细胞，当表面电极通过导电膏和皮肤接触时，角质层此时充当离子半透膜。因导电膏中有些体积较大的离子无法通过角质层，在角质层两边即会产生由离子浓度不同引起的电位差，称之为浓差电动势。同时，在电极和皮肤之间存在由电偶极层产生的电容，E为浓差电动势，C为导电膏与皮肤形成的电容（类似膜电容），RC为其漏电电阻（类似膜电阻），R为皮肤其他组织的电阻。,2023/11/5,12,2.1.2 人体阻抗,人体阻抗是包括人体皮肤、血液、肌肉、细胞组织及其结合部在内的含有电阻和电容的全阻抗。人体阻抗是确定和限制人体电流的参数之一,Rs1和Rs2是皮肤电阻，Cs1和Cs2是皮肤电容，Ri及与其并联的虚线支路是体内阻抗,皮肤表面00502mm厚的角质层的电阻值很高。在干燥和干净的状态下，其电阻率可达11051106m。但因其不是一张完整的薄膜，又很容易受到破坏，故计算人体阻抗时一般不予考虑。人体电容很小，工频条件下可忽略不计。皮肤阻抗在人体阻抗中占有较大的比例。体内阻抗是除去表皮之后的人体阻抗。人体阻抗是皮肤阻抗与体内阻抗之和。,2023/11/5,13,2.1.3 电流的生理效应,电流流过生理组织的三种效应：1组织的电阻性而产生焦耳热2兴奋组织(神经和肌肉)的电兴奋3电化学烧伤，直流电和高压造成组织损伤这些作用不是单独发生，而是几种重迭发生的。,2023/11/5,14,一、低频电流的作用,当电流通过人体内部时，对人体伤害的严重程度与通过人体电流的大小、通过人体的持续时间、电流通过人体的途径、人体电阻、电流种类及人体状况等多种因素有关，而各因素之间又有着十分密切的联系。,当电流增加时，对于人类所产生的心理和生理效应的顺序。如表所示。,2023/11/5,15,电流,性别,效应,2023/11/5,16,若干名词1感觉阈-一个人所能感觉到的最小电流；2脱开电流-被实验者能随意缩回的最大电流；3呼吸麻痹-更大的电流会引起呼吸肌的不随意收缩，如果不断开电流，会严重到足以引起窒息。在1822mA时呼吸停止；4疼痛和疲劳-剧烈的肌肉不随意收缩和剧烈的神经兴奋会是疼痛的，并且时间长了，会引起疲劳；,5.心室纤颤心脏肌肉组织失去同步；阈值75400mA。6.持续心肌收缩-当电流足够大16A时，整个心脏肌肉收缩，甚至停止搏动，但是当去掉电流时，就能接着产生正常节律；7.烧伤-皮肤电阻大，一般在皮肤的进入点上，由于电阻性发热而产生烧伤；,1.伤害程度与电流大小,2023/11/5,17,频率对脱开电流也有很大的影响,强度持久适应易兴奋组织的不应性,图2-7 脱开电流随频率的变化曲线,2023/11/5,18,低频电流通过人体时的生理效应,假设的条件是:通电时间为1s，电流从人体的一条手臂流到另一条手臂，或从一条手臂流到异侧一条腿。,2023/11/5,19,2.伤害程度与通电时间,（1）通电时间越长，能量的积累增加，引起心室颤动的电流减小。当通电时间在0.015s范围内时，心室颤动电流和通电时间的关系可用如式（2-4）,（2）通电时间越长，因为在心脏搏动的特定时刻才可能引起心室颤动，则与该时刻重合的可能性越大，心室颤动的可能性越大，亦即电击的危险性也越大。,（3）通电时间越长，人体电阻降低，亦即电击的危险性也越大。,2023/11/5,20,3.伤害程度与电流途径,电流作用于人体，没有绝对安全的途径。,（1）电流通过心脏会引起心室颤动，促使心脏停止跳动，中断血液循环，导致死亡。（2）电流通过中枢神经或有关部位，会引起中枢神经严重失调而导致死亡。（3）电流通过脊髓，可导致半截肢体瘫痪。（4）从左手到胸部，电流途径短，是最危险的电流途径；从手到手，电流也途经心脏，因此也是很危险的电流途径；从脚到脚的电流是危险性较小的电流途径，但可能因痉挛而摔倒，导致电流通过全身或摔伤、坠落等二次事故。,2023/11/5,21,4.伤害程度与人体状况,人体条件的不同，不同的人对电流的敏感程度，以及在遭受同样电流的电击时，其危险程度都不完全相同。,（1）电流作用于人体时，女性的危险性较男性大，女性的感知电流和摆脱电流约比男性低1/3。（2）儿童的危险性较成人大。（3）体弱多病者的危险性较健壮者大。（4）体重小的危险性一般较体重大的大。体重的大小对室颤电流阈值影响很大，室颤阈值是随体重增加而增大。,2023/11/5,22,2023/11/5,23,宏电击（macroshock）-在体表上外加的巨大电流，且加在身体表面的两个点上时，只是总电流的一小部分流过心脏。微电击（microshock）-在身体的任何位置上，进入体内在心脏内部所加的电流；在有心导管情况下，所测得的人类心脏纤颤的数据说明了8060A的电流就能引起纤颤；微电击的允许安全极限一般是10A；,5.伤害程度与侵入点,2023/11/5,24,2023/11/5,25,电流分为低频和高频，低频电流是产生电击的原因。高频的作用频率增高时，刺激作用逐渐减小；频率超过1KHz时，刺激作用随之反比减小。电流密度低时，刺激作用减少，热作用更明显。治疗效果体温上升0.2oC左右是一个不发生危险的临界值。它相当于在体表消耗的能量约为100mW/cm2。工作实例-高频电刀本质：借助于电弧放电在生物体表面上出现极强的电流密度，使生物体组织被爆发性地蒸发，即具有切开作用；激光手术刀、超声手术刀也基于同样的原理。,二、高频电流的作用,2023/11/5,26,1.2 电刀,1901年，芬兰人Macarni第一次收到越洋的无线电信号。也就在这时，电外科器械开始了第一步。在二十世纪最初的十年，火花放电电流己用来治疗损伤。二十世纪20年代世界上第一台真正意义上的电外科产品被应用到临床，从而开创了电刀应用的新纪元。到1952年左右，逐步形成了今天所为大家熟悉的电外科技术，即高频正弦波电流流经人体产生的切割、凝固和烧灼作用。,2023/11/5,27,电刀,电外科器械(Electro-surgical Unit,ESU)，俗称电刀，是一种利用高频电流的作用的医疗仪器。又常被称为“高频电刀”。高频电流经人体会产生热量，但不会引起电击和肌肉剌激。高频正弦波电流流经人体所产生的作用：切割、干燥和烧灼。相对于传统的手术刀，电刀电切的优势在于：切割进行的同时具有连续的凝固（止血）作用；不需医生施加过多的机械力。,高频电刀的工作基准频率在300kHz以上,2023/11/5,28,电流频率与人体的关系,电外科器械利用电流通过人体所产生的热效应，从而实现以电凝和电切为基础的手术应用。直流电通过人体在产生热效应的同时，会导致组织内离子发生异常移动，造成组织功能紊乱。低频交流电（频率小于20kHz）通过人体组织在产生热效应的同时，会对神经和肌肉造成刺激，造成肌肉的抽搐，当电流频率在10-100Hz范围内时，此刺激现象最甚。高频电流经人体会产生热量，但不会引起电击和肌肉剌激。高频电刀的工作基准频率在300kHz以上，如此高的频率可以确保电流通过人体只产生所需利用的热效应，从而保证手术的安全性。,2023/11/5,29,除了常规高频电刀，还有氩气电刀和高频消融仪等，还有利用高频电流在尿道内运作的前列腺治疗仪。另外，起类似功能的还有利用非高频电流能量的微波电刀、超声刀等。,高频电刀的功率一般不超过300W，根据不同的手术需要可给出不同的功率和波形。,2023/11/5,30,应用科室,基本的手术无血切口，内脏组织块切除、切口止血，肿瘤消融、大血管电结扎等；从普通外科、心胸外科，到妇科、泌尿外科、耳鼻喉科、骨科、神经外科等各科室；从普通外科手术，到微创外科手术甚至内科治疗领域。医院的许多部门：手术室、急诊室、门诊室、内镜室都能见到高频电刀的身影。,2023/11/5,31,治疗效应与机制 高频电流作用电极人体组织相应高电流密度局域上足够热量控制性的破坏组织（达到预期的治疗效果）。,高频电刀工作示意图,2023/11/5,32,电外科治疗效应-切割（Cutting）,作用电极的边缘尤如手术刀时刀口，表面积非常小。极高的电流密度电极边缘有限范围内的组织的温度迅速而强烈上升该处组织中的细胞液很快蒸发组织被利索切开。连续的无衰减正弦电流能产生非常好的切割作用，但几乎无任何止血功能。,2023/11/5,33,电切,微观上细胞内的液体温度迅速超过100摄氏度，水分爆炸性地蒸发从而破坏细胞膜，积聚的大量细胞被破坏，宏观上组织被快速地切开。配合各种特殊设计的作用电极（刀头），电刀能用来切割各种类型的组织。,2023/11/5,34,电外科治疗效应-凝血（Coagulation）,凝血是通过高温使组织蛋白质变性而封闭组织（无蒸发作用），从而阻止液体渗出或出血。当电流作用于组织而使组织温度较慢速（相对于电切）而有效地升高至100摄氏度左右时，细胞内外的液体逐步蒸发，从而使组织收缩并凝固。在切割过程中被切断的小血管口，在电流的热作用下血管壁凝固收缩封闭，从而达到止血的效果。,2023/11/5,35,电刀快速有效的电凝作用，很大程度上取代了复杂的血管结扎，可以大大节省手术时间，简化手术操作。电刀有效的凝血可以减少价格相对较高的凝血胶的使用，有效地降低手术成本。利用电凝使细胞凝固、蛋白质变性和组织失活的效果，可对增生的肿瘤组织实行电凝，达到治疗破坏的目的。,电凝的优点,2023/11/5,36,电外科治疗效应-凝血,一般有两种技术：干燥和电灼。干燥仅在电极与组织紧密接触时发生。电流的波形对干燥效果并不重要，而电极与组织的接触面积必须足够大，电流或功率密度必须足够低，这样才能避免表面组织层细胞液的蒸发。即处于低输出电压、低输出阻抗的工作状态。电灼是指电极提供高的开路电压(常为几千伏)电极与被凝结组织保持微小间隙之间的空气电离并产生火花火花很快熄灭释放的能量在下一次放电产生以前扩散到组织中去表面凝结，但不出现切割。烧灼的效果取决于电流波形，即要求输出电压具有高峰值系数(Crest factor)和短的作用周期(Duty Cycle)。,2023/11/5,37,电刀的组成：,标配的高频电刀一般包括：主机、手术电极、中性电极等主件和脚踏开关、各式刀头、镊子、电源线、保护接地线等联用附件。（1）主机：由大功率振荡器、微处理器（或逻辑控制电路）、调制器、传感器、耦合电路和电源等组成。（2）手术电极：active electrode（又称激励电极、刀笔、阳极等）一种用来产生在电外科中所要求的某些物理效应如:切割、凝结的电极。（3）中性电极：neutral electrode 又称板电极、接地电极、分散电极、回路电极、阴极等）与患者身体连接的面积比较大的电极，以提供低电流密度的高频电流回路，避免在人体中产生诸如灼伤之类有害的物理效应。,2023/11/5,38,2.2 电磁场对人体作用,生物电磁学是研究非电离辐射的电磁波（场）与生物系统不同层次相互作用规律及其应用的边缘学科主要涉及电磁波与微波技术和生物学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,2023/11/5,39,生命磁场现象,鸽子回家生在美国东南海岸的一种海龟游动进行的观察显示在图4中，幼海龟在大西洋中沿着顺时针路线出游，经过若干年后又能回到出生地产卵。这些海龟是依靠什么导航呢？科学家证实了鸽子的上喙确实具有一种能够感应磁场的晶胞，正是这种器官为鸽子的飞行导航。有关这一研究的报告发表在11月25日的自然杂志上,2023/11/5,40,生命磁场现象,电磁现象对生命生态系统的组织、结构和功能、健康状态的影响具有极大的重要性。2.在机体内环境组织（细胞和组织间液），生物电磁系统是储存和持续的传送生物信息（正常体温时）的最终媒介。3水、生理盐水和酒可以很有效的储存电磁信息，它们的分子丛的结构特点决定了这个特点。此特点能被用于治疗中。4物质电磁信号，包括病人本身的生物电磁信号，是可以用来治疗疾病的。,2023/11/5,41,生物电磁学研究内容：,电磁场（波）的生物效应，研究在电磁场（波）作用下生物系统产生了什么，电磁波生物医学效应机理。电磁计量学生物组织的电磁特性,生物磁学的研究内容包括两部分：生物机体自身或被诱发产生的磁场诊断；磁场引起的生物效应治疗。,2023/11/5,42,人体中所含元素：碳、氢、氧、氮、硫、磷、氯、钠、钾、钙、镁、铁等和一些微量元素。其中多数有顺磁性（3d 或 4d 族的过渡离子）。蛋白质、酶和自由基均为顺磁性占人体70%的水具有弱抗磁性。极少数材料为铁磁性,2.2.1 生物磁场,2023/11/5,43,二、人体磁场生物组织、器官、细胞等存在很微弱的磁场。产生原因：变动磁场：生物电荷运动产生。细胞膜内外的离子运动的生物电流产生的磁场；如心磁场 1011 T，脑磁场 1012 T定常磁场：自然界含有铁性成分及某些磁性物质(如Fe3O4 粉尘等）经呼吸道吸入或经消化道食入人体内而形成的磁场；108 T感应磁场：生物磁性材料（如肝、脾）在外磁场的作用下产生的磁场;诱发磁场：在外界刺激下产生诱发电位，引起诱发磁场。如诱发脑磁场1013 T,2023/11/5,44,2023/11/5,45,三、机体与外磁场的相互作用1、感应电动势：生物（带电）体在磁场中运动所致。分子极化电荷再分布；带电粒子迁移传导电流；2、洛仑兹力：磁场中，带电粒子改变原来的运动方向。化学物质内部再分布。3、磁化：具有固有磁矩的永磁偶极子、磁性微粒、正负离子、自由基等受磁场力矩作用产生磁化。沿外磁场取向（离子转动、改变分子键角）4、磁力：使具有固有磁矩的微粒产生位移。导致化学物质的扩散和积累。,2023/11/5,46,人体自身磁场的应用,产生的原因：生物电流是引起生物磁场的渊源生物磁性材料：活体组织、器管等组成的物质具有一定的磁性，成为生物磁性材料。他们在地磁场的作用下形成感应场，例如人的脾脏所呈现出的磁性就属于这一类生物体本身还有磁性物质产生的磁场主要应用心磁图脑磁图肺磁图核磁共振成像,2023/11/5,47,生物磁场的测量,目前探测到的有：心磁场、脑磁场、肺磁场、肌磁场、肝磁场超导量子干涉仪（SQUID）灵敏度可达10-14量级心磁图（MCG）和心电图一样具有p波、RS波群和T波,2023/11/5,48,Baule 和McFee于1963年用线圈式磁量计首次测得心脏的磁场。1970 年前后由于超导量子干涉仪（Superconducting quantum interference device，SQUID）的发明，Cohen 开始用SQUID 在磁场屏蔽室内首次记录到了良好的心磁图，由此推动了心磁图的临床应用。1986 年中国科技大学研制成功了我国第一台心磁图仪。现阶段已有一定数量的心磁图测量设备问世且投入临床应用，如美国CMI公司九通道心磁图仪、德国SQUID公司心磁图仪MCG7等,2023/11/5,49,心磁场与心磁图(Magnetocardiogram),心肌的兴奋心脏电场体外（心）磁场。在体外测定胸部周围磁场变化，记录下来就是心磁图。心磁图与心电图一样，用P波、QRS波群、T波、和ST段命名,2023/11/5,50,心磁图,心磁图比心电图信号更微弱，但是更加稳定，灵敏度更高，因采用非接触记录，可不受肺、胸壁、肋骨等介质的干扰，获取的信号和信息更加真实、准确，且心磁图能比心电图提供更多的信息。,2023/11/5,51,心磁图与心电图比较：心磁图是非接触性的记录法，SQUID磁强计装置体积大且价格昂贵。,2023/11/5,52,脑磁图,神经冲动的传输同样由生物电信号的传导实现，即产生动作电位的变化，继而产生微弱的脑电流。脑电流的存在也必然引起脑磁场的存在。1968年科恩（Cohen）博士在美国麻省理工大学磁场研究所磁屏蔽室内首次进行了脑磁场图像测量，并成功记录脑磁图（Magnetoencephalography,MEG）脑磁图是现代生物工程的超导技术、影像融合技术和计算机技术相结合的产物。其核心硬件包括磁屏蔽室、探头部分和专用刺激系统、采集和处理工作站,2023/11/5,53,脑电 神经活动联系着体内复杂的信息处理系统，支配着从运动、体感、听觉、视觉等基本功能，到语言、情感、思维等高级功能。微弱的电(磁)信号有波形、幅度、能量、频率、相位、频谱等特征，与特定的正常和异常生理活动过程相对应。,脑磁图是脑神经细胞的生物电流产生的磁场，在头部表面的检测结果。测量的是体内神经电流源引发的瞬间磁场。,脑磁图(Magnetoenceghalogram),2023/11/5,54,脑磁图检测分类：自发性脑磁场：波；癫痫性棘波。诱发性脑磁场：体感意识、听觉、视觉等诱发磁场。内因性脑磁场：意识、随意运动前主观设想、抽象思维。,优点：不受组织电阻的影响；无损伤；对脑内兴奋部位推断有独特性,脑磁图蓝色区为癫痫灶,2023/11/5,55,脑磁图仪,现多通道脑磁图仪有美国4D-Neuroimaging公司生产出的148通道、248通道全头型生物磁仪芬兰Neuromag公司、Elekta公司生产出的122通道及306通道的全头型生物磁仪。,2023/11/5,56,2023/11/5,57,肺磁场,肺磁图（Magnetopneumogram,MPG）首先是由Cohen于1973年探测出 我国南开大学也于1981年开始了关于肺磁场的研究，并且已取得了一定的研究成果。与传统的x射线胸片、肺功能状况检测相比，肺磁场测量具有无损伤、灵敏度高、可重复性好等优点。肺磁场的产生不同于脑磁场、心磁场，它不是由于体内生物电流产生的，而是由侵入肺中的强磁性物质（肺滞留尘）产生的。加磁场的作用下被磁化，而产生剩余磁场。从体外用磁化器将肺磁化使肺内粉尘带上磁性，在中断磁化之后，通过测定前面提到的剩余磁场即可知道其肺内蓄积的粉尘量及其分布情况,2023/11/5,58,肺磁场,多数粉尘具有磁性：肺内积蓄的粉尘在外部强的恒磁场下将被磁化。把外加恒磁场撤去，肺内被磁化的粉尘产生的附加磁场仍然存在，经测定可推测粉尘的量和分布情况。探测方法：用工频消磁器使肺部污染的强磁性物质去磁，诸点测量作第一张肺磁图施加一均匀磁场使污染物质磁化，做第二张肺磁图；两张肺磁图对应点数据相减，得第三张肺磁图即为强磁性污染剩余场在肺中的分布图。,2023/11/5,59,2.2.2 磁场对细胞作用生物学研究,降低生物反映速率，减弱大分子转动扩散使和化学反应效率有关的键角变化使、中的质子隧道效应变化磁场分为 稳恒磁场和变磁场磁场参数包括磁场类型、场强大小、均匀性、方向性、作用时间等;细胞因子包括细胞的磁性、种类、敏感性、作用部位等,这些参数都是影响磁场细胞生物学效应的主要因素。,2023/11/5,60,2023/11/5,61,2023/11/5,62,cnki文献,2023/11/5,63,稳恒磁场对细胞生物学作用,赵大源等 1 用0.2T 恒磁源作用于兔腹部、背部脊柱两侧,结果显示加磁组的NK 细胞活性明显增强,表明应用磁疗可增强机体的免疫调节功能。赵大源,付研,李红利等.恒磁场对家兔自然杀伤细胞活性的影响.中华物理医学杂志,2000;(3):185-186,自然杀伤细胞，含有穿孔蛋白和粒酶颗粒的非特异性细胞毒淋巴细胞。是固有免疫系统的主要成员，对杀伤肿瘤细胞和病毒感染细胞起重要作用,2023/11/5,64,吕安林等发现在0.35T 的恒磁场中体外培养的离体兔主动脉平滑肌细胞的增殖数量显著低于对照组,说明恒磁场对细胞的增殖有抑制作用。吕安林,高歌,贾国良等.恒磁场离体兔动脉平滑肌细胞的抑制效应.中华物理医学杂志,2000;(5):288-290,2023/11/5,65,贾国良等研究了恒磁场对人脐静脉内皮细胞的影响,结果显示0.05mT 的恒磁场可以促进该细胞的增殖;人脐动脉平滑肌细胞(VSMC)的实验显示,1mT 和5mT 的恒磁场均能抑制VSMC 的增殖。,2023/11/5,66,端礼荣等研究了不同强度恒磁场对肢芽细胞和脑神经细胞作用,结果显示各组磁场强都能明显抑制细胞增殖和分化,并显示强度效应关系,进而给出了抑制细胞分化、增殖可能是稳恒磁场强度致发育危害的主要原因,并认为恒磁场抑制细胞分化和增殖与其蛋白质和脂质过氧化物的合成有关。,2023/11/5,67,小鼠初级精母细胞和骨髓红细胞的磁场实验显示,随着场强的增加,精母细胞染色体畸变、骨髓红细胞微核率显著增高,说明高强度磁场对体细胞和生殖细胞有致突变性。,2023/11/5,68,低频磁场对细胞的生物学作用,磁场作用可能损伤DNA 复制和有丝分裂,引起染色质的破坏。这种损伤对恶性肿瘤细胞表现更为敏感,因为恶性肿瘤细胞属于一种不受宿主控制的高速增殖的异变性细胞,容易受磁场作用的影响。,2023/11/5,69,张沪生等用电镜可观察到超低频磁场可使鼠S-180 肉瘤的有丝分裂相减少,可损伤肉瘤细胞核的DNA 复制和抑制细胞的有丝分裂,并且癌细胞周围可出现炎性细胞磁场影响癌细胞的代谢:磁场使癌细胞的恶性程度降低,抑制其高速和异形生长;磁场抑制癌细胞的分裂和DNA 的复制;磁场提高细胞免疫功能,加强淋巴细胞、浆细胞反应。,2023/11/5,70,2.2.3 磁疗,1、在病人的患处或其他部位（如经穴）施加适当强度的恒定磁场或交变磁场，可以治疗一些疾病，称为磁场疗法或简称磁疗；2、还有用强磁材料作成磁手镯、磁项链，磁椅和磁床等，以治疗高血压和消除疲劳 3、磁麻:已经把磁麻应用到拔牙、切除扁桃体和粉瘤等手术，收到较好的效果;4、利用经磁场处理的水（简称磁水或磁化水）浸种、育秧或灌溉，以及用磁水养鱼，可以提高种子发芽串，促使作物长势好，收到增产的效果，或使鱼病减少，促进鱼的发育生长。；5、人体磁图：心磁图、脑磁图和神经磁场、肺磁图。,2023/11/5,71,利用磁场治病，我国已有两千多年的历史。利用磁场的生物效应，已制成多种磁疗仪器。简单的有磁石穴位粘帖胶布、磁化水杯、磁枕、磁性腹带等。特点：安全、方便、无痛苦。依据：中医经络理论，在人体经穴处施加磁场。作用：活血化淤、镇静止痛、消肿消炎、安神降压等。疗效：高血压、神经衰弱、各种疼痛性疾病乳肌劳损、扭挫伤、骨质增生、类风湿关节炎等。磁场类型：恒定磁场、旋转磁场、脉冲磁场、交变磁场等研究内容：磁场类型、磁场强度、作用部位、治疗时间等,2023/11/5,72,2.2.4 生物电磁场的热点问题,流行病学调查研究1979年首次报道了磁场暴露与儿童白血病关联性的流行病学报道实验室活体研究重点主要在低强度、低频磁场对肿瘤相关性和胚胎发育的致畸作用等方面细胞和分子水平研究实验证实，磁场对细胞信号传递中细胞间的通讯功能有抑制作用弱电磁场照射的生物学效应目前还没无定论，环境中低频弱磁场的安全标准尚无统一,2023/11/5,73,2.2.5 电磁辐射的安全标准,ANSI/IEEEC95.1-1992 中规定，辐射限值为10mW/cm2。我国环保局制定的GB8702-1988中规定：职业辐射限值为1mW/cm2。,2023/11/5,74,2.3、生物体的机械特性,人体机械性质主要是弹性和粘性；弹性：外力加于物体时，物体可发生形变，外力除去后物体就恢复原形；例如,血管具有各向异性；粘性：在材料上加上外力，相应地可随意移动的性质；例如,血液等非均匀结构流体；粘弹性：生物体由高分子组成的材料，粘性和弹性都存在；形变复杂；弹性材料受外力作用，形变与外力成比例，当形变非常大时偏离了比例关系，发生屈服现象；屈服极限用屈服点的应变表示；,杨式模量,应变,2023/11/5,75,天然关节软骨的摩擦行为研究 钱善华 中国矿业大学 2009-06-01 博士 研究软骨不同加载模式的变形特征,讨论软骨滑动和摆动的摩擦行为特征,模拟软骨液体的渗流特征。研究结果为认识天然关节的承载特性与运动机制、揭示天然摩擦副的生物摩擦学机理和研发高性能的人工软骨提供更多的试验和理论依据。研究了软骨对玻璃和软骨对软骨层的滑动摩擦行为,发现较高的变形量有助于提高固体基质间的接触几率,致使摩擦系数与时间呈增加趋势,2023/11/5,76,人体关节软骨粘弹性的实验研究,获得国人正常关节软骨粘弹性的相关数据、曲张及特性值。为从生物力学角度解释关节软骨的生理功能，进一步认识关节疾病的发病机理提供了理论依据，,2023/11/5,77,2.3.1 力、加速度和振动加于生物体上的力不都是由骨来承受，骨的结构是不均匀的复合材料体，所以承受冲击力的能力强；但有加速度作用时，则相当脆弱。加速度对体内各部分的影响:循环系统中，心脏阴影面积减小，心输出量减小，血压下降等；视野变窄、失明，丧失意识等，可认为和上述循环系统的变化有关；呼吸机能也发生变化；注意：生物体耐受加速度的程度，在连续加速度时是4个重力加速度左右。,2023/11/5,78,振动频率不同，作用也不同。噪音效应：1）长时间在8090分贝的高水平声场中，发生主要是对高频声音的听力减退；2）5070分贝以上的声音，通过听觉作用于植物神经，出现末梢血管阻抗增加，唾液分泌，交感神经紧张，消化机能减退，心率增加，呼吸次数增加和各种激素分泌量发生变化等现象；3）噪音通过听觉使日常生活受到心理上的扰乱，工作效率降低。4）心理强度（嘈杂度）与单一声音强度不同例：白云机场噪声污染调查之1:机场边的呼啸村庄-21CN.COM-新闻,2023/11/5,79,生理学的和心理学的变化影响1、视力减退；2、不愉快感，睡眠障碍等；3、呼吸频率，氧消耗量增加；4、循环状态变化；5、长时间受到更激烈的振动时，产生雷诺氏病症状（四肢末端苍白）、冷感等,2023/11/5,80,2.3.2 超声波生物医学效应,超声波：频率大于20KHz的机械波超声波应用超声成像超声治疗,2023/11/5,81,超声波是指频率在2*104Hz以上（上限1012Hz）的人耳听不到的声波。超声波生物效应指一定强度的超声波照射生物体时，对于生物组织的状态、形态结构或功能所产生的影响，与声强度、频率以及生物组织本身的性质关系极大，又表现为可逆（低声强100mW/cm2）和不可逆效应。超声波生物效应一般分为热效应、机械效应和空化效应。热效应：生物组织经一定强度的超声照射时，超声的一部分能量被组织吸收转变为分子热运动能量，释放出热量使之温度升高。机械效应：经超声照射可使生物体内物质产生位移、速度、加速度，并由此造成组织内部压强周期性的变化。空化效应：超声在液体内会导致微小气泡的产生、生长、运动，以致破灭的一系列过程。10W/cm2，超声手术刀。,2023/11/5,82,超声治癌,HIFU(High Intensity Focused Ultrasound),2023/11/5,83,超声治癌(HIFU),重庆海扶（HIFU）技术有限公司是由重庆医科大学、重庆医科大学附属第二医院、重庆科技风险投资有限公司、研究人员等于1999年共同发起成立,2023/11/5,84,低功率超声诱导微泡试剂致肿瘤血管栓塞疗法,超声空化产生空化效应需用高强度超声辐射，在有效杀灭靶组织的同时也造成周围组织损伤，而无法将其引入血管栓塞治疗。研究表明，在组织中含有微泡试剂时，低剂量超声即可产生声孔效应，可应用于加强血栓的消融。东南大学附属中大医院的临床实验表明仅用低功率的超声辐射，即可使微泡产生空化,破碎微血管管壁和部分周围组织,激活内源或外源 性凝血,诱发大面积毛细血管血栓形成,阻断作用区域的直接血液供给途径；,2023/11/5,85,低声强刺激骨伤愈合,2023/11/5,86,低声强刺激骨伤愈合,2023/11/5,87,超声美容,超声波对人体细胞的微按摩、温热效应。改变细胞膜的通透性改善血液循环增强药物透入3-4MHz CW,2023/11/5,88,超声减肥,1992年超声去脂法巧妙地除去体内多余脂肪超声去脂的原理是利用探头插入脂肪组织内，利用超声波的物理及化学特性选择性地破坏脂肪细胞，而对其中的血管、淋巴管及神经组织不会造成任何损伤，然后通过隐蔽的0.51.0厘米的皮肤小切口将破碎的液体脂肪析出体外。,2023/11/5,89,超声减肥,2023/11/5,90,1.皮下注射特制溶液.,2.超声作用(20-40KHz),超声减肥,2023/11/5,91,超声减肥3.排出油脂,2023/11/5,92,超声减肥,2023/11/5,93,93,波动的物理量,1 波长2 波的传播速度3 周期和频率4 振幅,2023/11/5,94,94,液体和气体中,纵波,B 容变弹性模量。B=P，其中为气体定压比热与定容比热之比，P为气体内部常压力。,在固体中,横波,纵波,G 切变弹性模量，,Y 是杨氏模量,密度。,波在介质中的传播速度是由介质的性质决定的，可以证明：,在弹性媒质中，波速与弹性模量的平方根成正比，而与媒质密度的平方根成反比。,2023/11/5,95,95,5 波动能量,动能：波源振动通过弹性媒质传播出去，使媒质中原来不动的质点产生振动，因而具有动能。势能：同时媒质因形变而具有势能,波的传播过程即是振动的传播过程，又是能量传递过程。在不传递介质的情况下而传递能量是波动的基本性质。,给出的是单位体积内中所有质点的动能和势能,2023/11/5,96,96,5 波动的能量,讨论：（1）任一时刻体积元动能与其势能总是相等，（2）波动中体积元的能量与单一谐振动系统的能量有着显著的不同。在单一谐振动的系统中，动能和势能相互转化，动能最大时，势能最小，势能最大时，动能最小，系统机械能守恒。在波动情况下，任一时刻任一体积元的动能与势能总是随时间变化的，变化是同步的，值也相等，这说明体积元总能量不能为常数，即能量不守恒（体积元）,2023/11/5,97,97,5 波动的能量,（3）波动中体积元能量不守恒原因：每个体积元都不是独立地做谐振动，它与相邻的体积元间有着相互作用。因而相邻体积元间有能量传递，沿着波传播方向，某体积元从前面介质获得能量，又把能量传递给后面介质，这样，通过体积元不断地吸收和不断传递能量，所以波动是能量传递的一种形式。,2023/11/5,98,6.声压,纵波在弹性媒质内传播过程中,媒质质点的压强是随时间变化的,媒质质点的密度时疏时密,从而使平衡区的压力时强时弱,结果导致有波动时压强(P W)与无波动时压强(P O)之间有一定额压强差(P W P O),这一波动压强称为声压。对于一无吸收媒质的平面波,有波动时压强的最大值与没有波动作用时各点压强的差值称为压强振幅(P m),它可由下式确定：P m=cV m 即：声压振幅 P m 与媒质密度、质点运动速度的最大值 V m 及波速 c 成正比。,98,2023/11/5,99,7 声强,声强是表示声的客观强弱的物理量,它用每秒钟通过垂直于声波传播方向的 1 平方厘米面积的能量来度量,它的单位是焦耳(秒平方厘米)J/(s cm 2)。声强与声源的振幅有关,振幅越大,声强也越大;振幅越小,声强也越小。当声源发出的声波向各个方向传播时,其声强将随着距离的增大而逐渐减弱。这是由于声源在单位时间内发出的能量是一定的,离开声源的距离越远,能量的分布面也越大,因此通过单位面积的能量就越小。基于这一原理,在超声诊断探头发射超声时,必须考虑波束的聚焦,它可以减小声能的分散,使声能向一个比较集中的方向传播,因而可以增加诊断探测的深度。,2023/11/5,100,8.声阻抗率,声阻抗率是描述声波传播弹性媒质的一个重要物理量。对于各向同性的均匀媒质中无衰减的平面自由行波来说,媒质中某点有效声压 P 与振动质点速度有效值 V 之比称为声阻抗率,它用 Zs 表示：Zs=P V=c 实际上,声压与质点振速不一定同相位,所以声阻抗率是 2 个同频率、但不同相的余弦量的比值,并不是一个恒量。对于无衰减的平面行波,声压和振速可视为同相,媒质各点的声阻抗率是同一个恒量 c,对一定频率的声波来说,它只决定于媒质密度和波速 c 的乘积。声阻抗率和电学中一个无限长、无损耗传输线的特性阻抗相似,其中声压相当于电压,振速相当于电流强度,声阻抗率相当于电阻。通常声阻抗率是一个复数,其实部称为声阻率,虚部称为声抗率。人体正常组织的声阻抗率的平均值约为 1.5 10 6 牛顿秒/米 3(N s m 3),而与超声测量有关材料的密度和声阻抗率则如表 所示。,2023/11/5,101,102,超声波,超过人耳听阈上限的声波，即大于20KHz的称为超声波（Ultrasonic wave)临床常用的超声波频率:210MHz声阻抗：介质传播超声波能力的物理量，是超声波检测的对象,103,超声波的传播特性,反射（Reflection）发生：不同的声阻抗分界面（只要有10/00的声阻抗差）界面厚度远
