電磁場的生物效應

1、電磁場的生物效應對于磁場，物理學用磁場強度H和磁感應強度B來描述，物理學一開始用磁場強度H來描述磁場，后來才發(fā)現(xiàn)了和電場強度相對應的磁感應強度B。嚴格地說，H和B不是同一術語，H是磁場，B是磁通密度（詳細的分析可以參見電動力學），B是H所感應的磁場，所以B又叫磁感應強度。二者的關系為：B = u H其中u是導磁率。 磁場可以產(chǎn)生于變化的電場（如電流就是變化的電場），也可以產(chǎn)生于永磁鐵，地球就是一個巨大的磁鐵，所以在地球表面的生物都會受到地磁場的作用，另外，人們還利用電、磁相互作用的原理制作了一些用來研究生物在各種不同強度下各種反映的儀器。對作用和效應有影響的磁場參數(shù)有類型、磁強、均勻性、方向、

2、作用時間等幾個方面；就機體方面，對作用和效應有影響的機體因子有磁性、組成、種類、敏感性、部位和血流速度等幾個方面。生物效應：磁場從開始作用到看見機體的生物效應，一般有一段延遲時間。其主要原因可能是產(chǎn)生效應的磁場必須同時同方向地作用一段時間（叫物理作用時間），機體才發(fā)生明顯的生物效應，累積的物理量中的大多數(shù)，可看作是產(chǎn)生生物效應的閾前量，并且是可逆的。所謂可逆是指磁場方向和坐標（器官、細胞、分子）方向發(fā)生變化時，其發(fā)生生物效應的可能性也變，甚至變得反相，因此應設法使磁場方向和機體方向的夾角不變，這樣累積的物理量就可能達到閾值，產(chǎn)生可見的生物效應。下面分別討論地磁的生物效應以及磁效應在生物學中的一

3、些具體的應用：（一）、地磁的生物效應很多的星體周圍都具有磁場，地球也有，我們稱之為地磁場。地球近似一均勻磁化球，但有區(qū)變和日變，區(qū)變指因為區(qū)域的不同而不同，有的磁強差別很大。每天變化約0.00010.0004G/day。磁南（S）極在地球北極附近，磁北極在地球南極附近，平均的磁強為0.5G。法國細菌學家巴斯德（Pasteur）1862年發(fā)現(xiàn)，地磁場能促進所有植物的生長，在S極下，青土豆比附近的成熟快些。人體也同樣是個磁體，也有兩極。人站立時，上N極，下S極。平臥時則右側(cè)是N極，左側(cè)是S極，人正面是N極，背面是S極。在自然定律有所謂的穩(wěn)態(tài)平衡，即此種狀態(tài)下時物體最穩(wěn)定，地球北極有磁S極，人睡覺時

4、，頭朝北，腳朝南，則人體處于穩(wěn)態(tài)平衡，輕微的擾動不會影響睡眠深度，從而能改善健康。反之，則稍一擾動，就會失去平衡，睡得不安穩(wěn)，甚至煩躁，失眠。（二）、DNA新陳代謝與生物磁效應脫氧核糖酸(DNA)是所有生物(一部分病毒除外)的遺傳物質(zhì)，也就是遺傳基因的組合。DNA存在于細胞核的染色體中。DNA和核糖枝酸(RNA)統(tǒng)稱為核酸。核酸具有復雜的結(jié)構(gòu)：由嘌呤堿基或嘧啶堿基與戊糖形成核苷，一個核苷的糖上一個OH基被磷酸化時，變?yōu)楹塑账幔婧塑账峤柚诹姿岫ユI連接成一種特定次序(一級結(jié)構(gòu))，便形成核酸。戊糖中一個OH基說O變?yōu)镠時稱為脫氧核糖核酸，DNA便是含脫氧核糖的核酸。DNA這種生物大分子具有復雜

5、的雙螺旋結(jié)構(gòu)，螺旋的空間纏繞、曲折等還構(gòu)成二級、三級等高級結(jié)構(gòu)。核酸中諸原子主要是以共價鍵相結(jié)合，使整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，保持遺傳特性，兩條螺旋中的堿基又以氫鍵相結(jié)合，使局部結(jié)構(gòu)可能受到外界因素作用而發(fā)生畸變，由此可能產(chǎn)生變異。一些物理因素(如r射線、X射線、激光、磁場和超聲等)能誘發(fā)生物突變便是基于低鍵能氫鍵的畸變。從生物磁學觀點看，磁場可能引起DNA中氫鍵的畸變，影響H+離子的隧道效應，從而可導致部分遺物質(zhì)結(jié)構(gòu)(遺傳消息)的變化，產(chǎn)生磁致遺傳變異也可以利用磁共振等磁學方法來研究DNA的結(jié)構(gòu)及在各種因素作用下，引起的構(gòu)型等微觀結(jié)構(gòu)的變化。 新陳代謝是生命現(xiàn)象的不可缺少的重要特征，它包括生物

6、體內(nèi)物質(zhì)的代謝和能量的代謝(轉(zhuǎn)換)。從生物磁學觀點看，自由基和載流子都會產(chǎn)生磁現(xiàn)象和磁效應，都可以采用磁技術進行其微觀過程和機制的研究或應用。    從以上的討論可以看出，生物磁現(xiàn)象、磁效應、生物磁技術以及它們的應用領域都是非常廣闊的，綜合它們所具有的宏觀特點，分析它們可能涉及的生物微觀察過程和機制，又都顯示出與磁學理論有極為密切的聯(lián)系，但卻不能簡單地歸結(jié)為純物理現(xiàn)象和磁效應，而必須考慮生命現(xiàn)象和生物科學的復雜性和特殊性，正確處理物理運動形態(tài)和生物運動形態(tài)的既有聯(lián)系又有區(qū)別的辯證關系。在醫(yī)學領域的應用不僅要有流行病學的調(diào)查，還要有動物實驗與臨床觀察的依據(jù)，才能真正

7、地發(fā)揮現(xiàn)代醫(yī)用生物磁學的威力，為人類服務，為人類造福。         生物受到磁場和磁場梯度的作用時，它們的強度必須超過一定數(shù)值，才會引起磁場的生物效應，稱為磁場閾效應。這一定的磁場或磁場梯度或磁場與其梯度和乘積分別稱為閾磁場(BC)或閾磁場梯度(dBdX)或閾磁場梯度積(BdBdX)。大量實驗表明，不同生物或生命現(xiàn)象具有不同的閾磁場或閾磁場梯度或閾磁場·梯度積。另一此生物則對磁場梯度或磁場·梯度積敏感。因此，研究磁場的生物效應時，必須仔細控制磁場和磁場梯度，在決定這些磁場參量的情況下進行實驗觀測。有些磁場生物效

8、應難于重復甚至得到矛盾的結(jié)果。一種可能就是不同實驗室或不同作者所用的磁場參量(包括強度和梯度)不相同引起的。（三）、磁共振成像系統(tǒng)的生物效應對于CT技術，很多人并不陌生，很多醫(yī)院都有CT機。但是對于MRI（磁共振成像）很多人并不了解。CT是應用X射線對人體某一層面掃描后，檢測其透過層面的X線強度的衰減成像。MRI與CT同屬于計算機成像（具體見計算機成像的知識內(nèi)容），圖象都是體層圖象，有共同病理生理與病理解剖基礎，兩者有很多相同點，但也有不同點：比如，MRI沒有電離輻射，對機體無甚不良影響；可以直接作出橫斷面矢狀面和各種斜面圖象等，但同時MRI要昂貴得多。 （磁共振成像MRI圖）1980 年以來

9、MRI 技術獲得了突飛猛進的發(fā)展但是進行MRI 檢查時受檢者暴露于靜磁場梯度磁場和射頻磁場的輻射之中從理論上講上述各種場都將產(chǎn)生相關的生物學效應幾年來其生物效應有無臨床意義即MRI是否安全的問題一直受到人們關注因此關于MRI 生物效應的研究從來就沒有停止過其報告無計其數(shù)然而目前還不能得出MRI 對機體存在潛在危害的結(jié)論或者說還沒有理由認為它是有損的顯然這方面的課題有待于更深入地研究本文綜述MRI 對人體可能造成的種種影響即多年來人們在MRI 生物學效應研究方面所取得的成果。一、生物效應研究的特殊性近年來先后出現(xiàn)的磁共振血管成像心臟MRI 電影MRI 快速與超快速成像準實時動態(tài)MRI 功能成像和

10、介入MRI 等技術給人以日新月異之感相比之下MRI 的生物效應研究卻遠遠滯后了其原因主要有以下幾個方面：(1) 生物效應研究的難度大 (2) 生物效應的影響因素多在磁共振成像過程中有可能導致生物效應的三種場均受多種因素影響這也是不同研究報告中出現(xiàn)相反結(jié)果的原因。(3) MRI 系統(tǒng)千差萬別目前全世界有MRI 系統(tǒng)近萬臺場強從0.1T 到7T(也可能更高)。(4) 硬件發(fā)展過快。(5)靜磁場和RF 場的生物效應中均有窗口效應實際上目前為止的所有MRI 生物效應研究實驗都是在特定的窗口中進行的亦即其實驗結(jié)果不能任意推廣。二、靜磁場的生物效應主要在以下幾個方面:1. 溫度效應靜磁場對哺乳動物體溫的影

11、響稱為溫度效應(Temperature Effect) 它是MRI技術出現(xiàn)后最早受到關注的生物效應之一.但是多年來由于存在磁場使體溫升高磁場不影響體溫甚至磁場使身體某些部位的體溫下降等多種觀點。 1989年富蘭克(G.S.Frank)等人采用熒光溫度計在更精確的實驗和環(huán)境條件下對1.5T 磁場中人體的體溫變化進行了測量。該實驗所用的測溫方案比較科學其結(jié)果很快被廣泛接受，它證明靜磁場不影響人的體溫。2. 磁流體動力學效應磁流體動力學效應(Magnetohydrodynamic Effect)是指，由磁場中的血流以及其他流動液體產(chǎn)生的生物效應在靜磁場中它能使紅細胞的沉積速度加快心電圖發(fā)生改變并有可

12、能感應出生物電位。血液中的血紅蛋白是氧的載體它的活性成分為血紅素由于血紅素含有一個鐵離子(血紅素鐵) 使它具有一定的磁性但這種磁性與血紅蛋白的氧合水平有關： 氧離血紅蛋白有非常大的磁矩表現(xiàn)為順磁性了； 氧合血紅蛋白則沒有磁矩或順磁性效果氧離血紅蛋白的順磁特性有可能使血液中的紅細胞在強磁場(包括強梯度場)中出現(xiàn)一定程度的沉積沉積的方向取決于血流在磁場中的相對位置由于動靜脈血含氧量不同(血紅蛋白的氧合水平不同) 沉積的程度也稍有不同根據(jù)這一原理人們用場梯度實驗成功地分離了血液。血液在磁場中的沉積現(xiàn)象又叫靜態(tài)血磁效應。3. 中樞神經(jīng)系統(tǒng)效應急性短期地暴露于2.0T 以下的靜磁場對人體不會產(chǎn)生明顯的生

13、物學影響但是1990 年以后全世界出現(xiàn)了多臺4.0T 以上的MRI 系統(tǒng)大多數(shù)志愿者在這種超高場系統(tǒng)中出現(xiàn)眩暈惡心頭痛口中有異味等主觀感覺顯然超高場磁體可導致人體某種顯著的生理變化超高場的生理效應基礎以及應采取的對策等都是需要進一步研究的課題。三、梯度磁場的生物效應1. 梯度場及其感應電流梯度場的情況就大不相同梯度磁場是一種時變場根據(jù)法拉第電磁感應定律變化的磁場將在導體中感應出電流人體組織作為導體當穿過它的磁通量發(fā)生變化時同樣會產(chǎn)生電流梯度場的這種感應電流是其生物效應的主要來源梯度場變化引起的法拉第感應電流在人體內(nèi)部構(gòu)成回路因此越是靠近機體外周的組織電流密度越大(作用半徑大) 而越接近身體中心

14、的組織電流越小電流通路還因組織類型的不同而異例如脂肪和骨等低電導的組織將改變感應電流的方向另外如果組織的導電性能很好感應電流還會進一步加大。2. 梯度場的心血管效應強電流對心血管系統(tǒng)的作用為直接刺激血管和心肌纖維等電敏感性細胞使其發(fā)生去極化過程引起心律不齊心室或心房纖顫等有計算表明當17mA以上的直流電通過心臟時就會發(fā)生心室纖顫一般將皮膚(感覺)神經(jīng)或外周骨骼肌神經(jīng)受到刺激(抽搐或收縮)看作心律不齊或心室纖顫出現(xiàn)的先兆。3. 磁致光幻視當磁場變化率為1T/s 時每平方厘米組織范圍內(nèi)產(chǎn)生的感生電流還不足1 A 而神經(jīng)活動的電流密度高達3000 A/cm2 ?？梢姵Ｒ?guī)MRI 檢查時組織內(nèi)產(chǎn)生的感應

15、電流非常小但是當梯度變化率加快并使組織電流密度達到300A/cm2 左右即達到神經(jīng)活動電流密度閾值的10%時就有可能導致誤動作因此組織中比較顯著的感應電流對生物組織有害無益。梯度感應電流在神經(jīng)系統(tǒng)的主要表現(xiàn)是所謂視覺磁致光幻視磁致光幻視(Wagnetophosphene)又叫光幻視或磁幻視是指在梯度場的作用下受試者眼前出現(xiàn)閃光感或色環(huán)的現(xiàn)象這種現(xiàn)象目前被認為是電刺激被檢者視網(wǎng)膜感光細胞后形成的視覺紊亂是梯度場最敏感的生理反應之一光幻視與梯度場變化率和靜磁場強度均有關系且在梯度場停止后自動消失進行常規(guī)MRI 檢查時(1.5T 以下) 梯度場的變化率在20T/s 以下產(chǎn)生的電流密度也不足3 A/c

16、m2 因而不會出現(xiàn)上述幻視覺但當雙眼暴露于4.0T 的靜磁場中時梯度場的變化(2040Hz)便很容易使正常人產(chǎn)生磁幻視。4. 梯度場的有關安全標準美國FDA 和英國NRPB 是兩家權(quán)威的梯度場安全標準發(fā)布機構(gòu)FDA 安全標準的基本內(nèi)容是MRI 掃描過程中病人所經(jīng)受的梯度場變化率不能達到甚至超過使外周神經(jīng)出現(xiàn)誤刺激的閾值里另外還有一些附加標準。四、射頻場的生物效應人體是具有一定生物電阻的導體因此當人體受到電磁波照射時就有將其能量轉(zhuǎn)換為歐姆熱的能力實踐表明MRI 掃描時RF 激勵波的功率將全部或大部被人體所吸收其生物效應主要是體溫的變化。（四）射頻場的生物效應射頻場對體溫有影響:MRI 掃描中,波

17、所傳送的能量首先由組織吸收，然后以熱的形式放出使體溫得以提高。靜磁場與體溫無關,因此，MRI檢查時，病人體溫的變化完全是射頻場作用的結(jié)果。另外射頻場易損傷一些器官特別是人體中散熱功能不好的器官如眼睛等，對溫度的升高非常敏感。因此這些部位是最容易受MRI系統(tǒng)射頻幅射損傷。在生活中，利用磁場制成的各種治療、保健器材如各種磁枕頭、磁鞋、磁按摩儀等。上圖就是利用磁場的生物效應制成的健康靠墊，集生物磁場、遠紅外效應、負離子效應、按摩于一體。健康靠墊往往是按照人體穴位分布，在靠墊表層分布了一些永久磁石，能有效促進局部血液循環(huán)，改善微循環(huán)狀態(tài)與營養(yǎng)供給速度，提高機體免疫能力，增強腰部活動力。同時具有消炎、消

18、腫、鎮(zhèn)痛等功效。（五）、手機電磁場輻射對人體的影響手機輻射到底有害還是無害，多年以來專家一直對此爭論不休。一般認為，手機的電磁波很弱，對人體影響微乎其微。北京交大的一項調(diào)查表明，手機的電磁輻射，有一半被人體吸收，其中有四分之一被人腦吸收。據(jù)調(diào)查，長期使用手機的人，已經(jīng)出現(xiàn)頭暈、記憶力減退、視力下降、耳部出現(xiàn)紅斑等癥狀。中國消費者協(xié)會曾做過一項測試，測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，手機輻射最高的達到10000微瓦平方厘米，最小值也達到300微瓦平方厘米，電磁輻射劑量已嚴重超過我國相關衛(wèi)生標準允許的上限。除了手機外，各種家用電器、電子設備、辦公自動化設備、移動通訊設備等電器裝置只要處于操作使用狀態(tài)，它的周圍就會存在

19、電磁輻射。據(jù)專家介紹，長期處于高電磁輻射環(huán)境下，可能會對人體健康產(chǎn)生以下影響：1.對心血管系統(tǒng)的影響，表現(xiàn)為心悸,失眠,心動過緩，心搏血量減少，竇性心率不齊，白細胞減少，免疫功能下降等。2.對視覺系統(tǒng)的影響，表現(xiàn)為視力下降，引起白內(nèi)障等。3.對生殖系統(tǒng)的影響，表現(xiàn)為性功能降低。4.長期處于高電磁輻射的環(huán)境中，會使血液、淋巴液和細胞原生質(zhì)發(fā)生改變；影響人體的循環(huán)系統(tǒng)、免疫、生殖和代謝功能，嚴重的還會誘發(fā)癌癥，并會加速人體的癌細胞增殖。5.裝有心臟起搏器的病人處于高電磁輻射的環(huán)境中，會影響心臟起搏器的正常使用。此外，據(jù)德國圖片報2004年12月的一則報道，歐盟科學家最近的研究結(jié)果證實，手機輻射能夠

20、破壞細胞和帶有人類遺傳信息的。來自7個歐盟國家的12個研究小組就電磁場對人類細胞的影響這一課題進行了為期3年的研究。專家們測定，如果手機對于每公斤人體組織的輻射值大于13瓦，那就會對人的遺傳信息造成破壞，而現(xiàn)在輻射的極限值則是每公斤2瓦。此外，電磁場還會使人體產(chǎn)生一種有害的蛋白質(zhì)。電磁輻射無色無味無形，可以穿透包括人體在內(nèi)的多種物質(zhì)。參考文獻：物理因子的生物效應劉普和 著，科學出版社；兩篇參考文獻的來源： ；其一作者為：趙喜平，文獻來源：）紫外線的生物效應光是由于原子躍遷產(chǎn)生的，不同的能級間的躍遷會產(chǎn)生不同頻率的光，在自然狀態(tài)下，原子的能級躍遷所產(chǎn)生的光的頻率往往是一個范圍，太陽所發(fā)出的光中，

21、就包含了各種頻率的光，其中大部分光是人眼所不能直接看見的。這個專題主要說明紫外線的生物效應。 由于紫外線有著較高的頻率，因此，它有著較高的能量，利用其能量高的特點可以有特殊作用。如利用紫外線殺菌（右圖就是一臺紫外線滅菌機）。 陽光中包含各種頻率的光，也同樣包含了紫外光。右圖反映的是太陽周圍的紫外線分布。 日光中的紫外線能殺死各種細菌，平時多曬衣服和被子就可以利用日光中的紫外線殺菌。但是，過量的紫外線照射會給人帶來危害。強紫外線對人體的侵害莫過于對皮膚的傷害了，輕者可使皮膚變粗糙，出現(xiàn)或加深褐斑。重者可導致皮膚癌。所以學會在強紫外線下的自我保護非常重要。一般來說，如果預報紫外線強度為弱或偏弱時，對人 （太陽在紫外線波段）體沒有什么傷害，但如果強度較強時，紫外線會對人體構(gòu)成危害。 （紫外線傷人） （強烈的紫外線讓人猝不