2022年醫(yī)學(xué)專題-人體中電現(xiàn)象的一些探討

人體中電現(xiàn)象的一些(yīxiē)探討

14系張煒PB03206221第一頁，共二十二頁。骨頭(gǔtou)壓電效應(yīng)=>電致伸縮效應(yīng)=>心臟心臟表面電勢分布=>心臟起搏器與去纖顫器=>

第二頁，共二十二頁。對于骨頭(gǔtou)，我們大家都不陌生，可我們真正了解它嗎？

骨頭的一些(yīxiē)特殊性質(zhì)壓電性質(zhì)

電致伸縮性質(zhì)

第三頁，共二十二頁。當骨頭受到壓縮或拉伸時，骨頭某些對應(yīng)表面上會產(chǎn)生(chǎnshēng)異性的極化電荷——壓電效應(yīng)。

在運動當中，我們的骨頭會產(chǎn)生一定程度的變形，這樣就會產(chǎn)生一個電勢差，這個電勢差從醫(yī)學(xué)上來講，能促進鈣的吸收陳沉積，對骨骼發(fā)育有很大的幫助。我們航天英雄楊利偉，在外太空時也需要(xūyào)運動來保持骨骼健康良好。

第四頁，共二十二頁。我們發(fā)現(xiàn)骨頭有著與它們相似的電壓反應(yīng)(fǎnyìng)特征，由此我們可得出結(jié)論，骨頭也有著類似的壓電效應(yīng)。

橫坐標為小針刺擊壓電材料的頻率，縱坐標為相應(yīng)材料表面產(chǎn)生的電壓。

圖中顯示有三條(sāntiáo)曲線。它們分別是Tendon腱,Bone骨頭,Balcen布加內(nèi)酯。腱和布加內(nèi)酯都是高分子的壓電材料

頻率(pínlǜ)/Hz電壓/V第五頁，共二十二頁。骨頭的電致伸縮效應(yīng)——當在骨頭表面加上一個電壓時，骨頭會產(chǎn)生伸長或壓縮(yāsuō)的微小形變。

有些手臂暫時不能活動的病人，如果我們在他受傷的手臂上的適當部位加一電勢差，就能促進鈣的沉積(chénjī)，讓其更早康復(fù)。

第六頁，共二十二頁。我們將這樣一個儀器(yíqì)簡化如下

=>直徑75ｍｍ的手臂，手臂組織的介電常數(shù)(jièdiànchánɡshù)εｔ＝４

骨頭直徑２５ｍｍ，介電常數(shù)εｂ＝２

極板靠近手臂處還有０.５ｍｍ厚的一層絕緣體，介電常數(shù)εｉ＝１.５

骨頭(gǔtou)正極板負極板手臂第七頁，共二十二頁。兩極(liǎngjí)板間電勢差50V已知，骨頭中的電場強度Ｅ有多大？我們可以把問題近似簡化如下圖所示的，這樣一個平行板電容器問題。把兩極板間的骨頭(gǔtou)，組織，絕緣體看作是填充于其間的不同介質(zhì)。

=>骨頭組織絕緣體EE第八頁，共二十二頁?，F(xiàn)在，我們可以得到(dédào)結(jié)果了！我們用i代表絕緣體，用t代表手臂組織，用b代表骨頭。V=2Ei·di+2Et·dt+Eb·db=50.(1)D應(yīng)該是連續(xù)的，因此D=ε。·εi·Ei=ε。·εt·Et=ε?！う舃·Eb這樣我們把（1）式中的Ei和Et用Eb表示，得到(dédào)只含一個未知量Eb的方程，代入有關(guān)數(shù)據(jù)，求得Eb=970V/m.即骨頭當中的電場強度為970V/m。第九頁，共二十二頁。鈣離子是帶電荷(diànhè)的，我們可以感覺到這個電場有利鈣離子向骨頭沉積。圖中小紅圓圈代表鈣離子，黑色圓柱體代表骨頭。第十頁，共二十二頁。當然，鈣的沉積遠非如此簡單，骨頭當中電場強度的測量也遠不止這么簡單，都是一個(yīɡè)很復(fù)雜的研究，它牽涉到物理，醫(yī)學(xué)的多方面領(lǐng)域。在這里我只是想通過這個簡單模型說明些問題。

通過網(wǎng)上相關(guān)研究資料的調(diào)查，我發(fā)現(xiàn)國內(nèi)這方面的研究進展遠遠落后于國外。因為通過國內(nèi)的科技(kējì)搜索引擎，如中國學(xué)術(shù)期刊網(wǎng)，萬方數(shù)據(jù)等，都很難找到相關(guān)資料，幾乎可以說是沒有。而國外的Ei，IEEE等就明顯要多一些。這應(yīng)該有著很好的發(fā)展前景。=>第十一頁，共二十二頁。前面，我們看了骨頭與電現(xiàn)象的聯(lián)系。下面，我們來看看心臟(xīnzàng)方面與電有什么有趣的關(guān)系。第十二頁，共二十二頁。對于心，我們(wǒmen)了解它多少？我們知道(zhīdào)，當加于其心臟的電壓大到一定值時，就會引發(fā)心臟的收縮。我們也經(jīng)常在電視里看到醫(yī)生搶救病人時用的心臟起搏器。我們知道心電圖。過測量人體皮膚表面的電勢分布，來研究心臟處電勢的大體分布。心臟處于人體內(nèi)部，外圍有著人體的各不同組織成分，其導(dǎo)電性能必然很復(fù)雜，應(yīng)該(yīnggāi)說是一個極復(fù)雜的各向異性的環(huán)境。第十三頁，共二十二頁。但這些并不代表我們不能從此方面(fāngmiàn)來做些探討?？纯磳嶒灲Y(jié)果：=>

第十四頁，共二十二頁。讓我們(wǒmen)把它與這幅電偶極子等勢圖作些比較，看能發(fā)現(xiàn)什么相似的地方？=>第十五頁，共二十二頁。我們(wǒmen)發(fā)現(xiàn)其間有著一定的相似性，這給了我們(wǒmen)一個不小的震撼。

心臟的等電勢圖類似于一個電偶極子的等電勢圖。由于兩者的比較方法是極粗糙的，我們不能要求(yāoqiú)吻合的程度很大。有這么一些相似性已經(jīng)很不錯了。這意味著什么呢？這給我們研究心電場提供了一個很好的思路，對心臟疾病的診斷提供了一個強有力的方法。當然這需要精準的儀器作為前提條件。=>第十六頁，共二十二頁。心臟起搏器和去纖顫器。

心臟可以說是一個有生物體控制著的泵，當心臟受到某種傷害時，心肌會發(fā)生激烈的顫動，在醫(yī)學(xué)上叫做纖維性顫動。為了恢復(fù)心臟的正常工作(gōngzuò)，我們需要一個心臟起搏器和去纖顫器。第十七頁，共二十二頁。當去纖顫器外部(wàibù)極板于3毫秒內(nèi)放電400J，求瞬時電流的大小，瞬時電壓的大小？

若兩極(liǎngjí)板間人體電阻R=50Ω。Е=I2?R?t=V?I?tI2=E/（R?t）代入相關(guān)數(shù)據(jù)可得I=51.6AV=E/（I?t）=400/（51.6?0.003）=2.58kV第十八頁，共二十二頁?？芍踩肫鸩鲗嵨飯D隨著微型可嵌入式去纖顫器的發(fā)展，所需的激發(fā)能量也隨之減少了許多。其更大的優(yōu)點還在于，他靠心臟更近，當病發(fā)時，儀器可自行放電治療，而無須像外用式那樣，需要(xūyào)醫(yī)生的臨場救治，為病人贏得了寶貴的時間，時間就是生命。第十九頁，共二十二頁。至此，我們從人體的骨頭，心臟兩方面做了些與電現(xiàn)象有關(guān)的研究，發(fā)現(xiàn)生物體是與電緊密相關(guān)的。生物體其他方面也有著很值得我們探究的地方，如前幾屆學(xué)生做的神經(jīng)傳導(dǎo)，電鰻(diànmán)放電等。另外磁與生物體也是密不可分的，這是一個很好的研究領(lǐng)域。由于水平有限只能寫到這里啦。第二十頁，共二十二頁。感謝電詞電磁(diàncí)教學(xué)組老師提供的機會！祝各位老師元旦快樂！第二十一頁，共二十二頁。內(nèi)容(nèiróng)總結(jié)人體中電現(xiàn)象的一些探討。骨頭直徑２５ｍｍ，介電常數(shù)εｂ＝２。極板靠近手臂處還有０.５ｍｍ厚的一層絕緣體，介電