基本概念—生物电磁学和电磁生物学
生物电磁学是研究生物各层次的物质的电磁特性、生物电磁特性的测量和生物电磁特性的应用等。从物理学角度分析，生物体内存在着不同层次的电磁特性，这是生物体内电磁场的来源，也是和外界电磁场相互作用的位点。电磁生物学主要是研究电磁波（场）的生物学效应，也就是说生物体在外界电磁波（场）中，对不同频率和不同强度的电磁波（场），生物体会产生什么样的效应。通常，可将其划分为热效应、非热效应和累积效应。电磁辐射已经成为一种环境污染，联合国人类环境会议已经将电磁辐射列为必须控制的社会公害之一。电磁辐射的频谱很宽（0~ HZ），不同频率电磁辐射的生物学效应也是不同的，通常所说的电磁辐射是频率在300GHZ一下，其中和人类健康密切相关的是工频辐射和射频辐射，目前人们最关注的是高压线和变电站周围的电磁场对人体健康影响、手机和基站的电磁辐射对健康的影响、各种电磁治疗疾病的方法是否有效等。
总的来说，生物电磁以及电磁生物主要是研究生命活动本身所产生的电磁场以及外加电磁场对生物体的作用，是研究非电离辐射电磁波（场）与生物系统各不同层次相互作用规律和应用的交叉学科。对生物自身电磁信息的研究，其主要是通过体表电磁信息的检测来反推生物体内的神经活动。比如说可以依靠头皮电信号和头外磁场分布，可以反推脑内相应的活动神经元的位置及活动强度等。对于外加电磁场对生物体的作用，一个根本问题是生物体的吸收的电磁剂量问题。而从电学角度看，生命体是由无数细胞构成的一个复杂容积导体，对外界高频电磁场有一定的屏蔽作用。因此外加电磁场对生物体内的组织和器官的影过计算外加电磁场在生物体内的分布来推测体内电磁信息。而不管从宏观还是微观上分析，这些都是以研究生物各层次物质的电磁特性为基础的。
概述
电磁场和生物的关系
电磁场是相互依存的电场和磁场的总称，电场随时间变化产生磁场，磁场随时间变化产生电场，形成电磁场。电磁场与生物组织和生命过程存在着紧密的关系。在1953年，美国芝加哥大学ler等在实验室模拟原始大气在雷电作用下可能发生的现象，结果由无机物产生了氨基酸，这些氨基酸是构成生命的基本单位，是生命的起源。此外，所有地球上的生物都生活在地球磁场环境和电磁辐射（雷电、宇宙射线）中，地磁环境存在于生命之前，地球生物在地磁环境中萌生、演化和存在。因此生命和电磁场有着千丝万缕的关系。目前已经证实一些鸟类和鱼类是靠电磁场来辨别方向的，更特别的是存在一种趋磁细菌，其体内含有排列整齐的磁小体，这些磁小体能够使其沿地磁场方向泳动。
生物电磁学中的作用机理研究
生物电磁学中的作用机理研究生物电磁学是一门研究电磁场对生物体的影响及其作用机理的学科。
近年来，随着电磁场技术的不断发展和应用，生物电磁学也逐渐成为了一个热门领域。
本文将从生物电磁学的概念入手，详细探讨电磁场对生物体的作用机理。
一、生物电磁学的概念生物电磁学是研究电磁场能对生物体产生哪些影响以及作用机理的一门学科。
电磁场是由电荷或电流产生的具有能量的物理场。
生物体中存在着多种电磁现象，如心电图、脑电图和肌电图等。
电磁场既可以对生物体产生负面影响，也可以产生正面影响。
因此，研究生物电磁学的目的在于了解电磁场对生物体的影响，从而利用电磁场进行治疗和保健。
二、电磁场对生物体产生的影响电磁场对生物体的影响与电磁场的频率、强度和时间等因素有关。
低频电磁场（低于100kHz）对生物体的影响主要是诱导电流，而高频电磁场（高于100kHz）则会产生热效应。
电磁场的强度越大，对生物体的影响也越大。
电磁场对生物体的影响可以表现在以下几个方面：1.电生理效应电磁场能够影响生物体的细胞膜和组织的电活动。
例如，电磁场能够影响心肌细胞的动作电位和心电图，进而影响心脏的收缩和舒张。
2.代谢效应电磁场能够影响生物体的能量代谢。
例如，电磁场能够影响细胞内的ATP合成和糖代谢，进而影响细胞的生长和分化。
3.免疫效应电磁场能够影响生物体的免疫系统。
例如，电磁场能够影响免疫细胞的分化和激活，进而影响生物体的免疫功能。
4.神经效应电磁场能够影响神经系统的功能。
例如，电磁场能够影响神经元之间的信号传递和突触可塑性，进而影响生物体的认知和行为等。
三、电磁场对生物体的作用机理电磁场对生物体的作用机理相对复杂，目前尚未完全清楚。
但研究表明，电磁场对生物体的影响与以下几个方面的机理有关：1.电场作用电磁场能够引起生物体内部的电流产生，从而对细胞膜和细胞内的离子分布产生影响。
电磁场还能改变细胞内外的电位差，进而影响细胞的代谢和信号传递等。
2.热效应高频电磁场能够产生热效应，引起组织的变温，从而影响细胞的代谢和增殖。
生物电磁学中的生物生物医学研究
生物电磁学中的生物生物医学研究生物电磁学中的生物医学研究生物电磁学是研究生物在电磁场下的生理和病理变化，以及应用电磁场技术对生物进行修复或治疗的学科。
生物电磁学涵盖的范围非常广泛，其中，生物医学研究是其中的重要分支。
本文将就生物电磁学中的生物医学研究进行探讨。
1. 电磁场与生物医学电磁场是普及度最高的物理场之一，之所以对人类产生影响，是因为电磁场与生物体间的相互作用。
例如，当人体受到电磁波的照射时，电磁波会与人体细胞内的分子发生相互作用，导致细胞内部的电流分布发生改变。
这种改变会对人体产生一定的生理效应，如改变神经活动、影响心率等。
在医学领域，电磁场技术已经被应用于许多疾病的治疗和诊断。
例如，磁共振成像（MRI）就是一种利用强磁场和高频电磁场来获取人体内部结构和组织信息的非侵入式诊断技术。
此外，电磁场还可以被用于治疗骨质疏松、癌症等疾病。
2. 细胞内电磁场与生理学细胞内条件不同，因此其内外电位差会发生改变，从而形成了一个细胞内电场。
这个电场会影响细胞内的许多生理过程，如细胞增殖和分化等。
另一方面，由于细胞具有许多自主电场产生的机制，细胞内外之间会形成一个微弱的电磁场。
这个微弱的电磁场不仅影响着细胞内部稳态，同时还参与了从外部电磁环境中传递信息的重要过程。
对于科学家来说，了解细胞内的电磁场变化，可以为研究许多疾病提供线索。
例如，在癌症分化中，细胞会发生一些形态学和生物电磁学上的变化。
如果我们能够利用这些变化来设计一些治疗方案，就可以更好地治疗癌症。
3. 超低频电磁场的影响超低频电磁场（ELF）是生物电磁学研究中的一个相对独立的领域，它通常是指频率小于100赫兹的电磁波。
由于ELF频率跟生物体内的一些生理过程密切相关，因此，ELF和人体之间的相互作用也被广泛研究。
研究发现，ELF会引起人类的REM睡眠，并且可以影响人类的记忆和学习能力。
此外，ELF还被发现可以影响大脑中一些神经传导途径的信号传递，从而影响着人的行为和身体健康。
生物电磁技术
A
X射线造影剂
造影剂，是为增强影像观察效果而注入(或服用)到人 体组织或器官的化学制品。这些制品的密度高于或低于 周围组织，形成的对比用某些器械显示图像。
在生物电磁领域，研究的是一种新型的造影剂—磁性
X射线造影剂。它是一种磁性液体,这种造影剂具有流动
性好、覆盖力强等优点. 当这种磁性液体进人体内后,在
A
肺磁图（MPG）
肺磁图就是利用人体肺内蓄积的铁磁性粉尘， 在外部用强磁场进行磁化，使肺内粉尘带上磁 性，在中断磁化之后，在体表测得剩余磁感应 强度，并将其描记成点图或曲线图，即为肺磁 图。
16
A
肺磁图的医学应用
由于铁磁性物质广泛存在于工业粉尘中，具有代表性的就是 磁铁矿，铁磁性物质易被磁化，剩磁大小与量的多少成正比； 因此，可以通过测定肺部剩磁大小估算各工种工人的肺内粉 尘含量，实现对尘肺病的早期诊断，这也是肺磁图技术的主 要应用之一。
脾等几个器官上.虽然生命体的这种磁性极弱,但仍能
为医学疾病的诊断提供重要的检测依据。
7
A
生物磁学在医学诊断中的应用
➢ 生命体自身弱磁性在医学诊断中的应用 ➢ 外加磁场和磁性物质在医学诊断上的应用
8
A
生命体自身弱磁性在医学诊断中的应用
➢脑 磁 图（MEG） ➢心 磁 图（MCG） ➢肺 磁 图（MPG）
9
A
脑磁图（MEG）
人的颅脑周围存在的磁场称为脑磁场。但这
种磁场强度很微弱，要用特殊的设备才能测知
并记录下来．需建立一个严密的电磁场屏蔽室，
在这个屏蔽室中，将受检者的头部置于特别敏
感的超冷电磁测定器中，通过特殊的仪器可测
出颅脑的极微弱的脑磁波，再用记录装置把这
生物医学工程学的基础理论
心脏兴奋与相应的心电图波形
生物医学工程学基础理论
生物电磁学 超声医学
生物电磁学
戴启军 生物医学工程系
生物电磁学
? 生物电磁学 是研究生物体的电现象和磁现象 以及生 物电磁的应用 的一门学科。
? 生物电磁学是建立在膜生物物理学基础之上的侧重 于从宏观角度研究生物电现象和生物磁现象。
? 现代生物电磁学 在很多方面都已深入到细胞级甚至 是分子级的研究水平。
– 正常的生物电活动是生物和人体保持生命功能必不可少的 条件。若由于机体内部或外界原因造成生物电活动障碍， 如神经中毒、心电传导阻滞等，会引起疾病甚至死亡。
? 生物电的主要基础 是细胞膜内外有电位差，即 膜电 位。生物电现象是生物系统内一种普遍的 共有现象 。
? 生物电的测量
– 宏观测量，如脑电、心电和肌电等。 – 微观测量，利用微电极技术测量到单个细胞的电活动。
– 现代医学临床和研究已广泛使用心电图、脑电图、肌电图、 胃电图、眼电图等来记录人体各部分器官的生物电变化。
– 研究生物电现象的生理学被称为电生理学。
生物电现象
? 心电 ? 脑电 ? 肌电 ? 其它生物电 ? 多道生理记录仪
心电
? 心脏的传导系统系指由一系 列特殊心脏细胞联结组成的 传导系统，这些细胞组织既 有自动产生兴奋的功能，又 有较一般心肌细胞更快的传 导功能，这样使兴奋有节律 地按一定顺序传播，使心脏 保持正常的有节律的收缩和 舒张，以维持血液循环。
生物电磁技术 PPT
组员：
什么是生物电磁学？
生物电磁学是以电磁场的生物机理及其综 合利用为主要研究内容，涉及生物医学、电 气学、物理学、电子技术及生物技术等领域 的综合学科。
研究背景
自上世纪七十年代初开始, 短短数十年间, 科学界对生物电 磁学的研究经历了一个巨变过程, 由最初的防辐射研究, 到后 来的电磁场电磁波对人体等生物机理影响的研究, 到最近的 生物电磁学的综合利用。近年来在医学检查方面, 脑磁图、 心磁图的推广应用将基于电磁学的医学检查技术推向了一个 新的高潮。在社会生产和日常生活中扮演了一个越发重要的 角色, 如提高种子出芽率、改善生物对环境的适应能力、利 用磁细菌治理环境污染、对某些慢性顽固疾病的治疗及改善 动植物的生活习性等。
➢脑 磁 图（MEG） ➢心 磁 图（MCG） ➢肺 磁 图（MPG）
心磁图（MCG）
心电和心磁是源于心肌的周期性收缩.在生物体的 离子、电导介质形成的 容积电流在体表造成的电位 差随时间的变化曲线就是心电图,而细胞和容积电流 在体表附近形成的周期性磁场随时间的变化曲线就 称为心磁图。
心磁图的医学应用
脑磁图的医学应用
1. 癫痫诊断和癫痫灶术前定位 2. 神经外科术前脑功能区定位 3. 缺血性脑血管病预测和诊断 4. 外伤后大脑功能的评估和鉴定 5. 精神病和心理障碍疾病的诊断
6. 司法鉴定和测谎应用 7. 语言、视觉、听觉、体感诱发等的研究 8.认知功能及信息处理过程的语言学习与视觉、听觉的关系
1、用于双二重极的诊断 2、用于右心异常的诊断 3、对异常ST-T波有较高诊断价值 4、对预防心血管事件有重要意义 5、为心律失常介入治疗的辅助定位提供了一个新途径 6、用于诊断胎儿先天性心脏病
➢脑 磁 图（MEG） ➢心 磁 图（MCG） ➢肺 磁 图（MPG）
生物电磁学的理论基础及应用
生物电磁学的理论基础及应用生物电磁学是研究生物体内的电场和磁场的产生、传播、感应和调控等现象的学科。
它涵盖了电生理学、磁共振成像、脑功能成像等多个领域，是生物医学工程、神经科学和生物物理学等学科的重要分支。
本文将介绍生物电磁学的理论基础和应用。
一、生物电现象生物体内的许多生理过程都伴随着电信号的产生和传播。
例如，人体心脏的跳动、神经的传递、肌肉的收缩等。
这些电信号的产生源都是来自细胞膜内的离子通道，从而形成了细胞膜电位差。
细胞膜电位差是一个非常重要的生物参数，它反映了细胞内外离子的浓度梯度和电化学梯度。
这些电信号在生物组织中传递的方式有两种：一是沿着神经纤维的轴向方向传递，称为神经传导；二是细胞之间通过外介质的电流和磁场相互作用而传递，称为细胞膜耦合。
二、电场和磁场的产生生物体内的电场和磁场是由电流和磁通量密度产生的。
电流是由离子在细胞内外来回运动造成的，而离子的运动是由电化学反应和生物大分子的活动引发的。
细胞内外的离子浓度差、细胞膜离子通道的通透性和细胞外刺激等因素都可以影响电流的大小和方向。
在这些电流作用下，周围环境中的细胞和器官也会受到电场和磁场的影响，从而产生细微的生理改变。
三、生物电磁场感应生物体内的电场和磁场可以相互作用，感应出一系列电压和电流。
例如，脑内的电活动可以感应出头皮和胸壁上的电位，这就是脑电图。
同样，磁共振成像也是利用生物体内磁场的效应进行成像的。
生物电磁场感应的原理是基于麦克斯韦方程组，它描述了电磁场的传播、感应和相互作用等现象。
四、生物电磁学的应用生物电磁学在医学、科研和工业等领域中有广泛的应用。
医学方面，脑电图、心电图和肌电图等是生物电磁学的代表性应用。
它们可以用来诊断神经和心脏等疾病，也可以用来监测患者的生命体征。
磁共振成像是另一重要的医学应用，它可以非侵入性地对人体进行成像，广泛用于神经科学、心血管病学和癌症等领域。
科研方面，生物电磁学被用来研究生物体内的电生理学、分子和细胞生物学等问题。
生物医学工程概论 第二章 生物电磁学
测量示意图
Rp
mV
Rm
mV
Ri
Ri V = Em ≈ Em Ri - Rm − Rp
Ri非常大时
电压钳
电压钳就是让细胞保持不同电压,记录流过细胞膜 的电流的一种方法
Rf
Ip
Vo
Vc
电流钳
向细胞内注射恒定或变化的电流刺激，记 录由此产生的膜电位变化； 电流钳模拟了细胞真实的变化；
Rf
Ip
电流监测 Σ
细胞膜与离子通透性
对钾离子通透 性最大，是钠 离子通透性的 30-100倍 氯离子次之
单离子平衡电位
单离子平衡电位
平衡时化学势作用下离子扩散所做的功等 于电场力对粒子所做负功 理想气体中的定律近似适用于稀溶液和离 子运动
离子运动做功: dA=Pdv=RTdv/v A=RTlnv1/v2 电场力对1克分子离子做功: B=Q(V1-V2)=ZF (V1-V2)
多离子溶液中的平衡电位
RT Pk [K ]o + PNa [ Na]o + PCl [Cl]i V= ln F Pk [K ]i + PNa [ Na]i + PCl [Cl]o
PK : PNa : PCl = 1 : 0.03 : 0.1
Goldman方程
细胞膜模型
C = εA / 4πh
介电常数=3,厚度=10-6cm 面积=5×10 -6cm2 C=1.3×10-12法拉 Q=CV=1.3×0.085×10-12库仑 电位80mV时离子数=Q/e=7×105个 细胞内的钾离子数: 0.14•6•1023•10-9=8.4×1013
正常心电图
脑电图的产生及其意义
第四节 生物电磁学
§4 生物电磁学
§4.1 电磁学的基本理论 §4.2 生物电现象 §4.3 生物电位 能斯特方程 §4.4 静息电位和动作电位 §4.5 细胞组织的电特性 §4.6 细胞电泳 §4.7 生物磁场
§4.1 电磁学基本理论
库仑定律 电荷的量子化：任何带电体所带的电量只能 是电子电量e 的整数倍,即Q = ne ( n是整数)。 库仑定律： 在真空中两个点电荷之间的相互作用力的大小 与它们之间所带的电荷量的乘积成正比,与它 们之间的距离平方成反比；作用力的方向沿着 它们之间的连线；同号电荷相互排斥, 异号电 荷相互吸引。
圆线圈轴线上任一点 2 0 IR i B 3 2 2 2 R x 2
载流长直导线
0 I B cos 1 cos 2 4 a
x0 B
0 I
2R
方向与电流方向成右手螺旋
无限长载流 长直导线 B
0 I 2 a
方向与电流方向成右手螺旋
运动电荷的磁场
由毕奥-沙伐尔定律 直导线上的电流元I dl 所产生的磁感应强度 小 B 的大
电势差和电势
电势能 类似于重力场，对静电场引进电势能的概念: 静电场力对 q 所做的功等于 q0 的电势能的 0 减少量:
E pa E pb Wab q0 E d l
a
b
电场中a、b 两点的电势差为
U ab U a U b
E pa E pb q0
Edl
q
E 2 0
当 0 时，场强方向垂直指向两侧 当 0 时，场强方向从两侧垂直指向平面
静电场的环路定理、电势
静电场的环路定理 在点电荷q 产生的电场中， 试探电荷 q0从a 点运动到 b 点时电场力做的功为
生物电磁学
一、在医学中的应用
1、心肌自律性和人工心脏起博 ●在心肌细胞中，有一类细胞在未受到外界刺激下，也能产 生周期性动作电位，这种自动起博的特性称为心脏的自律性， 心脏能有节奏地跳动（收缩和舒张）正是心脏自律性的表现。 ●当心脏兴奋的自律性受到破坏或心肌细胞的功能出现障碍 时，将会导致泵血功能失调，甚至危及人体生命。人工心脏 电起博，就是利用一定大小的脉冲电流来刺激心脏，使心脏 按一定频率收缩和舒张，达到心脏起博的目的。
1、后者的作用对象是具有个体差 异的生命物质； 2、后者的作用对象是根据人为需 要而选取并加工的电磁媒质或单 元而前者的作用要让测量系统服 从于作用对象。
1、电磁场（波）的生物学效应，研究在电磁场（波） 作用下生物系统产生了什么； 2、生物学效应机理，研究在电磁场（波）作用下为 什么会产生什么； 3、生物电磁剂量学，研究在什么条件下会产生什么； 4、生物组织的电磁特性，研究在电磁场（波）作用 下产生什么的生物学本质； 5、生物学效应的作用，研究产生的效应做什么和如 何做。
小组成员：XXX XXX
目 录
1、生物电磁学的概念及意义 2、生物电磁学与工程电磁场的区别
3、生物电磁学的研究内容
4、生物电磁学的应用
生物电磁学的概念及意义
♦生物电磁学是研究非电离辐射电磁波 （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，主要涉及电磁场与 微波技术和生物学。 ♦其意义在开发电磁能在医学、生物学方 面的应用以及对电磁环境进行评价和防护。
三、在水产养殖中的应用
对于电磁场对水生生物的作用机理，国内外还没有
统一的定论。如华东师范大学的陈家森等人认为，电磁 场可使水生生物体内的一部分水转化为超氧阴离子自由 基，生命体内适量的超氧阴离子自由基具有代谢储能、 转化排废及防御消毒的作用，从而使水生作物产白质酶构型发生变化，导致它活力增大，膜内外通透性 增强，最后造成代谢速度加快，有利于生长发育。也有 学者认为，电磁场改善了水生生物所处的水生环境，降 低了水中的氨氮含量，并使水中含氧量提高，进而使生 物生命力加强，生长速度加快。
生物电磁学
生物电磁学
生物电磁学是指研究由电，磁场引发的生物效应的学科。
主要关注的问题包括：电磁场对生物体的效应及其机制，特别是电磁暴对生物体的影响；以及自然界频繁出现的电磁场（太阳辐射，大气电离产物，雷电时的电场等等）对人体的影响及机制。
生物电磁学是一门新兴的学科，它理论基础是物理学、生物物理学、生化学、生物学和细胞生物学。
研究内容涵盖从生物物理学角度建立电磁场和生物体的相互作用模型，刻画已知电磁场的相互作用和对生物体的潜在影响，建立及设计抗电磁的细胞生物实验，探索电磁场与生物过程的内在联系，以及研究电磁场诱发的新型生物效应等。
生物电磁学致力于为研究生物过程在电子电磁环境中的内在联系提供一个科学上面的框架，还将帮助更有效地应对电磁环境所带来的潜在危害。
生物电磁学以深入研究电磁场对生物物理性质和生物过程的影响为核心，着重探讨环境电磁场对生物系统及其分子等水平的影响，很突出的是如何破解电磁场的能量传递机制，以及这种机制如何控制生物体的行为和性质。
新型电子电磁设备的大规模投入使得环境电磁场加快变化，对周围的动植物等重要生态系统产生深远的影响。
生物电磁学研究能够充分发挥电磁领域的重要作用，帮助我们控制和纠正这些变化，以保护生态环境的稳定性。
同时，生物电磁学也研究利用电磁场给生物体提供有利的条件，尤其是利用电磁场干预生物体的发育过程，这对总结和研究生物体的发育规律具有极大的意义。