生物与电磁学

生物与电磁学 Revised as of 23 November 2020

生物与电磁学

[摘要] 本片文章一方面描述了生物活体特别是人体自身的电磁过程及其与生命活动的关系和宏观表现形式。生物体的各种电磁信号及其性质。另一方面，描述了外界电磁场对生物活体的作用以及各种电磁场对生物系统的各种生物学效应。

[关键词] 生物电磁信号；生物热效应；生物非热效应

Biology and electromagnetism

Abstract：The article describes the one hand, living organisms, especially the body's own electromagnetic process and its relationship with life activities and macro forms. A variety of organisms and the nature of electromagnetic signals. On the other hand, describes the external electromagnetic field effects on living organisms and a variety of electromagnetic fields on biological systems of various biological effects.

Key words：Bio-electromagnetic signals;Bio-thermal effect;Non-thermal effects of

biological

生物中的电与磁

生物体电磁信号的内容相当广泛，包括心电、心磁、脑电、脑磁、生物阻抗和神经肌电刺激等等。生物体电磁信号帮助我们研究生物体自身的电磁过程和其生命活动的关系。

心电与心磁

心脏周围的组织和体液都能导电，因此可将人体看成为一个具有长、宽、厚三度空间的容积导体。心脏好比电源，无数心肌细胞动作电位变化的总和可以传导并反映到体表。在体表很多点之间存在着电位差，也有很多点彼此之间无电位差是等电的。心脏在每个心动周期中，由起搏点、心房、心室相继兴奋，伴随着的变化，这些生物电的变化称为心电。

的心房和心室肌肉的周期性收缩和舒张伴随着复杂的交变生物，由此而产生了心磁场。上面提到1963年首次测得人体心磁场，其强度为-1010特斯拉。其随时间的变化称为心磁图（MCG）。

脑电与脑磁

人脑可人为诱发出一种脑电变化，如心理事件或认知事件诱导出的脑电位变化，被称作（ERP、event-related potential），亦称为认知电位。事

件相关电位一般都比自发电位微弱，这些微弱的信号常常被淹没在自发电位中难以觉察。要提取这些信号，可以对被试者多次进行事件刺激，每次都会产生一定的微弱信号，再通过计算机将含有这些微弱信号的自发电位进行叠加和平均化处理，由于自发脑电的波形与刺激间没有固定关系，但每次由相同事件诱发出的电位的波形则是一致的，这样，相同的诱发出来的电位就会叠加起来，越来越大，结果与事件相关的电位信号就会从自发脑电的背景中突显出来，这样就可以记录到事件相关电位。

脑磁技术（MEG）记录的是根据神经元的突触后电位所产生的电流形成的相关脑磁场信号。当动作电位沿细胞膜这到突触时，囊泡中的神经递质释放到突触间隙中，产生触后电位。突触后电位的时空跨距明显大于动作电位，在单位面积（数平方厘米）脑皮层的数千个锥体细胞几乎同步发放的神经冲动能够形成集合电流，并产生与电流方向呈正切的脑磁场。将头颅作为球形导体在颅外与之呈正切方向均能检测到脑磁场信号。

由于脑磁场信号强度明显强于头皮信号，并且磁场为空间探测，不受头皮电位变化干扰，因此MEG能做到高度准确空间定位，可以相当精确处理脑功能信号传递过程，在颅外能够检测5mm范围内的脑功能活动区其时相分辨可达到。这些是EEG无法做到的。

大脑磁场的强度仅为地球磁场的亿万分之一（100fT）。脑功能区呈多方位立体分布，信号为立体传递。这需要以脑研究和临床为目的现代MEG必须具备以下条件：

①可靠磁场屏蔽系统；为确保脑磁场信号变化不被破坏。目前除采用必要防磁场屏蔽室装置外，在信号处理上装有抗外磁场干扰的软件设备，这样进一步保证检测信号的纯净。

②灵敏的磁场探测系统；该系统主要由采集线圈和超导量子干扰装置（Superconducting Quantum Interference Device,SQUID）组成。该系统处于—296°C液氦中的超导状态工作，确保探测磁通道量产生的微弱电流信号不损耗。目前MEG的探测感应器已发展成全头多通感应探测系统具有100以个SQUID。

③综合信息处理系统：通过计算机不令能将获得信号转换成曲线图，等高线图信息，而且可与MRI或CT等解剖学影像信息叠加整合，形成脑功能解剖定位。此外MEG还可与脑诱发磁场技术，多导联EEG等技术相互进行综合信息处理。

④检测简便安全。MEG检查时病人无需非凡位置，而且对人体无任何侵袭及其它不良影响。

电磁场中的生物效应

大量的流行病学调查和对生命各个层次上的实验研究表明电磁场有明甚的牛物效应，实验表明电磁场对心脏节律、神经生理、生化代谢、免疫机能、植物生长等方面都有明显的影响。

电磁场作用于生物体，能引起两类生物效应。

电磁场的生物热效应

使其温度升高，并由此而引起的生理和病理变化的作用，这叫做热效应。这是生物体内各层次的生物物质吸收电磁能后转成为热能之故。热效应有如下特点：

1．在平衡态附近时，生物系统对电磁场的响应一直到100000V/m的场强时都是线性的；

2．系统产热正比于场强平方；

3．这种热效应和其它不同加热方式加热生物系统所产生的效应是相同的。

电磁场的生物热效应机理

电磁场的生物热效应机理已经是众所周知的，也是被普遍承认的。生物体可简单地视为一个具有电阻、电容的装满生理盐水的大容器，在电磁场的作用下，生物组织内的极性分子产生取向作用，同周围分子碰撞、摩擦产生热量；同时生物组织内的离子在电磁场的作用下产生迁移而引起传导电流，该传导电流通过具有+定电阻值的组织时产生欧姆热。在高温电磁场中的生物体导体因电磁感应而使组织加热。

电磁场的非热生物效应

所谓非热效应．按理论物理学家Flolich的看法，即是指电磁场通过使生物体温度升高的热作用以外的方式改变生理生化过程的效应。总结电磁场非热效应的实验和理论研究，有如下几个特点：

(1)非线性。一个微弱的电磁场刺激可以引起生物靶较强的响应。这种响应在物理学r和处卜临界点物态的相变相类似，在化学上和催化反应相类似，在工程学上和放人器过程相类似。

(2)相十性。电磁波是一种周期振荡并在卒间传播的电磁场，能与之产生相互作用的靶必须在频率上、相位上、偏振方向上乃至波形上(对非简谐波而言，其谐波的正弦分量上)要相等或相近满足一定条件，如共振条件。而靶系统的这些由结构和系统所决定的固有条件和外界电磁场的参数合拍时，才能发生相互作用。这种相互作用的结果能产生热效应(当电磁场功率流密度很大时，比如大

于lO mw/cm2时)，也可能产生非热效应。这里说靶系统所作的非热效应响应，是整个系统一致的或同步调的响应，这就叫相干性．只有这种相干性才使响应具有非线性特征。

(3)“窗口”特性。生物靶系统只对住特性上或作用方式上符合一定条件的一种或一组电磁波作非热效应响应．而不对其他电磁波作响应的效应叫“窗口”效应。有人还发现了“时间窗”。例如：用人的淋巴细胞为材料，以不依赖cAMP的蛋白激酶活性为指标，用16Hz调制的450MHz，1．Omw／cm2的电磁场照射发现，15～30 min后酶活性急剧降低，45～60min后又回到对照水平。

(4)协同性。如上所述，触发非热效应的外加电磁场刺激可以是很微弱的，但激发的生物响应却是很强大的。这额外的能量显然是来源于生物体自身，亦即生物体内一定存在某种机制或者某种装置，在它的协同下非热生物效应才能产牛。这在一定程度上，就像神经肌肉系统对环境刺激所产生的反射弧过程相类似m。

(5)非热特性。从上述非热效应的定义可知，外界电磁场不是被靶生物体吸收后转化为热使温度升高来产生生物效应的，而是通过该生物体温度升高的热作用以外的方式来产生生物效应的。产生这类生物效应的电磁场强度可以很弱，以致可以低于热噪声。如果电磁场强到可以产生热效应，那么由于它也同时产生非热效应而使总效应更强。

(6)阈值特性。引起非热效应的电磁场刺激既然只起触发作用或板机作用，它只需要能引发靶系统中协同装置产生协同作用那个强度即闽强度就可以了”1。大丁阈值并不会得到什么额外的响应。

电磁场非热生物效应机理

热效应的机理是较好理解的，然而大多数情况下，生物体更多的是暴露于更低强度的电磁场中，许多理论提m了低能量级电磁波对生物组织存在非热效应。针对一些经典的连续电磁场非热生物效应，已经提出的比较成熟的理论主要有：

(1)粒子对膜的穿透理论。正常情况下，细胞内外维持约有70 mV的静息膜电位，从而形成势垒。而膜两侧的离子浓度与势垒高度有一定的关系，离子出入膜必须穿过这层势垒。当连续电磁波照射时，会在膜上产生一附加电位，从而使势垒发生变化，改变了膜的通透性。这一理论很好地解释了微波可以改变粒子对膜的通透性这一非热效应，但它仅是在细胞的水平上进行研究的。

(2)生物系统的相干电振荡理论。生物组织内存在有1010~10”Hz的相干电振荡，振荡偶极间存在有远程的、有选择性的相互吸引作用，相干电振荡的最低简正模式由生物新陈代谢能强烈地激发，不同的分化细胞其振荡频率不同。当用十分接近生物体频率的微波照射时，将引起谐振，牛物体对微波会产生特异性吸引，从而影响相关的生物活性。目前这一理论能较好地从生物大分子水平上解释“频率窗”效应的出现，但其生物标靶不明确，理论也有些粗糙。

(3)射频能量的谐振效应理论。该理论引入了极限环的概念，认为无干扰时，生物体将维持稳定的极限环振荡。当微波照射时，外界的电磁场作为，种周期性的策动力．会引起非线性的谐振效应，并且振动频率表现出对外界电磁场频率和强度的依赖性。此理论可以较好地解释“频率窗”和“功率窗”效应的出现，但它是以生物体这一大系统为研究对象的。

(4)跨膜离子的回旋谐振理论。细胞膜上存在蛋白质通道，外部电磁场对穿过通道的钠离子、钙离子施以电场力和洛仑兹力的作用，从而改变r离子的通透

行为。此理论预言了离子在跨膜过程中的谐振行为及存在一组呈量子态的固有本征频率，这些预言都已为实验所证实，说明它是比较成功的。但它只局限于细胞膜的研究上，只适用十低频或极低频调制的微波．未考虑调制频率对计算模型的影响。

(5)自由基假说。微波对生物体的非热效应体现在对生物体中的生物化学反应的作用上。只有白旋状态不同的电子才能配对，而微波可以改变电子的自旋状态，从而改变了生物体内生化反应的几率，产生各种生物效应。此理论已深入到分了水平，应用十分广泛。

(6)生物代谢动态过程中的电磁干扰。这是最新提出的一种理论，它建立了外界电磁波作用下生物体内部新陈代谢过程中带电粒子和基团的动力学方程，认为外电磁场改变了生化反应中反应物的活化能，从而改变了反应的进程，加快或抑制了生物体的新陈代谢过程，从而产生各种生物效应。其优点在于：生物靶目标非常明确，通过计算活化能与指前因了的改变，发现它们与频率和sAR(比吸收率)值有关．理论上开始走向定量化。提出了干扰因子，首次给出了非热效应与电磁场之间的定量关系式。其不足在于：干扰因子的计算太困难，只能计算最简单的情况，无法解释温度升高的非热效应。

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