电磁场的生物效应

电磁场的生物效应电磁场的生物效应 对于磁场，物理学用磁场强度 H H 和磁感应强度 B B 来描述，物理学一开始用磁场强度 H H 来描述磁场，后来才发现了和电场强度相对应的磁感应强度 B B。严格地说，H H 和 B B 不是同一 术语，H H 是磁场，B B 是磁通密度（详细的分析可以参见电动力学 ） ，B B 是 H H 所感应的磁场， 所以 B B 又叫磁感应强度。二者的关系为： B B = u H H 其中u是导磁率。 磁场可以产生于变化的电场（如电流就是变化的电场） ，也可以产生于永磁铁，地球就 是一个巨大的磁铁，所以在地球表面的生物都会受到地磁场的作用，另外，人们还利用电、 磁相互作用的原理制作了一些用来研究生物在各种不同强度下各种反映的仪器。 对作用和效应有影响的磁场参数有类型、磁强、均匀性、方向、作用时间等几个方面； 就机体方面，对作用和效应有影响的机体因子有磁性、组成、种类、敏感性、部位和血流 速度等几个方面。 生物效应：磁场从开始作用到看见机体的生物效应，一般有一段延迟时间。其主要原 因可能是产生效应的磁场必须同时同方向地作用一段时间（叫物理作用时间） ，机体才发生 明显的生物效应，累积的物理量中的大多数，可看作是产生生物效应的阈前量，并且是可 逆的。所谓可逆是指磁场方向和坐标（器官、细胞、分子）方向发生变化时，其发生生物 效应的可能性也变，甚至变得反相，因此应设法使磁场方向和机体方向的夹角不变，这样 累积的物理量就可能达到阈值，产生可见的生物效应。 下面分别讨论地磁的生物效应以及磁效应在生物学中的一些具体的应用： （一）（一） 、地磁的生物效应、地磁的生物效应 很多的星体周围都具有磁场，地球也有，我们称之为地磁场。地球近似一均匀磁化球， 但有区变和日变，区变指因为区域的不同而不同，有的磁强差别很大。每天变化约 0.00010.0004G/day。磁南（S）极在地球北极附近，磁北极在地球南极附近，平均的 磁强为 0.5G。 法国细菌学家巴斯德（Pasteur）1862 年发现，地磁场能促进所有植物的生长，在 S 极下，青土豆比附近的成熟快些。 人体也同样是个磁体，也有两极。人站立时，上 N 极，下 S 极。平卧时则右侧是 N 极， 左侧是 S 极，人正面是 N 极，背面是 S 极。在自然定律有所谓的稳态平衡，即此种状态下 时物体最稳定，地球北极有磁 S 极，人睡觉时，头朝北，脚朝南，则人体处于稳态平衡， 轻微的扰动不会影响睡眠深度，从而能改善健康。反之，则稍一扰动，就会失去平衡，睡 得不安稳，甚至烦躁，失眠。 （二）、（二）、DNADNA 新陈代谢与生物磁效应新陈代谢与生物磁效应 脱氧核糖酸(DNA)是所有生物(一部分病毒除外)的遗传物质，也就是遗传基因的组合。 DNA 存在于细胞核的染色体中。DNA 和核糖枝酸(RNA)统称为核酸。核酸具有复杂的结构： 由嘌呤碱基或嘧啶碱基与戊糖形成核苷，一个核苷的糖上一个 OH 基被磷酸化时，变为核苷 酸，面核苷酸借助于磷酸二酯键连接成一种特定次序(一级结构)，便形成核酸。戊糖中一 个 OH 基说 O 变为 H 时称为脱氧核糖核酸，DNA 便是含脱氧核糖的核酸。DNA 这种生物大分 子具有复杂的双螺旋结构，螺旋的空间缠绕、曲折等还构成二级、三级等高级结构。核酸 中诸原子主要是以共价键相结合，使整体结构稳定，保持遗传特性，两条螺旋中的碱基又 以氢键相结合，使局部结构可能受到外界因素作用而发生畸变，由此可能产生变异。一些 物理因素(如 r 射线、X 射线、激光、磁场和超声等)能诱发生物突变便是基于低键能氢键 的畸变。从生物磁学观点看，磁场可能引起 DNA 中氢键的畸变，影响 H+离子的隧道效应， 从而可导致部分遗物质结构(遗传消息)的变化，产生磁致遗传变异也可以利用磁共振等磁 学方法来研究 DNA 的结构及在各种因素作用下，引起的构型等微观结构的变化。 新陈代谢是生命现象的不可缺少的重要特征，它包括生物体内物质的代谢和能量的代 谢(转换)。从生物磁学观点看，自由基和载流子都会产生磁现象和磁效应，都可以采用磁 技术进行其微观过程和机制的研究或应用。 从以上的讨论可以看出，生物磁现象、磁效应、生物磁技术以及它们的应用领域都是 非常广阔的，综合它们所具有的宏观特点，分析它们可能涉及的生物微观察过程和机制， 又都显示出与磁学理论有极为密切的联系，但却不能简单地归结为纯物理现象和磁效应， 而必须考虑生命现象和生物科学的复杂性和特殊性，正确处理物理运动形态和生物运动形 态的既有联系又有区别的辩证关系。在医学领域的应用不仅要有流行病学的调查，还要有 动物实验与临床观察的依据，才能真正地发挥现代医用生物磁学的威力，为人类服务，为 人类造福。 生物受到磁场和磁场梯度的作用时，它们的强度必须超过一定数值，才会引起磁场的 生物效应，称为磁场阈效应。这一定的磁场或磁场梯度或磁场与其梯度和乘积分别称为阈 磁场(BC)或阈磁场梯度(dBdX)或阈磁场梯度积(BdBdX)。大量实验表明，不同生物或 生命现象具有不同的阈磁场或阈磁场梯度或阈磁场梯度积。 另一此生物则对磁场梯度或磁场梯度积敏感。因此，研究磁场的生物效应时，必须 仔细控制磁场和磁场梯度，在决定这些磁场参量的情况下进行实验观测。有些磁场生物效 应难于重复甚至得到矛盾的结果。一种可能就是不同实验室或不同作者所用的磁场参量(包 括强度和梯度)不相同引起的。 （三）、磁共振成像系统的生物效应（三）、磁共振成像系统的生物效应 对于 CT 技术，很多人并不陌生，很多医院都有 CT 机。但是对于 MRI（磁共振成像） 很多人并不了解。CT 是应用 X 射线对人体某一层面扫描后，检测其透过层面的 X 线强度的 衰减成像。MRI 与 CT 同属于计算机成像（具体见计算机成像的知识内容），图象都是体层 图象，有共同病理生理与病理解剖基础，两者有很多相同点，但也有不同点：比如，MRI 没有电离辐射，对机体无甚不良影响；可以直接作出横断面矢状面和各种斜面图象等，但 同时 MRI 要昂贵得多。 （磁共振成像 MRI 图） 1980 年以来 MRI 技术获得了突飞猛进的发展但是进行 MRI 检查时受检者暴露于静 磁场梯度磁场和射频磁场的辐射之中从理论上讲上述各种场都将产生相关的生物学效应几 年来其生物效应有无临床意义即 MRI 是否安全的问题一直受到人们关注因此关于 MRI 生 物效应的研究从来就没有停止过其报告无计其数然而目前还不能得出 MRI 对机体存在潜 在危害的结论或者说还没有理由认为它是有损的显然这方面的课题有待于更深入地研究本 文综述 MRI 对人体可能造成的种种影响即多年来人们在 MRI 生物学效应研究方面所取得 的成果。 一、生物效应研究的特殊性近年来先后出现的磁共振血管成像心脏 MRI 电影 MRI 快 速与超快速成像准实时动态 MRI 功能成像和介入 MRI 等技术给人以日新月异之感相比之 下 MRI 的生物效应研究却远远滞后了其原因主要有以下几个方面： (1) 生物效应研究的难度大 (2) 生物效应的影响因素多在磁共振成像过程中有可能导 致生物效应的三种场均受多种因素影响这也是不同研究报告中出现相反结果的原因。 (3) MRI 系统千差万别目前全世界有 MRI 系统近万台场强从 0.1T 到 7T(也可能更高)。 (4) 硬件发展过快。 (5)静磁场和 RF 场的生物效应中均有窗口效应实际上目前为止的所有 MRI 生物效应 研究实验都是在特定的窗口中进行的亦即其实验结果不能任意推广。 二、静磁场的生物效应主要在以下几个方面: 1. 温度效应 静磁场对哺乳动物体温的影响称为温度效应(Temperature Effect) 它是 MRI 技术出现 后最早受到关注的生物效应之一.但是多年来由于存在磁场使体温升高磁场不影响体温甚至 磁场使身体某些部位的体温下降等多种观点。 1989 年富兰克(G.S.Frank)等人采用荧光温度计在更精确的实验和环境条件下对 1.5T 磁场中人体的体温变化进行了测量。该实验所用的测温方案比较科学其结果很快被广泛接 受，它证明静磁场不影响人的体温。 2. 磁流体动力学效应 磁流体动力学效应(Magnetohydrodynamic Effect)是指，由磁场中的血流以及其他流 动液体产生的生物效应在静磁场中它能使红细胞的沉积速度加快心电图发生改变并有可能 感应出生物电位。 血液中的血红蛋白是氧的载体它的活性成分为血红素由于血红素含有一个铁离子(血红 素铁) 使它具有一定的磁性但这种磁性与血红蛋白的氧合水平有关： 氧离血红蛋白有非常 大的磁矩表现为顺磁性了； 氧合血红蛋白则没有磁矩或顺磁性效果氧离血红蛋白的顺磁特 性有可能使血液中的红细胞在强磁场(包括强梯度场)中出现一定程度的沉积沉积的方向取 决于血流在磁场中的相对位置由于动静脉血含氧量不同(血红蛋白的氧合水平不同) 沉积的 程度也稍有不同根据这一原理人们用场梯度实验成功地分离了血液。血液在磁场中的沉积 现象又叫静态血磁效应。 3. 中枢神经系统效应 急性短期地暴露于 2.0T 以下的静磁场对人体不会产生明显的生物学影响但是 1990 年以后全世界出现了多台 4.0T 以上的 MRI 系统大多数志愿者在这种超高场系统中出现眩 晕恶心头痛口中有异味等主观感觉显然超高场磁体可导致人体某种显著的生理变化超高场 的生理效应基础以及应采取的对策等都是需要进一步研究的课题。 三、梯度磁场的生物效应 1. 梯度场及其感应电流 梯度场的情况就大不相同梯度磁场是一种时变场根据法拉第电磁感应定律变化的磁场 将在导体中感应出电流人体组织作为导体当穿过它的磁通量发生变化时同样会产生电流梯 度场的这种感应电流是其生物效应的主要来源梯度场变化引起的法拉第感应电流在人体内 部构成回路因此越是靠近机体外周的组织电流密度越大(作用半径大) 而越接近身体中心的 组织电流越小电流通路还因组织类型的不同而异例如脂肪和骨等低电导的组织将改变感应 电流的方向另外如果组织的导电性能很好感应电流还会进一步加大。 2. 梯度场的心血管效应 强电流对心血管系统的作用为直接刺激血管和心肌纤维等电敏感性细胞使其发生去极 化过程引起心律不齐心室或心房纤颤等有计算表明当 17mA 以上的直流电通过心脏时就会 发生心室纤颤一般将皮肤(感觉)神经或外周骨骼肌神经受到刺激(抽搐或收缩)看作心律不齐 或心室纤颤出现的先兆。 3. 磁致光幻视 当磁场变化率为 1T/s 时每平方厘米组织范围内产生的感生电流还不足 1 A 而神经活 动的电流密度高达 3000 A/cm2 。可见常规 MRI 检查时组织内产生的感应电流非常小但是 当梯度变化率加快并使组织电流密度达到 300A/cm2 左右即达到神经活动电流密度阈值的 10%时就有可能导致误动作因此组织中比较显著的感应电流对生物组织有害无益。 梯度感应电流在神经系统的主要表现是所谓视觉磁致光幻视磁致光幻视 (Wagnetophosphene)又叫光幻视或磁幻视是指在梯度场的作用下受试者眼前出现闪光感 或色环的现象这种现象目前被认为是电刺激被检者视网膜感光细胞后形成的视觉紊乱是梯 度场最敏感的生理反应之一光幻视与梯度场变化率和静磁场强度均有关系且在梯度场停止 后自动消失进行常规 MRI 检查时(1.5T 以下) 梯度场的变化率在 20T/s 以下产生的电流密 度也不足 3 A/cm2 因而不会出现上述幻视觉但当双眼暴露于 4.0T 的静磁场中时梯度场的 变化(2040Hz)便很容易使正常人产生磁幻视。 4. 梯度场的有关安全标准 美国 FDA 和英国 NRPB 是两家权威的梯度场安全标准发布机构 FDA 安全标准的基 本内容是 MRI 扫描过程中病人所经受的梯度场变化率不能达到甚至超过使外周神经出现 误刺激的阈值里另外还有一些附加标准。 四、射频场的生物效应 人体是具有一定生物电阻的导体因此当人体受到电磁波照射时就有将其能量转换为欧姆热 的能力实践表明 MRI 扫描时 RF 激励波的功率将全部或大部被人体所吸收其生物效应主 要是体温的变化。 （四）射频场的生物效应（四）射频场的生物效应 射频场对体温有影响:MRI 扫描中,波所传送的能量首先由组织吸收，然后以热的形式 放出使体温得以提高。静磁场与体温无关,因此，MRI 检查时，病人体温的变化完全是射频 场作用的结果。另外射频场易损伤一些器官特别是人体中散热功能不好的器官如眼睛等， 对温度的升高非常敏感。因此这些部位是最容易受 MRI 系统射频幅射损伤。 在生活中，利用磁场制成的各种治疗、保健器材如各种磁枕头、磁鞋、磁按摩仪等。 上图就是利用磁场的生物效应制成的健康靠垫，集生物磁场、远红外效应、负离子效 应、按摩于一体。 健康靠垫往往是按照人体穴位分布，在靠垫表层分布了一些永久磁石，能有效促进局 部血液循环，改善微循环状态与营养供给速度，提高机体免疫能力，增强腰部活动力。同 时具有消炎、消肿、镇痛等功效。 （五）、手机电磁场辐射对人体的影响（五）、手机电磁场辐射对人体的影响 手机辐射到底有害还是无害，多年以来专家一直对此争论不休。一般认为，手机的电 磁波很弱，对人体影响微乎其微。北京交大的一项调查表明，手机的电磁辐射，有一半被 人体吸收，其中有四分之一被人脑吸收。据调查，长期使用手机的人，已经出现头晕、记 忆力减退、视力下降、耳部出现红斑等症状。中国消费者协会曾做过一项测试，测试结果 发现，手机辐射最高的达到 10000 微瓦平方厘米，最小值也达到 300 微瓦平方厘米， 电磁辐射剂量已严重超过我国相关卫生标准允许的上限。除了手机外，各种家用电器、电 子设备、办公自动化设备、移动通讯设备等电器装置只要处于操作使用状态，它的周围就 会存在电磁辐射。据专家介绍，长期处于高电磁辐射环境下，可能会对人体健康产生以下 影响： 1.对心血管系统的影响，表现为心悸,失眠,心动过缓，心搏血量减少，窦性心率不齐， 白细胞减少，免疫功能下降等。 2.对视觉系统的影响，表现为视力下降，引起白内障等。 3.对生殖系统的影响，表现为性功能降低。 4.长期处于高电磁辐射的环境中，会使血液、淋巴液和细胞原生质发生改变；影响人 体的循环系统、免疫、生殖和代谢功能，严重的还会诱发癌症，并会加速人体的癌细胞增 殖。 5.装有心脏起搏器的病人处于高电磁辐射的环境中，会影响心脏起搏器的正常使用。 此外，据德国图片报2004 年 12 月的一则报道，欧盟科学家最近的研究结果证实，手 机辐射能够破坏细胞和带有人类遗传信息的。来自 7 个欧盟国家的 12 个研究小组就 电磁场对人类细胞的影响这一课题进行了为期 3 年的研究。专家们测定，如果手机对于每 公斤人体组织的辐射值大于 13 瓦，那就会对人的遗传信息造成破坏，而现在辐射的极限 值则是每公斤 2 瓦。此外，电磁场还会使人体产生一种有害的蛋白质。电磁辐射无色无味 无形，可以穿透包括人体在内的多种物质。 参考文献：物理因子的生物效应刘普和 著，科学出版社； ； 两篇参考文献的来源：/Article_Show.asp?ArticleID=1934 ； 其一作者为：赵喜平，文献来源：http:/www.tech- /article_images/230354/ms944.pdf） /20041210/n223421587.shtml /x/20010807/92162.html /news/it/2000-03-10/19666.shtml 紫外线的生物效应紫外线的生物效应 光是由于原子跃迁产生的，不同的能级间的跃迁会产生不同频 率的光，在自然状态下，原子的能级跃迁所产生的光的频率往往 是一个范围，太阳所发出的光中，就包含了各种频率的光，其中 大部分光是人眼所不能直接看见的。这个专题主要说明紫外线的 生物效应。 由于紫外线有着较高的频率，因此，它有着较高的能量，利用 其能量高的特点可以有特殊作用。如利用紫外线杀菌（右图就是 一台紫外线灭菌机） 。 阳光中包含各种频率的光，也同样包含 了紫外光。右图反映的是太阳周围的紫外线 分布。 日光中的紫外线能杀死各种细菌，平时多晒衣服和被子就可以 利用日光中的紫外线杀菌。但是，过量的紫外线照射会给人带来 危害。强紫外线对人体的侵害莫过于对皮肤的伤害了，轻者可使 皮肤变粗糙，出现或加深褐斑。重者可导致皮肤癌。所以学会在 强紫外线下的自我保护非常重要。一般来说，如果预报紫外线强度为弱或偏弱时，对人 （太阳在紫外线波段） 体没有什么伤害，但如果强度较