（检测技术与自动化装置专业论文）基于msp430低功耗脉冲电磁生物治疗仪的研究.pdf

中文摘要 生物电磁学是生物学、医学、电磁学的交叉学科，随着人类电磁环境的日 益复杂，这门新兴学科正受到越来越多的关注。揭示电磁生物效应的产生机理， 利用生物电磁学造福人类，成为新的研究热点。基于以上认识，本课题设计了 一种用于人体治疗和保健的电磁生物治疗仪。 电磁生物效应一般来说分为热效应和非热效应。热效应已取得理论上的统 一，论文中进行了简要论述。非热效应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，对外表现明显的特点。但是目前尚 未出现一种完善理论能够解释其所有的特点，论文中对于国内外流行的几种观 点进行了概述。大量临床观察报告和流行病学调查表明，低频或极低频的电磁 场对于人体是有积极作用的。本课题所设计的电磁生物治疗仪通过产生低频脉 冲磁场作用于人体，起到治疗和保健的作用。 电磁生物治疗仪分为磁场发生器和磁场检测仪两部分。磁场发生器负责产 生和调节脉冲磁场的激励信号，论文中详细介绍了该设备的硬件和软件的设计 情况。采用新型低功耗单片机m s p 4 3 0 f 1 4 9 作为主控芯片，配合磁场发生电路、 键盘及液晶显示电路、电量检测电路等子电路模块组成系统硬件结构。利用单 片机低功耗的优越特性，设计了中断唤醒、多次休眠的软件主体流程，取得了 良好的功耗控制效果。文中还介绍了开机程序、显示程序等予程序流程。 磁场检测仪的作用是对磁场发生器当前工作状态进行指标标识。论文中介 绍了磁场检测的常用方法并阐述了本课题中采用探测线圈法的理由，对磁场检 测仪的硬件和软件设计进行了详细说明。硬件设计中移植磁场发生器的主控模 块、键盘及液晶等子电路模块，与磁场检测单元电路构成系统硬件结构。软件 设计采用模块化编程，介绍了主程序流程和磁场检测、背光控制子程序的流程。 结果显示，电磁生物治疗仪的各项设计指标能够满足需求，可以用于治疗 相关疾病和日常保健。 关键词：电磁生物效应，电磁生物学，极低频电磁场，低功耗设计，磁测量 a b s t r a c t t h eb i o e l e c t r o m a g n c f i e si st h ei n t e r d i s c i p l i n a r yk n o w l e d g eo f b i o l o g y , m e d i c i n e a n de l e c t r o m a g n e t i s m a t 弘e s 铷t ，t h i ss u b j e c ti sp m dm o r ea n dm o 托醐船细嘘啊h e n t h ee n v i r o n m e n to f t h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ( e m f ) a r o u n dh u m a nb e i n gi sb e c o m i n g i n t r i c a t e a ne l e c t r o m a g n e t i cb i o l o g yt r e a t m e n ta p p l i a n c ei si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r b a s e do na b e v ev i e w p o i n t t h eb i o l o g i c a le f f e c to fe m fg e n e r a l l yi n c l u d e st h et h e r m a le f f e c ta n dt h e n o n - t h e r m a le f f e c t ，t h et h e r m a le f f e c ti se x p l m n e di nau n i q u et h e o r yt h a th a s o b m i n e dw i d e l ya p p r o v e s ，b u tt h en o n - t h e r m a le f f e c ti so nt h ew a yo ft h e o r y r e s e a r c h i n g ，w h i c hi se x p l a i n e df r o md i f f e r e n ta n g l eb a s e do ni t sc h a r a c t e r i s t i c s a n d t h ep a p e rp r e s e n t st h e s ed i f f e r e n tt h e o r i e s m a n yc l i n i c a lr e p o r t sa n di n v e s t i g a t e so f e p i d e m i o l o g yi n d i c a t et h a tt h el o wf r e q u e n c yo rt h ee x t r e m e l yl o wf r e q u e n c ye m f ( e l f e m f ) c o u l db eb e n e f i c i a lt ot h eh u m a nh e a l t h s ot h ea p p l i a n c ew o r k sb y b u i l d i n gl o wf r e q u e n c yp u l s ee m e t h eg e n e r a t o rm i dt h ed e t e c t o ra r et w op a r t so ft h ea p p l i a n c e t h eg e n e r a t o r o u t p u t sa n d 竭u s t st h ev o l 协g es i g n a lf o rp u l s ee m f , w h o s eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e s t r u c t u r e i s i l l u s t r a t e di nd e t a i l i n t h i ss t u d y t h eh a r d w a r e o f t h es y s t e m i sc o m p o s e d o f t l l el o w1 0 0 w e tm i c m c o n t r o l l e rm s p 4 3 0 f 1 4 9u s e da st h ec o r ec h i pa n ds o m eo t h e r s u bc i r c u i t s ，f o re x a m p l ee m fc i r c u i t , k e y b o a r da n dl c dc i r e u i t , b a t t e r yp o w e r t b e a $ u r ec i r c u i t 甜i de r e a l s ot h es o f t w a r ef i e wc h a r ti ss h o w a , i n c l u d i n gt h em a s t e r r o u t i n ea n ds o m es u b r o u t i n es u c ha so p e nm a c h i n ef l o wa n dd i s p l a yf l o w t h ed e t e c t o ri su s e dt od e 忙r m i n et h ea c t i v es t a t u so ft h eg e n e r a t o i t h ep a p e r s u m m a r i z e st h ea v a i l a b l em e t h o d so f m a g n e t i cf i e l dm e a s u r e m e n t , a n dt h e n , t h el o o p d e t e c tt e c h n i q u ei ss e l e c t e di nt h i ss t u d y t h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r ei n f o r m a t i o n a i l l u m i n a t e di nt h ep a p e r ，i n c l u d i n gs u bc i r c u i tm o d u l ea n ds u b r o u t i n ef l o wc h a r t t h er e s u l ti n d i c a t e st h et h e r a p ya p p l i a n c ec a na c h i e v et h ed e s i g nt a r g e ta n dt a k e g o o de f f e c ti nd a i l yh e a l t hp r o t e c t i o n 。 k e yw o r d s ：b i o l o g i c a le f f e c to fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ，b i o e l e c t r o m a g n e t i c s ， e x t r e m e l yl o wf r e q u e n c y , l o wp o w e rd e s i g n , m a g n e t i cf i e l dm e a s u r e m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫壅盘鲎或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字目期：加彳年，月2 日 ， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解：苤鲞盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘查基茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：毒以 l 签字日期：0 耐年月乡日 签字日期：珈5 年月三日 导师签名： 签字日期乡年p 月了绍 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 人类对于磁场与生物之间相互影响的关系有长远的研究历史，随着近代磁 场学尤其是电磁学的发展，人类在该领域有了更广泛的研究材料和更先进的研 究手段，生物磁学应运而生。凡是有关研究磁场( 包括自然磁场、人造磁场、 恒定磁场、时变磁场等) 与生物之间直接或间接的关系的课题，都可以算作是 生物磁学的研究范畴。综合来说，外加磁场对于生物的影响的研究，生物材料 的磁性与其结构和功能的关系的研究，生物在其生命活动中产生的磁场的研究， 形成了生物磁学。生物磁学是研究和应用物质的一种基本属性磁性和磁场 与生物特性之间的相互联系和相互影响的边缘学科，是生物物理学的一个重要 组成部分。从哲学意义上说，生物磁学研究的对象是物质的一种运动形态( 物 理运动) 与另一种运动形态( 生物运动) 的相互关系【l 】。 近年来随着电磁场科学的迅速发展，一种以研究从直流电到远红外的电场、 磁场和电磁场与生物系统相互作用的科学产生了，这就是生物电磁学 ( b i o e l e c t r o m a g n e t i c s ) 。生物电磁学是一门关于电磁学与生物学、医学相互渗透的 边缘交叉学科。它的研究内容包括两个方面：研究生物物质的磁性和人体磁场： 研究外磁场与人体相互作用。它的研究课题包括移动电话是否会促进肿瘤的发 生、生物体对电磁场的响应、作用到生物体的电磁场剂量的确定方法、制定电 磁环境安全卫生标准、地球电磁环境的变迁及其对生物进化的影响、生物体内 电磁场及生物组织电磁性质的测定和电磁场在生物医学中的应用等等1 2 l 例。 1 2 生物电磁学的发展和现状 生物电磁学的研究工作最早可追溯到1 7 8 9 年l u i n ig a l v a n i 用一端相连的 两片不同金属的另一端( 化学电池电位) 去刺激蛙心肌，并发现心肌收缩现象。人 们也由此开始对生物体的肌肉收缩、神经兴奋( 包括h o d g k i n - h u x l c y 方程及其 基础) 、离子选择性膜通道机制进行研究，建立了电生理学，并开拓心电和脑电 在生物医学上的应用。随着科学技术的发展，交变电磁场功率越来越大，其频 率、波形和调制方式也出现多样化。当它们先后用到治疗上并取得进展后，一 些基本和急迫的问题就出现了，如电磁场生物效应、生物组织的电磁性质、剂 量学技术、安全卫生标准等。对这些问题的研究和讨论都为生物电磁学的创立 第一章绪论 奠定了基础。 第二次世界大战中雷达的出现推动了电磁波辐射生物效应的研究，最初仅 限于微波波段。当时研究的目的是试图通过动物实验和流行病学调查，建立微 波辐射卫生标准和防护指南。第二次世界大战结束后，许多科学家对于射频和 微波治疗肿瘤和电磁波热疗等问题的研究兴趣逐日增加，并注意到微波辐射下 的生物危害效应。1 9 6 6 年国际微波功率协会( i m p i ) 开始把力量集中于电磁场 在医学、生物学的应用上。因而生物电磁学的研究日趋广泛，1 9 7 9 年国际无线 电科学协会( u r s i ) 举行了第一次国际会议，并于1 9 8 0 年创办了生物电磁学 杂志。此后，u r s i 每年举行一次电磁辐射生物效应会议。目前，生物电磁学己 在一些发达国家受到关注。在我国，1 9 8 6 年成立生物电磁学专业委员会，附属 于中国生物医学工程学会。1 9 9 4 年前，国家自然科学基金委员会把电磁场生物 效应归属于物理条件的生物效应一类，1 9 9 4 年后把生物电磁学作为- - f 学科独 立列出【4 1 。 当前，国内外在这一领域的研究内容极其广泛，研究结果极其丰富。就研 究的方向而言，涉及生物组织电磁特性研究，生物电磁剂量学研究，生物学效 应实验研究，生物效应机理研究和应用研究；就涉及的生物结构层次而言，从 生物大分子、细胞、组织、系统直至生物整体( 包括人体) ；就照射电磁波的频 率而言，多为射频电磁波，亦有极低频电磁波( e x t r e m e l yl o wf r e q u e n c y ) ：就 照射电磁波的波形而言，有连续波、脉冲波和调制波；就电磁波辐射功率而言， 分为非热效应低功率照射和热效应高功率照射1 5 1 。 目前国内在这一领域的研究大体可分为两个方面：一是磁生物效应的微观 机理研究，二是磁生物效应的宏观现象研究。微观机理研究是对磁作用于各微 观组织结构后所引起相应变化的研究；宏观现象研究则是磁对某种疾病的作用 效果、即磁生物效应临床应用( 磁疗) 的研究。 在磁生物效应的微观机理研究中，有研究结果表明：磁场作用后，红细胞 的数量无明显变化，而白细胞数量却有明显下降，并可使红细胞膜脂流性增加； 也有研究报告提出磁场作用可显著提高e 花环形成率和白细胞舌噬率，部分的 提高补体水平，揭示磁场作用具有提高正常机体细抱免疫和非特异性免疫功能。 同时，磁作用可使血液中参与自由基代谢的超氧化物歧化酶( s o d ) 含量提高；自 由基代谢产生的过氧化脂质( l p o ) 含量降低，表明自由基含量减少，抗氧化防御 能力增强。另外，在磁性液体外加恒磁条件下，磁场中心区域的癌细胞全部脱 落，癌细胞内含有铁离子，呈空泡状，出现破损及退行性交：在组织间隙，细 胞间质等处，铁离子形成类似屏障，细胞活动范围受限，生长扩张受到影响， 除此，磁对巨噬细胞和酵母细胞起抑制作用：对肾上腺皮质及甲状腺功能有激 第一章绪论 活作用；可提高某些酶的活性，或降低某些酶的活性，而对生殖细胞则无显著 影响等其它一些方面的研究州。 在磁生物效应的宏观现象研究中，科研人员研究了磁场的镇痛、镇静、消 肿消炎、降低血压，以及对精神疾病、高粘滞血症、肾结石、血管瘤、表皮囊 肿等症状与疾病的作用。发现磁场作用后，可使痛闷在较短时间内升高，不仅 对损伤性疼痛、神经性疼痛及炎性疼痛有一定的疗效，对晚期癌性疼痛也有一 定的作用效果；并可对大脑h e s s 区产生影响，降低神经元的兴奋，使网状激活 系统的激活水平下降，改善睡眠、延长睡眠时间；同时，能够降低毛细血管的 通透性，减少炎性物引起的液体和蛋白质渗出，加快蛋白质的转移，达到消肿 消炎的目的；对磁疗的降压作用，有研究人员认为，磁场刺激了外周感受器， 反射性地改变了血管中枢的紧张性，使血管平滑肌张力减小，或者是磁场对抗 “去甲”的升压作用，降低血管对活性物质去甲肾上腺素的敏感性，使血管平 滑肌的收缩机能发生变化，血压下降；在对精神疾病的治疗中，磁场可调节大 脑平衡状态，抑制皮层病理性兴奋，特别适合于情感疾病和功能性症状；对高 粘滞血症，磁场作用可降低血液粘度；对肾结石的研究得出，磁处理水可抑制 结石形成；对血管瘤、良性表皮囊肿等症状和疾病，磁场作用都取得了良好的 治疗效果【7 t s 9 j l l o 。 1 3 生物电磁学研究目前存在的问题 通过收集相关资料，我们发现磁生物效应研究虽然取得了一定的成绩，但 也存在着一些问题，如：实验条件和标准不统一，实验结论难以比较，某些实 验结论甚至正好相反；实验观察多以鼠、兔等动物为对象，临床观察报告较少， 而人和动物的生物学效应并不完全一致；有关生物效应的实验较多，关于安全 性实验，特别是长期临床安全性实验报告较少，而这些是磁生物学效应研究中 最基本的、也是最重要的研究内容【“j 。 ( 1 ) 生物电磁学中磁场分析尚缺乏精确的数学模型【1 2 1 。在实验条件与标准 的研究中，对磁源的物理特性和各种组织器官的磁特性缺乏精确和通用的模型。 有关这些磁源的物理特性，特别是空间磁场的分布状况，虽有一些报道，但尚 缺乏系统性和完整性，内容相对较少。不同的电磁源在实际应用中，一般只是 给出一个磁场强度值，能够给出具体磁场分布计算公式的并不多见，这样就对 生物效应中电磁场作用的进一步分析造成了困难。作为磁生物效应研究，只有 完整地系统地进行磁源磁场分析，掌握磁源整个空间的磁场情况，实现磁源使 用的标准化，才能使磁生物效应研究更深入地进行，使研究结果具有可比性。 第一章绪论 ( 2 ) 电磁生物效应的量效学研究。从国内外有关生物电磁效应的很多材料 中我们得知，不同的生物体在相同的磁场状况下可能会出现不同的生物效应， 这说明电磁场生物效应不仅与磁场的分布参数有关，与生物体本身的参数也有 相当的关系。有关文献中，专家提出电磁生物效应的“阈值”概念，即只有磁 场到达一定的数值后，才会具有生物效应，即治疗作用。目前对这现象还不能 做出定量解释。对生物体的认识，尤其是在磁场中生物体影响生物效应的因素， 目前尚缺乏足够的理论和定量数值的支持。磁场剂量与生物效应之间的关系， 也就是量效关系，对于临床应用以及磁场治疗等可推广技术具有重要的指导意 义。由于生物体是一个复杂的动平衡系统，在磁场中生物体与磁场之间的平衡 过程可能涉及到很多因素，只有把这些未知因素以及它们之间的相互关系弄清 楚，才能进一步研究生物效应的量值关系f 1 3 】【1 4 1 。 ( 3 ) 生物电磁效应的安全性研究【1 6 1 。磁生物效应的安全性是磁作用效果 研究中的一个重要内容，不适当的磁场剂量会引起副作用，在有关的实验报告 中已有报道。研究生物效应的安全性，包括对磁场剂量极限值和生物体生物特 征极限值的研究，两者相互关联、相互影响，可能存在极其复杂的关系，对这 些现象，目前并没有合理的理论解释。另外一个磁生物效应安全性研究的方向 是磁场辐射后生物体自平衡过程以及生物效应的持续影响效果，是否磁生物效 应只是生物体暂时自我保护性措施，还是会有长期稳定的后续影响。 针对上述磁场源标准不一、实验结果缺乏足够的理论解释和磁作用的安全 性问题，急需从理论和实验方面提供系统的科学依据，以促进生物电磁学的健 康发展【。 1 4 本课题研究的目的和意义 本课题旨在开发一套安全可靠、操作方便、适用性强的电磁场生物治疗仪。 该治疗仪由磁场发生器和磁场检测仪两部分组成，采用分离式设计开发，在满 足功能的前提下有效地降低开发风险、提高开发速度。 磁场发生器的主要作用是产生和控制电压激励信号，建立脉冲电磁场。该 装置由控制器部分和电磁场发生组件构成。控制器主要完成人机界面操作，电 磁场发生组件提供电磁场照射面，承受人体负荷。这里把电磁场照射面融合到 日常使用的靠垫或坐垫中，极具实用价值。磁场检测仪的主要作用是对磁场发 生器的工作状态和指标提供简明标识。该装置在优化设计磁测量元件、提高运 算速度的基础上，采用大屏幕l , c d 和声音提示相结合的方法，能实时准确地测 量磁场发生器的相关指标。 第一章绪论 本课题是基于对电磁场生物效应的深入认识，通过大量调研工作，参考了 成熟的电路设计模块之后选定的。我们认为可以尝试开发一种低成本、高性能 的电磁场发生装置来进行磁场治疗或磁场保健，而类似产品在一些发达国家已 经出现并且获得越来越广泛的应用。我国目前使用的专业磁疗设备一般造价昂 贵，设计复杂，操作程序繁多，不适合大规模市场推广。本课题实现了低成本、 简明操作、程序智能的设计目标，在满足治疗或保健要求的前提下，市场接受 度更高，更易于走入千家万户。 本课题设计的电磁生物治疗仪经中国睡眠协会鉴定，为国内首例创新性产 品。该项目把治疗与保健相结合，把保健与生活相结合，在休息过程中无需人 工干预自动完成治疗和保健的功能，可以降低治疗者的心理压力，提高疗效。 第二章电磁场与生物体的相互干t ：用 第二章电磁生物效应的特点及其应用 2 1 电磁生物效应简介 2 1 1 电磁生物效应概述 生物电磁学把生物体作为一个复杂的多层介质来研究，对生物体各部分组 织对电磁波的透射、反射、散射、吸收等传播特性；电磁场与生物体的耦合特 性；电磁场在受照生物体内的分布、沉积等，并对生物体受到电磁场照射后， 其生理、生化、遗传、行为等所受影响的现象和机理以及这些影响与辐照频率、 功率的关系进行观察和研究【嘲。 电磁生物效应研究的意义在于： ( 1 ) 为电磁能的生物学、医学应用提供依据和资料； ( 2 ) 为制定非电离辐射卫生标准( 职业的、居民的，军队的) 提供依据和 数据； ( 3 ) 为揭示某些生命现象的本质，特别是与电磁过程有关的生命现象本质 提供依据和基础理论。 从大量流行病学调查和国内外在生命不同层次上实验所验证的结果来看， 电磁场作用于生物体一般会产生两种生物效应，分为热效应和非热效应。两种 效应有可能同时发生，也可能只发生其中的一种，取决于电磁场的波形、频率、 磁场强度、照射时间等因素，还和生物体的状态密切相关，所以多种因素影响 下的生物效应显得扑朔迷离，现在还很难找到一种能够完整合理解释不同生物 效应并得到人们认可的理论【1 9 】。对于两种生物效应，下面做一个简单的介绍： 2 1 2 热效应的特点及其产生机理 热效应是电磁场与生物体的热相互作用，是指一定频率和功率的电磁辐射 照射在生物体上时，引起局部体温上升，当温升超过组织调温能力，受照射组 织内吸收的能量远大于生物体的新陈代谢能力时，引起生理和病理的变化。热 效应有如下的特点：在平衡态附近时，生物系统对电磁场的响应一直到 1 0 5 v m 的场强时都是线性的；系统产热正比于场强平方；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。 热效应的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 第二章电磁场与生物体的相互作用 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到电流，该传导电流通过具有 一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【2 0 】。 电磁生物的热效应可用生物组织每单位重量的比吸收率s a r 和每单位体积 的吸收功率p 的大小，来衡量对组织的加热结果【2 ”。 近似公式为： 鲥足：! ：! 堑! 竺! 垒! ! ! q ： ( 2 1 ) 式中c 组织的比热，卡克；r 摄氏温度变化值，； ，福照时间，秒。 p = 5 5 6 1 x1 0 一“历2 占占”( 2 2 ) 式中，电磁场的频率，赫兹：e 电磁场的电场强度，v c m ； 一。组织复介电常数的实部和虚部： 介电常数与组织的大分子物质的体积v 以及电磁场所产生电磁波波长兄 有如下的关系： 一：5 +! 竺二匕： i - i - ( 1 5 五) 2 ( 2 - 3 ) 电磁场对生物组织的加热效果主要决定于一，而的值与生物组织的许多 因素有关，诸如含水量、密度、温度、导电性、导热性、比热等等。人体各器 官具有不同的介电特性，因此吸收电磁场辐射功率的能力是有差别的，这种差 别往往构成电磁热疗中选择性加热的依据。 2 1 3 非热效应的特点及其产生机理 理论物理学家h f r o h l i c h 对非热效应的定义为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阎。非热效应的提出是基于大 量的实验数据和事实依据，现在已逐渐被人们所接受，例如有一种磁性细菌体 内含有以f e 3 0 4 颗粒为主的磁性小体，凭借它，0 5 1 0 - 4t 左右的地磁场就能左 右磁性细菌的行为。候鸟沿地磁场水平分量切割磁力线方向上由南向北( 或向反) 飞行，设地磁场强为0 3 x 1 0 4t ，鸟飞行的速度为2 0 脚i s ，则体内感应所产生 的电位梯度大约为1 0 v i m ，就是这么微弱的电位梯度，却为候鸟提供辨识方 第一二章电磁场与生物体的相互作用 向的依据。这个数量级的电位梯度也是某些海洋动物赖以定向、导航、捕食和 攻击的依据。 通过对大量材料的总结分析，非热效应有如下几个特点： ( 1 ) 非线性：即一个微弱的电磁场刺激可以引起生物靶较强的响应。这种 晌应在物理学上和处于临界点物态的相变相类似，在化学上和催化反应相类似， 在工程学上和放大器过程相类似，在生物学上和神经、视觉及免疫系统对外界 微弱的电、递质、光及抗原刺激的响应相类似。在心理学、军事学和社会学都 能找到与之相似的例子。刺激输入的量比响应输出的量微弱得多，这额外响应 的能量显然来自靶生物体，是由其自身特定结构和系统所特有的机制在适当的 刺激条件下释放出来的，而这种刺激只起触发作用或扳机作用。 ( 2 ) 相干性：电磁波是一种周期振荡并在空间传播的电磁场，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) 要相等或相近或满足一定条件。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 l o m w c m 2 时) ，也可能产生非热效应。靶系统所作的非热效应响应，不是单个 或少数分子或单个细胞各自独立地、杂乱无章地和随机地对电磁场作的响应， 而是整个系统一致的或同步调的响应，这种特性叫做相干性，只有这种相干性 才使响应具有非线性特征。 ( 3 ) “窗”特性：生物靶系统只对在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”效 应。b a w i n 和a d e y 发现的鸡前脑组织细胞钙离子的释出现象就是“频率窗”和 “振幅窗”的典型例子，后来还有人发现“时间窗”。例如：用人的淋巴细胞为 材料，以不依赖c a m p 的蛋白激酶活性为指标，用1 6h z 调制的4 5 0 m h z 、 1 o m g c m 2 的电磁场照射发现，1 5 3 0 m i n 后酶活性急剧降低，4 5 6 0 m i n 后 又回到对照水平。从相干性出发，“频率窗”是很容易理解的，但“功率窗”和 “时间窗”效应就不太容易理解了。实际上，“窗”效应的普遍性和一般性还需 要更多的实验发现和理论研究。如果研究能表明效应是普遍存在的，则其机理 也肯定会被发现。视觉对光的强弱和频率( 即颜色) 的感知是通过视杆和视锥 细胞实现的。视杆专门感知暗弱的光，弱到单个光子也能感知，而视锥专门在 白天光亮的时候起作用。一两类视觉细胞如何分别发挥功能则由瞳孔的扩大和缩 小来安排视锥细胞分为3 类，它们分别对红、绿和蓝光不同的吸收而能感知 可见光的不同频率。地球生物进化过程中，自然环境的变化使得可见光在动物 体内选择出完善的视觉系统，那么感知不同频率和强度电磁波的频率“窗”和 第二_ ：章电磁场与生物体的相互作用 功率“窗”机制与另一种地球物理环境因素富含极低频成分的大气电磁场 也可能存在密切的关系。有人在以上“窗”效应的基础上还提出了时间“窗” 机制是否与生物作息制度相关的说法。 ( 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 产生。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。但目前尚不清楚究竟什么是起协同作用的装置和机制的物质基础，需要 进行更多的研究。 ( 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，以致可低于热噪声“灯”。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。从目前看来，这种非热效应可以由两种方 式产生：一种是由电磁场直接产生的。众所周知，电磁能转化为热能需历经一 个热弛豫时间，故这类非热效应是即时产生的，比热效应快了一个热弛豫时间， 有时可能还要加上热传导时间。鸡脑中钙离子的“窗”效应可能属于此种方式 另一种不是由电磁场直接产生，而是通过非热的其他途径产生的，例如磁性细 菌的磁导向行为是通过地磁场作用于体内的磁性小体使之取向的机械作用而间 接产生的。 ( 6 ) 闽值特性：引起非热效应的电磁场刺激既然只起触发作用或扳机作用， 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阈值强度就可以 了，大于阈值并不会得到额外的附加响应。引发非热效应的电磁场阈值对生物 系统是否有普遍性或一般性，引发不同生物靶系统非热效应的电磁场闽值是否 不同，它与“功率窗”的关系如何，都需要进行更多的理论和实验研究才能作 结论。 ( 7 ) 极低频( e x t r e m e l y - l o w - f r e q u e n c y ，简称e l f ) 范围：迄今为止发表的 电磁波非热效应方面的论文除了可数的几篇毫米波外，几乎全落在e l f 频率范 围( o l o o h z ，有的文章到3 0 0 0 h z ，还有的把o l oh z 另分为超低频) 。它们有 的是单纯e l f 电磁场，有的则是用e l f 正弦波、方波或脉冲波调制的射频或微 波的电磁场。后者报告有阳性生物效应的也都决定于e l f 调制频率。在这个频 段中，以8 、1 6 、5 0 和6 0 h z 等频率( 特别是5 0 和6 0 h z ) 居多。之所以多集中 在e l f 频率范围，可能有如下几个因素：一是生物学因素。生物电( 及其衍生 的磁) 节律如心电、脑电和肌电都落在这个范围。如果外界电磁场引发非热效 第二章电磁场与生物体的相互作_ l j 应，则生物系统在这个频段内表达出相干性和协同性特征是最方便最自然不过 了。二是地球大气物理环境因素。测量表明，大气电中e l f 成分占绝对优势， 这是因为地球表面和大气电离层之间( 距离约8 0 0 k m ) 的空间构成一个e l f 谐 振腔，与大气电( 主要是每时每刻在地球各地先后产生的雷电) e l f 电磁场产 生共振( s c h u m a n n 共振) ，使e l f 电磁场在人类发明工频电以前就已成为地球 生物和人类的最主要大气电磁环境，它一直伴随着地球生物进化。至于它能否 像可见光在植物中选择出光合作用机制、在动物中选择出视觉机制那样的生态 因子，在生物系统中选择出e l f 电磁场非热效应机制那样，这就要看生物电磁 学对非热效应研究的进展如何来决定了。三是人类文明对环境和生物影响的因 素。从法拉第发现电磁感应( 1 8 3 1 年) 到今天不过1 7 0 多年，电已成为现代社 会不可或缺的资源。人工电磁环境在很多情况下己超过自然电磁环境，而且还 在以加速度方式增长着。从进化上看，人类( 和其他生物一样) 对环境和谐适 应的结构和素质的形成总是比环境变化滞后了一个时期。创造了今天文明环境 的人类的人体素质，基因组成还是上一个进化阶段的环境选择和保留下来的， 而现在的环境( 如电磁环境) 已经大不一样了。当生物体面临一种新的环境时， 首先是调动其体内的有关机制去适应这种新环境。适应会以不同方式表现出来， 例如以应激反应的方式或以病态方式，也可能在遗传的水平上以进化的方式来 适应，但这需要更长的时间。在这段时间结束之前，我们能测出来的或能感知 的正是新环境的生物效应，其中就可能包括电磁环境的非热效应。当今人工电 磁环境中工频( 5 0l - i z 和6 0h z ) 又是最主要的。在工频电磁环境的生物效应中， 尤以是否与癌症发病率有正相关关系引入关注。因为现代社会中家家户户、男 女老幼都或多或少的生活在工频电磁环境之中。众所周知，生物遗传物质的突 变是其进化的原料，而癌症是突变众多后果中的一部分。如果说一定条件的工 频电磁环境与癌症发生真有正相关关系，那么其生物学意义是否在预示着人类 创造的工频电磁环境已经参与了对这个进化阶段中的人体素质的选择了呢? 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，许多理论提出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7 0 m v 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，会在膜上产生一个附加电位， 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。 第二章电磁场与生物体的相互作用 ( 2 ) 生物系统的相干电振荡理论。生物组织内存在有l o ”1 0 “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电磁波照射时，将引起谐振，生物体对电磁波会产 生特异性吸引，从而影响相关的生物活性状态。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，外界的电磁场作为一种 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。细胞膜上存在一个蛋白质通道，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，从而改变了离 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，只适用于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。只有自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 深入到分子水平，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子的改变，发现它们与频率和 s a r ( 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。 第二章电磁场与生物体的相互作用 2 2 电磁生物效应在磁疗中的应用 2 2 i 磁疗的介绍 磁场疗法是指在人体的一定部位( 经穴或患处) 施加恒定或变化的磁场治 疗疾病的医疗方法，简称磁疗，也有称为“磁穴疗法”或“经络磁场疗法”的。 磁穴疗法是指在人体的一定穴位加磁场来治疗疾病；经络磁场疗法是指外加磁 场通过人体中经络的作用而治疗疾病。磁疗的作用机制是加速细胞的复活更新， 增强血细胞的生命力，净化血液，改善微循环，纠正内分泌的失调和紊乱，调 节肌体生理功能的平衡【2 3 1 。 目前，磁场疗法已取得镇痛、消炎消肿、降压降脂、镇静、抑制肿瘤等比 较明显的临床效果。 在治疗人体微循环障碍方面，磁场疗法显示了独特的功效。人体微循环主 要靠毛细血管的血液循环完成，其结构特点是口径小、管壁很薄。毛细血管口 径一般为微米数量级，最小处仅5 2 5 微米，因此微循环内的血流速度很慢， 一般流动速度仅0 。4 im m t 。另外，毛细血管的管壁只有一层血管内皮和外 层基膜，没有平滑肌，物质容易通过管壁进出血管，其主要功能是进行物质交 换。由于微循环在保持人体健康的过程中起到很重要的作用，所以一旦发生功 能性障碍，则可能引起各种疾病，如急性炎症、创伤、烧伤、休克，慢性溃疡 病、肝炎、肝硬化，尤其老年性心脑血管病及糖尿病并发症等【2 4 1 。根据大量科 学实验证实，在磁场作用下，各类微血管的管径均有不同程度的扩张，血流速 度明显加快，起到改善血液循环的作用【2 5 1 。对血液流变学指标，也均有疗效， 对高粘血症红细胞聚集状态解聚明显，是治疗高粘血症的有效方法【2 6 1 。 磁场疗法还能治疗急性扭挫伤、腰肌劳损、风湿性关节炎、类风湿性关节 炎、骨性关节炎、高血压病、神经性头痛、支气管哮喘、功能性腹泻等数十种 常见病和多发病，而且都有较好的疗效。国外已有报道用磁场治疗神经系统和 脑部疾病的文章，文章中介绍了一种能够通过磁脉冲的方式影响人脑部细胞电 流的装置，可以对抑郁症等疾病产生明显效果【2 7 1 。 磁疗具有以下优点【1 1 【1 3 】： ( 1 ) 适应症广，疗效较好。磁疗具有镇痛、消炎、消肿、止泻、止痒、镇 静、降压等作用，目前应用磁疗治疗的疾病已有百余种，涉及各个医学科目， 而且没有绝对禁忌症。对某些疾病的治疗见效迅速，近期及远期疗效均较好。 ( 2 ) 磁疗无痛苦，无损伤，比较安全。磁疗治疗时不损伤组织，无痛痒， 对小儿尤为适宜。但若方法、技术、剂量掌握不好，有极少数病人可能出现头 第二章电磁场与生物体的相互作用 晕、乏力、心悸、恶心、皮疹等副反应，但在停止治疗后这些反应即可自行消 失，不留任何后遗症 ( 3 ) 使用方法简单，磁疗方法易学，一般只要将产生磁场的器械放在病变 部位或经络穴位的表面即可。如讲清使用方法，病人自己也会掌握应用，尤其 是磁片贴敷，可随时随地使用。 ( 4 ) 磁疗治疗省时省事，病人只需数天至l 2 周复诊一次。 ( 5 ) 经济节约。一般磁疗机可重复使用，无需后续投入。 2 2 2 磁疗中磁场源的选择 磁场治疗仪设计的核心任务是对电磁场参数进行控制，不同的磁场源都有 其独特的特性。传统的磁疗一般采用稳恒磁源，并且有很多成功的例子，但随 着人们对磁场的深入了解和制造工艺的进步，磁疗正逐步转向磁场强度更高的 人造磁场源和电磁场的应用【2 鄙。 医用磁性材料可根据其磁性特点，分为硬磁和软磁两类。 ( 1 ) 硬磁材料 此种材料是指当除去磁化场后仍能对外保持磁性的永磁体，其特点是矫顽 力高和最大磁能积大。这种材料适用于医疗，分为3 类：铁氧体、金属磁和稀 土钴。 铁氧体磁性材料，有钡铁氧体( b d 。，d 9 ) 和锶铁氧体( 跏恐，仉) ， 它们的制造工艺同陶瓷，矫顽力较高，导阻率也高，不能做导电磁片，但原料 价格低廉，工业上已大量生产。 金属磁性材料，通常分为5 类磁钢( a l n i c o 一5 ) 和类磁钢( a l n i c o 一8 ) ， 矫顽力比铁氧体低，但剩磁和最大磁能积则比较高。 稀土钴磁性材料，是由稀土元素，如钐、镨、铈等与钴元素合成的合金 材料，如钐钴合金( s m c 0 5 ) 、铈钴合金 c e ( c o c u f e ) 5 、钐镨钴 ( s i n p r ) c 0 5 、 镨钴( p r c 0 5 ) 、钐铈钴 s m c e ( c o c u f e ) 5 等，这些是我国z 0 世纪7 0 年代初期 制成的新磁性材料，它的磁性强、矫顽力高，最适合于贴敷治疗，但价格昂贵。 ( 2 ) 软磁材料 这种材料即使受很小的外磁作用也能获得很强的表面磁场，但除去外界磁 场作用后，剩磁则很小，甚至没有。这种软磁材料的特点是磁感应强度很高， 矫顽力很低，适于做电磁疗器。电磁机贴芯用的硅钢片，因它的导电率高，导 磁率高，涡流损耗小，性能稳定，不易老化，产热较小而多用。 另一种软磁材料，如镁铁氧体( m g f e ：q ) 、铜锌( c u b z n q f e ：d 4 ) 、镍 第二章电磁场与生物体的相互作用 锌( n i g z n d 5 f e ：d 4 ) 、锰锌( m n d