（电机与电器专业论文）生物体电磁兼容研究—磁刺激对大鼠心电的影响.pdf

a b s t r a c t e x p e r i m e n t so nb i o l o g i c a le l e c t r o m a g n e t i s ms h o wt h a t c e r t a i ne l e c t r i ca n d m a g n e t i cf i e l dc a np r o d u c es o m ee f f e c t so no r g a n i s m w h i l eo r g a n i s mi t s e l fi sa c o m p l e xe l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t ys y s t e m ，i tc a nw o r ki n d e p e n d e n t l yw i t ho t h e r o r g a n i s m sa n ds o u r c e so fe l e c t r i ca n dm a g n e t i cf i e l d sw i t h o u td i s t u r b a n c e t h i s c o m p a t i b l ec a p a b i l i t yi sar e s u l to fn a t u r a le v o l u t i o ni nal o n gp e d o d w h e nt h i ss t a t e o fe l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yi sd e s t r o y e df o rt h ec h a n g eo fe x t e r n a lc o n d i t i o n s ，a s e r i e so fl i f ep h e n o m e n ao nt h eo r g a n i s mw i l lb ei n f l u e n c e di nd i f f e r e n tl e v e l s t h i st h e s i si n t r o d u c e sam e t h o dt oc a l c u l a t et h es t r e n g t ho fe l e c t r i ca n dm a g n e t i c f i e l do fo r g a n i s m su n d e re l e c t r o m a g n e t i s mr a d i a t i o n ，s t u d i e st h ei m p a c t so fm a g n e t i c s t i m u l a t i o no fd i f f e r e n ts t r e n g t h sa n df r e q u e n c i e so nb i gr a t s b e s i d e s ，i ta l s o d i s c u s s e st h er e a s o n so fc a r d i o g r a mc h a n g e su n d e rm a g n e t i cs t i m u l a t i o na c c o r d i n gt o t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t sa sw e l la sf u n d a m e n t a lt h e o r i e so nc a r d i o g r a mp r o d u c t i o n s e v e r a lb i gr a t sa r ec h o s e nt o g e ti m p u l s e m a g n e t i cs t i m u l a t i o n so fd i f f e r e n t f r e q u e n c i e sa n ds t r e n g t h si no r d e rt oi n s p e c tc a r d i o g r a ms i g n a l sb e f o r e ，d u r i n ga n d a f t e rs t i m u l a t i o na n dc o m p a r et h es i m i l a r i t i e sa n dd i f f e r e n c e si nd i f f e r e n ts t a g e sa s w e l la st h es i m i l a r i t i e sa n dd i f f e r e n c e su n d e rs t i m u l a t i o n so fd i f f e r e n ts t r e n g t h sa n d f r e q u e n c i e s t h er e s u l t ss h o wt h a tw h e nt h er a ti su n d e rs t i m u l a t i o n ，i nt h ei n s t a n c eo f i m p u l s e ，i t sc a r d i o g r a mb r e a d t hi ss e v e r a lt i m e so ft h a tw i t h o u ts t i m u l a t i o n ，a n d c a r d i o g r a mb r e a d t hi si n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fl o o pc u r r e n tb r e a d t h ；a f t e r s t i m u l a t i o n ，t h er e m a i n i n gi m p a c t so fs t i m u l a t i o no nc a r d i o g r a ma r ee n h a n c e dw i t h t h ed e c r e a s eo fs t i m u l a t i o nf r e q u e n c y c a l c u l a t i o ns h o w st h a ta st h el o o pc u r r e n t b r e a d t hw i t hh i g hv a l u e sm a yp r o d u c el a r g em a g n e t i ci n d u c t i o ns t r e n g t hi nt h eh e a r t a n di t ss t i m u l a t i o no nh e a r tn e r v em a yb ee n h a n c e d t h ea c t i v ea n dp a s s i v e t r a n s p o r t a t i o n o fn a + ，k + h a sb e e nd i s t u r b e dw h i c hr e s u l t si nt h ec h a n g eo f c a r d i o g r a mb r e a d t h b e s i d e s ，a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so nt h ei m p a c t so fl o w f r e q u e n c ye l e c t r i ca n dm a g n e t i cf i e l do nt h ec e l lf i l m so fo r g a n i s m s ，t h ea c t i v ea n d p a s s i v et r a n s p o r t a t i o no fc a 2 + h a sb e e ne n h a n c e dg r a d u a l l yw i t ht h ed e c r e a s eo f f r e q u e n c y , a n di n f l u e n c e st h e e x c i t e m e n to ft h ec e l l ，t h e r e f o r e ，t h ei m p a c to f s t i m u l a t i o no nc a r d i o g r a mi se n h a n c e dw i t ht h ed e c r e a s eo fs t i m u l a t i o nf r e q u e n c y e x c e s se x p o s u r et om a g n e t i cs t i m u l a t i o nw i l ll e a dt ot h eb r e a d t ho fc a r d i a c m u s c l ei nah i g hl e v e li nf r e q u e n tt i m e s ，t h u sr e s u l t i n gi nt h ef a t i g u eo fc a r d i a cm u s c l e m a g n e t i cs t i m u l a t i o nw i t hl o wf r e q u e n c i e sw i l ll e a dt ot h et u r b u l e n c eo fh e a r t f r e q u e n c yw h i c hw i l lp r o d u c es e r i o u sr e s u l t s t h e r e f o r e ，i nd a i l yl i f e ，o n es h o u l d a v o i db e i n ge x p o s e dt oe x c e s sm a g n e t i cs t i m u l a t i o n h o w e v e r ，m a g n e t i cs t i m u l a t i o n s w i t ha p p r o p r i a t es t r e n g t h sa n df r e q u e n c i e sp l a ya na c t i v er o l ei nr e n e w i n gc a r d i a c m u s c l ef u n c t i o n sa sw e l la sc u r i n gs o m ed i s e a s ei nc a r d i a cm u s c l e k e yw o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y , c a l c u l a t i o no ne l e c t r i ca n dm a g n e t i c f i e l d ，m a g n e t i cs t i m u l a t i o n ，b r e a d t ho fc a r d i o g r a m ，f r e q u e n c yo fc a r d i o g r a m 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，除了文中特另t l d n 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，也不包含为获得苤鲞叁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：l 节拖弋签字日期：刁年7 月汐日 f 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堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕奎盘堂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) 学位论文储魏哗j 状 签字日期：占哕年月严日 导师签名： - 7 嘭乏一 签字日期：彻年) 月垆同 第一章绪论 第一章绪论 生物体是一个复杂的电磁兼容系统，它可以与别的生物体和电磁场源独立工 作互不干扰，这种兼容能力是通过生物体长期以来对自然的适应进化而来的一 旦生物体电磁兼容状态由于外界条件被破坏，便出现各种功1 能的改型1 1 。 1 9 6 8 年a s p r e s s m a n 在其所著电磁场与生命一书中复习了当时已进行 过的数百种试验，结论是：电磁场可以三种形式被机体利用，第一机体可利用 电磁能获得关于环境的信息；第二可为组织利用并在机体内调节；第三可能被 用于机体间之交际。科学家在以上三个领域进行了探索，在从细菌、蜂到鸽这些 有机体如何利用地磁场定向方面作了许多研究工作。2 0 0 0 年一2 0 0 3 年，在中国 科学院知识创新工程项目的支持下，研究人员进行了”电磁生物工程研究”项目， 主要进行电磁场对细胞增殖和分化的影响、零磁空间对脑功能的影响、电磁阵痛 效应的神经内分泌机制及脉冲电场对细胞膜作用机理等四个方面的研究。 1 1 心脏生物电磁学国内外的研究现状 早在1 7 9 1 年意大利解剖学家g a l v a n i 用切开的肌肉组织去刺激另一块肌肉 的神经，导致这块肌肉收缩，从而证明了生物电的存在。1 8 8 7 年英国的w a l l e 用 毛细管电计记录了人的心电图，当时仅有r 波和t 波。1 9 0 3 年荷兰的e i n t h o v e n 用改进的弦线检流计记录了实用的心电图，从而开创了现代心电图学。1 9 6 3 年 m c f e e 首次测量了心磁图。随后的生物电磁学逐步开始以研究电磁波( 场) 与生物 体的相互作用为中心，主要包括生物组织的介电特性、各层次的生物学效应及其 作用机理、生物电磁剂量、容许暴露限值、生物医学中的应用及用于生物和医疗 的辐射系统等，也就是说它侧重于外界电磁波( 场) 作用于生物体这方面的研究。 而现代的生物电磁学则更d i ：i n 重于研究生物体自身产生的电磁现象，包括电磁现 象的产生机理、电磁信号的测景、处理和应用等f 2 】。现代生物电磁学包括三个方 面： 1 ) 生物组织的电特性产生电位场，这个场在体表可以测量到；容积体中的电 流产生磁场，这个场在容积导体周围可以测量到；机体中还存在磁性物质，从而 产生可以测量到的磁场。 2 ) 电流刺激机体可以使神经和肌肉组织产生兴合：刺激电流也可由交变磁场 产生；机体中磁性物质可被磁场所磁化。 第一章绪论 3 ) 关于组织的电特性和磁特性的测量，我们可以通过对容积导体施以阈下电 流刺激来测量其阻抗，也可应用磁场来测量。此外，通过测量磁场的衰减可得出 磁性物质的磁化系数。 这三个方面内容是密切相关的，它们通过麦克斯韦方程组和互易定律联系在 一起，即只要知道其中一种，就可通过麦克斯韦方程组和互易定律得出其他的情 况。因此，麦克斯韦方程组和互易定律是生物电磁学的理论基础。 自从心电图描记术发明以来，心电信号的检测与处理手段蓬勃发展，出现了 诸如心导管术、希氏束电图、心室晚电位、体表等电位标测、动态心电图及高频 心电图等，这方面的研究与应用已经相当普及广泛【3 1 。 在心电基础理论研究方面有两个重要的进展，即心电正问题与心电逆问题的 研究。所谓心电正问题就是在已知心脏状态下，依据心肌的电生理特性参数，通 过建立心脏模型和人体躯干模型用仿真的方法来研究心肌的兴奋是如何传播及 如何形成体表电位的。研究证明，心肌细胞的生物电活动规律为心脏的主要功能 是泵血，舒张时静脉血液回流入心脏，收缩时心室将血液泵出到动脉。心脏的节 律性收缩舒张是由于心肌细胞的自发性节律兴奋引起的。胚胎早期的心脏发育过 程中，在收缩成份尚未出现前，已经呈现出自发节律( 自律) 的电活动。发育成熟 后正常的心房心室有序的节律性收缩舒张，是由从窦房结( s i n o a t r i a l n o d e s a n ) 发出 的自律性兴奋引起的。正常心脏状态下窦房结周期性产生的兴奋按心房肌、房室 结、希氏束左右束支、浦肯野氏纤维网和心室肌这样一个顺序传播的，心电仿真 首先按一仿真算法模拟这个兴奋传播过程，然后由心动周期中某一时刻各兴奋的 心肌所产生的动作电位求出该时刻的心电源大小，再用边界元法等数值算法求出 心电源在体表产生的电位。有了心电仿真模型，通过设置其模型参数可以仿真多 种心脏病。例如，通过去除心脏模型中某一区域的心肌单元可以仿真心肌梗死； 通过减慢束支的兴奋传导速度可以仿真束支传导阻滞；可以仿真预激综合征；通 过增加心室的心肌单元可以仿真心室肥大等。此外，应用心电仿真模型还可以研 究许多心脏病的形成机理，如引发心律失常的折返的形成机理是什么【4 j ? 在什么 样的情况下才能建立起折返环? 心肌兴奋传播的速度对心律失常有何影响以及 心肌缺血达到何种程度才能在心电图上有所反映等，这些对心脏病的诊断特别是 定量诊断方面有重要意义。所谓心电逆问题是指根据体表电位的分布、人体的几 何形状以及躯干容积导体的电特性，通过数学物理方法来求得心脏电活动的定量 解。一般有两种方法，即基于等效源解法和基于心外膜电位解法。基于等效源解 法是由体表电位分布求出心脏等效偶极子的参数，根据偶极子假设的不同分别产 生了单一固定偶极子解法( 与心电向量图相应) 、多偶极子系数法、单一移动偶极 子法( s m d ) 、双移动偶极子法( t m d ) 年h 多固定偶极子法等不同解法，根据求解出 第一章绪论 的偶极子大小和方向等来推断心脏病。选用哪一种等效源法一般取决于所研究的 心脏病理，例如，s m d 模型多用于检测单条旁道或单个异位病灶，而t m d 模 型多用于检测双旁道或两个异位病灶。基于心外膜电位解法就是由体表电位分布 推断出心外膜电位分布，而心外膜电位比较直接地反映心肌兴奋的传播过程，因 而这种方法很有意义。但是这两种逆问题解法都存在数学上的病态特性 ( i 1 1 p o s e d ) ，即解的不稳定性，哪怕输入时有极小的噪声或扰动，其解就振荡得 很厉害，以致逆解的精度不高。因此，逆问题解法还很少在临床上得到实际应用 p j 。通过设置心电仿真模型的模型参数，可以研究不同心脏生理病理状态下的体 表电位分布情况；相反也可以从体表电位逆推出心电仿真模型的模型参数，那么 由这些模型参数就可确定心脏所处的状态。此方法将心电逆问题拓展至深一层 次，它的解反映出病变心肌的位置、大小及病变程度等定量信息。利用模型产生 的体表电位数据所作的试验结果表明，其对预激综合征旁道的定位可准确到 4 5 m m 。 。 生物磁是由容积导体中的涡流源( v o r t e x s o u r e e ) 弓i 起的。在生物磁研究的初 期，一般认为生物磁信号能提供生物电信号以外的许多新信息，但是实验证明生 物电信号与生物磁信号很相似，它们并不是完全独立的。许多研究表明电磁场可 影响心电活动，如2 8 l t ( 2 8 0 m g ) 5 0 h z 的磁场短期暴露( 1 0 0 1 5 0 s ) ，可降低接触电 磁场工人的心率，其发生心电图异常的可能性比常人高1 0 ；中波暴露( 平均每 天1 1 5 v m ，最大水平1 6 5 v m ) ，可使心电图异常率明显增a n ( 约增加6 倍) ；高频 电磁辐射可改变作业人员的，心电图，主要无线寻呼台( 2 0 5 0 m w m 2 ) 话务员心电 图异常率明显增高，主要表现为窦性心律失常、p r 间期延长；微波站作业人员 心电图的改变主要为p 波和s t - t 改变、左室高电压、房室传导阻滞、束支传导 阻滞等。 7 0 8 0 年代流行病和生物物理学家们注意到，极低频电磁场产生的电离辐射 同人的癌症和其它疾病有着密切关系。1 9 7 9 年英国报道一项流行病学调查结果， 在高压输电线下居住的居民患白血病和中枢神经系统肿瘤的危险性高于居住在 其它地方的人。到了8 0 年代，英国已有十项研究，再次证明职工、居民暴露于 低频电磁场时白血病、癌症及其它一些疾病的发病率显著增高。 美国北卡罗来纳大学公共卫生学院科学家在最近一期5 美国流行病6 杂志上 报告说，暴露在高强度磁场环境下的发电厂员工，其脑癌发病率比处于低强度磁 场环境下的同行业员工高出一倍多。科学家们是在对美国5 家大型电力公司的 1 4 万员工过去3 6 年间健康状况记录进行分析后得出的这一结论。另外他们还发 现，长期在工作场合接触电磁场的电工，与其它工人相比，白血病的发病率也高 出了l 倍多【6 1 。 第一章绪论 在最新研究中，科学家共抽取近1 4 0 0 人进行测定并推广至同类工种。在3 6 年的时间跨度中1 4 万人中共有1 4 4 人因患脑癌丧生，显示了磁场强度与这一癌 症的统计关系。北卡罗来纳大学的同一批科学家，在美国5 国立癌症研究中心通 报6 上报导说，他们对美国2 4 个州签发的1 4 万余张死亡证明书进行的分析表明， 在电磁场环境中工作的妇女，乳腺癌的死亡率比正常情况高3 8 。 研究者认为，极低频电磁场可能改变高等生物的生长、发育、行为和生理功 能。动物实验证明，处于极低频电磁场下的小鼠细胞d n a 增殖加快。将果蝇的 唾液腺细胞置于极低频电磁场，也产生了d n a 转录的增长。将人的白血病细胞 系中正常表达的几个基因( 这些基因如果启动表达，将触发癌细胞生长分裂) 暴露 于频率为6 0 7 2 h z 的电磁场1 0 4 0 分钟，与未暴露于电磁场的基因相比，前者的 基因转录增加了1 0 0 0 0 。转录率随电磁场的强度和暴露时间的增加而增加。 这一结果表明，极低频电磁场致癌可与细胞d n a 转录增加有关，但未获确切证 据【7 1 。 电磁场作用于生物体，能引起两类生物效应一类是使其温度升高，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：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。电磁辐射 的生物学效应以热效应为主【8 l 。在临床医学中的应用，目前较为成熟的是利用电 磁能的热效应进行肿瘤的高温治疗和一般的电磁热疗。当然电磁辐射效应对生物 体也有不利的影响。例如会使脑功能失调、甲状腺机能亢进头痛、易激动等症状。 长期受一定强度电磁辐射所产生的热效应，会使心电图异常，易引发白内障、月 经失调、男性不育等。 电磁场引起的另一类生物效应叫做非热效应，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。这一名词在提出的时候曾 引起一些物理学和工程学方面的专家的非测引。他们认为电磁波作为一种能量形 式的体内被吸收后最终都要变成热，即分子的热运动，因此不可能有什么非热的 效应，随着研究工作及对实验现象理解的深入，电磁波的生物非热效应逐渐普遍 地为人们所接受。在自然界中有极微弱的电磁场在不使生物体温度升高而会产生 生物效应的例子。美国、加拿大、西班牙和瑞典的6 个实验共同进行的一项研究 表明，弱脉冲电磁场可引起鸡胚显著发育异常。日本学者发现，弱脉冲电磁场影 响哺乳动物细胞株d n a 的合成，美国军事研究院初步认为，微波脉冲对中枢神 经系统产牛类似电刺激的作用均属非热效应【l 川。 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 第一章绪论 也出现多样化。当他们先后用到治疗上并取得进展后，一些基本和迫切的问题就 出现了，如生物组织的电磁性质、剂量学技术、安全卫生标准等成为生物电磁学 目前研究的重点1 。 生物电磁学的其他重要研究方向还有生物阻抗测量和神经肌电刺激，如心阻 抗图在体液调节、血流动力学和心功能等方面的研究【1 2 】。 1 2 本课题研究的目的和意义 2 0 世纪9 0 年代以来，世界各国对环境问题，包括电磁环境问题的关注越来越 强烈。随着科学技术的发展，大量技术含量高、内部结构复杂的电子、电气产品 得到了广泛应用。包括无线电及电视广播的天线、空中交通管制系统的雷达天线 以及其它多种民用及军用电子设备，还包括移动通信用的手持收发信机等的众多 通信系统的高频辐射源也越来越多。由此而产生的电磁环境污染在对电子、电气 产品的安全与可靠性产生影响和危害的同时，也对人类的健康与生存产生了直接 影响。因此，保护电磁环境、防止杂散电磁波的污染，已引起世界各国及有关国 际组织的普遍关注i l 川。 前几年，国际上提出了可持续发展的概念，把环境等问题与经济发展有机地 结合起来，并且提高到发展战略的高度来认识，引起了广泛的重视，已构成世界 经济和国际贸易发展的大趋势。在这同时，世界上一些发达国家在电磁兼容技术 的研究、标准的制订、电磁兼容试验及认证等领域的活动也日益频繁l l 引。 电磁场已成为当今的重要环境因素之一。随着环境保护意识的增强，人们对 暴露在电磁场中可能危害健康的问题极为关心。研究者认为，极低频电磁场可能 改变高等生物的生长、发育、行为和生理功能。动物实验证明，处于极低频电磁 场下的小鼠细胞d n a 增殖加快。与此同时利用电磁场来治疗疾病的研究也获得 了一定的进展。天津第一中心医院的专家采用脉冲磁感应治疗胸闷痛伴心电图有 心肌缺血表现的患者2 4 例，获得较满意的效果。要回答这些问题，应该是电磁兼 容科技工作者与生物医学工作者共同的任务，必然推动电磁兼容学科的发展。 生物电磁学实验表明，一定的电磁场可以产生生物效应。而生物体又是一个 复杂的电磁兼容系统，它可以与别的生物体和电磁场源独立工作互不干扰。这种 兼容能力是生物体长期自然进化的结果。当这种电磁兼容状态由于外界条件的变 化被破坏时，生物体的一系列生命现象将会受到不同程度的影响。研究生物体的 电磁兼容是符合当前保护环境的呼声和以人为本的时代要求的。 第一章绪论 1 3 本课题研究的主要内容 本文的主要工作包括：首先，介绍生物体电磁兼容的原理，这一部分简要介 绍了神经系统电信号的传递过程，并以心脏为研究对象说明生物效应产生的机 理。其次，介绍生物体自身电磁场和外加磁场的计算关系，推导出一个计算生物 体电磁场的计算公式。然后，设计一个相关实验并对实验结果进行分析。最后， 针对试验中所施加的外界电磁场激励，利用f e m 进行了磁场仿真及计算，分析 磁场强度和频率对生物体心电影响的原因。在结束论文之前，除了阐明结论外， 作者又综合了论文进行的工作和不足，得出以后努力的方向。 第二章生物体电磁兼容基本原理 2 1 引言 第二章生物体电磁兼容基本原理 我们知道，外部电磁场作用会引起生物体内部的电磁场发生变化，而电磁场 变化又是怎样影响到生物体的生命活动的呢? 在本章中，我们将分析电磁场对生 物体机体活动的影响机理。且选取心脏作为研究对象进行分析。首先，生物体内 电信号的传递主要是通过神经系统来完成的。然后，在心脏内部，电信号所携带 的兴奋会引起一系列生物电化学的反应，进而影响心肌正常收缩，影响心脏的正 常活动。本章将从这两个方面来进行分析。 2 2 神经系统与兴奋的传递 神经系统是人体内起主导作用的重要系统，人体内的各器官的功能都直接或 间接的处于神经系统的调节控制之下。人体是个极为复杂的有机体，同时人又生 活在多变的环境中，环境的变化会随时随地影响机体内的各种功能，这就需要神 经系统来对人体内的各种功能不断地做出迅速而完善的调节，以使得机体适应环 境的变化。神经元是神经系统结构和功能的基本单元，神经系统的各种功能都要 由神经元来完成。神经系统内含有大量的神经元，通常是大部分的神经元协同完 成一项功能。信息在神经元间的传递方式很多，如化学传递、电传递等，而其在 神经元内神经纤维上只是通过电脉冲( 即动作电位) 的形式传递。无论多么复杂的 神经调控命令，在神经纤维上总是表现为一系列的动作电位【l 引。 从1 9 世纪末n 2 0 世纪早期，人们就开始探索神经系统的结构及其功能。上个 世纪4 0 年代，两位美国科学家通过改进示波器观测到了动作电位。随后，两位英 国生理学家深入研究了神经纤维上的动作电位，并推算出描述神经纤维膜电位的 经典数学模型，就是著名的h h 模型。这个模型可以用图2 1 所示的电路来说明。 第二章生物体电磁兼容基本原理 l ， 母k f ? r 占k t 吼e 下 图2 1 膜的并联电导模型 由h h 方程所建立起来的神经纤维膜模型被人们当作研究神经纤维膜的基 本模型，得到人们广泛的关注。随之而产生了很多相似的神经纤维膜模型，这些 模型丰富了神经纤维膜理论，同时使得人们从不同的层次和角度去了解膜电位变 化的特性1 6 1 。这个方程中各变量所代表的含义如表2 1 所示： 表2 1h h 方程参数对照表 参数 物理意义 e n o 钠离子平衡电位 e x 钾离子平衡电位 e h 睦 漏离子平衡电位 g n o 最大钠离子电导 g k 最大钾离子电导 g k 诚最大漏离子电导 c 。 膜电容 早在1 9 0 7 年a p p l i q u 6 就提出神经细胞膜的理论模型，虽然当时并不知道神经 细胞膜产生动作电位的理论机制，但其理沦思想是正确的。到了1 9 8 8 年t u c kw e l l 完成了用数学公式描述这种i f ( i n t e g r a t e d a n d f i r em o d e l ) 膜模型的理论思想。它是 一种比较简单的膜理论模型，可用下面方程描述： 第二章生物体电磁兼容基本原理 q 警一半m ) 该方程中c ，代表膜电容，尺。代表膜电阻，v 代表膜电位，而，代表膜的 静息电位，删代表膜电流【1 7 1 。这种膜模型较之h h 方程模型有较大程度的简化， 忽略了不同离子电流对传导电流的影响。该模型用电路模型表示见图2 2 所示。 图2 2i - f 膜电路模型 从图2 2 中可看出，相对于膜的并联电导模型，该模型忽略了不同离子电流 对流过细胞膜的总电流的贡献，同时忽略了静息状态下不同离子在膜内外存在着 的不同电位差等问题。虽然i f 模型经过相当程度的简化后，但人们还是可以利用 i f 模型，从总体上再现膜电位的波形引。 神经元是神经系统中最重要的基本单元，虽然它不是神经系统中为数最多的 部分，但却是接受、加工并传送信息、执行神经系统功能的主要承担者。同时神 经元的特殊生理结构也决定了其能够起到这样的作用。神经元是为了实现信息的 传递和处理而特异化了的细胞，它由胞体和从胞体出发的一个或几个长短不等的 突起所构成。这种突起的种类有两种：即树突和轴突。神经元的生理结构如图2 3 所示。 树突全长各点收集和接收兴奋并将其整合加工成为电信号，传向神经元胞 体。由树突传过来的电信号经过神经元胞体，到达神经元胞体的锥状隆起处( 轴 丘) 后形成动作电位。轴突就是从轴丘出发的，轴突每一个神经元通常只有一个， 其长而细，有的甚至几米长，其基部紧接胞体，下端与其他细胞接触。由轴突及 包围在它外面的髓鞘构成的神经纤维，将作为传送信息的通道。在轴丘处形成的 动作电位沿着神经纤维传递到轴突末端，在经过神经元间的连接突触而传递到下 一个神经元【1 9 】。 不但神经元的生理结构有利于其胜任接受、传递动作电位的功能，而且由j 二 第二章生物体电磁兼容基本原理 图2 - 3 神经元生理结构图 轴 突 的 末 梢 在外界刺激下神经元膜电位可发生显著的变化，即神经元是可兴奋细胞，这就使 得神经元能够将外在信息编码并转换成自身膜电位的变化( 即动作电位) ，并完成 传递该信息的功能。 2 3 ，心肌离子通道理论及生理功能 目前，细胞膜是电磁场作用的靶体己被越来越多的实验研究所证实，电磁场 可使细胞形态、d n a 、r n a 、蛋白质合成，跨膜转运、酶活性以及生物遗传等 方面产生显著变化。生物膜对钠离子、钾离子、钙离子的主动和被动输运不仅是 细胞兴奋的基础，也是进行一些重要新陈代谢和能量转换过程的条件。电磁场对 生物膜的离子转运能力的影响会导致一些生化和生理过程的变化，从而影响与生 物电活动相关的各种过程。 2 3 1 离子通道理论 根据跨膜离子的不同，离子通道可以分为很多种，下面主要介绍对心脏活动 影响较大的几种离子通道。 ( 1 ) 钠通道 钠通道是选择性容许钠离子跨膜通过的离子通道。它是电压门控通道，主要 功能是维持细胞的兴奋性和传导性，与去极化的调控过程相关。在适宜的外来刺 激作用下，心室肌细胞发生兴奋，膜内电位由静息状态下的9 0 m v 迅速上升到 + 3 0 m v 左右，臣l j f l j t 膜两侧原有的极化状态被消除并呈极化倒转，构成动作电位的 升支，这个过程叫做去极化过程。它在去极化达到一定水平时开始被激活，通道 第二章生物体电磁兼容基本原理 开放产生内向钠电流。达到最大效应后，通道逐渐失活，直至完全失活，通道关 闭【2 0 1 。 ( 2 ) 钙通道 钙离子通道也是电压门控类离子通道，在正常情况下为细胞外钙离子内流的 离子通道。它存在于机体各种组织细胞，除了用于调控去极化过程外，还是调节 细胞内钙离子浓度的主要途径。在生理情况下，钙离子浓度大约为0 1 u m o l l ，而 当钙通道被激活而开放时，大量的钙离子内流可使钙离子浓度提高1 o u m o l l ， 从而触发一系列的生理活动，包括：心肌与血管平滑肌的收缩、心脏窦房结和房 室结的兴奋、钙离子依赖性离子通道的开放与关闭等。 钙离子的激活速度缓慢，失活速度更缓慢。故在心肌细胞上当钙通道尚未激 活时，钠通道便己经失活，因而心肌细胞动作电位的上升相取决于钠通道，而其 后的平台期取决于钙通道。钙通道形成的动作电位与钠通道不同，钠通道电流的 动作电位是峰电位，而钙通道电流的动作电位则上升缓慢且有一平台。对比钠通 道，钙通道对离子的选择性较低。正常状态下，能选择性让钙离子通过，但在钙 离子浓度下降时，也允许钠离子通过。 钙离子通道可以根据其电生理特性的不同分为很多种，分布于人体组织的各 个部分。在心脏部分，也有几种钙离子通道分别对心脏的节律性运动和心肌的兴 奋收缩耦联过程中起关键作用。 ( 3 ) 钾通道 钾通道是细胞内钾离子外流而引起外向或内向电流的离子通道。它广泛分布 于骨骼肌、神经、心脏、血管、气管、胃肠道、血液、内分泌和腺体等细胞。钾 离子通道是类型最多的一种离子通道，目前仅电压门控的钾通道就己克隆出几十 种亚型，内向整流钾通道也已克隆出6 大亚型。 钾通道在调节细胞的膜电位和兴奋性中起重要作用。在可兴奋细胞，它主要 起到复极和终止动作电压、维持静息电位等作用。当心室肌细胞去极达到顶峰之 后，就立即开始复极，复极过程是分阶段进行的。在复极初期( 1 期) 仅出现部分 复极，膜内电位由+ 3 0 m v 迅速下降到o m v 左右。当1 期复极膜内电位达到0 m v 左 右之后，复极过程就变得非常缓慢进入2 期复极过程。随着时间的进展，膜内电 位以极慢的速度由o m v 逐渐下降，延续为3 期复极。4 期则是膜复极完毕、膜电位 恢复后的时期。在心室肌细胞或其他非自律细胞，4 期内膜电位稳定于静息电位 水平，因此，4 期又可称为静息期。在非兴奋性细胞，钾通道则主要起到跨膜转 运、维持细胞体积和信号转换及维持静息电位的作用。 由于其类型众多，不同的组织和细胞可存在同一类型的钾通道，且同一组织 和细胞可存在不同类型钾通道。也由于其各亚型的生理特性和调节各异，有的产 第二章生物体电磁兼容基本原理 生内向电流，有的又产生外向电流，故导致其作用的复杂性。 ( 4 ) 氯通道 氯通道的生理作用是：在兴奋性细胞稳定膜电位和抑制动作电位的产生；在 肥大细胞等非兴奋性细胞维持其负的膜电位，为膜外的钙离子进入细胞内提供驱 动力。另外，该通道还在调节细胞体积、维持细胞的内环境稳定中起重要作用。 2 3 2 心肌细胞离子通道的生理功能 心肌细胞离子通道的生理功能主要有： ( 1 ) 提高细胞内钙离子浓度而触发生理效应。 在生理情况下，钙离子浓度大约为0 1 m o l l ，而当钙通道被激活而开放时， 大量钙离子内流可使钙离子浓度提高到1 0 m o l l ，从而触发一系列的生理活动， 包括：心肌与血管平滑肌的收缩、心脏窦房结和房室结的兴奋、钙离子依赖性离 子通道的开放与关闭等。 ( 2 ) 决定心肌细胞的兴奋性和传导性。 离子通道的主要功能是形成a p 、传递信号，从而调节细胞机能活动。钠和 钙通道主要是调控去极化，而钾通道主要是调控复极化和维持静息电位，从而决 定兴奋细胞的兴奋性、传导性等。 ( 3 ) 调节血管平滑肌的舒缩运动。 ( 4 ) 维持细胞正常体积。 2 4 心肌的生物电现象和生理电特性 心房和心室不停歇地进行有顺序的、协调的收缩和舒张交替的活动，是心脏 实现泵血功能、推动血液循环的必要条件，而细胞膜的兴奋过程则是触发收缩反 应的始动因素1 2 。本节需要阐述的问题是：引起心脏收缩活动的兴奋来自何处? 为什么心脏四个腔室能够作协调的收缩活动? 为什么心脏的收缩活动始终是收 缩和舒张交替而不出现强直收缩? 要回答这些问题，必须了解心肌的生理特性， 主要是心肌兴奋和兴奋传导的特征。兴奋和传导是以细胞膜的生物电活动为基础 的。冈此，首先叙述心肌细胞的生物电现象，然后，根据生物电现象分析叙述心 肌兴奋和兴奋传播的规律和生理意义。 心肌细胞的类型组成心脏的心肌细胞并不是同一类型的，根据它们的组织学 特点、电生理特性以及功能上的区别，粗略地分为两大类型：两类心肌细胞分别 实现定的职能，互相配合，完成心脏的整体活动。一类是普通的心肌细胞，包 括心房肌和心室肌，含有丰富的肌原纤维，执行收缩功能，故又称为工作细胞。 第二章生物体电磁兼容基本原理 工作细胞不能自动地产生节律性兴奋，即不具有自动节律性；但它具有兴奋性， 可以在外来刺激作用下产生兴奋；也具有传导兴奋的能力，但是，与相应的特殊 传导组织作比较，传导性较低。另一类是一些特殊分化了的心肌细胞，组成心脏 的特殊传导系统；其中主要包括p 细胞和哺肯野细胞，它们除了具有兴奋性和传 导性之外，还具有自动产生节律性兴奋的能力，故称为自律细胞，它们含肌原纤 维甚小或完全缺乏，故收缩功能已基本丧失。还有一种细胞位于特殊传导系统的 结区，既不具有收缩功能，也没有自律性，只保留了很低的传导性，是传导系统 中的非自律细胞，特殊传导系统是心脏内发生兴奋和传播兴奋的组织，起着控制 心脏节律性活动的作用。 ； 心脏特殊传导系统的组成和分布心脏的特殊传导系统由不同类犁的特殊分 化的心肌细胞所组成。包括窦房结、房室交界、房室束和末梢浦肯野纤维网( 图 2 4 ) 。 个、 o3 0 06 0 0 时间( m s ) 图2 - 4 心脏各部分心肌细胞的跨膜电位和兴奋传导速度 窦房结：位于右心房和上腔静脉连接处，主要含有p 细胞和过渡细胞。p 细 胞是自律细胞，位于窦房结中心部分；过渡细胞位于周边部分，不具有自律性， 其作用是将p 细胞自动产生的兴奋向外传播到心房肌1 2 引。房室交界：又称为房 室结区，是心房与心室之间的特殊传导组织，是心房兴奋传入心室的通道。房室 交界主要包括以下三个功能区域： ( 1 ) 房结区：位于心房和结区之间，具有传导性和自律性。 ( 2 ) 结区：相当于光学显微镜所见的房室结，具有传导性，无自律性。 ( 3 ) 结希区：位于结区和希氏束之间，具有传导性和自律性。 蚴 哟 劭 m ， 他 似 亿 _ 第二章生物体电磁兼容基本原理 房室束( 又称希氏束) 及其分支：房室束走行于室间隔内，在室间隔膜部开 始分为左右两支，右束支较细，沿途分支少，分布于右心室，左束支呈带状，分 支多，分布于左心室，房室束主要含浦肯野细胞。s a m ：窦房结；a m ：心房肌： a v n ：结区；b h ：希氏束；p e ：哺肯野纤维；t p f ：末梢浦肯野纤维；v m ：心 室肌，传导速度单位是m s 。浦肯野纤维网：是左右束支的最后分支，由于分支 很多，形成网状，密布于左右心室的心内膜下，并垂直向心外膜侧伸延，再与普 通心室肌细胞相连接。房室束及末梢浦肯野纤维网的作用，是将心房传来的兴奋 迅速传播到整个心室。 2 4 1 心肌细胞的生物电现象 与骨骼肌相比，心肌细胞的跨膜电位在波形上和形成机制上要复杂得多；不 但如此，上述不同类型的心肌细胞的跨膜电位，不仅幅度和持续时间各不相同， 而且波形和形成的离子基础也有一定的差别；各类心肌细胞电活动的不一致性， 是心脏兴奋的产生以及兴奋向整个心脏传播过程中表现出特殊规律的原因【2 引。 1 工作细胞的跨膜电位及其形成机制 ( 1 ) 静息电位和动作电位 人和哺乳动物的心室肌细胞和骨骼肌细胞一样，在静息状态下膜两侧呈极化 状态，膜内电位比膜外电位约低9 0 m v ，但两者的动作电位有明显不同。骨骼肌 细胞动作电位的时程很短，仅持续几个毫秒，复极速度与去极速度几乎相等，记 录曲线呈升支和降支基本对称的尖锋状。心室肌细胞动作电位的主要特征在于复 极过程比较复杂，持续时间很长，动作电位降支与升支很不对称。通常用0 、1 、 2 、3 、4 等数字分别代表心室肌细胞动作电位和静息电位的各个时期。 1 ) 除极( 去极) 过程 除极过程又称0 期。在适宜的外来刺激作用下，心室肌细胞发生兴奋，膜内 电位由静息状态下的9 0 m v 迅速上升到+ 3 0 m v 左右，即肌膜两侧原有的极化状 态被消除并呈极化倒转，构成动作电位的升支。除极相很短暂，仅占1 - 2 m s ，而 且除极幅度很大，为1 2 0 m v ；可见，心室肌细胞的除极速度很快，膜电位的最 大变化速率可达8 0 0 10 0 0 v s 。 2 ) 复极过程 当心室细胞除极达到顶峰之后，立即开始复极，但整个复极过程比较缓慢， 包括电位变化曲线的形态和形成机制均不相同的三个阶段： 1 期复极：在复极初期，仅出现部分复极，膜内电位由+ 3 0 m v 迅速下降到 0 m v 左右，故l 期义称为快速复极初期，占时约1 0 m s 。0 期除极和l 期复极这 两个时期的膜电位的变化速度都很快，记录图形卜表现为尖锋状，故在心肌细胞 第二章生物体电磁兼容基本原理 习惯上常把这两部分