生命系统电磁现象与电磁对生命系统作用.ppt

生命系统电磁现象与电磁对 董秀珍 生命系统作用 从电磁的侧面研究生命的特征 用电磁原理研究生命的信息并且探讨外加人工电磁场对生命的影响 调理和干预的功能 自然电磁场是生命的摇篮 一 生命系统的电磁特性 二 电磁原理技术获取生命的信息 三 生命状态的电磁场调理与干预 一 生命系统的电磁特性 1 生命系统的电磁源特性 伴随着生命活动而产生电 磁 电磁波 场 的特性叫做生命电磁源特性 主要进展 生命的电源特性 HBerger1928第一个人的脑电图 ADWaller1887第一张人 自己 心电图 生物电的发现到心电 脑电的描记 20世纪生命电的研究应用取得了重要进展 诱发电位肌电胃电眼电 心电 脑电 深入广泛 诊断治疗 LGalvani1791生物电 生命电逆问题是一个研究热点 心电逆问题 体表电位标测精确定位激动点 分辨率 体表电位 心外膜电位 定位激动点 偶极子源 通过非线性优化方法确定这些等效偶极子的位置 皮层成像探源 试图通过头皮电位分布映射出脑电活动的空间分布 脑电逆问题 逆问题研究的一个问题是病态特性 生命的磁源特性 提出生物电概念的数年后Franz提出 生物磁 概念 由电磁基础理论可知 生物电活动必然伴随生物磁 心磁的研究 ECG 体电流 MCG 细胞内电流相关的磁场分布 脑磁的研究 EEG 神经传导体电流 MEG 由突触后电位引起的细胞内离子电流的磁场 即细胞内电流 心磁图 脑磁图被认为更能反映功能变化 但机理 测量与应用还处于初期阶段 距离实际应用还有一定距离 1962年Baule与McFee首先记录出人体心脏磁场 现在用超导量子干涉装置的磁力计记录了心磁图 Cohen1969年首次记录到脑的节律磁图 MEG 现在用超导记录 生命产生的电磁波 场 1950年德国voll发现人体有 电磁场 测出人体 电磁场 的变化 并分布在每个细胞内外之间 其震荡频率很低 电磁波的波长极长 测量后与两千年前中国绘制的 经络图 几乎一样 发明了 傅尔电针 至今一直未能进展 褒贬不一 姜堪政生物电磁波的发现 鸭子生物场使鸡蛋孵出的小鸡具有鸭子特征 生命过程中发射电磁波 称生物场 载有该生物体生命活动信息 向体外传播 能使所及范围内的其他生物体受其影响发生形态及功能上的变化 人接受载有信息的植物幼苗发射的生物电磁波 成功地获得了使人体向着年青化方向变化的效应 但是相关研究深入不够 现在场导舱 早期场导舱 频谱在微波波段 功率在微瓦水平 发明了接收 反射 传递生物微波的装置 称为场导舱 分析与讨论 电磁源特性的论文发表分析 IOP和IEEE 当前关于生命电源特性的研究不太活跃 论文也较少 蓝色 关于磁特性的研究在近5年相对活跃 论文 红色 较多 生命的电磁波论文1977年以后共13篇 关于生命电逆问题的研究比较活跃 蓝色 生命磁逆问题的研究比较少 红色 建议关注的问题 建模方法学 已经投入很多力量难题 电磁传播介质 人体组织 的介电特性与磁特性的研究 生命产生的电磁波 场 的测量方法某种生命电磁场对其他生命状态的影响 生命电产生的机理 关注脑电活动产生的机理与传输机理 生命电磁活动逆问题研究 2 生命系统对电磁场响应的基本特性 生命过程产生电磁场 同时生命系统对外加电磁场也有相应的反应 如何度量这种特性 就需要研究生命组织对外加电磁场响应能力的基本特性 主要进展 生命 生物 组织的介电特性 生命 生物 组织的介电特性是生物物质的被动电性能 是组织对外加电磁场的响应特性的基础 通常用介电常数 和电导率 随频率变化的介电谱来表示 20世纪80年代后 开始受到了更多关注 受到重视 生物组织磁特性 磁化率 生物组织的磁化率是大量不同原子磁化率的累加 用超导磁化率计 超导生物磁强 计进行测定 磁化率是表示一个原子在外加磁场作用下的磁反应强度 顺磁性原子 产生的反应场与外加磁场的方向一致 抗磁性原子 产生的反应场与外加磁场的方向相反 介电特性论文 总体较少 IEEE论文相对较多 IOP论文较少 说明基本方法学与基础参数研究较薄弱 所以实验研究较少 缺少系统性 研究磁特性的论文更少 分析与讨论 论文发表 要重视生命组织对电磁场响应的基本特性研究 基本依靠动物离体或尸体 英国的Gabriel 意大利物理学会 建立的网站 提供55种人体组织介电特性数据 成为重要依据 尸体颅骨2 1x106 cm 鲜活颅骨 非均匀7 1x103 3 3x105 cm 乳腺脂肪电阻率 基本磁特性研究如何深入 是重要的科学基础问题 对象的选择 介电特性研究进一步深入需要关注 规范的方法学研究 四医大研究发现上述介电特性数据与真实活性组织的介电特性有很大差别 建议研究活性组织 二 利用电磁原理技术获取生命的信息 1 生理系统信息的获取 生理系统信号的检测与处理进展 主要进展 各种信息处理技术 无创逐拍动脉血压测量功能的血压测量 无创血氧的测量 航空医学研究所研究首台柯氏音听诊原理无水银血压计 精确检测 20世纪围绕着主要生理系统的信息检测 已经长足发展 无约束的信息获取 传统信号获取 电极 传感器 有负荷 形体 心理 状态下俞院士15年前提出应在无负荷状态下测量生理信号 研究了能测量心率 呼吸等生理信号的床垫 国外近10年才有报道 非接触生理信号测量也是一种无约束测量 主要有生物雷达和红外测量等 红外测温 生物雷达 四医大 超宽带生命雷达探测仪及在地震灾区 以多生理参数为基础的的生命状态评估 把以疾病为中心的生理参数检测分析报警 转变为以身体健康为中心的检测分析 俞院士在国内首先提出健康生理状态评估 但目前研究的力量较少 空军医学研究所进行生命状态评估研究体位变化前后血压心率变化评估身体调节能力 关于健康生理状态评估的论文IOP与IEEE都没有 但是有关于睡眠状态的评估的论文 数量很少 也仅仅是近年开始 分析与讨论 无约束非接触论文少 近年增加 信号处理方法学研究较多 论文发表 无约束 非接触远距离的信息获取 是该方向发展的一个新的重要分支 在健康领域和灾害救治 临床医学都有很大的优势 特别是医学模式的变革 以生命状态为中心研究多参数的信息检测 监测与评估是适应医学模式变革的研究方向 ECG呼吸体温运动量加速度 心率呼吸体温 可穿戴 生物雷达 建议关注 2 人体结构和功能主要信息获取与应用 1 主要进展 以介电特性分布为成像目标 电阻抗断层成像 EIT 20世纪80年代开始 研究很多 但是真正能实际成像不多 国外临床研究以肺部呼吸成像为主 涉及到乳腺癌检测 因颅骨电阻率高导致脑部EIT成像成为世界难题 国外仅有少数小组研究脑EIT成像 四医大小组与重大 天大等提出床旁实时动态图像监测研究 形成以脑部 腹部 肺部连续实时动态图像监测的研究特色 天津大学的电阻抗呼吸成像的研究 20世纪电磁医学成像取得重要突破 但是不能完全满足需求 特别是医疗改革的需求 于是世界范围内开始了新的探索 初态 28min 48min 68min 79min 99min 119min 开始设想 现在进展 临床的病理生理解析需要大量的研究 电阻抗变化的信息挖掘如何根据先验信息研究新的检测技术及算法 提高分辨率进行静态和准静态成像研究 四医大小组攻克脑阻抗成像的难题 现已进入临床研究 病人腹膜后出血实时图像监测截图 脑梗病人实时图像监测 电阻抗扫描成像 EIS 国内第四军医大学等开展研究 以检测乳腺癌筛查为主要目标 其基本原理是投影成像 均匀介质中电阻率变异使得分布在组织的外加电流或电压场产生变化 进行成像 国外以色列为代表的2 3个研究小组开始研究 瞄准乳腺癌检测 已经拿出样机进入临床研究 以色列EIS 我们EIS 柜式 单帧多次 便携实时 25帧 S 为乳腺筛查提供新技术 深度定位算法待深入研究 磁感应电阻抗成像 MIT 通过测量生物组织的感应磁场 根据重构算法来表现被测组织电阻 导 率分布的一种成像方法 为了推出非接触的EIT技术 同时解决EIT用于脑部时因颅骨影响而不易成像的难题 磁感应测量的精度问题是个难点 目前在这一关键问题上还正在研究 我国重庆大学 第四军医医大学 中科院三个研究小组正在进行研究 四医大的闭合式MIT研究 基本原理示意 重庆大学的开放式MIT研究 核磁电阻抗成像 MREIT 利用MRI将电流密度成像与电阻抗断层成像相结合 理论上能够获得较高分辨率和精确性的生物电阻抗图像 问题首先是成像方式 如何克服成像目标的旋转 其次是激励和数据采集方式的优化 还有注入电流的安全问题 我国有中科院 浙江大学两个研究小组进行研究 集中力量研究上述方法与技术的关键问题 尽快过渡到生物实验是研究重点 Acrylic MRISystem 浙江大学MREIT的实验系统 中科院电工所MREIT实验系统 感应式磁声医用成像 MAT MI 2005年国外提出 理论上成像的空间分辨率可达到0 3mm在恒磁场中 施加频率为超声波段的变化磁场 在组织内部产生感生电流 由于洛仑兹力使局部粒子振动产生超声波 用探头拾取超声信号重建电导率分布 国内多家单位进行此领域的研究 医科院生物医学工程研究所 中国科学院电工所 浙江大学 中南民族学院等开始研究 MAT MI2 Dimagesofsalinesampleswithdifferentsalinities Thesalinityis10 8 5 3 1 and0 fromlefttorightfromtoptobottom respectively Diagramofthe2 DMAT MIsystemsetup 体模仿真示意图重建后的电导率分布图像 医学科学院生物医学工程研究所 科学院电工所 同心球模型声源和声场分布 电阻率分布 洛伦兹力密度的散度 重建磁场分布 重建电阻率分布 浙江大学 我国总体处于仿真研究阶段 微波成像研究 脉冲微波照射生物组织来激发热声信号的断层成像技术 上世纪90年代之后 美国与俄罗斯等研究小组分别对微波热声成像进行了大量研究 总体还处于初期阶段 国内个别小组进行探索研究 中科院 四医大 江苏大学 进行过一些探索 1978国外提出 由于组织结构差别很大的散射体所产生的体外散射场却相差很小 成像较难 美国 西班牙 英国 意大利 法国等国家都有研究 我国研究的较少 四川大学 华东师范大学进行了相关研究 但大多仍停留在实验室研究阶段 微波激励热声成像 MTCT 中科院电工所微波热声成像研究100MHz时胸腔初始声压分布图和声压传播图 THz检测与成像 开始探索的研究 THz特点与优势 物质的THz谱含有丰富信息与红外和可见光相比 对非极性材料具有很好的穿透性 与X射线相比 THz的光子能量很低 10 3eV量级 不会对生物组织产生有害光致电离效应 与微波频段相比THz波长更短 可获得更高的空间分辨率 THz成像 THz由于容易被生物体内水分吸收 所以主要适合生物体表面结构成像 如牙齿 皮肤 超宽谱生物雷达成像 多天线超宽谱生物雷达成像是近年才研究的隔一定距离和障碍物探测的成像技术 其特点是可成像探测 能辨多目标 穿透能力强 制造成本高 公开的论文很少 穿墙探测成像 以色列 美国科学技术刊物2009年发文认为 超宽谱生物雷达成像可能成为新一代的医学成像 可以在第一时间检测人体内部损伤 改进整体健康监护 未来的超宽谱医学成像 2 分析与讨论 各种新型电磁成像论文的比较 介电特性相关成像是研究热点THz检测成像是21世纪新兴的研究方向超宽谱成像也是新兴方向 但多为军事等机密 论文发表很少 介电特性相关成像领域各方向的比较 电阻抗断层成像从20世纪末到现在一直呈上升趋势 总量最多磁感应成像与核磁电阻抗成像从01年后开始呈逐步上升趋势 总量较少电阻抗扫描成像论文较少 以公司研究为主体 针对乳腺癌检测磁声电阻抗成像是最近5年才开始的新型研究方向 电阻抗断层成像的申请专利数量不断增加 由大学向其企业过度 可见企业对该领域将来的前景比较看好国外没有连续实时动态图像监护的论文和专利 也没有EIT相关技术的产品正式进入市场在图像监护方面我国独具特色 新型电磁成像四个领域的讨论 重视电阻抗成像这一热点领域 在我国现有特色和优势 动态图像检测方面 争取为医疗器械产业提供原创性和新技术 为生物医学研究提供新的原理方法突破 注意加强新兴磁声成像的研究 争取有所突破 在电阻抗扫描成像 磁感应电阻抗成像 核磁电阻抗断层成像等方面我国研究与国外总体同处在一个水平 也有争取有自己的特色 注意启动THz检测成像技术 在探索前沿方向 与国外同步 争取有所作为 在超宽谱成像研究方面组织力量 在医学成像方面争取有突破性研究 三 生命状态的电磁场调理与干预 1 人为电磁场对生命的影响 电磁场生物效应研究 研究进展 流行病学调查 最直接 但难以控制的研究 电磁场的生物效应最早源于流行病学调查 各国学者都做过相关的研究 但难以得出明确结论 目前比较公认的是开展前瞻性的队列研究 但是这种研究周期长 耗资大 只有欧洲的正在实施中 我国没有立项 电磁场生物效应动物实验研究 没有确定的结果 电磁场暴露动物实验没有得到一致的证据 自发肿瘤实验研究 极低频电磁场暴露对移植肿瘤危险的研究 极低频电磁场暴露在联合致癌模型的影响研究 影响因素 时间积累效应体现不足 微观层次的研究较多 但缺少与系统的对应研究 相关学者做了大量的细胞在体和离体实验 来研究电磁辐射对细胞层面的影响 借此来研究电磁辐射的生物效应 人们通过对低频电磁辐射 尤其是工频辐射的细胞实验研究 发现电磁辐射对细胞以及细胞内部可产生多种效应也有研究发现电磁场辐射并不会影响细胞的生物电活动 生物电磁剂量学的研究 定义了 比吸收率 二十世纪60年代人们提出用 比吸收率 即SAR SpecificAbsorptionRate 并把全身平均比吸收率作为基本剂量学量 理论剂量学方法 计算机对生物体仿真 用电磁边值问题进行求解以获得SAR的方法 三维重建并不困难 需要各生物组织在任意频率下的介电常数和电导率 实验剂量学方法 通过测量生物仿真模型内的相关物理量而获得SAR的方法 结构和电磁仿真模型制作难度大 结构和电磁仿真模型 计算机仿真模型 论文发表分析 生物医学实验的论文为主 除生物医学数据库外 IOP中也有相当一部分为生物医学实验 理论剂量学和实验剂量学研究很少 仅IEEE发表论文中的很少一部分 理论和实验剂量学的困难 缺少新的交叉方法学突破 即如何将生物学实验与物理学的分析计算结合建立新的方法学缺少生命组织的基本介电特性 无法建立准确的模型 讨论 力争从理论剂量学有所突破 在已知各生物组织在任意频率下的介电常数和电导率的基础上 能建立各种仿真模型 完成相应的理论计算 探索基于理论剂量学的生物学实验新方法 建议政府行政部门与科学部门结合 相关科学家参与就开展前瞻性的流行病学研究 制定计划 组织实施 2 人工电磁场对生命的调理 干预 主要进展 电场对生命的调理干预 1920年Lund德实验 控制生物体内电位 使极性相反时在水螅在头部长出一条尾巴 后来罗斯提出 生物躯体前后电荷变化的梯度 应该是控制动物生长抑制器或刺激器的作用主因 后来没有继续深入 21世纪华人生化学家赵敏研究发现使细胞对电场做出应答 趋电性 的基因 PI 3 Kgamma和PTEN可控制人体的趋电性过程 通过给伤口增加一个电场改变细胞运动 引导修补伤口 提高伤口癒合速度 电位 电场的影响 电场治疗肿瘤 电穿孔的细胞内电处理效应 外加电脉冲电场强度达到kV cm量级 宽度为微 毫秒量级 细胞膜出现大量微孔使通透能力激增 微秒脉冲不可逆电穿孔治疗肿瘤 发展较快 中国美国都开始向产品化过渡 纳秒脉冲诱导凋亡的研究细胞实验取得较好效果 处在动物试验阶段 皮秒脉冲治疗研究 高强度皮秒脉冲聚焦于病变组织 使其线粒体跨膜电位发生变化 启动线粒体途径的凋亡靶向诱导 减少对正常细胞损害 从而实现无创治疗 重庆大学 重庆大学 磁场对生命的调理 干预研究 经颅磁刺激 磁场治疗肿瘤的作用 磁场对人体干预的研究值得重视 对调解治疗机理 已经有各种初步研究和假说 针对山东稳恒旋转磁场治疗肿瘤效果明显的实际 俞院士从电磁场整体对生命作用角度 提出该旋磁可能对生命整体的一种极强有序能量 负熵 的输入 这种输入对红血球 含铁血红蛋白 的旋转力矩和细胞离子代谢的有调理到正常方向的作用 该假说还需要进一步研究验证 磁场使DNA中的氢键变化 使DNA复制出现误差 癌细胞失去高速复制能力 癌组织磁化率比正常组织大 细胞体积比正常细胞大 磁场对其作用力大和磁通量比正常细胞大 对癌细胞的影响也就较大 梯度磁场 抑制微血管的形成 减少对肿瘤营养供应 降低新陈代谢速度 抑制肿瘤 脉冲磁场 破坏肿瘤细胞内线粒体和粗面内质网的功能 使癌细胞的代谢和营养受到影响 抑制癌细胞 电磁场对生命的调理 干预 脉冲电磁场治疗骨科等疾病已经被接受 极低频电磁场对于肿瘤治疗作用的研究 作用于离体肿瘤细胞的实验研究 认为对肿瘤细胞有明显抑制作用 在一定程度上诱导肿瘤细胞的凋亡 作用于荷瘤动物的实验研究 认为可直接杀伤癌细胞 同时对荷瘤小鼠的免疫功能具有一定的调节作用 对于肿瘤作用的临床研究目前报道还不多 仍处于临床研究初期阶段 论文发表情况 可看出 单纯的电场 磁场研究的论文较少 而电磁场干预的论文较多 电磁场的论文中 也包含了对电场或磁场的专门讨论 进入二十一世纪 对电场 磁场 电磁场对疾病的干预研究呈上升趋势 分析与讨论 应重视电场对生命的影响机理研究 20世纪初Lund 电场对生命状态的调理 治疗肿瘤机理 相关技术 临床应用是一个重要的研究方向磁场对人体干预的研究值得重视 因为它不仅能治疗 而且能调解人体状态 特别是其干预肿瘤的机理研究 已经有各种初步研究和假说 加强磁场类型 恒稳旋转 梯度磁场 脉冲磁场等 场强 均匀性 方向性 作用时间等参数与调节治疗效果的研究 针对山东旋磁对不同肿瘤都有作用的现象 研究其对人体整体到细胞层次的调理机理 磁场干预的安全性 21世纪初赵敏 生命与电场的关系的奥秘远没有揭开 需进一步研究 3 植入式直接干预 植入电刺激 主要进展 心脏起搏 深部脑电刺激 脑部电刺激作用机制尚不明了 但其具有微损伤 可恢复和可调节的优点 因此成为一项有效的神经外科手术方法 研究的趋势是应加强脑部神经活动研究机理的研究 在此基础上进一步完善技术研究 我国清华大学 天坛医院等正在研究 已经取得重要进展 清华大学研究的DBS 分析与讨论 脑功能的研究是脑部电刺激的基础 建议DBS研究这也要进行相关脑功能 即便从原理上研究DBS应发展我国自己的DBS关键技术 脑部电刺激研究论文21世纪增长较快 以工程技术研究增长为主 关于交叉科研 BME 有关问题的探讨 生命系统与电磁 生物医学工程范畴 跟踪前沿的科学研究多 原始创新的科学研究少 1 现代生物医学工程的原始创新对交叉结合的背景要求很高 我们交叉结合背景条件不足 早期很多生物医学工程发明是医生完成的 例如心电 脑电 血压等等 心电 脑电 血压等 近代主要发明是在医疗第