电磁场的生物效应11级

第二章生物磁学,第一节物质的磁性第二节生物物质的磁性和生物磁场第三节磁场的生物效应第四节磁场生物效应在临床医学中的作用与机理第五节电磁场的生物效应及其作用机理第六节微波的生物效应及其在医学中的应用,第五节电磁场的生物效应及其作用机理,一、电磁场的生物效应二、作用机理,一、电磁场的生物效应,电磁场与机体之间的相互作用，必定会产生一系列生理影响，也即电磁场的生物效应。而它通常以致热作用和非热作用存在。不同频率段的电磁场引起的生物效应一般不同。光辐照生物体，以非热效应为主；微波和射频波辐照，以刺激效应为主；恒稳电磁场辐照，以电极化和磁矩取向为主。,一、电磁场的生物效应,根据电磁场对束缚电荷的作用结果，可分为电离辐照和非电离辐照。电离辐照使处于束缚状态的带电粒子成为自由粒子;非电离辐照不能使处于束缚状态的带电粒子成为自由粒子。,一、电磁场的生物效应,本节介绍极低频甚高频电磁场对神经系统、内分泌系统、免疫系统、心血管系统和致癌问题研究的部分结果。,1神经系统,神经系统对电磁场作用非常灵敏，无论从功能、代谢或形态方面都有相关报道。经颅刺激神经细胞测定中枢运动传导。最早是用短时限高压电流刺激，此种方法病人感到疼痛不适，因而使用有一定限制。Barker首次记录了用磁刺激大脑运动皮层所获得运动反应，使用该方法病人几乎没有什么感觉，更无疼痛不适。,1神经系统,射频辐照可致脑中ATP含量改变，C蛋白对射频辐照敏感；射频辐照可能阻碍细胞线粒体中电子传递功能，使脑中能量代谢下降。ATP是含有三分子磷酸的腺苷，因此称为腺苷三磷酸，也称三磷酸腺苷，是体内最重要的高能化合物。在生命活动中能量的释放、贮存和利用主要是以ATP为中心，故ATP是直接供能物质。电磁波对脑组织的影响不仅有频率窗，而且有功率窗。,2内分泌系统,实验1Friedman将猴放在200G的恒磁场中，每天辐照4h。结果尿中类皮质激素上升，停止辐照6天后恢复正常。实验2小鼠在60Hz，2550kVm电场作用下，皮质酮上升；但当继续辐照时，皮质酮又下降至基线。,2内分泌系统,实验3肾上腺中的类皮质激素对电磁波的反应有时相性，将强度为0.150.25T的永磁体置于家兔两侧甲状腺部位，作用28天与39天后，检查甲状腺功能，结果表明磁场对甲状腺功能无明显影响。,3免疫系统,脉冲电磁场可激活培养中的淋巴细胞，电磁场所引起的免疫改变有时相性，往往先出现刺激反应，然后才出现免疫抑制反应。磁场作用机体后，可以提高机体的免疫力。,3免疫系统,实验1以0.040.12T的恒磁场及0.6T的脉冲磁场，分别作用于胸腺及脾脏的相应体表部位，观察家兔的免疫功能。结果除0.04T的恒磁场对家兔免疫功能无影响外，0.12T恒磁场组家兔白细胞数及中性白细胞均有增高，0.6T脉冲磁场组的细胞兔疫功能的变化比较明显，淋巴细胞转化率、白细胞总数及中性白细胞比例均有增高。,3免疫系统,实验2应用同位素方法研究不同强度的交变磁场对离体血淋巴细胞转化的影响，结果表明一定强度的磁场作用能促进机体兔疫能力。,4心血管系统,功率密度为数百Wcm2至数mWcm2的电磁场作用，机体表现出迷走神经兴奋性增高；在功率密度接近或小于100Wcm2的电磁场作用，可出现交感神经兴奋现象。,4心血管系统,电磁场辐照除可引起血压变化之外，还可出现血管痉挛，脉搏的传播速度加快等现象。电磁场局部辐照可使血管扩张，管径增大，血流速度加快，物质交换加强。,5电磁场与致癌,世界许多国家近些年连续发表了不少有关电磁场能否致癌的研究报告。居民在长期受到强电磁场作用后，患白血病及脑癌的可能性增加。,5电磁场与致癌,Szmigielski报道的资料更为具体，他通过大样本调查所得结论为：在射频电磁场的影响下,人群中患癌率比对照组高3倍，主要危险器官为血-淋巴系统（发病率可比其官器官高7倍），其次为消化系统癌、皮肤癌（包括黑色素瘤）；在发病年龄方面最高危险度为4049岁（受照515年者）。癌发生率与受辐照时间密切相关。同样部位、同位癌肿种类，受照射组比对照组在癌肿发生时间上，可提早十几年。,5电磁场与致癌,Stevens指出超低频电磁场的致癌机理可减少松果体内褪黑激素的形成，从而导致体内雌激素及泌乳素的升高，后者可引起癌细胞生长与增殖。,二、作用机理,静电场主要是使生物组织的分子极化。使分子磁矩向该点的磁场方向转动和对运动电荷施以洛仑兹力。时变电磁场频率比较低的时变磁场，相应的能量子hv不足以使处于束缚状态的电子发生电离，故属非电离辐照。,时变电磁场的生物效应,根据生物体内的产热多少，其生物效应又可分为热效应和非热效应。,1.热效应,电磁场的热效应是指由电磁场引起的生物组织或系统受热而对生物体产生的生物影响。电磁场的热效应和通过其它方式加热所导致的效应没有本质区别。生热的方式有：生物体内的有极分子在高频电场作用下反复快速取向转动而摩擦生热；传导电流生热；介质损耗生热。,传导电流生热,由于生物体中存在能自由迁移的带电粒子，生物体在电场作用下能产生电流。这些粒子称为载流子，载流子在电场的作用下，宏观结果是获得一平均定向速度。根据载流子的种类，可分为电子电导（包括空穴电导）离子电导（离子可带正电荷也可带负电荷）胶粒电导（载流子是带电的分子团）。,介质损耗生热,无极分子在外电场作用下，分子的正负电荷重心将发生相对移动形成等效电偶极子。外电场越强，正负电荷重心间的相对位移越大，等效的电偶极矩越大，电场撤去后正负电荷重心又重合在一起。所以无极分子类似于一个“弹性电偶极子”。,介质损耗生热,有极分子在外电杨作用下，将受到一个外力矩的作用，使分子的电偶极矩取向电场的方向。但由于分子的热运动，不可能所有分子的电偶极矩都按电场的方向排列起来。分子的位移和取向极化都不能瞬时完成，必须经过一定的时间。位移极化的建立最快，约为10-1510-14S。,2非热效应,电磁场的非热效应是指生物系统吸收电磁能量后，产生不同于温度变化引起的生物学变化。非热效应也称为场的特异性效应。这种影响经常发生在细胞与分子水平上。即使在电磁场的热效应中，也存在着场的特异性效应。,2非热效应,生物体与电磁场之间的相互作用不仅仅是电磁能在生物体内的简单转化，理论和实验表明，电磁场作用生物体使生物体产生了许多复杂的生物物理效应。,主要的生物物理效应,（1）回旋加速共振效应（2）参量共振效应（3）核磁共振效应,（1）回旋加速共振效应,大量生物效应涉及到Ca2+的结合和流动，在解释超低频电磁场频率窗口的效应时，认为相互作用的机制是一种离子回旋加速共振。,（1）回旋加速共振效应,速度为v，带电量为q，质量为m的离子，在静磁场BS中作圆运动（角速度qBSm）。当叠加B=B0ejt的交变磁场（和原静磁场平行）后，离子角速度和它的轨道半径增加。若满足一定的频率要求，带电离子达到回旋加速共振，如Ca2+在50T的静磁场中，回旋加速频率为38.4Hz。,（2）参量共振效应,参量共振效应有许多与回旋共振效应相同的特征，如静磁场和交变磁场的相互作用。,（2）参量共振效应,在静磁场（地磁场）中的热诱发离子振动遵从塞曼效应，分裂成频率为1和2的振动。塞曼频率间的差值是回旋加速器的共振频率1-2=c。与静磁场平行的交变磁场调制