第七章-生物组织的电磁学性质和应用省名师优质课赛课获奖课件市赛课百校联赛优质课一等奖课件

生物组织电磁学性质和应用孙剑飞sunzaghi@1/65什么是生物医学工程生物医学工程（BiomedicalEngineering,BME）是利用自然科学和工程技术原理和方法，研究人生理、病理过程，揭示人体生命现象，并从工程角度处理防病治病问题一门综合性高技术学科。2/65生物医学工程学是这么一门学科：它把人体各个层次上生命过程（包含病理过程）看作是一个系统状态改变过程；把工程学理论和方法与生物学、医学理论和方法有机地结合起来去研究这类系统状态改变规律，并在此基础上，应用各种工程技术伎俩，建立适宜方法和装置，以最有效路径，人为地控制这种改变，以达预定目标。生物医学工程学根本任务在于保障人类健康，为疾病预防、诊疗、治疗和康复服务。3/65生物组织电学性质生物组织基本单元是细胞可兴奋细胞（神经、肌肉）有电活动大量细胞是不可兴奋细胞产生原因是细胞膜对钠、钾离子通透性随时间改变（静息电位、动作电位）ε、σ、ρ4/65生物电阻抗组织电阻率（

·cm）电导率组织电阻率（

·cm）电导率0.9%氯化钠溶液50140脾630—血清70～78105正常乳房430—全血160～23056～85乳癌170—肌胳肌470～71158～90肾髓质400—心肌（无血）—50～107皮质610—心肌（灌满血）207～224—脂肪1808～22050.4肝506～6726～90脑灰质480—肺（呼气）4015～55白质750—肺（充气）744～766————5/65生物膜细胞被看为一个球形电容普通情况下不考虑细胞电感作用6/65将各种组织和细胞电阻抗摸拟成某种线路，并经过各种电学参量测定值来解释生物体结构和功效，这种方法被称为生物电测技术。皮肤人造膜RinpCinp细胞悬液肌肉R1RmCmR2无髓鞘神经轴突细胞ReReReRmRiCmRmRiRiCm阻抗模拟电路7/65神经轴突神经传导电学模型?神经细胞结构？用什么模型来描绘轴突？轴突对脉冲传导和放大？神经传导中能量花费？问题一：8/65生物物质介电特征研究应从单个细胞到各种生物组织逐步进行研究。

1）氨基酸溶液分子极化规律可表示为

2）生物组织介电性质要用复介电常数

和

1分别为溶液和溶剂介电常量，c为溶质浓度；系数定量表示电容率增加，称为电容率电增量。

实部为习惯意义上相对介电常数，虚部为损耗原因，δ称损耗角

3）生物组织介电常数能够经过电容法来测定。

生命物质介电特征9/65生物电势能斯特方程一、生物电势产生

试验证实，在全部用半透膜隔开两种或几个以上电解液，或电解液相同但浓度不一样膜两侧，都存在着电势差，这种电势差称为跨膜电势或膜电势。生物膜电势扩散电势(最基本、最主要)吸附电势电荷分布电势氧化还原电势10/65二、扩散电势（能斯特电势）单一离子扩散电势设细胞膜两侧存在某种相同种类正离子。膜内离子浓度为ci

(mol·m-3)，膜外离子浓度为co

，膜内向膜外迁移离子形成内负外正电场E+++++-----E在等温条件下，1mol离子膜内迁移到膜外，由浓度差引发非静电力做功为非静电力所做功应全部转化为跨膜电势能增加，即比较上面两式得

11/65此式即是著名能斯特方程，它是经典理论中计算扩散电动势基本方程。其中q=ZF，Z为离子价（取绝对值），F为法拉第常数，F≈96500C·mol-1

若将自然对数变换为惯用对数，在室温下（27℃），单价离子能斯特方程可简化为12/65多离子扩散电势其中，D+n、D-k分别表示各种正负离子通透系数，c+in、c+on和c-ik、c-ok分别为各种正、负离子在膜内外摩尔离子浓度。这就是著名Gokdman-Hadgkin-Katz方程，简称GHK方程13/65三、静息电势和动作电势静息电势名称膜内离子浓度（mmol·L-1）膜外离子浓度（mmol·L-1）离子类别Na+K+Cl-Na+K+Cl-枪乌贼轴突4941040.044022.0560乌贼轴突43360—45017.0540蟹轴突5241026.051012.0540蚌缝匠肌151251.21102.677猫运动神经元151509.01505.5125静息电势可由GHK方程计算当细胞不受外界影响，处于静息状态，其膜内外因离子浓度差导至产生电势差。14/65①②③④+100+50-100-500膜电势（mv）时间（ms）对动物神经细胞、肌肉细胞，以及一些植物敏感细胞受到外界刺激时，细胞跨膜电势对外界刺激会产生一定反应规律。细胞受到刺激后这种短暂电势差值，叫做动作电势，能够产生这种动作电势细胞叫做可兴奋细胞。动作电势应用生物器官或组织对外界刺激作出反应，如含羞草敏感细胞受到刺激后，马上产生动作电势，当传到叶座时，使叶座基部膨压发生改变，引发叶柄下垂，小叶关闭。还有大型多核细胞狸藻，其动作电势更为显著。15/65ECG理论心脏电活动近似为一个随时间改变向量心脏是一个电偶极子电场随心跳周期改变，从心房到心室或从起搏点到心肌16/65Einthoven三角向量组成即含有强度，又含有方向性电位幅度称为心电向量最少需要两个已知向量才能组成心偶极子向量三肢体导联VI：RA-〉LAVII：RA-〉LLVIII：LA-〉LL17/65标准十二导连体系18/6519/65心电图形成原理?激动扩布电偶学说容积导体概念导连概念、组成和发展导连和心电图，概念、发展、应用问题二：20/65EEG物质基础：大脑神经细胞（cell）或神经元（neuron）、神经递质（Neurotransmitter）、各种离子等。神经元是由细胞核(nucleus)，细胞体(cellbody)，轴索(axon)，树突（dendrites）和突触(synapse)等所组成。神经元之间是经过突触（神经元间接合处）间化学物质传递和化学反应而产生活动电流方式来接收和传递信息。21/65慢振荡电流偶极子模型突触后电位电流强度伴随与突触距离增大按指数减小，衰减长度λ=0.1~0.2mm。在一定距离范围内，突触后电位就象一个沿树突取向强度为P=λI电流偶极子。当前，人们普遍认为：脑电主要是由大脑皮质锥体细胞顶树突突触后电位总和形成。22/6523/6524/6525/65研究意义

脑电(Electroencephalogram，EEG)是一个非平稳信号，它频域特征正确表示、相位信息提取以及瞬态波形分析是当前EEG信号研究中热点问题。在频域分析方面，功率谱分析一直是人们惯用方法。功率谱分析能有效地展现信号二阶信息，却丢失了相位信息和高阶信息。在大多情况下，这些信息对研究大脑电活动时空模型和不一样功效状态下大脑动力学行为含有主要意义。抽象信号被定义为信号数值平方，也就是当信号负载为1欧姆时实际功率。平均值不为零信号不是平方可积，所以在这种情况下就没有傅里叶变换。由维纳-辛钦定理，假如信号能够看作是平稳随机过程，功率谱密度就是是信号自相关函数傅立叶变换脑电相位特征26/652研究方法

以往谱分析方法，如功率谱分析或双谱分析，都有赖于信号Fourier变换。即使Fourier变换在频域上是完全局部化了(能把信号分解到每个频率细节)，但在时域上没有任何局部分辨能力，这对瞬态信号局部分析十分不利。所以，Fourier变换不适合脑电分析。相比之下，小波变换含有良好时频局部化能力，能有效地提取非稳信号特征。对于非稳定改变信号，人们经常关心不只是该信号幅度细节，而是更重视该信号在不一样时刻频率和相位细节，这意味着小波变换有可能很适合脑电相位分析。27/653基于Fourier变换脑电相位谱

设X(n)表示一长度为N点离散时间序列，则离散Fourier变换实部与虚部分别为其中，ф(k)为对应各离散频率成份相位

28/6529/6530/654基于小波变换脑电相位谱

设X(n)表示一长度为N点离散时间序列，则在尺度j上，离散小波分解为31/6532/6533/655基于主成份脑电相位谱把主成份分析（PCA）视为一个正交投影，则全部主成份则是所投影正交空间中向量。假设把一维脑电时间序列看成是由多个变量共同产生结果，这符合脑电产生生物物理过程，即脑电是大量脑神经元群电活动集中表现。

因为各主成份彼此不相关，所以全部主成份向量组成一个多维正交空间，使得我们能够在此正交空间来观察脑电信号相位变换。

34/6535/6536/65鸽子回家许多人都知道，家里养鸽子能够从离家几十、几百甚至上千公里地方飞回家里；燕子等候鸟每年都在春秋两季分别从南方飞回北京，又从北方飞到南方；一些海龟从栖息海湾游出几百几千公里后又能回到原来栖息处。它们是怎样区分方向？尤其是在茫茫海洋上。莫非它们也像人类航海时一样使用指南针吗？大量和长久观察研究表明，这些生物从原居处远行后再回到原居处，确实是与地球磁场相关，或者可能相关。我们来看看一些观察研究情况。

37/65曾将两组鸽子分别绑上强磁性永磁铁块和弱磁性铜块，在远离鸽巢放飞后，绑有铜块鸽子全部都飞回鸽巢，但大部分绑有永磁铁鸽子却迷失方向而未返回鸽巢。这表明永磁铁磁场干扰，使鸽子不能识别地球磁场。又曾将一组鸽子放置在鸽巢和与鸽巢地球磁场相同地磁共轭点(距鸽巢数千公里)之间中点处，放飞后这些鸽子大约有二分之一飞回原来鸽巢，其余鸽子却飞到鸽巢地球磁场共轭点处了。这表明鸽子是依靠地球磁场来识别鸽巢。深入观察研究发觉鸽子头部含有少许强磁性物质四氧化三铁(Fe3O4)。我国古代司南指南器就是利用天然磁铁矿石制造，其主要成份也是Fe3O4。不过鸽子是否是利用其头部Fe3O4导航(识别地球磁场方向)？又是怎样利用Fe3O4导航？这些都是需要深入研究问题。38/65海龟回游对出生在美国东南海岸一个海龟游动进行观察显示在图4中，幼海龟在大西洋中沿着顺时针路线出游，经过若干年后又能回到出生地产卵。这些海龟是依靠什么导航呢？有观察研究者认为同地球磁场相关，并进行了这么试验研究。在装有海水并加上人造磁场大容器中，观察到磁场确实影响海龟航行。当人造磁场反向时，海龟游动也反向。这表明磁场是影响海龟航行。

39/65鱼也是一个对磁场十分敏感生物。生物学家注意到鱼类间脑会对磁场产生感觉。当把鱼放入它完全陌生水域里，而且尽可能排出水温、水流干扰和影响，鱼普通都会沿着磁力线方向游动。北美有一个鲑鱼，它辨识路径能力是惊人。这些鲑鱼通常在北美阿拉斯加到加利福尼亚小溪里产卵。小鱼孵出后，便成群结队对地沿着小溪、小河游向太平洋。他们在浩瀚无际太平洋里沿着逆时针方向周游了一个巨大圈子之后，还能正确无误地回到美洲，并寻找到原来河道入口，再游经小河、小溪最终返回故里。而这类鲑鱼完全是依靠灵敏磁罗盘来导航。一次美国科学家奎恩汤姆在小河岸边放了一块电磁铁，当成群鲑鱼游过磁铁附近时，突然接通电源。奇迹出现了，这群鲑鱼游向也突然改变了90度。40/65磁性细菌的磁导航在20世纪70年代，一位美国博士生在研究细菌时偶然观察到一个水生细菌总是朝北方和一定深度水下游动。这一奇特现象引发了他和以后更多研究者关注。对这种以后称为磁性细菌或称向磁性细菌大量观察和研究取得了许多主要结果。首先，分别在北半球美国、南半球新西兰和赤道附近巴西对这种磁性细菌观察研究表明，这种磁性细菌在北半球是沿着地球磁场方向朝北和水下游动，而在南半球却是逆着地球磁场方向朝南和水下游动，但在赤道附近则现有朝北游动，也有朝南游动。其次，由细菌体分析研究表明，在这种长条形细菌体中，沿长条轴线排列着大约20颗细黑粒，如图5电子显微镜放大像所表示。这些细黑粒是直径约50纳米强磁性Fe3O4。再其次，将这种细菌在不含铁培养液中培养几代后，其后代体内便不再含有Fe3O4细粒，同时也不再含有沿地球磁场游动向磁性了。总之，这些观察、试验和研究表明，磁性细菌所表现沿地球磁场游动特征是同细菌体内所含强磁性Fe3O4(也可称为铁铁氧体)分不开。41/65生物所表现出磁现象。每个生物细胞能够看作一个微型电池，也能够看作一个微型磁极子。有些人准确地测定了人体磁性活动认为，生物磁起源可能有：（１）生物电荷运动产生磁场；（２）生物磁性材料产生感应场，即生物活体组织内一些物质含有一定磁性，它们在地磁场或外界磁场作用下产生感应磁场；（３）生物体内强磁场物质产生磁场。磁现象确实很神奇，在生物世界里，磁是普遍存在，对生物磁研究，直接关系到人类生产、生活和健康。农业上，磁化后水和一些种子分别提升水渗透能力和改变种子细胞膜特征，从而提升作物产量。在医学上，苏联科学家在人头部周围安置尤其脉冲电磁场，可使失眠者连续睡眠8－12小时。科学家预言，可用类似方法治疗精神错乱，也能够用来增强记忆和学习效率。对脑磁场测定结果表明，睡觉时磁场最强。脑磁场图很有希望像脑电图一样成为临床诊疗主要伎俩，能够得到更多脑部信息。另外，已经有些人试验用电磁场进行局部麻醉、用药品和磁场相结合方法治疗疾病。很快未来，电磁疗法将会像注射、服药、手术那样普遍采取。42/6543/65磁性是物质基本属性，就像物质含有质量和电性一样。换句更简单话说就是：

一切物质都含有磁性。44/65

当代科学认为物质磁性起源于组成物质中原子磁性原子中外层电子轨道磁矩电子自旋磁矩原子核核磁矩

原子总磁矩应是按照原子结构和量子力学规律将原子中各个电子轨道磁矩和自旋磁矩相加起来合磁矩45/6546/65磁共振是物质磁矩系统在恒定磁场和一定频率交变磁场同时作用下，且恒定磁场和交变磁场频率满足一定关系时，磁矩系统从交变磁场中吸收能量现象。磁共振及其应用电子顺磁共振；（电子自旋共振）铁磁共振；亚铁磁共振；反铁磁共振；核磁共振；47/65生物磁场和磁场生物效应介绍

一、生物磁介质及生物磁场生物磁介质生物分子含有过渡族金属离子，如含有过渡族原子铁、钴、锰、钼等生物分子。生物分子在氧化还原等生命过程中产生自由基，如含铁血红蛋白、肌红蛋白和铁蛋白等生物分子。抗磁质顺磁质铁磁质如，一些海水细菌、蜜蜂、鸽子、海豚等动物体内均含有磁铁矿物Fe304微粒。大多数生物大分子是各向异性抗磁质。如叶绿素分子、脱氧核糖核酸分子等。48/65生物磁场产生机理以生物电流方式产生一定磁场，这也是生物磁场产生一个主要方式。生物材料内部有磁铁样物质(如Fe3O4和-Fe2O3)存在，形成磁场。生物材料本身不存在磁场，但在外加磁场作用下产生一个诱发磁场。以脑磁场为例对生物磁场产生机理作以说明49/65生物磁场属于弱磁场当代测量结果表明，生物磁场强度为10-10～10-13T，磁场磁场起源磁场强度(T)磁场频率（Hz）人体磁场正常心脏约10-100.1～40受难过脏约5×10-110正常脑(a节律)约5×10-13交变正常脑(睡眠时)约5×10-12交变腹部约10-120石棉矿工肺部约5×10-80骨胳肌约10-221～100地球磁场地磁场约5×10-5高空、电离层及磁爆引发波动约5×10-8～10-7城市电磁干扰约5×10-7

人体器官磁场及地球磁场

50/65生物磁效应当前对磁场强度划分仍不统一，但普通认为大于10mT为强磁场，小于1

T为极弱磁场，介于二者之间为弱磁场。

弱磁生物效应

1．致癌作用

2．致畸作用

3．细胞效应强磁生物效应

1．对心脏循环时间影响

2．对血栓影响

3．高频磁场加热治疗癌症

4．强灭菌

51/6552/6553/6554/65电泳：悬浮于液体中带电固体粒子在外加直流电场作用下向一定电极移动现象。

电泳方法显微电泳界面电泳区域移动电泳（如纸上电泳，明胶电泳、圆盘电泳等

）细胞电泳:生物组织可看作是由分散相（生物或人体细胞）和分散介质（细胞外溶液）组成多相系统，当有直流电场作用时，生物和人体细胞将向一定电极运动，这种沐浴于细胞外溶液生物体细胞在直流电场作用下移动现象，称为细胞电脉。而细胞移动时产生电势称为细胞电动电势或Zeta电势。细胞电泳55/65细胞电泳基本原理消度:单位电场强度下细胞或颗粒移动速率，定义为电泳率或消度。普通表示为：W：消度，V：细胞或颗粒在单位时间内移动距离E：表示电场强度

下面以带有电荷Ze、且电荷均匀分布球状微粒为例，介绍细胞电泳基本原理。

在场强为E电场中，某带电微粒受到电场力作用产生运动，电场力大小为依据斯托克斯定理，黏滞阻力作用大小为

56/65由上两式得消度为:

在实际中，颗粒并不完全是球形，因而颗粒形状对消度有很大影响。电动电势理论和试验表明，电动电势（Zeta电势

）可用下式表示式中表示电泳速度，E表示电场强度，η表示黏滞系数，表示电容率。电动电势与电泳率（消度）成线性关系，与溶液黏度和电容率相关，与细胞大小和形状无关。

57/65影响电泳原因几个主要原因：1）介质假如细胞周围溶液(或介质)不一样，将会造成电泳率有很大差异。

2）电场在不一样电场条件下，存在不一样热效应，加之电场对不一样离子浓度介质作用会有不一样电流产生。在普通情况下，离子浓度越大，电流越大，离子运动越快，而细胞运动越慢，电泳率越低。

3）温度和黏度温度对电泳率影响较大，并表现出强烈依赖性，伴随温度升高电泳率会增大。

4）pH值

pH值对电泳也有较大影响。58/65缓冲液离子强度：

离子强度影响颗粒电