机体与放射线电磁波超声波

第一节放射线与生物第二节电磁波与生物第三节超声波与生物第四节激光与生物第一节放射线与生物一、放射线对人体的急性效应和持续效应

（一）放射线与物质的相互作用放射性产生于组成物质的原子结构或在状态的变化过程。当原子在一定条件下获得能量之后，可以从不稳定的结构或状态向相对稳定的结构或状态变化，这种变化是通过辐射或吸收带电粒子及高能射线来完成的。根据原子核的稳定性，可以把核素分为稳定核素和放射性核素。天然存在的稳定核素仅有270余种，而放射性核素则有2200多种。放射性：核素的原子核能自发地衰变，放出等粒子的性质。核衰变：放射性核素的原子核自发地放出射线而转变成另一种核素的原子核的过程。核辐射：核衰变过程中放出的射线。根据放出射线的种类，核衰变可以分为α衰变、β衰变和γ衰变等。放射线与物质作用时，其作用方式主要有三种：光电效应当一个光子和一个原子发生碰撞时，将其全部能量交给一个核外电子，使其成为自由电子，光子则被吸收掉，这一过程称为光电效应。康普顿效应当入射光子与原子的外层电子进行弹性碰撞时，光子只把部分能量传给电子，使其脱离原子成为自由电子，而光子则改变频率和运动方向，这一过程称为康普顿效应。电子对效应如果光子的能量大于两个电子的静止质量能（1.02MeV）时，光子在原子核库仑场的作用下，其能量可能被全部吸收而转化为一对电子，即一个正电子和一个负电子，这一过程称为电子对效应。光子与物质相互作用发生以上三种形式的概率与射线的能量有关。当光子能量较低时，以光电效应为主；当光子能量达到1MeV时，康普顿效应占优势；当光子能量超过1.02MeV时，电子对效应才开始发生，光子的能量越高，电子对效应越显著（二）放射线对人体的急性效应和持续效应1．放射线对人体的急性效应放射线对人体的急性效应是指人体一次或短时间内分次接受大剂量电离辐射引起的全身性电离损伤，引发的急性放射病。（1）初级阶段从照射后数分钟至1~2日开始，可持续1至数日。主要表现为神经和胃肠系统功能的改变，尤其是植物神经功能紊乱的症状。对初期反应出现的时间及其严重程度，可以用来判断病情和估计预后。（2）假愈期阶段初期症状缓解或基本消失，但机体内部的病理过程还在继续发展。（3）极期阶段急性放射病病情严重，各种症状、体症及实验室检查变化明显，是病人生死存亡的关键时刻。表现出造血功能障碍、严重感染、明显出血、胃肠道症状及代谢紊乱等。受照剂量越大，极期阶段开始得越早。（4）恢复期阶段经过治疗，一般在放射损伤后5~8周开始恢复。2．放射线对人体的持续效应持续效应是指受照后数月至数年乃至数十年后才发生的效应，例如辐射致癌、辐射致白内障、辐射性遗传效应等。远期效应包括躯体晚期效应和遗传效应。（1）确定性效应是指效应的严重程度与受照剂量的大小呈正比。确定性效应存在一个阈值量。

（2）随机效应是指效应的发生率与照射剂量的大小有关，如遗传效应和辐射诱发癌变等。这种效应在个别细胞损伤时即可出现。随机效应无剂量阈值。二、正常组织对放射线感受性差异在自然界各种生物对象受到电离辐射作用之后都表现出一定的损伤。但是在同一剂量下引起的损伤程度却有很大的不同。即引起同一水平效应所需剂量的高低存在很大差异，这就是辐射敏感性的差异。细胞对辐射的敏感性敏感：生长、增殖、自我更新的细胞高度耐受性：分化成熟的细胞高度敏感细胞：淋巴、造血、生殖、肠上皮较敏感细胞：膀胱、食道等上皮细胞中度敏感细胞：结缔组织、内皮细胞低敏感性细胞：肌细胞、神经节细胞、成熟软骨细胞、骨细胞。三、放射线对细胞的作用及放射性引起的细胞死亡机制

细胞受电离辐射作用之后，可以诱发DNA损伤、细胞周期调控紊乱以及严重的细胞学后果——细胞死亡。1.数百Gy照射可使细胞的蛋白质凝固—立即死亡；2.数十Gy大剂量照射使细胞立即终止代谢活动—间期死亡；3.几Gy照射可使增殖性强的细胞丧失继续增殖的能力—生殖死亡或分裂死亡。第二节电磁波与生物一、电磁波的传播特性电磁波包括微波，红外线，可见光，紫外线等。电磁波具有波动的一切特征。电磁波的强度或功率密度S在物质中衰减基本上遵守指数衰减规律：二、红外线的物理特性和生物效应（一）物理特性红外线的波长范围是0.75μm-1mm。

红外线分段波段波长（μm）光子能量（eV）短波红外(IRA)0.76--1.41.6--0.9中波红外（IRB）1.4--30.9--0.41长波红外（IRC）3以上0.41--1.24×10-2

(二）红外线的生物效应红外线是热线。生物物质吸收红外线IRA和IRB的初级过程。红外线的生物效应只是热效应．1．红外线加热生物组织含有85%的水，对红外线的消光系数大，但仍有可观的红外线进人组织．表皮因吸收红外线而产生的热量，将通过传导输送给其下的组织，使之有温感或热感，这是红外线理疗的基础。2．红斑效应红外线只需要照射一两分钟，皮肤就发红，没有潜伏期。当照射停止后，红斑又很快消失，顶多存在一两小时。红斑的发生是由于红外线直接刺激血管运动机构，使微血管扩张，血流加速，从而使局部温度上升。3．色素沉着吸收红外线的效应之一是微血管扩张。血管中含有强吸收红外线的水，红细胞和红血素也强烈吸收红外线，所以血管温度上升，血管周围基底细胞中的黑色细胞的色素形成受到刺激，出现长时间的色素沉着。此后，入射的红外线将为色素吸收，使局部皮肤发热或出汗，从而可防止深部组织发生过热现象，所以色素沉着起着遮光板的作用。4．皮肤的红外线损伤照射剂量不大时，微血管扩张，乳头层水肿，血管周围为白细胞侵润，表皮无明显变化。若剂量大或长时期照射，表皮深层将发生较明显的不可逆变化。5．红外线对眼的效应（1）角膜的红外线效应：角膜对短波红外线的吸收率随波长的增加而变大，波长增加为1.9μm中波红外线时将被角膜全部吸收。（2）晶状体的红外线效应：短波（中波）红外线为晶状体大量吸收。（3）视网膜的红外线效应：（三）红外线的临床应用红外线是临床应用最为广泛的一种物理手段，主要应用方面如下：1．改善局部的血液循环，有消肿作用。2．加大组织对创伤渗出物的吸收，用于烧伤的治疗。3．可缓解骨骼肌、胃肠平滑肌的痉挛。4．有镇痛的作用。谢谢机体与放射线、电磁波、超声波、激光中国医科大学物理与生物物理教研室主讲人俞航

三、紫外线的物理特性和生物效应（一）物理性质紫外线是不可见的非电离辐射，其波长范围约是380-190nm．人眼对波长为380nm的辐射开始有光觉，而波长短于100nm的辐射实际上能电离所有分子。（二）紫外线和生物分子的相互作用1．生物对象研究紫外线的生物对象，目前主要用微生物，某些细菌、病毒的核酸可在体外接受紫外线的照射，然后用不同方法处理，以检查其生物功能。哺乳动物和脊椎动物的细胞培养已成为重要的生物对象。一是注意到紫外线致癌的可能性和紫外线照射对皮肤的有害作用二是因为哺乳动物的修复过程受到重视，而紫外线损害提供了研究这种过程的最好机会2．核酸的吸收紫外线的生物有效性主要决定于核酸对紫外线的吸收，蛋白质和其他生物分子所起的作用小一些。核酸中吸收紫外线的是核苷酸碱基。在DNA中是腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)，胸腺嘧啶(T)和胞嘧啶(C)。在RNA中用尿嘧啶(U)代替胸腺嘧啶，其他相同。3．蛋白质的吸收尽管蛋白质在细胞生命中起着重要作用，但它吸收紫外线的后果远小于DNA的，因为细胞中大多数蛋白质都有许多复本，其中一小部分的光化变更，不会影响细胞执行其功能。（三）紫外线的生物效应1．紫外线致死效应紫外光子被吸收能引起光化反应，得到光生产物，光生产物和一定生物效应有一定的联系。嘧啶二聚体是主要的致死光生产物。嘧啶二聚体干预了DNA的复制过程，因为DNA多聚酶不能处理二聚体，它不知二聚体原来是两个嘧啶，所以不再合成子链。其次是二聚体能使依赖于DNA的RNA多聚酶不能转录遗传物质，结果是得到不完全的信使RNA分子。2．紫外线的非致死效应在诱发突变方面，紫外线远没有电离辐射重要，生物组织对紫外线的强烈吸收，使之对较高有机物几乎不能诱发突变。突变是DNA遗传信息的永久性变更，该变更决定于核苷酸碱基顺序的变更。紫外线照射主要引起点突变，较少引起染色体突变。紫外线诱发的突变有时不是立即而是几代之后才出现，个别的甚至要到13代。延时出现的原因是，DNA分子中的变更因倾向错误过程的不确定性而延迟了（突变延迟），或是表型在突变事件好久之后才表现出来（表型延迟）。3．紫外线的致癌效应（1）日光紫外线：300-320nm的紫外线对日光的不利效应起主要作用。（2）紫外辐射致癌：使皮肤发生癌变的紫外波长范围是230-320nm。关于日光照射和人的皮肤生癌率有下述一些关系：①浅色皮肤比深色皮肤容易生癌；②浅色皮肤的生癌率随光量的增加而增加；③在室外工作的人员比在室内工作的人员更容易生癌；④经常曝光的前额、鼻、唇、颈背比有衣服覆盖的部位更容易生癌。4．紫外线的皮肤效应（1）红斑效应：紫外线照射皮肤，过一段时间后，皮肤发红，这现象叫红斑效应，又叫做日灼伤。（2）皮肤的自防护：在紫外线的照射下，皮肤会晒黑和变厚，这二者是自防护效应。（3）抗佝偻病：（4）表皮细胞生长变化：5．紫外线对眼的效应紫外线对眼的有害效应初期是光化反应而不是热作用。大剂量照射将产生光致角膜炎、结膜炎（或叫雪盲）。（四）紫外线的临床作用临床上应用紫外线治疗牛皮癣、白癜风、佝偻病及骨软化。利用紫外线灭菌、消毒，适量紫外线照射有止痛、消炎、促进伤口愈合的作用。四、微波的物理特性与生物效应（一）物理特性微波的频率范围为300MHz～300GHz。其来源于微波炉、电视机、空调、移动电话等。（二）微波的生物效应微波首先表现出的是热效应，继而带来血管扩张，改善局部血循环，这己在临床上有了应用，即微波治疗。

1．普通公众长期受到1～10mw/cm2的辐照会产生头晕、乏力、记忆力减退、食欲差、情绪、血压波动、白血球下降及内分泌失调的临床表现。2．在实验动物（大鼠）上观察到：2450MHz一定功率微波连续照射1h，大鼠记忆功能明显下降；相同频率连续照射7h，记忆功能无改变，但反应速度明显下降；4000MHz微波30min连续照射可引起人的脑电图的改变，相同频率对大鼠的1h连续照射发现脑组织的海马对乙酞胆碱物质的释放下降40%，较低频率(800MHz)14h照射也使乙酚胆碱分泌下降43%。乙酞胆碱被公认为直接影响记忆功能的神经递质。微波可影响神经生理活动。（三）微波的临床应用微波频率越高，成束性好，频率高，热效应也明显。在低含水量的生物组织中微波的贯穿深度也很可观。生物体在皮肤下有脂肪层，低、中频电磁波产热大部分集中在脂肪层，这就阻止了电磁波深入，肌肉的ε、ρ明显高于脂肪，所以微波在肌肉内的产热远高于低频电磁波，加上微波的成束好贯穿深度大，这是微波在超短波电疗上的优势。微波在临床上主要用于局部化脓性感染及肌肉类疾病的治疗。谢谢机体与放射线、电磁波、超声波、激光中国医科大学物理与生物物理教研室主讲人俞航

第三节超声波与生物一．超声的基本性质超声波的频率范围一般在2×104Hz～5×109Hz之间，不能引起人耳的听觉。与机械波一样，产生超声波也有两个必要条件：一是要有高频声源，二是要有传播超声的介质。医学上应用的超声成像是靠反射或散射回波来运载生物信息的。超声回波运载信息主要包括三个方面：①大界面造成的反射波，②小粒子所引起的散射波，③生物组织对声能吸收所导致的回波幅值衰减。声特性阻抗声特性阻抗与声媒质的密度ρ和声传播速度c有关。这是医学超声成像的基本理论依据之一声强在声波传播过程中，遇到两种声特性阻抗不同的介质分界面时，会发生反射和折射，其反射和折射的强度大小与界面两端的声特性阻抗差有关。声特性阻抗差值越大，反射声波的强度越大。二、多普勒效应当声源或接收器或两者同时相对介质运动时，接收器所收到的声波频率要发生变化。这种由于声源和接收器相对介质运动，接收器收到的声波频率会发生变化的现象，称作多普勒效应。超声多普勒血流测量技术就是利用多普勒效应研究和应用超声波由运动物体反射或散射，从而获得心脏、血管、血流及胎儿心率等信息的一种技术。

多普勒频移测量原理

声源和接收器固定，入射声波的频率、声速、波长分别是ν

、

c和λi,是入射波与运动目标速度矢量夹角。反射波与速度矢量的夹角为。当使用同一个探头脉冲式发射和接收信号时，上式变成三、超声波与物质作用的特性

（一）超声波的传播特性1．方向性好2．强度高由于波的平均强度正比于频率的平方，所以在相同振幅的条件下，超声波比普通声波具有大得多的能量。医学上利用这一特点可以通过超声碎石法去除脏器中的结石。3．对液体和固体的穿透力强（二）超声波与物质作用的特性1．

热作用机制被组织吸收的超声波对分子产生作用会导致两种基本的结果：

(a)分子振动和转动能量可逆转性增加，使介质温度上升；

(b)分子结构永久性地被改变.2．机械作用超声波在人体中传播时的振动和压力会对细胞和组织结构产生直接的效应。如细胞和细胞器可以会被高强度超声波产生的剪切力所粉碎，这一损伤属非热效应3．超声空化作用声空化:可以定义为充有气体或水蒸汽的空腔在超声场作用下发生振荡的各种现象。声空化可分为稳态空化和瞬态空化。超声生物效应十分复杂，取决于许多物理学和生物学方面的因素。如声强度、辐射时间、声场时间和空间结构、组织类型与生理状态以及温度、压力等外部条件。该方面研究按生物组织类型大体可分为：①对神经组织和中枢神经系统的影响；②对骨骼系统的影响；③对甲状腺的影响；④对肝、脾和肾的影响；⑤对肌肉和其它软组织的影响；⑥对眼睛的影响；⑦对组织再生的影响；⑧对细胞级和分子级生物客体的影响；⑨对有关DNA和遗传变异的影响等。第四节激光与生物一、激光产生机制及其特性(一)激光的产生激光的学名是“辐射的受激发射光放大”，英文是“lightamplificationstimulatedemissionofradiation”，取各自首字母，简写为laser。（二）激光特性方向性好:由于光学谐振腔的作用，只有平行于轴线方向的受激辐射光才能形成激光，所以激光的方向性极好。激光束的发散角非常小，在几千米之外的扩散直径不到几厘米。激光的这一特点可用于定位、导向、测距等。单色性好:激光是从特定的亚稳态能级向特定的低能级跃迁产生的，其中心频率只有一个。寿命较长的亚稳态的能级宽度较窄，因此激光具有很窄的频率宽度。又由于谐振腔的选频作用，使激光频宽更进一步减小。因此激光具有非常好的单色性。强度大:激光能量集中在很小的角度内，所以强度很大

相干性好:把最好的普通单色光源的光束分成几束时，只能在数厘米的路程内保持相干性，而激光发生干涉现象的光程差可达数十公里。这一特性可以用于全息照相，在生物医学研究领域发挥重要作用。例如，利用激光相干性制造的激光衍射仪可以用来观察分析动态流场中红细胞的变形和取向等。二、激光生物医学效应（一）激光热效应

1．激光汽化