范文一：电磁场的生物效应

电磁场的生物效应

1 “非热效应”与“特殊效应”

对于弱电磁场生物效应人们常用两个名词来描述，即“非热效应”和“特殊,1,效应”。“非热效应”的定义不尽一致。按文献所述，非热效应(athermal effect)定义为:当生物系统吸收电磁能量后，产生的不可归属于温度变化的生物学变化。有人认为这个定义不够科学，因为判断“不可归属于温度变化的生物学变化”在实验中是非常困难的。众所周知，生物介质的电磁特性具有高度的不均匀性，在弱电磁波照射下可能出现组织内的热点(局部温度过高)，而组织的宏观平均温升却非常小，由这种热点引起的效应能否叫“非热效应”,有人认为，所谓的热“点”其空间尺寸是远大于微观分子尺寸的，在热“点”所包围的空间尺寸中各自由度的能量是满足玻尔兹曼平衡分布的。那么，在这种情况下热点引起的效应仍然是热效应，而这时的能量分布、温度分布不均匀是由于热传导不及时的缘故。但是，如果微波传递的能量对分子各自由度的能量具有选择性时，即这时介质各自由度的能量不满足玻尔兹曼平衡分布，这样的情形就应该属于非热效应。此外，与传统加热方式相比微波对生物组织的致热作用是非常迅速的，,2,有实验证明这种快速加热也可以引起一些特殊的效应，这种效应能否叫非热效应,有鉴于此，不少文献把微波辐射下区别于传统加热引起的效应叫“特殊效应”。

2 近年来弱电磁场(波)生物效应实验研究进展

多年来弱电磁场(波)生物效应的实验研究已积累了大量的数据，但许多数据充满着分歧与矛盾(见表1)，使我们仍然不能对弱电磁场(波)是否对人体健康造成危害下明确的结论。

目前认为造成上述结果的原因有以下三点:(1)实验设计不够严密和严格;(2)实验结果没有重复性;(3)实验结果虽有可重复性，但辐射强度还不够低，通常可导致局部的温升，而这又不易测量。

第一种情况的确是值得重视和注意的。在1997年9月14,19日召开的世界医学物理和生物医学工程会议上，F.Schonborn及其合作者发表题为“RF实验条,7,件”的文章专门阐述了微波辐射条件的严格控制问题，包括电磁场强度的空间和时间分布，载波频率，调制频率等等参数的控制和测量问题。

表1 弱电磁场(波)生物效应实验研究文献结果摘要

有否有生物辐射特性 所测效果 参考文献 电磁效应

,3, EEG谱(鼠) 有CW-2,450 MHz Thuroczy.94

2 (30 mW/m,10 min)

CW-2,450 MHz

否 EEG谱(鼠) ,3,Thuroczy.9 2 (10 mW/m,10 min)

4CW-2,450 MHz

有 CBF(鼠) ,3,Thuroc

2 (30 mW/m,10 min)

zy.94CW-2,450 MHz

否 CBF(鼠) ,3,Thur 2 (10 mW/m,10 min)

oczy.94CW-4GHz EEGdelta，REG，和,3,有 CBF(鼠) Thuroczy.94 (42 mW/kgSAR,30 min)

CW-4GHz ,3,否 EEG谱(鼠) Thuroczy.94 (8.4 mW/kgSAR,30 min)

CW-4GHz ,3,有 CBF(鼠) Thuroczy.94 (8.4 mW/kgSAR,30 min)

痛感阈值和神经传

有 ,4,Teng.91 CW-0.2 to 3.0 GHz 递物质释放

(兔)

有 ,5,Salford.94 CW-915 MHz BBB

有 人体 ,6,Thuery.92 Low power densities

AMW-4GHz(amplitude modulated

,3,有 EEG beta Thuroczy.94 at 16 Hz and 8.4 mW/kg

SAR,30 min)

AMW-4GHz(amplitude

,3, modulated at 16 Hz and 8.4 否 CBF mW/kg Thuroczy.94

SAR,30 min()

CW:连续波 PW:调制波

第二种情况是由于生物系统本身的复杂性，个体条件有较大的差异，从而使,8,得实验重复性比较差。文献证明生物系统越复杂，电磁场作用越弱，那么实

验结果的重复性就越差。现在的生物效应实验研究往往只能采取统计学处理，而

统计学处理需要很大样本量，同时尽量考虑一切可能的影响因素，但这些往往是很难办到的。J. Jauchem从统计学角度上对一些弱电磁场导致疾病的统计文献,9,提出不同的看法。他认为由于疾病存在着众多的影响因素，要肯定地得出某一种因素是导致疾病的一个因素，是不能简单的下判断的。K.R.Foster也专门,10,强调，如果要对弱电磁场(波)与癌症的相互关系作危险评估(risk assessment)，须遵从“证据权准则”(weight-of-evidence criteria)。如何克服生物个体差异性造成的重复性低的现象呢,我们知道，生物克隆技术能克隆出遗传性质基本相同的生物，随着该技术的日趋成熟，我们相信可以利用这项技术得到个体差异不大的生物个体，从而使弱电磁场(波)生物效应实验的重复性大大提高。

第三种情况，即局部温升的问题，解决它的关键是搞清楚被辐射组织的温度分布问题。这个问题包括两个内容，一是辐射所造成的比吸收率SAR分布计算;二是SAR和热传导两个因素所共同影响的生物体内组织温度分布计算。近年对辐,11,射所造成的比吸收率SAR分布多采用FDTD法计算，这方面已有大量的研究结果。这其中存在两个缺陷，一个是结合热传导方程计算生物体内的温度分布的工作相对较少，另外一个是高分辨率的FDTD场分布计算也比较少。高分辨率的FDTD,11,场分布计算与低分辨率的FDTD场分布计算不会只是分辨率的差别，文献认为,12,有可能造成某些局部高强度场分布的显著不同。另外，在1979年文献证明了-9m的微观尺度上的楔形组织可使得局部的电场强度为外部输入场的电场强在10

度的100倍，但美国卫生标准认为可以不予考虑。那么，在1/10,1/20波长的宏观尺度上，有否存在一种非均匀介质分布，从而使得辐射所造成的比吸收率SAR分布在某些局部形成高强度场分布呢,可惜这个值得研究的问题在近期的文献中尚未见研究报告。

3 近几年来弱电磁场(波)生物效应理论研究的进展

关于弱电磁场(波)生物效应在70、80年代就提出了许多理论来解释。比,13,,14,如:玻色,爱因斯坦凝聚态理论，跨膜离子的回旋谐振理论，量子离子结,15,,16,,17,合效应理论，膜动力学的场致变化理论，膜与离子合作结合与释放理论，,18,包括孤子传播在内的非线性效应理论，等。每个理论都具有一定的合理性，但同时又充满着众多的假设性，而且许多理论没有严格的实验基础。所有这些不足使得这些理论不能令人信服地证明弱电磁场(波)生物效应的存在性。K. R. ,19,Foster曾对其中不少理论提出了质疑。

近几年弱电磁场(波)生物效应理论研究有着很大的进展，而且更多的结合了非线性科学、物理学、化学、信息学和系统科学的知识。但是生物体是一个相当复杂的系统，许多层次上的生物系统的运动规律还没有完全搞清楚，在外界复杂因素的作用下，其规律的研究就更复杂了。

生物这个复杂的系统在微观层次上看，它是由一系列生物化学反应、一系列物理过程协同合作来完成生命运动的。如果电磁辐射对微观分子产生非热效应，则有可能(不是必然)对整个生物系统产生非热效应。同时，应该看到生命运动是最高级的运动，所以具有它的独特性。由于宏观系统的特征，可能导致生物体将电磁场微弱的信号放大，引起可测的非热效应。本节在回顾近几年在弱电磁场

(波)生物效应领域上提出的一些理论时，为了叙述方便，将这些理论分为两类:一类是从微观分子角度探讨非热效应的可能性，另一类是从宏观系统角度来探讨非热效应的可能性。在综述的同时，也将对其作出评价。

3.1 从微观分子角度探讨非热效应机理

从微观分子角度探讨生物电磁非热效应，事实上主要就是讨论电磁场(波)对生物化学反应的影响。

3.1.1 微波对生物大分子振动光谱的影响

以前不少人认为，由于微波的频率相对较低，量子能量小，微波不可能引起生物大分子的结构变化。90年代初，有人发现丙氨酸的远红外光谱在弱微波辐,20,射下可发生分裂，这引起了人们的极大兴趣。A.A. Serikv从量子力学出发，研究了微波辐射下分子振动光谱的变化。显然，如果物质的分子振动光谱发生变化，说明它的物质内部结构发生了变化，从而将影响其化学性质，最终导致化学反应受到影响。A.A.Serikv证明了即使在室温下，生物大分子链的吸收谱在弱微波的辐射下也会发生分裂，并将其解释为对大分子链的影响。这个结果说明生物大分子内部结构在弱微波辐射下可以发生变化，从而影响其化学性质，导致其参与的代谢过程发生变化。该理论较好地解释了微波辐射下生物大分子远红外谱的分裂现象。

3.1.2 微波对自由基反应的影响

,21, Keilman. F. 从自由基角度研究了磁场对自由基反应的影响。磁场影响电子自旋态，从而造成不同电子自旋态的非热平衡分布，从而影响自由基反应。在生物体中自由基反应普遍存在，这样电磁场(波)就会通过自由基反应对生物体产生非热效应。

以三态体自由基反应为例(三态体分子有两个未成对的电子，这样，该分子的总自旋数s=1，所以分子可以有三个取向。假设在一个化学反应链的第n步，有一种三态体分子生成。由于立体限制效应或选顶法则，这种分子通常有一个概率最大的取向。但是热运动将使三种取向概率最终趋于平衡。度量这种松弛效应的因子是时间T1，T1在ns和ms范围。

,21, 但是该理论中，T的长短很重要。文献宣称“只要T1超过三态体的寿命，1

微波对该化学反应的非热效应就是有可能存在的”。但实际上只有极少的T1是,19,在生理学上感兴趣的温度下测量的。而文献指出:在许多化学反应中自由基寿命很短，典型的寿命小于1ns。当认为自由基寿命小于1 ns时，则1 MHz频率以下的电磁场相对于自由基而言，可等效为静态场。考虑电场强度为300 V/m的电磁波其磁场约为1μT，而地球的静磁场约为50μT。既然地磁场强度超过了辐射磁场，而且两者都可以认为是静态效应。那么，就没有理由认为辐射磁场会对生物体产生危害。Keilman. F.认为磁场对三态体自由基反应有一种选频作用，所以与静磁场的作用不一样。作者从一些弱电磁场生物效应的实验数据中(假设这些实验结论已成立)推知三态体自由基寿命T?6s(大肠杆菌实验)，T?5×1011

,3s(酵母生长实验)。可见，该理论只是提出一种微波在分子水平下影响化学反应的可能性，但真正对某一类化学反应存在与否，最终要依靠实验来证明。

3.1.3 电磁波对生物大分子和代谢过程的影响

近年来，不少人采用Langevin方程研究了弱电磁场与随机力共同影响生物大分子和代谢过程的问题。在DNA双螺旋结构的孤子理论中，建立了DNA的扭曲,22,运动公式(Sine-Gordon方程)。文献对电磁波与DNA系统的作用进行了研究，舍弃了Sine-Gordon方程中表示空间关系的一项，而只考虑外界噪声随机作用力时的公式为:

(1)

其中，B为势垒高度，是与碱基与相邻碱基相互作用及碱基对的局域相互作用常数相关的量;A为外场作用力矩幅度，是一个与DNA链堆积能、碱基对间距等量有关的参数，Γ(t) 为热噪声;φ是指DNA分子旋转角度。相应的Fokker-Planck方程为:

(2)

,23, 文献专门研究了Fokker,Planck方程，并给出了数值解，获得了随机共振的结论，即“数值计算结果表明，随机共振现象主要发生在输入信号的幅度A、频率ω较小的区域”。利用此数值计算结果，可导出此时公式(1)中的参数数量,26级为，m=O(10)kg=O(1)a.m.u. 由公式γ=6πrη(不妨取水的粘滞系数η为,160.012泊)，即可导出r=4.42×10m,1 。而实际的参数值为:单个碱基的质量约为m=300 a.m.u(一对碱基的质量约为600 a.m.u.);随机振子的半径r,1A(因为任何原子半径均大于1埃)。将实际参数值与解得参数值比较，数量级是有相当大的误差的，所以我们认为随机共振不存在。

,22, 很明显，文献虽然研究的是DNA大分子，它采用的方程却只对其中单个碱基适用，这可能也正是由于系统简单化从而造成随机共振现象不存在的原因。如果真正考虑整个大分子体系，则理论模型要复杂得多。

电磁场(波)对大分子反应的影响，在电磁生物效应理论研究中很少研究，而这在微波化学界正是一个积极讨论的问题，可惜在理论研究上比较贫乏，实验研究上也存在许多分歧。

,24, 文献采用Langevin方程来计算弱微波辐射对基团从大分子中分解过程的影响。该文献将基团看作一在大分子引力势阱U中运动的谐振子。文献采用Morse势能函数来描述U，在温度升高或微波作用下， 谐振子可以跨过势垒而离开平衡点， 从而产生分解。文献研究了谐振子从初始状态到离开平衡点的(逃逸)

时间与微波参数及环境参数间的关系。文献计算表明当场强作用力与随机力之比为时，逃逸时间与微波参数间有紧密的关系，这表示弱微波辐射对简单分解反应的非热作用是存在的。特别有趣的是逃逸时间对调制频率非常敏感，这在线性系,26,统中是很难想象的，但在一些实验中得到了验证。

3.2 从宏观系统角度探讨非热效应机理

近年来，随着非线性科学的发展，不少科学家利用该理论提出了一些模型研究非热效应机理，有些理论较好地解释了弱电磁场作为触发器引起生物系统产生非热效应的机理。但同时我们要看到，也有许多理论模型中的参数未联系实际的生物模型，而且不能提出一个可检测其真实存在的实验手段，这是一个很大的不足。

3.2.1 细胞膜感受微弱电磁场信号的膜噪声限制理论

,27, J.C. Weaver和R. D. Astumian谈到，将细胞看作阻抗R、电容C的并

2联体，由于蒋森效应，在膜上产生电位差，其均方值为()=4RkTΔf KT(Δf=1/(4RC))。事实上，膜噪声包含许多类性的噪声，比如电流噪声、热噪声、,28,散粒噪声、1/f噪声等等 。热噪声即上面所计算的噪声电位差，它在众多种类的噪声中只占一部分而已，影响总膜噪音的因素很多，这些将造成数量级有一定差异。比如，由生物物理知识可知，不同感受细胞膜噪音的差别很大，锥细胞,29,尤其如此，这主要决定于和邻近细胞之间的耦合程度。比如在黑暗中，总噪

22声电位差均方值()—分别为0，40 mV2和0.018 mV，相差约22倍。δU分别为630 μV、42 μV。可见，生物系统是一个很复杂的系统，在估计某些参数的数量级时，机械地、简单地套用一些物理、化学理论，会使数量级相差较大。所以，机理假设太简单了，与实际生物对象就失去了紧密联合，从而对解决实际问题无益。

,27, 当然，仅就这个膜噪音数量级估计问题并不使该理论失去它的意义，文献

2通过蒋森效应计算出的()—数量级在28 μV，与所测量过的一些细胞膜噪音电位差均方值相差不大。但在这里专门提出这个问题，是有着实际意义的。对,30,于该理论Robert K. Adair曾予以讨论过。其中有两个要点:一是实验中用极低频电场直接作用于生物组织，而极低频电场耦合于人体内其强度将极大的减小，所以该实验并不能证明对于常规条件下的极低频电场来说，会对人体产生危害。另一个要点是:外部信号如果能在一段长的时间内被总和，则其信噪比将会,27,提高，但要求条件是该系统选频宽度与1/t成正比。而文献所提出的总和max

时间为1000秒，就要求该生物系统的选频特性很好，比如，在60 Hz，要求品质参数Q?60,000，即选频段在60?0.001 Hz，这样的品质参数是否在生物体内

真正存在，需要证实。

这里面有一个很关键的问题，那就是微弱的影响是否可以随时间积累呢,因,19,为许多反驳非热效应理论的文章(如文献)就是先验的认为微弱影响不可以

随时间积累的，他们认为，只要微弱的影响小于热噪声等构成的自然涨落，就对,31,生物系统不构成威胁。显然，不可否认，在生物体内肯定存在这种机制，但是这是特殊的细胞或组织、器官对于它所要检测的特殊的信号而言。对于电磁场(波)信号，是否存在这种机制呢，这是不能轻易下一个结论的。

3.2.2 合作系统对低强度微波辐射的选择性和敏感度理论

近年来不少科学家认为，弱微波对分子运动的微弱影响可以通过非线形的代,32,谢过程得到放大。例如文献研究了如下形式的自催化过程(在生命过程中，自催化过程普遍存在)

(3)

* 此处X、A、B、C分别表示不同种类的分子，C和C,表示处于活化或非活化,32,状态的C分子。若考虑热噪声的作用文献给出了上述过程的反应动力学Fokker-Plank方程

(4)

,32, 此处x=,X,， P(x，t) 为t时刻物质x浓度为,X,的几率密度。文献从上式出发给出系统从一种稳态到另一种稳态的转换时间比为

这意味着没有微波作用时， 系统将长期处于稳态,X,，

2而1 mW/cm的弱微波辐射则可立即改变系统的状态， 即弱微波对化学反应可能存在非热作用。但是，该项研究假设反应在微波辐射下仍然满足Arrhenius公式。,33,有实验证明Arrhenius型反应在微波辐射下已不再满足Arrhenius公式。

4 结论

总之，近年来弱电磁场(波)生物效应的研究仍在进行着，在实验数据上积累了相当多的资料，在理论上也提出了一些新的假设。但是，并未出现重大突破。在观点上仍存在着重大分歧。弱电磁场(波)生物效应研究是一个充满着诱惑和挑战的领域。它关系着人类的健康和以电磁波为载体的电子信息产业的发展，而它本身也有着重要的理论和实际意义。由于生物对象本身的复杂性，使得这方面的研究存在着重大分歧。弱电磁场(波)生物效应究竟存不存在呢,这个问题一方面涉及到实验研究问题，另一方面又涉及到理论研究问题。正如本文前面所述，实验存在分歧源于复杂的生物系统存在很大的个体差异性，导致实验的重复性不好，以及实验条件不好控制等。虽然科学有了长足的进展，但是对于最复杂的系统--生物体，知道的还很少，要求理论模型比较完善，有明确的靶目标并且具有实验检验性，困难确实很大。现在有些人悲观地提出要终止这项研究。1997年

10月在维也纳召开的联合国世界卫生组织会议上，结论是:现在没有充分的证

据证明弱电磁场对人体的伤害，但是，也不能排除这种可能。我们坚信，随着科

学的进一步发展，人类最终可以证明弱电磁场(波)生物效应存在与否，从而避

免有害的影响，利用有益的效应为人类造福。

生物电磁效应的研究不仅研究弱电磁场对人体是否有害，而且这项研究极大

地推动了信息学科自身的发展。主要表现在:(1)弱电磁场与波同生命系统之

间的相互作用呈现出强烈的非线性关系。即在电磁生物效应中电磁场主要起触发

作用，效应的能量主要来源于生物系统本身。为了搞清楚电磁场的触发作用，人

们不得不借助于最新的非线性科学理论来研究这些问题。这又反过来促进了非线

性科学的发展。(2)弱电磁场与波同生命系统之间相互作用的研究促进了一些新

的现象和规律的发现，这些发现促进了电子信息科学的发展。例如，生命系统在

宏观上虽是一个动态平衡系统但在局部却是非平衡的。对于电磁场与这些非平衡

系统之间相互作用的研究必将极大地推动传统电磁理论的发展。此外，人们还发

现生命系统对非常弱的电磁信号具有超敏感性，以及对噪声的强抗干扰能力，人

们正试图以此发展新的通讯模式。以及人们发现利用电磁场可以控制细胞和生物

大分子双稳态和多稳态的转变，人们正努力将其用于发展生物计算机，等等。

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范文二：电磁场的生物效应

电磁场的生物效应

国外科技新书评介2005年第1期(总第213期)生物,化学

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Biophysics,Copenhagen,Denmark,

etal(Eds.)

Physics0fBio.molecules

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生物分子和细胞物理学

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全书分十一部分.第一部分论述了

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学和微血流速度测量术等.第七部分介

绍细胞粘旌是否湿转变?微干涉术:评

定粘连强度和力的通用工具等.第八部

分论述了硅化物中的生物物理学,微米

制造和纳米制造,水动态运输等.第九

部分生物信息学中的若干物理问题,新

技术,基因调节等.第十部分讨论生物

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络等.第十一部分讨论了脑的思考,一

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本书内容涉及面广,包含生物分子

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生物物理系的教师,研究生和高年级学

生参阅,也可供从事相关专业的科研工

作者参考.

李国栋,研究员

(中国科学院物理学研究所)

LiGuodong,Professor

(InstituteofPhysics,

theChineseAcademyofSciences)

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Crete,Greece(Ed.)

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电磁场的生物效应

P.斯塔夫鲁拉基斯编

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场的作用,因此,电磁场的研究和技术

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书的内容很广泛,涉及电磁场的机理,

13

生物,化学国外科技新书评介2005年第1期(总第213期)

模型化,生物效应,治疗效应,国际标

准,照射判别准则等.

全书包括6章和2个附录,200幅插

图和86幅表格,由39位专家学者编着.

第1章绪论,介绍电磁幅射的意义,生

物电磁现象,电磁影响的观察和研究的

历史发展,电磁波按频率(波长)的分

类等;第2章介绍生物系统中电磁场作

用的机理,弱的时问变化和静态磁场,

从机理到治疗应用,生物系统中的离子

回旋共振:实验证据;第3章讨论了生

物系统中电磁场能量吸收的数学模型化,

在估价特殊吸收率中应用实验和理论方

法作数学模型化,移动电话技术中射频

剂量测定法中的数值技术等;第4章介

绍场的计算和测量,办公室中和家庭环

境中电场和磁场的测量和评定,铁路运

输中由交流带电产生的极低频磁场,直

流和交流能源铁路系统的磁场试验等;

第5章论述电磁场的生物效应,免疫系

统的电磁场效应,电磁场的生物医学应

用,实验动物胚胎和胎儿中的低功率密

度电磁辐射效应,144兆赫兹射频电磁场

对鼠的血参量和行为的效应等;第6章

讨论电磁场的治疗效应,电磁场治疗效

应的应用.附录A.世界卫生组织对电磁

场健康风险评定;附录B.非电离电磁场

危险量级照射准则.

本书内容较全面和新颖,可供高等

学校生物物理系,应用物理系的教师,

研究生和高年级学生参阅,也可供从事

相关专业研究和应用的科技工作者参考.

李国栋,研究员

(中国科学院物理学研究所)

LiGuodong,Professor

(InstituteofPhysics,

theChineseAcademyofSciences)

14

F.G.Barth.BiocenterInstituteof

Zoology—Neurobiology,Universityof

Vienna,Austria,etal(Eds.)

SensorsandSensingin

BiologyandEngineering

2003,399pp.

HardcoverEUR85.60

ISBN3乏11.83771一X

垒Springer

传感器及生物学和

工程学中的传感

F.G.巴兹等编

本书是一本关于生物和工程传感器

的论文集.生物传感器的特点是小型,

灵敏度高和有效性强.本书的设计是适

应生物学工作者及工程和物理学工作者

的需要和特长,各章均由相关的专家学

者撰写.

全书分五部分,共26章.第一部分

绪论(含第1,2章)内容为论述生物学

家观点的传感器和传感;工程师观点的

传感器和传感.第二部分为力学传感器

(含第3,8章,第9,15章).包括(A)

波,声和振动,(B)力和运动,具体为:

论述如何设计自然耳;如何制造传声器;

作为力学和声学换能器的地球上的脊椎

动物的中耳和外耳;外毛状细胞;力一电

和电一力传感器/作用器;硅耳蜗;生物学

激发微加工制成的力和位置机械传感器;

人工传感器的生物模型;蟋蟀风接收器;

触觉传感器及刺激转换的优化;如何检

测流体动力学的刺激;作为适应系统的

血脉管;机械传感器的作用;微血管扩

张的机理;传感天蓬通风的可能机理.

第三部分为视觉传感器和视觉(含第16

,

20章),具体为:论述从蝇视觉到机器

人视觉;机器人的朦胧视觉检测;倾视

范文三：电磁场的生物效应

电磁场的生物效应

对于磁场，物理学用磁场强度H和磁感应强度B来描述，物理学一开始用磁场强度H来描述磁场，后来才发现了和电场强度相对应的磁感应强度B。严格地说，H和B不是同一术语，H是磁场，B是磁通密度(详细的分析可以参见《电动力学》)，B是H所感应的磁场，所以B又叫磁感应强度。二者的关系为:

B = u H

其中u是导磁率。

磁场可以产生于变化的电场(如电流就是变化的电场)，也可以产生于永磁铁，地球就是一个巨大的磁铁，所以在地球表面的生物都会受到地磁场的作用，另外，人们还利用电、磁相互作用的原理制作了一些用来研究生物在各种不同强度下各种反映的仪器。

对作用和效应有影响的磁场参数有类型、磁强、均匀性、方向、作用时间等几个方面;就机体方面，对作用和效应有影响的机体因子有磁性、组成、种类、敏感性、部位和血流速度等几个方面。

生物效应:磁场从开始作用到看见机体的生物效应，一般有一段延迟时间。其主要原因可能是产生效应的磁场必须同时同方向地作用一段时间(叫物理作用时间)，机体才发生明显的生物效应，累积的物理量中的大多数，可看作是产生生物效应的阈前量，并且是可逆的。所谓可逆是指磁场方向和坐标(器官、细胞、分子)方向发生变化时，其发生生物效应的可能性也变，甚至变得反相，因此应设法使磁场方向和机体方向的夹角不变，这样累积的物理量就可能达到阈值，产生可见的生物效应。

下面分别讨论地磁的生物效应以及磁效应在生物学中的一些具体的应用: (一)、地磁的生物效应

很多的星体周围都具有磁场，地球也有，我们称之为地磁场。地球近似一均匀磁化球，但有区变和日变，区变指因为区域的不同而不同，有的磁强差别很大。每天变化约0.0001——0.0004G/day。磁南(S)极在地球北极附近，磁北极在地球南极附近，平均的磁强为0.5G。

法国细菌学家巴斯德(Pasteur)1862年发现，地磁场能促进所有植物的生长，在S极下，青土豆比附近的成熟快些。

人体也同样是个磁体，也有两极。人站立时，上N极，下S极。平卧时则右侧是N极，左侧是S极，人正面是N极，背面是S极。在自然定律有所谓的稳态平衡，即此种状态下时物体最稳定，地球北极有磁S极，人睡觉时，头朝北，脚朝南，则人体处于稳态平衡，轻微的扰动不会影响睡眠深度，从而能改善健康。反之，则稍一扰动，就会失去平衡，睡得不安稳，甚至烦躁，失眠。

(二)、DNA新陈代谢与生物磁效应

脱氧核糖酸(DNA)是所有生物(一部分病毒除外)的遗传物质，也就是遗传基因的组合。DNA存在于细胞核的染色体中。DNA和核糖枝酸(RNA)统称为核酸。核酸具有复杂的结构:由嘌呤碱基或嘧啶碱基与戊糖形成核苷，一个核苷的糖上一个OH基被磷酸化时，变为核苷酸，面核苷酸借助于磷酸二酯键连接成一种特定次序(一级结构)，便形成核酸。戊糖中一个OH基说O变为H时称为脱氧核糖核酸，DNA便是含脱氧核糖的核酸。DNA这种生物大分子具有复杂的双螺旋结构，螺旋的空间缠绕、曲折等还构成二级、三级等高级结构。核酸中诸原子主要是以共价键相结合，使整体结构稳定，保持遗传特性，两条螺旋中的碱基又以氢键相结合，使局部结构可能受到外界因素作用而发生畸变，由此可能产生变异。一些物理因素(如r射线、X射线、激光、磁场和超声等)能诱发生物突变便是基于低键能氢键的畸变。从生物磁学观点看，磁场可能引起DNA中氢键的畸变，影响H+离子的隧道效应，从而可导致部分遗物质结构(遗传消息)的变化，产生磁致遗传变异也可以利用磁共振等磁学方法来研究DNA的结构及在各种因素作用下，引起的构型等微观结构的变化。

新陈代谢是生命现象的不可缺少的重要特征，它包括生物体内物质的代谢和能量的代谢(转换)。从生物磁学观点看，自由基和载流子都会产生磁现象和磁效应，都可以采用磁技术进行其微观过程和机制的研究或应用。

从以上的讨论可以看出，生物磁现象、磁效应、生物磁技术以及它们的应用领域都是非常广阔的，综合它们所具有的宏观特点，分析它们可能涉及的生物微观察过程和机制，又都显示出与磁学理论有极为密切的联系，但却不能简单地归结为纯物理现象和磁效应，而必须考虑生命现象和生物科学的复杂性和特殊性，正确处理物理运动形态和生物运动形态的既有联系又有区别的辩证关系。在医学领域的应用不仅要有流行病学的调查，还要有动物实验与临床观察的依据，才能真正地发挥现代医用生物磁学的威力，为人类服务，为人类造福。

生物受到磁场和磁场梯度的作用时，它们的强度必须超过一定数值，才会引起磁场的生物效应，称为磁场阈效应。这一定的磁场或磁场梯度或磁场与其梯度和乘积分别称为阈磁场(BC)或阈磁场梯度(dB,dX)或阈磁场梯度积(B(dB,dX)。大量实验表明，不同生物或生命现象具有不同的阈磁场或阈磁场梯度或阈磁场?梯度积。

另一此生物则对磁场梯度或磁场?梯度积敏感。因此，研究磁场的生物效应时，必须仔细控制磁场和磁场梯度，在决定这些磁场参量的情况下进行实验观测。有些磁场生物效应难于重复甚至得到矛盾的结果。一种可能就是不同实验室或不同作者所用的磁场参量(包括强度和梯度)不相同引起的。

(三)、磁共振成像系统的生物效应

对于CT技术，很多人并不陌生，很多医院都有CT机。但是对于MRI(磁共振成像)很多人并不了解。CT是应用X射线对人体某一层面扫描后，检测其透过层面的X线强度的衰减成像。MRI与CT同属于计算机成像(具体见计算机成像的知识内容)，图象都是体层图象，有共同病理生理与病理解剖基础，两者有很多相同点，但也有不同点:比如，MRI没有电离辐射，对机体无甚不良影响;可以直接作出横断面矢状面和各种斜面图象等，但同时MRI要昂贵得多。

(磁共振成像MRI图)

1980 年以来MRI 技术获得了突飞猛进的发展但是进行MRI 检查时受检者暴露于静磁场梯度磁场和射频磁场的辐射之中从理论上讲上述各种场都将产生相关的生物学效应几年来其生物效应有无临床意义即MRI是否安全的问题一直受到人们关注因此关于MRI 生物效应的研究从来就没有停止过其报告无计其数然而目前还不能得出MRI 对机体存在潜在危害的结论或者说还没有理由认为它是有损的显然这方面的课题有待于更深入地研究本文综述MRI 对人体可能造成的种种影响即多年来人们在MRI 生物学效应研究方面所取得的成果。

一、生物效应研究的特殊性近年来先后出现的磁共振血管成像心脏MRI 电影MRI 快速与超快速成像准实时动态MRI 功能成像和介入MRI 等技术给人以日新月异之感相比之下MRI 的生物效应研究却远远滞后了其原因主要有以下几个方面:

(1) 生物效应研究的难度大 (2) 生物效应的影响因素多在磁共振成像过程中有可能导致生物效应的三种场均受多种因素影响这也是不同研究报告中出现相反结果的原因。

(3) MRI 系统千差万别目前全世界有MRI 系统近万台场强从0.1T 到7T(也可能更高)。

(4) 硬件发展过快。

(5)静磁场和RF 场的生物效应中均有窗口效应实际上目前为止的所有MRI 生物效应研究实验都是在特定的窗口中进行的亦即其实验结果不能任意推广。

二、静磁场的生物效应主要在以下几个方面:

1. 温度效应

静磁场对哺乳动物体温的影响称为温度效应(Temperature Effect) 它是MRI技术出现后最早受到关注的生物效应之一.但是多年来由于存在磁场使体温升高磁场不影响体温甚至磁场使身体某些部位的体温下降等多种观点。

1989年富兰克(G.S.Frank)等人采用荧光温度计在更精确的实验和环境条件下对1.5T 磁场中人体的体温变化进行了测量。该实验所用的测温方案比较科学其结果很快被广泛接受，它证明静磁场不影响人的体温。

2. 磁流体动力学效应

磁流体动力学效应(Magnetohydrodynamic Effect)是指，由磁场中的血流以及其他流动液体产生的生物效应在静磁场中它能使红细胞的沉积速度加快心电图发生改变并有可能感应出生物电位。

血液中的血红蛋白是氧的载体它的活性成分为血红素由于血红素含有一个铁离子(血红素铁) 使它具有一定的磁性但这种磁性与血红蛋白的氧合水平有关: 氧离血红蛋白有非常大的磁矩表现为顺磁性了; 氧合血红蛋白则没有磁矩或顺磁性效果氧离血红蛋白的顺磁特性有可能使血液中的红细胞在强磁场(包括强梯度场)中出现一定程度的沉积沉积的方向取决于血流在磁场中的相对位置由于动静脉血含氧量不同(血红蛋白的氧合水平不同) 沉积的程度也稍有不同根据这一原理人们用场梯度实验成功地分离了血液。血液在磁场中的沉积现象又叫静态血磁效应。

3. 中枢神经系统效应

急性短期地暴露于2.0T 以下的静磁场对人体不会产生明显的生物学影响但是1990 年以后全世界出现了多台4.0T 以上的MRI 系统大多数志愿者在这种超高场系统中出现眩晕恶心头痛口中有异味等主观感觉显然超高场磁体可导致人体某种显著的生理变化超高场的生理效应基础以及应采取的对策等都是需要进一步研究的课题。

三、梯度磁场的生物效应

1. 梯度场及其感应电流

梯度场的情况就大不相同梯度磁场是一种时变场根据法拉第电磁感应定律变化的磁场将在导体中感应出电流人体组织作为导体当穿过它的磁通量发生变化时同样会产生电流梯度场的这种感应电流是其生物效应的主要来源梯度场变化引起的法拉第感应电流在人体内部构成回路因此越是靠近机体外周的组织电流密度越大(作用半径大) 而越接近身体中心的组织电流越小电流通路还因组织类型的不同而异例如脂肪和骨等低电导的组织将改变感应电流的方向另外如果组织的导电性能很好感应电流还会进一步加大。

2. 梯度场的心血管效应

强电流对心血管系统的作用为直接刺激血管和心肌纤维等电敏感性细胞使其发生去极化过程引起心律不齐心室或心房纤颤等有计算表明当17mA以上的直流电通过心脏时就会发生心室纤颤一般将皮肤(感觉)神经或外周骨骼肌神经受到刺激(抽搐或收缩)看作心律不齐或心室纤颤出现的先兆。

3. 磁致光幻视

当磁场变化率为1T/s 时每平方厘米组织范围内产生的感生电流还不足1 A 而神经活2动的电流密度高达3000 A/cm 。可见常规MRI 检查时组织内产生的感应电流非常小但是当梯度变化率加快并使组织电流密度达到300A/cm2 左右即达到神经活动电流密度阈值的10%时就有可能导致误动作因此组织中比较显著的感应电流对生物组织有害无益。

梯度感应电流在神经系统的主要表现是所谓视觉磁致光幻视磁致光幻视(Wagnetophosphene)又叫光幻视或磁幻视是指在梯度场的作用下受试者眼前出现闪光感或色环的现象这种现象目前被认为是电刺激被检者视网膜感光细胞后形成的视觉紊乱是梯度场最敏感的生理反应之一光幻视与梯度场变化率和静磁场强度均有关系且在梯度场停止后自动消失进行常规MRI 检查时(1.5T 以下) 梯度场的变化率在20T/s 以下产生的电流密度也不足3 A/cm2 因而不会出现上述幻视觉但当双眼暴露于4.0T 的静磁场中时梯度场的变化(20~40Hz)便很容易使正常人产生磁幻视。

4. 梯度场的有关安全标准

美国FDA 和英国NRPB 是两家权威的梯度场安全标准发布机构FDA 安全标准的基本内容是MRI 扫描过程中病人所经受的梯度场变化率不能达到甚至超过使外周神经出现误刺激的阈值里另外还有一些附加标准。

四、射频场的生物效应

人体是具有一定生物电阻的导体因此当人体受到电磁波照射时就有将其能量转换为欧姆热的能力实践表明MRI 扫描时RF 激励波的功率将全部或大部被人体所吸收其生物效应主要是体温的变化。

(四)射频场的生物效应

射频场对体温有影响:MRI 扫描中,波所传送的能量首先由组织吸收，然后以热的形式放出使体温得以提高。静磁场与体温无关,因此，MRI检查时，病人体温的变化完全是射频场作用的结果。另外射频场易损伤一些器官特别是人体中散热功能不好的器官如眼睛等，对温度的升高非常敏感。因此这些部位是最容易受MRI系统射频幅射损伤。

在生活中，利用磁场制成的各种治疗、保健器材如各种磁枕头、磁鞋、磁按摩仪等。

上图就是利用磁场的生物效应制成的健康靠垫，集生物磁场、远红外效应、负离子效应、按摩于一体。

健康靠垫往往是按照人体穴位分布，在靠垫表层分布了一些永久磁石，能有效促进局部血液循环，改善微循环状态与营养供给速度，提高机体免疫能力，增强腰部活动力。同时具有消炎、消肿、镇痛等功效。

(五)、手机电磁场辐射对人体的影响

手机辐射到底有害还是无害，多年以来专家一直对此争论不休。一般认为，手机的电磁波很弱，对人体影响微乎其微。北京交大的一项调查表明，手机的电磁辐射，有一半被人体吸收，其中有四分之一被人脑吸收。据调查，长期使用手机的人，已经出现头晕、记忆力减退、视力下降、耳部出现红斑等症状。中国消费者协会曾做过一项测试，测试结果发现，手机辐射最高的达到10000微瓦,平方厘米，最小值也达到300微瓦,平方厘米，电磁辐射剂量已严重超过我国相关卫生标准允许的上限。除了手机外，各种家用电器、电子设备、办公自动化设备、移动通讯设备等电器装置只要处于操作使用状态，它的周围就会存在电磁辐射。据专家介绍，长期处于高电磁辐射环境下，可能会对人体健康产生以下影响:

1.对心血管系统的影响，表现为心悸,失眠,心动过缓，心搏血量减少，窦性心率不齐，白细胞减少，免疫功能下降等。

2.对视觉系统的影响，表现为视力下降，引起白内障等。

3.对生殖系统的影响，表现为性功能降低。

4.长期处于高电磁辐射的环境中，会使血液、淋巴液和细胞原生质发生改变;影响人体的循环系统、免疫、生殖和代谢功能，严重的还会诱发癌症，并会加速人体的癌细胞增殖。

5.装有心脏起搏器的病人处于高电磁辐射的环境中，会影响心脏起搏器的正常使用。 此外，据德国《图片报》2004年12月的一则报道，欧盟科学家最近的研究结果证实，手机辐射能够破坏细胞和带有人类遗传信息的,,,。来自7个欧盟国家的12个研究小组就电磁场对人类细胞的影响这一课题进行了为期3年的研究。专家们测定，如果手机对于每公斤人体组织的辐射值大于1(3瓦，那就会对人的遗传信息造成破坏，而现在辐射的极限值则是每公斤2瓦。此外，电磁场还会使人体产生一种有害的蛋白质。电磁辐射无色无味无形，

可以穿透包括人体在内的多种物质。

参考文献:《物理因子的生物效应》刘普和 著，科学出版社;

http://www.songfu.com;

两篇参考文献的来源:http://www.gangchang.net/Article_Show.asp?ArticleID=1934 ;其一作者为:赵喜平，文献来源:

http://www.tech-ex.com/article_images/230354/ms944.pdf)

http://it.sohu.com/20041210/n223421587.shtml

http://finance.sina.com.cn/x/20010807/92162.html http://tech.sina.com.cn/news/it/2000-03-10/19666.shtml

紫外线的生物效应

光是由于原子跃迁产生的，不同的能级间的跃迁会产生不同频

率的光，在自然状态下，原子的能级跃迁所产生的光的频率往往是

一个范围，太阳所发出的光中，就包含了各种频率的光，其中大部

分光是人眼所不能直接看见的。这个专题主要说明紫外线的生物效

应。

由于紫外线有着较高的频率，因此，它有着较高的能量，利用

其能量高的特点可以有特殊作用。如利用紫外线杀菌(右图就是一

台紫外线灭菌机)。

阳光中包含各种频率的光，也同样包含了

紫外光。右图反映的是太阳周围的紫外线分布。

日光中的紫外线能杀死各种细菌，平时多晒衣服和被子就可以利

用日光中的紫外线杀菌。但是，过量的紫外线照射会给人带来危害。

强紫外线对人体的侵害莫过于对皮肤的伤害了，轻者可使皮肤变粗

糙，出现或加深褐斑。重者可导致皮肤癌。所以学会在强紫外线下的

自我保护非常重要。一般来说，如果预报紫外线强度为弱或偏弱时，对人 (太阳在紫外线波段)

体没有什么伤害，但如果强度较强时，紫外线会对人体构成危害。

(紫外线伤人) (强烈的紫外线让人猝不及防)

以上是对紫外线的直观的了解。紫外线的波长范围约是380-190nm，红外线的波长是8μm,12μm，介于两者之间的是可见光。紫外光和红外光是看不见的，比紫外光频率更高的是X光、r光。分子吸收紫外光子后，分子的能量增加。只有当光子的能量hv等于分子能级之差时才能被吸收，这与上个专题中的激光的产生是一样的。

紫外线导致细胞和病毒的失活:紫外线对细胞、病毒最引人注目的生物效应是失活，这意味着它们将失去繁殖能力。即单细胞(细菌酵母菌等)群体随紫外线能量密度的增加，能形成集落的个数下降;多细胞机体培养受到照射时，一部分细胞失去分裂能力;以及受照射的噬菌体和病毒粒不再能在一层施主细胞中形成噬菌斑。

紫外线能诱发突变:在高中学习生物学知识时，我们初步了解到紫外线能诱使基因发生突变。但是，在诱发方面，紫外线远没有电离辐射重要，加之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这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。分子突变不是紫外线的直接光化效应，而是生物进行修复的时出现的顺序错误。每一修复时间出现错误的几率当然很小，所以在利用紫外线照射产生想获得的基因突变则需要做大量的实验统计。另外，紫外线还可以影响大分子的合成，，使其合成速率下降。这效应对DNA合成比对RNA或蛋白质合成更显著。

本专题的开始部分谈到了关于紫外线对人的伤害，下面了解一下紫外线对人体皮肤的效应主要会引起红斑效应:紫外线照射一段时间后，皮肤发红，这现象叫红斑效应，又叫日灼伤。严重的可生水疱，继以蜕皮。

参考文献:刘普和 物理因子的生物效应[M]科学出版社,1992。

范文四：电磁场对癌细胞的生物学效应

电磁场对癌细胞的生物学效应

引 言

电磁场生物学窗效应是指受电磁场作用的生物系统, 对电磁场特定离散频率或者功率密 度的特异性响应。 对于窗效应的大部分实验研究, 表现为极低频 (ELF ) 连续波或者 ELF 连续波、脉冲波幅度调制的射频载波产生的生物学效应的研究。研究表明:低强度 (<1mw m2)="" 、="" elf="" 脉冲波幅度调制的射频载波作用下的生物系统,="">

对于 ELF 脉冲波调制下的载波作用于生物系统的窗效应的实验研究, 已有一些学者作了 一定的工作。如 Oscar 和 Harins 用脉冲幅度调制的微波照射大鼠丘脑下部海马,发现 宽度为 10μs , 重复频率 为 50Hz , 平均功率密度为 0.3mw/cm2的脉冲调制的微波 (1300M ) 引起的海马对 C 14标记 D-甘露醇的吸收比参数为 10μs 、 100Hz 、 2mw/cm2的脉冲调制的微 波效果明显。 Oscar 等还发现:用连续波(1300M )照射的大鼠脑髓质对 D-甘露醇的吸 收峰值在 1mv/cm2,而用宽度为 0.5μs 、重复频率为 1000Hz 的脉冲调制的微波照射,吸 收峰值在 0.5mv/cm2处等。 Kamenskil [2]发现用宽度为 1μs 重复频率为 100、 200、 700Hz , 平均功率密度为 12mv/cm2的脉冲幅度调制频率为 3G 的微波照射青蛙,在 700Hz 处,可 使青蛙坐骨神经兴奋性提高 15%。从这些工作可以看出:一方面,生物系统对连续微波 和脉冲波调制的微波响应不同。另一方面也说明, ELF 脉冲波调制的微波可导致生物系 统的窗效应现象。 但 ELF 脉冲波直接作用于生物系统, 产生的生物学效应值得研究。 本 文给出了人体肝癌细胞在一定频率或幅值的脉冲波照射前、 后, 胞内钙离子荧光强度的 变化情况。结果说明 ELF 脉冲波作用的生物系统也可引起窗效应现象。

材料和方法

一、试剂和材料

1.试剂

(1) M1640培养液 小牛血清 Fluo -3荧光探针

二甲基亚砜 胰蛋白酶

(2) D-Hank ’ S 液(g/l)

NaCl 8.00 MgSO 4·7H 2O 0.20

KCl 0.40 Na2HPO 4·12H 2O 0.12

KH 2PO 40.06 NaHCO 30.35

2.材料

信号功率发生器 (YB -1561) (江苏、扬中)

示波器 (Ⅴ -252, 20M ) (香港)

TEM 小室 (西安电子科技大学研制)

温度控制仪 (SWK-1) (北京、司南)

匹配负载 (50欧姆)

激光扫描共聚焦显微镜

二、胞样品的制备和负载

1.细胞样品的制备

取对数生长期培养的人体肝癌(7721)细胞株,经常规消化(用胰蛋白酶)制成悬液, 然后将其接种于特制的 50mm 的培养皿 (培养皿底产中央开一直径约为 10mm 的小孔, 并 从底部粘贴一盖波片)底部的盖波片上,并加含 10%小牛血清的 M1640培养液后,置于 温度为 37℃,含有 5%CO2的培养箱中。次日即可进行负载。

2.负载

取荧光探针备用液一支,给其中加一定量的 D-Hank ’ s 液。然后,用 D-Hank ’ s 液洗涤细 胞样本 2~3次,于 24~35℃避光条件下,将 Fluo-3/AM一定量与样本一起孵育 30分钟 左右,待细胞内积聚了足够高浓度的荧光探针后,再用 D-Hank ’ s 液冲洗三次。然后进 行检测。

三、实验照射系统

四、实验流程

实验结果被列在表一中。在表一中,细胞 1、2……等数据是细胞内钙离子荧光强度与 背景光的荧光强度的差值,且照射前、后的细胞 1、2……等没有对应关系,比如,细 胞 1对应的数值,并不是同一个细胞照射前、后的荧光强度与背景光荧光强度的差值。 考虑到每一参数下, 照射前、 后用的是同一培养皿中的细胞等条件, 所以在数据分析时, 仅考虑离散的重复频率和离散的功率密度单一因素对细胞生物学效应的影响, 即分析采 用单因素分析 [3]的方法。

由表一的数据分析结果可以看出:在 τ/T=0.117、脉冲幅度为 2.12V 、试样温度控制在 35.2℃的情况下,用重复频率为 16、 32、 45、 60Hz 的矩没脉冲照射人体肝癌细胞,在 α=0.05水平下, 16、 45Hz 照射能引起胞内钙离子荧光强度幅值为 1.05、 2.12、 3.21、 3.48V 的脉冲照射细胞,发现在 2.12、 3.21V 处,照射前、后,钙离子荧光强度有显著 性差异(在 α=0.05水平下) ,而在 1.05、 3.48处差异不显著。

我们的工作是以前工作的继续和延伸, 也为了能与 ELF 连续性对生物系统作用产生效果

进行比较。 我们选取了 16、 32、 45和 60Hz 作脉冲的重复频率, 考虑到非热效应的功率 密度要求,因而,在功率密度对应的脉冲幅度的选取上满足低强度的要求。

脉冲的幅度值采用低的数值,从生理学角度讲,也是为了保证细胞有 100%的存活率。 这对生物体非常重要, 也对于窗效应的生物医学应用提供依据。 如:对某些疾病的药物 治疗,可通过窗效应提高药效。

至于窗效应的机理, ICR 、 IPR 模型等 ELF 连续波作用下,生物体表现出的窗效应现象 有一定的解释。但脉冲作用于生物系统而产生的生物学窗效应是需要进一步讨论的问 题。 (数据见附页)

ELF 脉冲波对人体肝癌细胞内钙离子浓度的影响 表一

说明:1)细胞样品在 TEM 小室内照射时间为 20分钟。

2) TEM 小室产生的磁场的方向与地磁场的方向平行。

3) /T=0.117。

牛中奇(西安电子科技大学 710071)

张辉(咸阳师范专科学校 712000

范文五：电磁场的生物效应与磁致光幻视

电磁场的生物效应与磁致光幻视

对于磁场,物理学用磁场强度 H 和磁感应强度 B 来描述,物理学一开始用磁场强度 H 来描 述磁场,后来才发现了和电场强度相对应的磁感应强度 B 。严格地说, H 和 B 不是同一术 语, H 是磁场, B 是磁通密度(详细的分析可以参见《电动力学》 ) , B 是 H 所感应的磁场, 所以 B 又叫磁感应强度。二者的关系为:

B = u H

其中 u 是导磁率。

磁场可以产生于变化的电场(如电流就是变化的电场) ,也可以产生于永磁铁,地球就是一 个巨大的磁铁, 所以在地球表面的生物都会受到地磁场的作用,另外, 人们还利用电、 磁相 互作用的原理制作了一些用来研究生物在各种不同强度下各种反映的仪器。

对作用和效应有影响的磁场参数有类型、磁强、均匀性、方向、作用时间等几个方面;就机 体方面,对作用和效应有影响的机体因子有磁性、组成、种类、敏感性、部位和血流速度等 几个方面。

生物效应:磁场从开始作用到看见机体的生物效应, 一般有一段延迟时间。 其主要原因可能 是产生效应的磁场必须同时同方向地作用一段时间(叫物理作用时间) ,机体才发生明显的 生物效应, 累积的物理量中的大多数,可看作是产生生物效应的阈前量,并且是可逆的。所 谓可逆是指磁场方向和坐标(器官、细胞、分子)方向发生变化时,其发生生物效应的可能 性也变, 甚至变得反相, 因此应设法使磁场方向和机体方向的夹角不变, 这样累积的物理量 就可能达到阈值,产生可见的生物效应。

下面分别讨论地磁的生物效应以及磁效应在生物学中的一些具体的应用:

(一) 、地磁的生物效应

很多的星体周围都具有磁场,地球也有, 我们称之为地磁场。 地球近似一均匀磁化球, 但有 区 变 和 日 变 , 区 变 指 因 为 区 域 的 不 同 而 不 同 , 有 的 磁 强 差 别 很 大 。 每 天 变 化 约 0.0001—— 0.0004G/day。磁南(S )极在地球北极附近,磁北极在地球南极附近,平均的 磁强为 0.5G 。

法国细菌学家巴斯德 (Pasteur ) 1862年发现, 地磁场能促进所有植物的生长, 在 S 极下, 青土豆比附近的成熟快些。

人体也同样是个磁体,也有两极。人站立时,上 N 极,下 S 极。平卧时则右侧是 N 极,左 侧是 S 极,人正面是 N 极,背面是 S 极 (注:磁体对人体作用下为阳,左为阳,背为阳,都 对应 S 极 ) 。在自然定律有所谓的稳态平衡,即此种状态下时物体最稳定,地球北极有磁 S 极,人睡觉时,头朝北,脚朝南,则人体处于稳态平衡,轻微的扰动不会影响睡眠深度,从 而能改善健康。反之,则稍一扰动,就会失去平衡,睡得不安稳,甚至烦躁,失眠。

(二) 、 DNA 新陈代谢与生物磁效应

脱氧核糖酸 (DNA)是所有生物 (一部分病毒除外 ) 的遗传物质,也就是遗传基因的组合。 DNA 存在于细胞核的染色体中。 DNA 和核糖枝酸 (RNA)统称为核酸。核酸具有复杂的结构:由 嘌呤碱基或嘧啶碱基与戊糖形成核苷, 一个核苷的糖上一个 OH 基被磷酸化时, 变为核苷酸, 面核苷酸借助于磷酸二酯键连接成一种特定次序 (一级结构 ) ,便形成核酸。戊糖中一个 OH 基说 O 变为 H 时称为脱氧核糖核酸, DNA 便是含脱氧核糖的核酸。 DNA 这种生物大分子 具有复杂的双螺旋结构, 螺旋的空间缠绕、曲折等还构成二级、三级等高级结构。 核酸中诸 原子主要是以共价键相结合, 使整体结构稳定, 保持遗传特性, 两条螺旋中的碱基又以氢键 相结合, 使局部结构可能受到外界因素作用而发生畸变, 由此可能产生变异。 一些物理因素 (如 r 射线、 X 射线、激光、磁场和超声等 ) 能诱发生物突变便是基于低键能氢键的畸变。从

生物磁学观点看,磁场可能引起 DNA 中氢键的畸变,影响 H+离子的隧道效应,从而可导 致部分遗物质结构 (遗传消息 ) 的变化, 产生磁致遗传变异也可以利用磁共振等磁学方法来研 究 DNA 的结构及在各种因素作用下,引起的构型等微观结构的变化。

新陈代谢是生命现象的不可缺少的重要特征,它包括生物体内物质的代谢和能量的代谢 (转 换 ) 。从生物磁学观点看,自由基和载流子都会产生磁现象和磁效应,都可以采用磁技术进 行其微观过程和机制的研究或应用。

从以上的讨论可以看出, 生物磁现象、 磁效应、 生物磁技术以及它们的应用领域都是非常广 阔的, 综合它们所具有的宏观特点, 分析它们可能涉及的生物微观察过程和机制, 又都显示 出与磁学理论有极为密切的联系, 但却不能简单地归结为纯物理现象和磁效应, 而必须考虑 生命现象和生物科学的复杂性和特殊性, 正确处理物理运动形态和生物运动形态的既有联系 又有区别的辩证关系。 在医学领域的应用不仅要有流行病学的调查, 还要有动物实验与临床 观察的依据,才能真正地发挥现代医用生物磁学的威力,为人类服务,为人类造福。

生物受到磁场和磁场梯度的作用时, 它们的强度必须超过一定数值, 才会引起磁场的生物效 应, 称为磁场阈效应。 这一定的磁场或磁场梯度或磁场与其梯度和乘积分别称为阈磁场 (BC)或阈磁场梯度 (dB/dX) 或阈磁场梯度积 (B. dB /dX) 。大量实验表明,不同生物或生命现象 具有不同的阈磁场或阈磁场梯度或阈磁场 ·梯度积。

另一此生物则对磁场梯度或磁场 ·梯度积敏感。因此,研究磁场的生物效应时,必须仔细控 制磁场和磁场梯度, 在决定这些磁场参量的情况下进行实验观测。 有些磁场生物效应难于重 复甚至得到矛盾的结果。一种可能就是不同实验室或不同作者所用的磁场参量 (包括强度和 梯度 ) 不相同引起的。

(三) 、磁共振成像系统的生物效应

对于 CT 技术,很多人并不陌生,很多医院都有 CT 机。但是对于 MRI (磁共振成像)很多 人并不了解。 CT 是应用 X 射线对人体某一层面扫描后, 检测其透过层面的 X 线强度的衰减 成像。 MRI 与 CT 同属于计算机成像 (具体见计算机成像的知识内容) , 图象都是体层图象, 有共同病理生理与病理解剖基础,两者有很多相同点,但也有不同点:比如, MRI 没有电 离辐射, 对机体无甚不良影响; 可以直接作出横断面矢状面和各种斜面图象等, 但同时 MRI 要昂贵得多。

1980 年以来 MRI 技术获得了突飞猛进的发展但是进行 MRI 检查时受检者暴露于静磁场 梯度磁场和射频磁场的辐射之中从理论上讲上述各种场都将产生相关的生物学效应几年来 其生物效应有无临床意义即 MRI 是否安全的问题一直受到人们关注因此关于 MRI 生物效应 的研究从来就没有停止过其报告无计其数然而目前还不能得出 MRI 对机体存在潜在危害的 结论或者说还没有理由认为它是有损的显然这方面的课题有待于更深入地研究本文综述 MRI 对人体可能造成的种种影响即多年来人们在 MRI 生物学效应研究方面所取得的成果。 一、生物效应研究的特殊性近年来先后出现的磁共振血管成像心脏 MRI 电影 MRI 快速与 超快速成像准实时动态 MRI 功能成像和介入 MRI 等技术给人以日新月异之感相比之下 MRI 的生物效应研究却远远滞后了其原因主要有以下几个方面:

(1) 生物效应研究的难度大 (2) 生物效应的影响因素多在磁共振成像过程中有可能导致生 物效应的三种场均受多种因素影响这也是不同研究报告中出现相反结果的原因。

(3) MRI 系统千差万别目前全世界有 MRI 系统近万台场强从 0.1T 到 7T(也可能更高 ) 。

(4) 硬件发展过快。

(5)静磁场和 RF 场的生物效应中均有窗口效应实际上目前为止的所有 MRI 生物效应研究 实验都是在特定的窗口中进行的亦即其实验结果不能任意推广。

二、静磁场的生物效应主要在以下几个方面 :

1. 温度效应

静磁场对哺乳动物体温的影响称为温度效应 (Temperature Effect) 它是 MRI 技术出现后最 早受到关注的生物效应之一 . 但是多年来由于存在磁场使体温升高磁场不影响体温甚至磁场 使身体某些部位的体温下降等多种观点。

1989年富兰克 (G.S.Frank)等人采用荧光温度计在更精确的实验和环境条件下对 1.5T 磁场 中人体的体温变化进行了测量。 该实验所用的测温方案比较科学其结果很快被广泛接受, 它 证明静磁场不影响人的体温。

2. 磁流体动力学效应

磁流体动力学效应 (Magnetohydrodynamic Effect)是指,由磁场中的血流以及其他流动液体 产生的生物效应在静磁场中它能使红细胞的沉积速度加快心电图发生改变并有可能感应出 生物电位。

血液中的血红蛋白是氧的载体它的活性成分为血红素由于血红素含有一个铁离子 (血红素铁 ) 使它具有一定的磁性但这种磁性与血红蛋白的氧合水平有关:氧离血红蛋白有非常大的磁 矩表现为顺磁性了; 氧合血红蛋白则没有磁矩或顺磁性效果氧离血红蛋白的顺磁特性有可 能使血液中的红细胞在强磁场 (包括强梯度场 ) 中出现一定程度的沉积沉积的方向取决于血 流在磁场中的相对位置由于动静脉血含氧量不同 (血红蛋白的氧合水平不同 ) 沉积的程度也 稍有不同根据这一原理人们用场梯度实验成功地分离了血液。 血液在磁场中的沉积现象又叫 静态血磁效应。

3. 中枢神经系统效应

急性短期地暴露于 2.0T 以下的静磁场对人体不会产生明显的生物学影响。 但是 1990 年以 后全世界出现了多台 4.0T 以上的 MRI 系统大多数志愿者在这种超高场系统中出现眩晕恶 心头痛口中有异味等主观感觉显然超高场磁体可导致人体某种显著的生理变化超高场的生 理效应基础以及应采取的对策等都是需要进一步研究的课题。

三、梯度磁场的生物效应

1. 梯度场及其感应电流

梯度场的情况就大不相同梯度磁场是一种时变场根据法拉第电磁感应定律变化的磁场将在 导体中感应出电流人体组织作为导体当穿过它的磁通量发生变化时同样会产生电流梯度场 的这种感应电流是其生物效应的主要来源梯度场变化引起的法拉第感应电流在人体内部构 成回路因此越是靠近机体外周的组织电流密度越大 (作用半径大 ) 而越接近身体中心的组织 电流越小电流通路还因组织类型的不同而异例如脂肪和骨等低电导的组织将改变感应电流 的方向另外如果组织的导电性能很好感应电流还会进一步加大。

2. 梯度场的心血管效应

强电流对心血管系统的作用为直接刺激血管和心肌纤维等电敏感性细胞使其发生去极化过 程引起心律不齐心室或心房纤颤等。有计算表明当 17mA 以上的直流电通过心脏时就会发 生心室纤颤一般将皮肤 (感觉 ) 神经或外周骨骼肌神经受到刺激 (抽搐或收缩 ) 看作心律不齐或 心室纤颤出现的先兆。

3. 磁致光幻视

当磁场变化率为 1T/s 时每平方厘米组织范围内产生的感生电流还不足 1 A 而神经活动的 电流密度高达 3000 A/cm2 。可见常规 MRI 检查时组织内产生的感应电流非常小但是当梯 度变化率加快并使组织电流密度达到 300A/cm2 左右即达到神经活动电流密度阈值的 10%时就有可能导致误动作因此组织中比较显著的感应电流对生物组织有害无益。

梯 度 感 应 电 流 在 神 经 系 统 的 主 要 表 现 是 所 谓 视 觉 磁 致 光 幻 视 磁 致 光 幻 视 (Wagnetophosphene)又叫光幻视或磁幻视是指在梯度场的作用下受试者眼前出现闪光感 或色环的现象这种现象目前被认为是电刺激被检者视网膜感光细胞后形成的视觉紊乱是梯 度场最敏感的生理反应之一光幻视与梯度场变化率和静磁场强度均有关系且在梯度场停止

后自动消失进行常规 MRI 检查时 (1.5T 以下 ) 梯度场的变化率在 20T/s 以下产生的电流密 度也不足 3 A/cm2 因而不会出现上述幻视觉但当双眼暴露于 4.0T 的静磁场中时梯度场的 变化 (20~40Hz)便很容易使正常人产生磁幻视。

4. 梯度场的有关安全标准

美国 FDA 和英国 NRPB 是两家权威的梯度场安全标准发布机构 FDA 安全标准的基本内容 是 MRI 扫描过程中病人所经受的梯度场变化率不能达到甚至超过使外周神经出现误刺激的 阈值里另外还有一些附加标准。

四、射频场的生物效应

人体是具有一定生物电阻的导体因此当人体受到电磁波照射时就有将其能量转换为欧姆热 的能力实践表明 MRI 扫描时 RF 激励波的功率将全部或大部被人体所吸收其生物效应主要 是体温的变化。

(四)射频场的生物效应

射频场对体温有影响 :MRI 扫描中 , 波所传送的能量首先由组织吸收, 然后以热的形式放出使 体温得以提高。静磁场与体温无关 , 因此, MRI 检查时,病人体温的变化完全是射频场作用 的结果。 另外射频场易损伤一些器官特别是人体中散热功能不好的器官如眼睛等, 对温度的 升高非常敏感。因此这些部位是最容易受 MRI 系统射频幅射损伤。

在生活中,利用磁场制成的各种治疗、保健器材如各种磁枕头、磁鞋、磁按摩仪等。

上图就是利用磁场的生物效应制成的健康靠垫,集生物磁场、 远红外效应、 负离子效应、按 摩于一体。

健康靠垫往往是按照人体穴位分布, 在靠垫表层分布了一些永久磁石, 能有效促进局部 血液循环, 改善微循环状态与营养供给速度, 提高机体免疫能力, 增强腰部活动力。同时具 有消炎、消肿、镇痛等功效。

(五) 、手机电磁场辐射对人体的影响

手机辐射到底有害还是无害, 多年以来专家一直对此争论不休。 一般认为, 手机的电磁波很 弱, 对人体影响微乎其微。 北京交大的一项调查表明, 手机的电磁辐射, 有一半被人体吸收, 其中有四分之一被人脑吸收。据调查,长期使用手机的人,已经出现头晕、记忆力减退、视 力下降、耳部出现红斑等症状。 中国消费者协会曾做过一项测试, 测试结果发现, 手机辐射 最高的达到 10000微瓦/平方厘米,最小值也达到 300微瓦/平方厘米,电磁辐射剂量已 严重超过我国相关卫生标准允许的上限。 除了手机外,各种家用电器、 电子设备、 办公自动 化设备、 移动通讯设备等电器装置只要处于操作使用状态, 它的周围就会存在电磁辐射。 据 专家介绍,长期处于高电磁辐射环境下,可能会对人体健康产生以下影响:

1. 对心血管系统的影响,表现为心悸 , 失眠 , 心动过缓,心搏血量减少,窦性心率不齐, 白细胞减少,免疫功能下降等。

2. 对视觉系统的影响,表现为视力下降,引起白内障等。

3. 对生殖系统的影响,表现为性功能降低。

4. 长期处于高电磁辐射的环境中,会使血液、淋巴液和细胞原生质发生改变;影响人体 的循环系统、免疫、生殖和代谢功能,严重的还会诱发癌症,并会加速人体的癌细胞增殖。 5. 装有心脏起搏器的病人处于高电磁辐射的环境中,会影响心脏起搏器的正常使用。 此外,据德国《图片报》 2004年 12月的一则报道,欧盟科学家最近的研究结果证实,手 机辐射能够破坏细胞和带有人类遗传信息的DNA。来自 7个欧盟国家的 12个研究小组就 电磁场对人类细胞的影响这一课题进行了为期 3年的研究。专家们测定,如果手机对于每 公斤人体组织的辐射值大于 1. 3瓦,那就会对人的遗传信息造成破坏,而现在辐射的极限 值则是每公斤 2瓦。此外,电磁场还会使人体产生一种有害的蛋白质。电磁辐射无色无味

无形,可以穿透包括人体在内的多种物质。

参考文献:《物理因子的生物效应》刘普和 著,科学出版社;

http://www.songfu.com;

两篇参考文献的来源:http://www.gangchang.net/Article_Show.asp?ArticleID=1934 ; 其一 作者为:赵喜平,文献来源:http://www.tech-ex.com/article_images/230354/ms944.pdf) http://it.sohu.com/20041210/n223421587.shtml

http://finance.sina.com.cn/x/20010807/92162.html

http://tech.sina.com.cn/news/it/2000-03-10/19tml

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