生物电磁学课件.ppt

* 电离辐射 直接作用 间接作用 生物体分子激发电离 DNA周围物质(水)激发电离 原始创伤 扩散自由基 分子内能转移 与生物分子作用 生物自由基 物理阶段 10-18~10-11s 化学阶段 10-11~1s 1、加成反应： OH? 和H?对DNA分子碱基亲和力较大，造成核酸碱基损伤 2、抽氢反应：（氧化性） OH·易从生物大分子中抽取一个 H ，造成DNA连断裂 3、电子俘获：（还原性） eaq- 攻击 导致—S—S—断裂，引起蛋白质、酶失活 DNA和膜是射线的靶，是引起细胞变化的关键 生物电磁学 (Bioelectromagnetism) ●用电磁学理论和方法研究包括电离辐射、静电场和磁场在内的电磁波与具有电磁结构的生物体相互作用的机理、特性、规律以及应用的学科 生物电磁性质（产生机制、理化性质和时空变化规律） 电磁场的生物效应 §1—1 生物电特性 蛋白质——构成成分氨基酸在水中离解成离子基团或电偶极子 DNA——碱基和磷酸酯存在离子基团和电偶极子 生物水——电偶极子 组织液——无机离子 K+ Na+ Ca2+ Cl- 等 体内电荷形式： 离子、离子基团、电偶极子 氨基酸靠肽键联结聚合成多肽链 原子中心不重合使肽键呈现极性 一、蛋白质和DNA的偶极矩 1、蛋白质的偶极矩 （电磁作用靶点） 带电原子的相互作用维持空间构型 二、生物水的电特性 水分子具有很强的偶极性；能与其它离子或生物大分子之间以氢键相联系，决定其构象和功能 平均寿命10－11 s 2、DNA的偶极矩 DNA由核苷酸分子构成，核苷酸两端的基团都是极化的，具有一定的电偶极矩。DNA中每一个碱基都具有一定的电偶极矩.是电磁作用的靶点 A-T 5.9D C-G 6.2D 磷酸头 （亲水性） 甘油酯尾 （疏水） 磷脂分子 ⑴ 细胞膜——脂双层 1、 细胞静息电位 细胞膜内外存在电位差，称为膜电位。 ●人体任何细微的活动，都伴随着生物电的产生和变化 ●生物电是以细胞为单位产生的。 三、细胞电活动基础（组织液中的带电离子） 式中k为玻耳兹曼常数；Z为离子价数。 能斯特方程 半透膜 u ⑵ 静息电位 KCl 2、 细胞的动作电位 ● 细胞受到刺激时，膜电位发生突然变化，即动作电位。 ●跨膜电位差形成的原因： ①膜内外各种离子分布不均匀——不对称性； ②膜对各种离子具有不同的通透性——选择通透性； ③离子间存在静电相互作用——离子浓度和功能不同。 3、 心电的产生 一个偶极子在体表某点的电位： P = ql 刺激 ①电偶极子的形成 部分心肌细胞偶极子的电位： 瞬时心电向量： ② 心电向量 ●人体组织是容积导体，心肌细胞兴奋时，心电偶形成心电场，使人体体表各点均具有一定的电位 用心电图机记录下随心动周期而变化的电位差波形即为心电图。 ③ 心电图 ●大量细胞组成的生物组织——生物电信号源。 ●在体表检测电位的变化，可以反映体内的生理功能。 零电势点的确定 心电图导联 心电导联：以单极导联法为例 2cos600cos(1800+θ)= －cosθ 4、 脑电的产生 ●大脑皮层有数以亿计的神经元组成，神经元具有生物电活动，大脑皮层经常具有持续的节律性电位的改变，称为自发脑电活动。 用电极在头皮上观察皮层的电位(10～100μV)变化，记录到的脑电波称为脑电图。 ●诱发电位： 由外界诱发（电、光、声等刺激）引起脑电位的变化（经头皮引出0～10μV) 脑电图 △x a L 2πa + + + + + ++++++++++++++++++++ — — — — — — + 四、细胞的电参量 △x The cell membrane as an RC circuit ◆ 神经细胞的电传导 树突 轴突 五、生物电阻抗 不同组织导电性能差别大： 人体外层是导电能力很差的皮肤,内部有导电能力较强的体液。 各组织的含水量、含离子量和结构特征不同，电阻率不同。 107 10.8×102 38.0 ×102 40.0 ×103 20.0 ×105 90.0 脑 脂肪 湿皮 干皮 无膜骨 肌肉 0.555 0.714 1.85 25.0 80.0 脑脊液 血清 血液 神经 肝 电阻率 组织 电阻率 组织 人体组织的直流电阻率（ Ω·m） 2. 人体电阻抗与电流频率有关： 人体可看成是一个电解质电容器和电阻的并联电路。 直流在细胞间隙流过；交流可通过细胞间隙和细胞 0.8 2.0 7.7 9.1 90 电阻率 10GHz 10MHz 10kHz 100Hz 0 频率 人体肌肉组织电阻率与频率的关系 3. 人体组织的电特性 4. 人体电阻抗的测量 Effects of Freque