生物磁学

生物磁学研究内容：生物物质的磁性和生物及人体的磁场；外磁场作为一种物理因素，与生物及人体相互作用产生的生物效应。生物磁学发展史：史记“齐王侍医遂病，自炼五石服之”；李时珍在《本草纲目》中记述：“慈石取铁，如慈母之招子”，故名磁石，详细记载了磁石形状，制备方法和药物作用；公元1世纪，希腊医生曾经将磁石作为泻药，公元18世纪在巴黎建立了磁学会，19世纪，Bertrand《法国动物磁学》。近代磁学发展史：60年代，历史背景：工农业，医药业，新兴科学技术，磁场对生物体和人体的作用。（1）防护有害作用，利用有益作用，（2）物理学，磁学及技术的发展，测量微弱生物磁信号；超导量子干涉仪，磁探测仪器，核磁共振，顺磁共振，穆斯堡尔效应等；（3）生物学和医学的发展，分子生物学，生物物理学，生物化学，分子药理学和分子免疫学，生物人体结构和功能，分子水平。生物磁学由简单到复杂，由现象到本质，由宏观到微观逐步发展。生物磁学学会的建立：为了推广磁疗的工作，1979年在徐州召开了全国磁疗会议，1980年在长沙召开了全国磁疗专题会议，1985年在郑州召开了第一届全国生物磁学会议，1987年在吉林召开了第二届全国生物磁学会议，1989年在北京召开了第三届全国生物磁学会议，1991年在上海召开了第四届全国生物磁学会议，等。历届全国性磁学会议的召开，通过学术交流，促进了磁疗和生物磁学的发展。当前生物磁学的研究和应用主要有以下主要方面：1.生物材料的磁性(分子，细胞，组织），微观结构和功能关系；2.生物和人体磁场的探测，心磁，脑磁和肺磁等，是医学诊断的依据。3.各种磁场的生物效应；4.生物磁学应用研究，基础应用和临床应用（磁疗）。一、物质的磁性二、生物物质的磁性和生物磁场三、磁场的生物效应四、磁场在医学中的应用（磁疗）一、磁介质的分类BBBo第一节物质的磁性磁介质——能与磁场产生相互作用的物质磁化——磁介质在磁场作用下所发生的变化（1）顺磁质（3）铁磁质（2）抗磁质（4）超导体B根据的大小和方向可将磁介质分为四大类0BB0BB0BB0B附加磁场二.顺磁质与抗磁质的磁化分子磁矩轨道磁矩自旋磁矩——电子绕核的轨道运动——电子本身自旋等效于圆电流——分子电流顺磁质及其磁化分子的固有磁矩不为零0mp无外磁场作用时，由于分子的热运动，分子磁矩取向各不相同,整个介质不显磁性。分子磁矩0mp有外磁场时，分子磁矩要受到一个力矩的作用，使分子磁矩转向外磁场的方向。mp0B0BpMmM分子磁矩产生的磁场方向和外磁场方向一致，顺磁质磁化结果，使介质内部磁场增强。0BB0BB抗磁质及其磁化分子的固有磁矩为零0mp在外磁场中，抗磁质分子会产生附加磁矩电子绕核的轨道运动电子本身自旋mp外磁场场作用下产生附加磁矩mp电子的附加磁矩总是削弱外磁场的作用。抗磁性是一切磁介质共同具有的特性。0BB总与外磁场方向反向1、相对磁导率μr三、相对磁导率、磁导率0BBr2、磁导率r0真空中μr=1顺磁质μr1抗磁质μr1铁磁质μr1一些物质的相对磁导率μr物质μr顺磁质铝氧（标准状态）空气（标准状态）铂抗磁质锑铜水氢铁磁质铸钢硅钢纯铁坡莫合金1+0.21×10-41+17.9×10-71+3.6×10-71+2.9×10-41-7.0×10-51-0.94×10-51-0.88×10-51-0.21×10-6500~22007000（最大值）1800（最大值）100000（最大值）1、铁磁质的磁化规律装置：环形螺绕环;铁磁质Fe,Co,Ni及稀钍族元素的化合物，能被强烈地磁化RNIH2实验测量B,如用感应电动势测量或用小线圈在缝口处测量；H~rHBor由得出曲线铁磁质的不一定是个常数，它是的函数Hr四、铁磁质原理:励磁电流I;用安培定理得HRIIH~rH~BHr,B初始磁化曲线a..bcdBOH..SBSHe..rBfCHSB.SH矫顽力CH饱和磁感应强度磁滞回线剩磁rBHBcHcHrBSBB的变化落后于H，从而具有剩磁，即磁滞效应。每个H对应不同的B与磁化的历史有关。磁滞回线--不可逆过程在交变电流的励磁下反复磁化使其温度升高的磁滞损耗与磁滞回线所包围的面积成正比。铁磁体于铁电体类似；在交变场的作用下，它的形状会随之变化，称为磁致伸缩（10-5数量级）它可用做换能器，在超声及检测技术中大有作为。二、磁畴根据现代理论，铁磁质相邻原子的电子之间存在很强的“交换耦合作用”，使得在无外磁场作用时，电子自旋磁矩能在小区域内自发地平行排列，形成自发磁化达到饱和状态的微小区域。这些区域称为“磁畴”多晶磁畴结构示意图显示磁畴结构的铁粉图形纯铁硅铁钴三种铁磁性物质的磁畴Si-Fe单晶(001)面的磁畴结构箭头表示磁化方向临界温度(铁磁质的居里点)每种磁介质当温度升高到一定程度时，由高磁导率、磁滞、磁致伸缩等一系列特殊状态全部消失，而变为顺磁性。不同铁磁质具有不同的转变温度如：铁为1040K，钴为1390K，镍为630K用磁畴理论可以解释铁磁质的磁化过程、磁滞现象、磁滞损耗以及居里点。3.有剩磁、磁饱和及磁滞现象。铁磁质的特性2.有很大的磁导率。放入线圈中时可以使磁场增强102~104倍。4.温度超过居里点时，铁磁质转变为顺磁质。1.磁导率μ不是一个常量，它的值不仅决定于原线圈中的电流，还决定于铁磁质样品磁化的历史。B和H不是线性关系。铁磁质的应用(1)作变压器的软磁材料。纯铁，硅钢坡莫合金(Fe，Ni)，铁氧体等。r大，易磁化、易退磁（起始磁化率大）。饱和磁感应强度大，矫顽力(Hc)小，磁滞回线的面积窄而长，损耗小（HdB面积小）。还用于继电器、电机、以及各种高频电磁元件的磁芯、磁棒。HBcHcH(2)作永久磁铁的硬磁材料钨钢，碳钢，铝镍钴合金(3)作存储元件的矩磁材料Br=BS，Hc不大，磁滞回线是矩形。用于记忆元件，当+脉冲产生HHC使磁芯呈+B态，则–脉冲产生H–HC使磁芯呈–B态，可做为二进制的两个态。HBCHCH矫顽力(Hc)大（102A/m)，剩磁Br大磁滞回线的面积大，损耗大。还用于磁电式电表中的永磁铁。耳机中的永久磁铁，永磁扬声器。锰镁铁氧体，锂锰铁氧体HBCHCH第二节生物物质的磁性和生物磁场从生物大分子、细胞、组织、器官、系统以及整体，每一层次都表现出不同的磁性，有些生物材料本身所特有，有些是生命活动中产生的电磁感应，有些是由外源性的磁性物质所引起的。一、生物磁性的来源1、生命材料中含有顺磁性物质过渡元素（Fe、V、Mn、Co、Mo）的生物材料（1）Fe、血红蛋白、肌蛋白和铁蛋白；（2）含Co的维生素B12；（3）含Cu血蓝蛋白和肝红蛋白。2、生命活动产生的生物电电活动，新陈代谢，能量与物质交换，信息传递，电子离子转运，大脑调控，肌肉运动，心脏运动，动作电位，生物电导致了磁场。3、侵入人体的外源性铁磁物质产生剩磁场四氧化三铁肺部吸入粉尘胃肠磁化4、其他生化反应过程形成的自由基，产生了顺磁性物质，电子自旋生物磁场都很弱二、微弱磁场检测方法技术地球磁场的强度约为0.5G，城市中的各种磁噪声也十分严重，可达0.005G，在这样强的磁噪声中要测量十分微弱的生物磁信号，必须有高度灵敏的磁强计和良好的磁屏蔽室，以防止周围环境的噪声干扰。由于这些条件的限制。使得对生物磁信号的研究进展行很缓慢。直到60年代后期，随着测量技术的不断的发展，陆续研制出了一系列的测量手段，如感应线圈式磁强计，磁通门式磁强计，超导量子干涉仪（SQUID）磁强计，空间鉴别技术，交流屏蔽和空间鉴别技术发展。1、铁磁屏蔽对直流磁场的屏蔽相当困难，采用高磁导率的磁性材料制成屏蔽体影响屏蔽效率因素：（1）铁磁材料的磁导率，越高越好；（2）屏蔽体厚度，越厚越好；（3）容积，越小越好；（4）层数，越多越好。麻省理工学院，26层磁屏蔽室，成本相当昂贵2、空间鉴别技术即一次微商梯度仪或二次，相互抵销（磁源，地磁，干扰磁）梯度仪是由两个相隔很近、同样的线圈反向串接而成，当两线圈所处磁场不均匀时，才有磁通通过，从而引起超导环内的磁通发生相应的变化；而在均匀磁场时是不灵敏的，从而可以抵销干扰磁场，测量人体磁场。3、“涡旋电流”式磁屏蔽与空间鉴别技术用高磁导率金属材料制成屏蔽体，可使外界交流磁场在该屏蔽体内产生涡旋电流，设法使该涡旋电流产生的磁场与外界交流磁干扰相互抵销，一般用铝制成。4、磁通门式磁强计和超导量子干涉仪（SQUID）超导量子干涉仪是一个磁电变换器，由磁通量变化转变成电量的变化，由于灵敏度极高，故可以记录人体磁场。SQUID磁强计组成：1、SQUID本身，被密封在一个超导屏蔽的小盒内，可对干扰磁场进行部分屏蔽；2、检测线匝，用来探测磁场；3、杜瓦瓶，内盛液氮。测量微弱的几种技术(Gs)型式范围分辨率感应线圈磁通门SQUID10-4~1001010-9~10-310-4~10-710-6~10-710-10~10-11三、生物物质磁性与其结构和功能关系大多数生物大分子具有各向异性的抗磁性少数表现为顺磁性（过渡金属离子），自由基极少数生物大分子（含有铁的氧化物）表现为铁磁性1、生物分子的抗磁性生物分子在磁场中发生与磁场反向的运动（取向）（1）叶绿素1T垂直时，效应最大，平行时，效应最小（2）杂环聚核苷酸链组成的碱基对（DNA）在10TDNA分子的纵轴向磁场的垂直方向取向。2、生物材料顺磁性（1）磁化率与其结构和功能间有许多信息，如蛋白质、酶功能活动（2）肝铁血色病重型地中海贫血等3、顺磁共振、核磁共振、穆斯堡尔谱仪应用于生物材料研究探测物质的微观结构灵敏度高、选择性好、可研究动态和瞬变过程四、生物和人体磁场1、心磁场和心磁图MCG1963年，鲍莱（Baule）等人第一次探测到心磁场1970年，科恩（Cohen）用SQUID记录到心磁图（1）心磁图与心电图相比，对某些疾病的诊断，有更大的优越性，灵敏度和准确度都高，可得到更多关于心脏活动异常和病变的信息；（2）如对左心室肥厚和高血压病的正确诊断率可达40%~55%，而心电图只有14%~20%；（3）能测出肌肉、神经等组织损伤所产生的直流电磁场，故对早期心肌梗死可及早作出诊断；（4）可检测到胎儿的心脏功能（30~35周）；2、神经磁场和脑磁图MEG1968年科恩（Cohen）首次在头颅的枕部测到与脑电图相对应的自发脑磁图（MEG）磁探测器直径较小，可在头部任意移动，以及有磁场和电流源的明确对应关系，可以较准确地探测到脑的某一局部区域的磁场变化，空间分辨率达到2~3mm，深度5cm，对中枢神经生理学和医学诊断有重要意义。目前用脑磁图来确定癫痫病人的病灶明显优于脑电图3、肌磁场和肌磁图MMG可以在不同部位和不同距离测量肌磁场，由此可更准确地得到相关的体电流分布，可以测到由于肌肉损伤产生的恒磁场或慢变化磁场，这些都是肌电图所做不到的。4、肺磁场和肺磁图原因是外源性，剩余磁肺磁场的强度与分布与肺不同部位沉积的铁磁性微粒的浓度有某种相关性5、生物和人体磁场的特点（1）生物磁场的探测可以不与生物体直接接触，避免了与被测对象接触而引起的电磁干扰；（2）生物电测量的电位变化，多为大范围电活动的综合表现，而生物磁场的测量在探头尺寸允许的精度内，可以分辨到mm尺度的电磁变化；（3）生物电测量只能得到相对的电位变化信号，而生物磁场测量能得到交变和恒定的磁场数值；（4）由于磁探头可在空间任意移动，改变位置和方向，因而能得到三维的磁场分布图，所以能较准确地了解机体内部的磁场源和活动细节；（5）磁场探测是非损伤性技术，更宜于临床使用；当然与细胞水平的生物电测量，也有其局限性第三节磁场的生物效应产生生物效应的两个因子：磁场因子和机体因子磁场因子有磁场类型，强度，均匀性，方向，作用时间机体因子有机体的磁性，机体的组成，机体部位和敏感性各种类型磁场的生物效应不同生物层次的生物效应（一）磁场因子1、磁场类型可分为恒磁砀和变磁场，变磁又分为高频、低频、连续变化和脉冲变化，各种不同磁场产生生物效应