第五章 电磁辐射与生物体的相互作用.ppt

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1、第五章第五章 电磁辐射与生物体的相互作用电磁辐射与生物体的相互作用 人人类类已已经经对对电电磁磁辐辐射射有有了了比比较较明明确确的的认认识识。生生物物体体在在电电磁磁辐辐射射作作用用下下,其其组组织织、形形态态、生生理理功功能能、生生物物物物理理、生物化学特性所发生的变化称为生物化学特性所发生的变化称为非电离电磁波生物效应非电离电磁波生物效应。电电磁磁辐辐射射与与生生物物体体产产生生相相互互作作用用的的表表现现：原原发发相相互互作作用用和和次发生物效应次发生物效应。原发相互作用原发相互作用：生物体受到电磁波照射后，其组：生物体受到电磁波照射后，其组 织内会产生对电磁能量的吸收，吸收以后的发生织

2、内会产生对电磁能量的吸收，吸收以后的发生 一系列变化。一系列变化。次发生物效应次发生物效应：原发相互作用所引起的生物体生：原发相互作用所引起的生物体生 理功能变化，以及发生在分子和亚细胞结构一级理功能变化，以及发生在分子和亚细胞结构一级 的结构变化。的结构变化。人人具具有有适适应应和和补补偿偿外外界界环环境境变变化化的的能能力力。当当人人体体受受到到微微波波照照射射时时，就就会会显显示示这这种种能能力力，但但人人的的这这种种能能力力是是有有限限度度的的。如果超出限度，机体就表现出异常乃至病态。如果超出限度，机体就表现出异常乃至病态。当电磁波照射到生物体表面时，在生物体的表面会发生当电磁波照射到

3、生物体表面时，在生物体的表面会发生反反射、折射和吸收。射、折射和吸收。因为生物体和空气不同，如其介电特性等，所以电磁波在因为生物体和空气不同，如其介电特性等，所以电磁波在生物体表面经过反射、散射后部分电磁能量则进入生物体，生物体表面经过反射、散射后部分电磁能量则进入生物体，进入生物体后的电磁波场强、波长、波的传播方向、极化进入生物体后的电磁波场强、波长、波的传播方向、极化方向等均会发生变化。方向等均会发生变化。当电磁波在均匀的电介质中传播时，就会出现波的振幅衰当电磁波在均匀的电介质中传播时，就会出现波的振幅衰减和相位移。这说明电磁能量被吸收。减和相位移。这说明电磁能量被吸收。水水是生物体含量最

4、丰富的成分，几乎占人体体重的是生物体含量最丰富的成分，几乎占人体体重的6060。根据含水量的多少，一般将生物组织分为三种：根据含水量的多少，一般将生物组织分为三种：含水量含水量9090以上以上的组织，像含大量电解质的细胞，细的组织，像含大量电解质的细胞，细 胞中的大分子蛋白质、脑脊液、血液细胞和其他盐类胞中的大分子蛋白质、脑脊液、血液细胞和其他盐类 物质；物质；含水量少于含水量少于8080的中等含水量组织，像皮肤、肌肉、的中等含水量组织，像皮肤、肌肉、脑组织和大部分内脏器官；脑组织和大部分内脏器官；含水量为含水量为5050的组织，像骨骼、脂肪等。的组织，像骨骼、脂肪等。组织的含水量不同，电磁波

5、能量的吸收不同，这有助组织的含水量不同，电磁波能量的吸收不同，这有助于我们了解电磁辐射所致人体健康危害。于我们了解电磁辐射所致人体健康危害。一一.电磁波作用于人体的频段及其响应特性电磁波作用于人体的频段及其响应特性 一般将射频段的电磁波与人体作用关系分为四个频段。一般将射频段的电磁波与人体作用关系分为四个频段。其频段响应特性如下：其频段响应特性如下：次共振段：次共振段：频率在频率在30MHz30MHz以下。以人体躯干表面吸收为主以下。以人体躯干表面吸收为主;共振段：共振段：频率在频率在3030300MHz300MHz，为对人体全身的共振吸收，为对人体全身的共振吸收 频率；对头部的共振吸收频率为

6、频率；对头部的共振吸收频率为400MHz；热斑段：热斑段：频率为频率为4004002000MHz2000MHz或或3000MHz3000MHz；当功率密度达当功率密度达 100mW/cm2时，局部吸收电磁能量而产生热时，局部吸收电磁能量而产生热 斑；热斑大小与频率有关，斑；热斑大小与频率有关，915MHz时可达几个时可达几个 厘米，厘米，3GHz时可达时可达12cm大小。大小。表面吸收段：表面吸收段：频率范围频率范围大于大于3000MHz3000MHz。吸收的电磁能量主吸收的电磁能量主 要引起皮肤表面加热。要引起皮肤表面加热。影响吸收电磁能量多少的因素：影响吸收电磁能量多少的因素：机体形状、大

7、小；机体形状、大小；电磁辐射的频率；电磁辐射的频率；电磁波的输出功率；电磁波的输出功率；机体对电磁能量的吸收速率；机体对电磁能量的吸收速率；是连续波还是脉冲波等是连续波还是脉冲波等。同一频率不同功率，其功率密度大小不同，功率高则场同一频率不同功率，其功率密度大小不同，功率高则场强大，电磁能量就大，机体吸收多；反之则吸收少。强大，电磁能量就大，机体吸收多；反之则吸收少。机体吸收速率慢，生物体的机体吸收速率慢，生物体的自身调节系统自身调节系统把吸收的能量把吸收的能量散发出去，不至于引起机体升温而发生热效应；反之吸散发出去，不至于引起机体升温而发生热效应；反之吸收速率快，能量吸收就多。生物体来不及将

8、所吸收的电收速率快，能量吸收就多。生物体来不及将所吸收的电磁能量转化成热量散发出去，就会引起机体升温，出现磁能量转化成热量散发出去，就会引起机体升温，出现热效应。引起皮肤表面加热。热效应。引起皮肤表面加热。二二.致热效应致热效应 1.1.致热效应的产生致热效应的产生 当电磁辐射照射到生物体时，其中有一部分电磁能量被当电磁辐射照射到生物体时，其中有一部分电磁能量被生物体表皮层生物体表皮层反射反射回空间，但也有相当部分电磁能量回空间，但也有相当部分电磁能量穿透穿透表表皮层，入射到机体组织中，便转换成热能而表现出来。生物皮层，入射到机体组织中，便转换成热能而表现出来。生物体对电磁能量的吸收取决于体对

9、电磁能量的吸收取决于生物组织的含水量生物组织的含水量，还和，还和电磁波电磁波的频率的频率、入射角、机体剖面构型入射角、机体剖面构型以及以及机体生理状况机体生理状况等诸因素等诸因素有关有关。生物组织是一种有机电介质，并在生物体的电解质溶液生物组织是一种有机电介质，并在生物体的电解质溶液 中还有离子。在外电磁作用下，这些带电离子中还有离子。在外电磁作用下，这些带电离子(粒子粒子)或或 中性分子中性分子(极性分子极性分子)就要发生能量变化。就要发生能量变化。在电场中电介质的极性分子按电场方向取向，即形成在电场中电介质的极性分子按电场方向取向，即形成电电偶极子偶极子。在交变电场中，电偶极子的取向，随着

10、外电场频。在交变电场中，电偶极子的取向，随着外电场频率往返转动，其在转动时会受到黏性生物介质的摩擦力阻率往返转动，其在转动时会受到黏性生物介质的摩擦力阻尼，生物体组织在外电场作用下就产生两种控制尼，生物体组织在外电场作用下就产生两种控制电介性能电介性能的效应：的效应：带电离子带电离子(粒子粒子)的振荡，可产生的振荡，可产生传导电流传导电流；还要；还要 由于介质电阻引起能量损耗；由于介质电阻引起能量损耗；电偶极子分子的转动，产生电偶极子分子的转动，产生位移电流位移电流，还由于介，还由于介 质黏性引起能量消耗。质黏性引起能量消耗。这两种形式的能量损耗要转化成热能。这种效应就叫做这两种形式的能量损耗

11、要转化成热能。这种效应就叫做电磁辐射在生物体组织中的热效应，简称电磁辐射在生物体组织中的热效应，简称致热效应致热效应。由此可以简单地概括为：由此可以简单地概括为：电磁辐射能量在生物体中电磁辐射能量在生物体中的吸收是由于离子传导和电偶极子分子的释放作用所致，的吸收是由于离子传导和电偶极子分子的释放作用所致，并形成对局部组织的加热。并形成对局部组织的加热。表表5-2 5-2 电电磁波磁波对对生物体的生物体的热热效效应应与与频频率的关系率的关系频频率率/MHz/MHz波波长长/cm/cm产产生生热热效效应应主要器官主要器官主要的生物体效主要的生物体效应应 150 200 200生物体生物体对电对电磁

12、波呈磁波呈“透明体透明体”状状态态150150120012002002002525体内各器官体内各器官由于体内由于体内组织组织的的过热过热引起体内引起体内各器官各器官损伤损伤100010003000300030301010眼球，睾丸眼球，睾丸组织组织的加的加热显热显著，特著，特别别晶体易晶体易受影响受影响3000300010 10 00000010103 3皮肤上皮肤上层层伴有温感的皮肤加伴有温感的皮肤加热热10 00010 000 3 3皮肤皮肤皮肤表面成反射体，或成皮肤表面成反射体，或成为为吸吸收体而收体而产产生生热热效效应应2.2.致热效应的表现致热效应的表现 若生物体积聚了太多的电磁能

13、量，又当热调节系统失调若生物体积聚了太多的电磁能量，又当热调节系统失调 时，这时体温升高，产生高温生理反应，出现：时，这时体温升高，产生高温生理反应，出现：心率加快；心率加快；血压升高；血压升高；呼吸急促而加快呼吸急促而加快 严重的会出现抽搐与呼吸障碍，再严重者可以致死。严重的会出现抽搐与呼吸障碍，再严重者可以致死。实验表明：实验表明：豚鼠暴露于豚鼠暴露于500mW/cm2500mW/cm2、照射、照射4040分钟后死亡，用分钟后死亡，用 680mW/cm2680mW/cm2，照射，照射1818分钟后死亡；分钟后死亡；狗暴露于狗暴露于200MHz200MHz、200mW/cm2200mW/cm

14、2连续波照射，连续波照射，3030分钟分钟 死亡；死亡；棕鼠在棕鼠在100100120mW/cm2120mW/cm2、照射、照射3030分钟后死亡。分钟后死亡。3.3.电磁能量的吸收和调节电磁能量的吸收和调节l 以热调节为例：以热调节为例：u 人的体温调节是通过人的体温调节是通过神经、体液神经、体液的作用来实现的。的作用来实现的。u 人体内有表层的人体内有表层的热感受器、冷觉感受器和机体深部的热感受器、冷觉感受器和机体深部的 温度感受器温度感受器，包括中枢性温度感受神经元。，包括中枢性温度感受神经元。u 这些感受器接收到体内外温度变化的刺激时，发出信这些感受器接收到体内外温度变化的刺激时，发出

15、信 息给息给体温调节中枢体温调节中枢。u 经过体温调节中枢的整合作用，就相应地引起经过体温调节中枢的整合作用，就相应地引起骨骼肌、骨骼肌、内分泌腺体、皮肤血管、汗腺内分泌腺体、皮肤血管、汗腺等的变化，改变机体的等的变化，改变机体的 产热和散热，从而维持体温保持相对稳定。产热和散热，从而维持体温保持相对稳定。u 人体受到电磁辐射照射后，一部分被反射回去，一人体受到电磁辐射照射后，一部分被反射回去，一 部分或相当部分电磁能量通过体温调节系统经过体部分或相当部分电磁能量通过体温调节系统经过体 表在体内传播和吸收。表在体内传播和吸收。u 当外来的当外来的电磁能量超过调节系统的调节能力电磁能量超过调节系

16、统的调节能力时，则时，则 会出现过热即会出现过热即体温升高体温升高，以致出现功能性或器质性，以致出现功能性或器质性病理变化病理变化。4.4.致热效应的影响因素致热效应的影响因素 功率密度功率密度 入射到单位面积上的场强愈大，致热效应愈明显。入射到单位面积上的场强愈大，致热效应愈明显。频率频率 微波比射频显著，微波比射频显著，1 110GHz10GHz频段内，人体对微波表频段内，人体对微波表 现出吸收高峰，吸收功率可达现出吸收高峰，吸收功率可达8080100100 辐照时间辐照时间，时间愈长，作用越显著；，时间愈长，作用越显著；电磁场的位置与极化方向；电磁场的位置与极化方向；器官组织解剖不同，致

17、热效应表现不同；器官组织解剖不同，致热效应表现不同；生物的体形、体重、皮肤与皮下脂肪厚度等；生物的体形、体重、皮肤与皮下脂肪厚度等；人的年龄、性别、个体差异与健康状况等；人的年龄、性别、个体差异与健康状况等；如妇女、儿童相对敏感，受影响较明显。如妇女、儿童相对敏感，受影响较明显。所处环境的温度、湿度、空气流动速度等这些环境因素所处环境的温度、湿度、空气流动速度等这些环境因素 三、三、非致热效应非致热效应 1.1.非致热效应的提出非致热效应的提出 苏联学者和美国学者共同提出的将微波强度分为苏联学者和美国学者共同提出的将微波强度分为三段：三段：10mW/cm210mW/cm2以上以上(热效应热效应

18、)；1mW/cm21mW/cm2以下以下(非热效应非热效应)；1 110mW/cm2(10mW/cm2(微热效应微热效应)。2.2.非致热效应的表现非致热效应的表现 中枢神经系统的表现中枢神经系统的表现：头痛、记忆下降、情绪易激动头痛、记忆下降、情绪易激动 、血流量减少等等。、血流量减少等等。心血管体统的表现心血管体统的表现：心前区疼痛、胸闷、血压升高，窦性心律不齐、右束心前区疼痛、胸闷、血压升高，窦性心律不齐、右束 支传导阻滞、左室高电压、室性早搏和房性早搏等。支传导阻滞、左室高电压、室性早搏和房性早搏等。听觉系统的表现听觉系统的表现：听到的声音似听到的声音似“咔嗒声咔嗒声”、“嗡嗡声嗡嗡声

19、”或或“吱吱声吱吱声”。内分泌系统的表现内分泌系统的表现：可出现三碘甲状腺原氨酸可出现三碘甲状腺原氨酸(T3)(T3)、四碘甲状腺原氨酸、四碘甲状腺原氨酸(T4)(T4)的变化，的变化，性激素如睾酮、孕酮、雌二醇、雌三醇等均有明显性激素如睾酮、孕酮、雌二醇、雌三醇等均有明显的变化；的变化；男性诉说性功能下降，女性诉说月经紊乱等就是基男性诉说性功能下降，女性诉说月经紊乱等就是基于这种变化而出现的。于这种变化而出现的。染色体的表现染色体的表现：高强度的电磁辐射导致动物染色体的畸变，工作人员高强度的电磁辐射导致动物染色体的畸变，工作人员 长时间与低强度的微波密切接触，也可引发染色体畸变。长时间与低强

20、度的微波密切接触，也可引发染色体畸变。其他方面的表现其他方面的表现：这种不产热的电磁辐射可使细胞内这种不产热的电磁辐射可使细胞内Ca2+Ca2+发生波动，发生波动，能对能对IP3IP3、cAMPcAMP等第二信使产生影响；等第二信使产生影响；可以改变细胞信息转换过程中蛋白的磷酸化及细胞可以改变细胞信息转换过程中蛋白的磷酸化及细胞 的通信功能等；的通信功能等；这种非产热电磁辐射可以增加细胞内的自由基，影这种非产热电磁辐射可以增加细胞内的自由基，影 响机体内褪黑激素的分泌及改变癌基因的表达等。响机体内褪黑激素的分泌及改变癌基因的表达等。3.3.用电穿孔来分析非致热效应机制用电穿孔来分析非致热效应机

21、制 l 电穿孔电穿孔 是由强电磁脉冲引起的一种细胞或组织的生物物理是由强电磁脉冲引起的一种细胞或组织的生物物理现象，即当双脂层膜的跨膜电位达到约定现象，即当双脂层膜的跨膜电位达到约定0.50.51V1V并能持并能持续数微秒至数毫秒时，就可导致电穿孔效应。会使细胞续数微秒至数毫秒时，就可导致电穿孔效应。会使细胞膜形成暂时的开口通道，离子就可以穿过该通道而实现膜形成暂时的开口通道，离子就可以穿过该通道而实现跨膜运输，也会导致细胞膜的导电能力增加。跨膜运输，也会导致细胞膜的导电能力增加。电穿孔示意图4.4.致热效应和非致热效应的简要表述致热效应和非致热效应的简要表述 致热效应和非致热效应均是由致热效

22、应和非致热效应均是由电磁场的场力作电磁场的场力作用而引起用而引起的，是电磁辐射的本质特性，即电磁场作用于生物体的两种的，是电磁辐射的本质特性，即电磁场作用于生物体的两种表现形式，可归纳为：表现形式，可归纳为：场力效应是与微波辐射共存的；场力效应是与微波辐射共存的；致热效应作用是按电场场力的平方律增加，而非致热致热效应作用是按电场场力的平方律增加，而非致热 效应作用是随场力线性递增；效应作用是随场力线性递增；当场力小时，非致热效应作用大于致热效应；当场当场力小时，非致热效应作用大于致热效应；当场 力大时，致热效应作用大于非致热效应作用。力大时，致热效应作用大于非致热效应作用。鉴于上述，在较大场强微波辐射时，生物体的鉴于上述，在较大场强微波辐射时，生物体的 致热效应占主导地位；而在长期低场强微波辐射时，致热效应占主导地位；而在长期低场强微波辐射时，非致热效应占主导地位。非致热效应占主导地位。机体对电磁辐射会产生应激反应，表现在可以机体对电磁辐射会产生应激反应，表现在可以引起神经、体液等诸多方面的变化引起神经、体液等诸多方面的变化。OVER