第细年骨 是0 生物电磁学研究进展 严登俊，李伟'，王贵琴2，赵骥万2 (1.河海大学电气学院，江苏南京210098：2.南京大学物理学系，江苏南京210008)0 摘要：本文介绍了近年来生物电磁学研究的最新进层讨论了电磁场生物热效应，非热效应和累积效应及其生物机理详细闸述电碳场生物 效应在医学界和食品保存等方面的综合应用状况最后分析了时城有限差分法等电慰场数值计算技术在生物电磁场学研究中的作用。本文的 工作将有望为后续的研究工作提供一定的帮助。 关键词生物电磁学：数值计算：脑磁图：核磁共振成像：磁疗 中图分类号：Q64 文献标识码：A 文章编号：1008-0686d200703-0011-06 Progress in Bio Electromagnetism Research YAN Deng jun',Li Wei.WANG Gui qin'.ZHAO Ji wan' (1.Electrical Eng ineering Deparment,Hohai University.Nanj irg 210098 China 2.PhysicsDepartment.Nanjing University.Nanjing 208 China) Abstract:This paper introduces the latest develo oment of bio electro thermal,nom thermal of the elctromagnetic field and cumulative effect and its biology mechanics.The composite application of electromagnetic field biology effect in medicine and foodstuff store ete is particular expanded.Lastly,we malyze the application ofs numerical computation technologies such as FDTD in the research of electromagnetic field.This work will provide certain help for later research work Keywords:bic elctromagnetism:numerical computation:magneto encephalogram:nudear magnetic reso nance imaging(MRI);magnet therapy 0引言 活中扮演了一个及其重要的角色，如提高种子出芽 率，改善生物对环境的适应能力、利用磁细菌治理环 自上世纪七十年代初开始，短短数十年间，科学 境污染、对某些慢性顽固疾病的治疗及改善动植物 界对生物电磁学的研究经历了一个巨变过程由最 的生活习性等。近年来在医学检查方面。脑磁图、心 初的防辐射研究，到后来的电磁场电磁波对人体等 磁图的推广应用将基于电磁学的医学检查技术推向 生物机理影响的研究到最近的生物电磁学的综合 了一个新的高潮。另外，基于电磁场生物效应的治 利用生物电磁学，主要研究电磁场的生物机理及 疗手段纷纷出现如磁化水、磁针灸、中医电子脉象 其综合利用。已经成为一门涉及到物理学、电磁学 等。尤其是对肿瘤细胞等难以攻克的疾病治疗使 医学，生物学、电子技术及信息图象处理等综合性学 得人们对生物电磁学的研究提出了更高要求。研究 科。生物电磁学的综合利用。在社会生产和日常生 生物电磁学，对促进社会医疗保健水平提高人类生 收稿日期：2007-01-24修日日期207-04-01 作者简介：严登俊(969-小，男，江苏洪泽人博士，副教授。主要研究方向：电磁场数值计算，电力系统控制 219940983冬出东坊击生两究方向为电德肠的值计第sc.A1 ghts reserved. http://www.enki.ne
第29 卷 第 3 期 2007 年 6 月 电气电子教学学报 JOURNAL OF EEE Vol. 29 No. 3 J un. 2007 生物电磁学研究进展 严登俊1 ,李 伟1 ,王贵琴2 ,赵骥万2 (1. 河海大学 电气学院 ,江苏 南京 210098 ;2. 南京大学 物理学系 ,江苏 南京 210008) 1 摘 要:本文介绍了近年来生物电磁学研究的最新进展, 讨论了电磁场生物热效应、非热效应和累积效应及其生物机理, 详细阐述电磁场生物 效应在医学界和食品保存等方面的综合应用状况, 最后分析了时域有限差分法等电磁场数值计算技术在生物电磁场学研究中的作用。 本文的 工作, 将有望为后续的研究工作提供一定的帮助。 关键词:生物电磁学;数值计算;脑磁图;核磁共振成像;磁疗 中图分类号:Q64 文献标识码:A 文章编号:1008 - 0686(2007)03 - 0011 - 06 Progress in Bio-Electromagnetism Research YAN Deng-jun 1 ,Li Wei 1 ,WANG Gui-qin 2 , ZHAO Ji-wan 2 (1. E lectri ca l Eng ineering Department , Hohai Un iversit y , Nanj ing 210098 , Ch ina; 2. Ph ysicsDepa rtment , Nan jing Universit y , Nan jing 210008 , China) Abstract:This paper introduces the latest development of bio-electromagne tism , and discusses the bio logy thermal , non-thermal of the electromag netic field and cumulative effect and its biolo gy mechanics. The compo site application of electromag netic field biolo gy effect in medicine and fo odstuff-sto re etc is particular e xpanded. Lastly , w e analyze the application o f some numerical computation technologies such as FDTD in the research of electromag netic field. This w ork w ill provide certain help fo r later research w ork. Keywords :bio-electromag netism ;numerical computation ;magneto encephalo gram ;nuclear mag netic resonance imaging(M RI);mag net therapy 0 引 言 自上世纪七十年代初开始 ,短短数十年间 ,科学 界对生物电磁学的研究经历了一个巨变过程, 由最 初的防辐射研究 ,到后来的电磁场电磁波对人体等 生物机理影响的研究, 到最近的生物电磁学的综合 利用 。生物电磁学 ,主要研究电磁场的生物机理及 其综合利用,已经成为一门涉及到物理学 、电磁学 、 医学 、生物学、电子技术及信息图象处理等综合性学 科。生物电磁学的综合利用, 在社会生产和日常生 活中扮演了一个及其重要的角色, 如提高种子出芽 率 、改善生物对环境的适应能力 、利用磁细菌治理环 境污染 、对某些慢性顽固疾病的治疗及改善动植物 的生活习性等。近年来在医学检查方面, 脑磁图 、心 磁图的推广应用将基于电磁学的医学检查技术推向 了一个新的高潮 。另外 , 基于电磁场生物效应的治 疗手段纷纷出现, 如磁化水、磁针灸、中医电子脉象 等 。尤其是对肿瘤细胞等难以攻克的疾病治疗, 使 得人们对生物电磁学的研究提出了更高要求。研究 生物电磁学 ,对促进社会医疗保健水平,提高人类生 1 收稿日期:2007 - 01 - 29;修回日期:2007 - 04 - 01 作者简介:严登俊(1969 -), 男, 江苏洪泽人, 博士, 副教授, 主要研究方向:电磁场、数值计算、电力系统控制; 李 伟(1983 -), 女, 山东潍坊人, 硕士生, 研究方向为电磁场的数值计算;
2 电气电子教学学报 第29卷 活质量，有着重要的意义 移而引起传导电流 该传导电流通过具有一定点组 生物电磁学是生物物理学的一个分支学科.主 织的组织时产生热量，使机体升温。由于电磁波是 要研究的内容是电磁场的生物效应及其应用，电磁 穿透生物表层直接对内部加热由热效应引起的机 辐射的生物模型及边值问题和电磁辐射安全卫生标 体升温，往往机体表面看不出什么，而内部组织却已 准等。本文在介绍电磁场生物效应的基础上，着重 受损。应当注意高强度微波辐射，它会诱发癌症发 时论了生物电磁学的综合利用，最后研究分析了生 病、眼晴失明、体温高、心率加快、血压升高、喘气、出 物电磁学的数值计算技术，以期为将来的进一步研 汗等症状9 究工作提供据助 1.2生物啡热效应 电磁场的生物效应 低频电磁场的生物效应主要为非热效应，它会 1 干扰人体固有的微弱电磁场，影响内部的机理功能 电磁场的生物效应可以分为热效应、非热效应 人体的器官和组织都存在在微弱的电磁场，它们是 和累积效应。对电磁场生物效应的研究最初起 稳定和有序的. 一旦受到外界电磁场的干扰，处于 源于对电磁辐射的研究.。根据不同频率电磁场与生 平衡状态的微弱电磁场将受到目影响，使血液、林巴和 物组织相互作用机制的不同，通常将照射的电磁场 细胞原生质发生改变 分为3个频段：静电场(0赫兹)和极低频(ELF,日 非热效应也可以用“共振自适应”理论来解释 300Hz)、中频(300Hx10MHz)和无线电频率( 当电磁场与人体发生作用时，首先通过共振吸收 10MHz300GHz)。RF辐射，特别是高强度的辐 式吸收电磁被的能量，从而改变膜内外表面的面电 射，可使机体产热，即热效应，所造成的危害是肯定 荷密度分布。同时膜会产生一种自适应性的调解 力图保持原有的生存方式。 在其自适应能力范围 内，外界的影响能被细胞膜控制，生物体按原有的方 非热效应。 式生存。若外界的影响超过其自适应的能力，则会 在实验研究中，辐射的条件可分为三级，高、中 立生变异，生命体出现新的生存方式 及低强度辐射：①高强度辐射，尽管有体温调节中枢 非热效应有三个主要特点：①相干性，即只有电 的调解，但局部机体的温度仍可升高数摄氏度，②中 磁波参数与牛物系统内都目标的固定参数间满足某 等强度辐射，也叫无热辐射，这时体温调节中枢可将 确定性关系时才能产生生物学效应：②窗特性，分 机体的温度调节在正常范围以内。然而，此时尽管 为护率窗和强度窗。前者指生物系统内的靶目标只 体温没有明显升高，但由于体温调节系统的功能活 对某些个离散的、频率区间极窄的电磁波才产生的 动.可以产生生理学方面的改变。③低强度射频描 效应.后者指生物系统内的配目标只对某些个离散 射，有时叫非热辐射，这一类辐射不引起体温调节系 的、场强范围极窄的电磁波才产生的生物学效应：③ 统的活动，或者不产生任何有意义的机体体温改变。 协同性，即弱的电磁场与由它触发的生物系统的新 1.1生物热效应 陈代谢能协同激发出极强的生物学效应” 电磁场的热效应首先体现在太阳的可见光照 1.3累积效应 射、红外线取暖设备及微波炉食品加热等日常生活 热效应和非热效应对人体造成伤害后，若在人 中，其它的包括X射线、Y射线等放射线和手机等高 体尚未来得及自我修复之前，再次受到电磁辐射的 频辐射4 ,射频申磁对人体肆康的影响句括：神 话，其伤害程度就会发生累积。久之会成为永久性病 经、心脑血管、血液、免疫、内分泌和消化等各系统 态. 对于长期接触电磁辐射的群体，即使功率很小 生物体可以简单看作一个具有电阻、电容的装 频率很低，应引起警惕 满生理盐水的大容器，人体70%以上是水.水分子 2 是极性分子，人体接受电磁辐射后，体内的极性分子 电磁场的综合利用 (如水，氨基酸等介质电偶极子)随着电磁场极性的 电磁场生物效应的利用，涉及多个方面。主要 变化做快速排列，分子间相互撞击、摩擦而产生热 体现在医学领域的身体检查和疾病治疗，度化水对 量，同时生物组织内的离子在电磁场作思下产生迁 小人体的保健作用，食品灭菌与食品保鲜、通过磁处理
活质量,有着重要的意义 。 生物电磁学是生物物理学的一个分支学科, 主 要研究的内容是电磁场的生物效应及其应用, 电磁 辐射的生物模型及边值问题和电磁辐射安全卫生标 准等 。本文在介绍电磁场生物效应的基础上, 着重 讨论了生物电磁学的综合利用 , 最后研究分析了生 物电磁学的数值计算技术, 以期为将来的进一步研 究工作提供帮助 。 1 电磁场的生物效应 电磁场的生物效应可以分为热效应 、非热效应 和累积效应 [ 1 - 3] 。对电磁场生物效应的研究最初起 源于对电磁辐射的研究。根据不同频率电磁场与生 物组织相互作用机制的不同, 通常将照射的电磁场 分为 3 个频段:静电场(0 赫兹)和极低频(E LF , 0- 300Hz)、中频(300Hz-10MHz)和无线电频率(RF , 10M Hz-300GHz)。 RF 辐射 , 特别是高强度的辐 射,可使机体产热, 即热效应, 所造成的危害是肯定 的。机体在反复接触低强度 RF 辐射后, 体温虽无 上升 ,但会发生机体结构改变和功能紊乱等现象, 即 非热效应 。 在实验研究中 ,辐射的条件可分为三级 :高 、中 及低强度辐射:①高强度辐射 ,尽管有体温调节中枢 的调解,但局部机体的温度仍可升高数摄氏度 , ②中 等强度辐射,也叫无热辐射,这时体温调节中枢可将 机体的温度调节在正常范围以内。然而, 此时尽管 体温没有明显升高 ,但由于体温调节系统的功能活 动,可以产生生理学方面的改变 。 ③低强度射频辐 射,有时叫非热辐射 ,这一类辐射不引起体温调节系 统的活动 ,或者不产生任何有意义的机体体温改变 。 1. 1 生物热效应 电磁场的热效应首先体现在太阳的可见光照 射、红外线取暖设备及微波炉食品加热等日常生活 中,其它的包括 X 射线、γ射线等放射线和手机等高 频辐射[ 4 - 5] 。射频电磁对人体健康的影响包括 :神 经、心脑血管、血液、免疫 、内分泌和消化等各系统 。 生物体可以简单看作一个具有电阻 、电容的装 满生理盐水的大容器 ,人体 70 %以上是水。水分子 是极性分子,人体接受电磁辐射后 ,体内的极性分子 (如水 、氨基酸等介质电偶极子)随着电磁场极性的 变化做快速排列, 分子间相互撞击 、摩擦而产生热 量。同时生物组织内的离子在电磁场作用下产生迁 移而引起传导电流 。该传导电流通过具有一定点组 织的组织时产生热量, 使机体升温。由于电磁波是 穿透生物表层直接对内部加热, 由热效应引起的机 体升温 ,往往机体表面看不出什么,而内部组织却已 受损。应当注意高强度微波辐射, 它会诱发癌症发 病 、眼睛失明 、体温高、心率加快 、血压升高 、喘气 、出 汗等症状[ 6] 。 1. 2 生物非热效应 低频电磁场的生物效应主要为非热效应 ,它会 干扰人体固有的微弱电磁场 ,影响内部的机理功能。 人体的器官和组织都存在在微弱的电磁场 ,它们是 稳定和有序的。一旦受到外界电磁场的干扰 ,处于 平衡状态的微弱电磁场将受到影响, 使血液、淋巴和 细胞原生质发生改变。 非热效应也可以用“ 共振自适应”理论来解释。 当电磁场与人体发生作用时 ,首先通过共振吸收方 式吸收电磁波的能量 , 从而改变膜内外表面的面电 荷密度分布 。同时膜会产生一种自适应性的调解, 力图保持原有的生存方式 。在其自适应能力范围 内 ,外界的影响能被细胞膜控制 ,生物体按原有的方 式生存 。若外界的影响超过其自适应的能力 ,则会 产生变异,生命体出现新的生存方式 。 非热效应有三个主要特点:①相干性 ,即只有电 磁波参数与生物系统内靶目标的固定参数间满足某 一确定性关系时才能产生生物学效应 ;②窗特性 ,分 为频率窗和强度窗 。前者指生物系统内的靶目标只 对某些个离散的、频率区间极窄的电磁波才产生的 效应,后者指生物系统内的靶目标只对某些个离散 的 、场强范围极窄的电磁波才产生的生物学效应 ;③ 协同性 ,即弱的电磁场与由它触发的生物系统的新 陈代谢能协同激发出极强的生物学效应[ 7] 。 1. 3 累积效应 热效应和非热效应对人体造成伤害后, 若在人 体尚未来得及自我修复之前 ,再次受到电磁辐射的 话 ,其伤害程度就会发生累积,久之会成为永久性病 态 。对于长期接触电磁辐射的群体, 即使功率很小, 频率很低,应引起警惕 。 2 电磁场的综合利用 电磁场生物效应的利用 , 涉及多个方面。主要 体现在医学领域的身体检查和疾病治疗 、磁化水对 人体的保健作用、食品灭菌与食品保鲜、通过磁处理 12 电气电子教学学报 第 29 卷
第3期 严登俊李伟等：生物电磁学研究进展 13 技术改善生物特性，以及近年来利用磁细菌对环境 世界物质都是由处于不新运动状态中的分子和 污染的治理等项目。 原子组成的，所以在其周围空间就形成形式多样的 2.1医学检查技术 申磁场。目前普遍认为疾病的发生与生物申磁状态 在基于电磁场的医学检查中，有两个最具有代 改变有关即因为某种外界或内在的因素，使得人体 表性的技术：核磁共振成像技术和心磁图或脑磁图 的生物电磁状况受到乡响或破坏。磁疗的作用就在 技术。 于有效地调整和恢复被破坏了的生物电磁状况使 核磁共振成像技术MR(Nuclear m 肌体病状消除。磁疗可治疗近百种疾病，并可用于 Resonance Imaging))是一种具有代表性的生物电磁 肿瘤患者康复治疗 学在医学中的应用，是70年代随着电子计算机技 目前我国磁疗仪已经被应用到彩种疾病的治疗 术，微电子技术和低温超导等技术发展的综合产物。 中。 它不仅可以治疗常见病、多发病，对一些罕见的 自80年代正式应用于临床检查以来显示了独特的 疾病也能取得不错的治疗效果。目前应用最广 优越性，大大提高了医生的诊断效率避免了对病人 污并取得不错疗效的磁疗，就是脉冲申磁场对骨质 虚弱的身体进行手术式检查.。同时由于核磁共振成 疏松症的治疗，脉冲电磁场的作用体现在 三个方面 像技术不使用对人体有害的X射线和易引起过敏 D通过对钙调素和细胞因子的彭响.抑制破骨细胞 反应的造影剂，对人体几乎没有副作用 作用，促进成骨细胞活动：②通过影响DNA而影响 核磁共振成像的依据是人体内氢核发出的核磁 基因表达，促使人成纤维细胞的DNA合成：③降血 共振信号。这个信号的强弱取决于氢核在分子结构 钙、升高碱性磷酸酶、促进钙磷代谢☑ 中的位置和其周围的环境状态，因此可以反映出大 但是磁疗方法也存在一些有待解决的问题。首 量的生化病理信息。核磁共振的原理，即是依据所 先，不同磁场类型、磁场强度、梯度、频率和作用时间 释放的能量在物质内部不同结构环境中不同的衰 等条件的差异。产生的效果不同.其至是相反的结 减通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波。 果。其次对治疗效果必须有科学的依据，找出明确 NMR信号强度与样品中氢核密度有关，人体中各 的检验指标。最后，对磁场在治疗中产生的副作用， 种组织间含水比例不同，即含氢核数的多少不同？ 必须重视和认真研究。因此，必须在严格科学的动 核磁共振成像所获得的图像非常清晰，核磁共振成 物实验和临床实验的基础上，制定出严密的治疗方 像技术可对人体各部位多角度、多平面成像其分辨 力高，能更客观更具体地显示人体内解剖组织的相 2.3 微波杀菌与食物保鲜 邻关系，对病灶能更好地进行定位定性。对全身各 微波技术作为一种现代高新技术已广泛应用 系统疾病的诊断，尤其是早期肿瘤的诊断有很大的 于食品加热、杀菌、干燥、解冻、膨化、杀虫、灭酶等各 价值。 种不同的加工过程中。其简化过程为：微波能偶 脑磁图ME(Magne to Encephalogram)是一种 极子的振动或翻转→产生热能（摩擦热）→食品温度 接受微弱脑磁场信号的被动检测设备。其核心技术 急剧上升，微波杀菌技术是沂年新兴的一项辐 就是SQUD超导量子千涉器件(Superconducting 射杀菌技术，它不同于X-射线和Y-射线是一种 Quantum Interface Device，对人体实施完全无接 非电离辐射。微波杀菌是由微生物吸收微波能量转 触、无侵袭，无损伤的大脑研究和临床应用设备。脑 换热效应和非热效应共同作用的结果。微波杀菌的 磁图检测过程中检测系统不会发出任何射线和能 特点：操作简便、作用时间短、加热均匀，对食品营养 量.而只是对演内发出的极其微弱的生物电磁场信 成分破坏少、节约能源及食品成分对微波具有选择 号加以测定和描记 吸收性 心磁图.同样是是利用SQUID技术检测人体 目前微波杀菌技术在食品加工领域取得了很大 微弱心脏磁场的一种设备，工作原理和脑磁图类似 成就。微波杀菌的机理5，是微波能在微生物体 主要用于心脏外科手术中的功能区定位.故又俗陈 内转化为热能使其本身温度升高。从而使体内蛋白 磁导航。 质变性凝固致死。同样微波作用于食品时，食品表 2.31g磁治疗技术a Academie oumal Electronic Publish面和忠心同时吸收微波能温度升高，食品中的微生
技术改善生物特性 ,以及近年来利用磁细菌对环境 污染的治理等项目。 2. 1 医学检查技术 在基于电磁场的医学检查中, 有两个最具有代 表性的技术:核磁共振成像技术和心磁图或脑磁图 技术 。 核磁共振成像技术 M RI (Nuclear M ag netic Reso nance Imaging)是一种具有代表性的生物电磁 学在医学中的应用, 是 70 年代随着电子计算机技 术、微电子技术和低温超导等技术发展的综合产物 。 自 80 年代正式应用于临床检查以来,显示了独特的 优越性,大大提高了医生的诊断效率,避免了对病人 虚弱的身体进行手术式检查。同时由于核磁共振成 像技术不使用对人体有害的 X 射线和易引起过敏 反应的造影剂, 对人体几乎没有副作用 。 核磁共振成像的依据是人体内氢核发出的核磁 共振信号 。这个信号的强弱取决于氢核在分子结构 中的位置和其周围的环境状态 , 因此可以反映出大 量的生化病理信息。核磁共振的原理, 即是依据所 释放的能量在物质内部不同结构环境中不同的衰 减, 通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波 。 NM R 信号强度与样品中氢核密度有关 ,人体中各 种组织间含水比例不同, 即含氢核数的多少不同[ 9] 。 核磁共振成像所获得的图像非常清晰, 核磁共振成 像技术可对人体各部位多角度 、多平面成像, 其分辨 力高 ,能更客观更具体地显示人体内解剖组织的相 邻关系 ,对病灶能更好地进行定位定性。对全身各 系统疾病的诊断 ,尤其是早期肿瘤的诊断有很大的 价值 。 脑磁图 M E(M agne to Encephalo gram)是一种 接受微弱脑磁场信号的被动检测设备, 其核心技术 就是 SQ UID 超导量子干涉器件(Superco nducting Quantum Inte rface Device), 对人体实施完全无接 触、无侵袭 、无损伤的大脑研究和临床应用设备。脑 磁图检测过程中检测系统不会发出任何射线和能 量,而只是对脑内发出的极其微弱的生物电磁场信 号加以测定和描记。 心磁图,同样是是利用 SQUID 技术检测人体 微弱心脏磁场的一种设备 ,工作原理和脑磁图类似 , 主要用于心脏外科手术中的功能区定位, 故又俗称 磁导航。 2. 2 磁治疗技术 世界物质都是由处于不断运动状态中的分子和 原子组成的 ,所以在其周围空间就形成形式多样的 电磁场 。目前普遍认为疾病的发生与生物电磁状态 改变有关,即因为某种外界或内在的因素 ,使得人体 的生物电磁状况受到影响或破坏 。磁疗的作用就在 于有效地调整和恢复被破坏了的生物电磁状况, 使 肌体病状消除。磁疗可治疗近百种疾病 , 并可用于 肿瘤患者康复治疗 [ 10] 。 目前我国磁疗仪已经被应用到多种疾病的治疗 中 。它不仅可以治疗常见病 、多发病 ,对一些罕见的 疾病也能取得不错的治疗效果 [ 11] 。目前应用最广 泛并取得不错疗效的磁疗 ,就是脉冲电磁场对骨质 疏松症的治疗,脉冲电磁场的作用体现在三个方面: ①通过对钙调素和细胞因子的影响, 抑制破骨细胞 作用 ,促进成骨细胞活动;②通过影响 DNA 而影响 基因表达 ,促使人成纤维细胞的 DNA 合成;③降血 钙 、升高碱性磷酸酶、促进钙磷代谢[ 12] 。 但是磁疗方法也存在一些有待解决的问题 。首 先 ,不同磁场类型 、磁场强度 、梯度、频率和作用时间 等条件的差异 , 产生的效果不同, 甚至是相反的结 果 。其次,对治疗效果必须有科学的依据 ,找出明确 的检验指标 。最后 ,对磁场在治疗中产生的副作用, 必须重视和认真研究。因此 ,必须在严格科学的动 物实验和临床实验的基础上 ,制定出严密的治疗方 案 。 2. 3 微波杀菌与食物保鲜 微波技术作为一种现代高新技术, 已广泛应用 于食品加热 、杀菌 、干燥 、解冻、膨化、杀虫 、灭酶等各 种不同的加工过程中。其简化过程为 :微波能 →偶 极子的振动或翻转 →产生热能(摩擦热)→食品温度 急剧上升[ 13] 。微波杀菌技术是近年新兴的一项辐 射杀菌技术 ,它不同于 X - 射线和 γ- 射线, 是一种 非电离辐射 。微波杀菌是由微生物吸收微波能量转 换热效应和非热效应共同作用的结果 。微波杀菌的 特点:操作简便、作用时间短 、加热均匀、对食品营养 成分破坏少 、节约能源及食品成分对微波具有选择 吸收性 [ 14] 。 目前微波杀菌技术在食品加工领域取得了很大 成就。微波杀菌的机理[ 15 - 17] ,是微波能在微生物体 内转化为热能使其本身温度升高, 从而使体内蛋白 质变性凝固致死 。同样微波作用于食品时 ,食品表 面和中心同时吸收微波能, 温度升高 ,食品中的微生 第 3 期 严登俊, 李 伟等:生物电磁学研究进展 13
1 电气电子教学学报 第29卷 物细胞在微波场的作用下，其分子也被极化并高频 3.1时域有限差分技术 振荡，产生热效应而使温度升高。失去生物活性，导 电磁场的数植计算方法有有限元，时域有限差 致微生物死亡。微波非热效应又称生物效应。在电 分法(FDTD)、与频率相关的时域有限差分法 磁波的作用下生物体内不产生明显的升温。却可以 ((FD)2TD)!a和阻抗法等应用最广泛的就是 产生强烈的生物响应，使其发生各种生理、生化和功 FDTD法-2训，FDTD算法概念简单且具有系统 能的变化。另外，决定细菌正常生长和稳定遗传繁 性，高精度、容易实现多个物理参数的仿真，因此逐 殖的核糖核酸(RNA)和脱氧核酸核糖(DNA),是由 渐成为解决电磁散射和电磁波传输问题的有力工 若干氢键紧密连接而形成的卷曲形大分子。足够强 的微波场可以导致氢键松弛断裂和重组，从而诱发 在运用FDTD方法计算申磁辐射对人体器官 遗传基因突变或染色体畸变，延缓或中断细胞的稳 和组织的影响时，将人体划分为近场区和远场 定遗传和增殖。微波灭菌正是利用了电磁场的 区9：近场区也称感应场，是指1个波长之内的区 热效应和非热效应对生物的破坏作用。使得微波杀 域。其电磁强度比较大，但电场和磁场没有明确的 菌温度低于常规方法并且仅需70℃-105℃的温 比例关系，需要分别测量。远场区又称辐射区湖 度，时间约90s-180s,即能达到灭菌的效果% 是指1个波长之外的空间区域。在远场区电磁场能 杀菌和保鲜是两个不同的概念，杀菌是指杀死 量脱离辐射体，以电磁波形式向外发散电场和磁场 食品中 定的微生物包括细菌等等，而保鲜是指杀 的运行方向互相垂直.并都垂直电磁被传播的方向！ 菌程度要达到使食品在一定条件下，具有可以满足 在计算风域的截断边界处采用PL.吸收力 实际生产经营需要的货架期。 虽然是两个不同的概 界2-鸡。PML的优势是能吸收入射电磁波具有 念，但是保鲜却离不开杀菌， 很小的反射，缩小计算规模，提高计算精度 在研究微波对食品杀菌与保鲜作用的同时，为 运用比吸收率SAR(Specific Absorption Rate)】 了兼顾杀菌和保持食品原有品质，应辅以数学方法 定量分析人体对电磁波的吸收情况。SAR的定义 如建立数学模型，采用计算模拟，选择最优工艺参 有两种： 数.提高食品质量 ①给定密度的体积中由质量所吸收能量的增量 2.4其它 对时间的导数9，即 广泛的 SAR=LE (1 作用，即在播种前利用磁场处理种子或在生长过程 式中：σ是电导率，P是生物组织的密度，SAR单 中施加一定的磁场可以影响农作物的产量。 一些到 位为W/Kg 验研究证明，对小麦种子，大麦麦苗和烟草种子等农 ②Poljak D推导了另外一个计算SAR的表式 作物进行磁处理以后，产量都明显增加。此外，磁性 式3 肥料堆农作物都有一定的增产效果， sAR=品兴-品 (2) 3 生物电磁场的数值计算 式中：W是指组织所吸收的电磁波能量，m是 对电磁场生物效应进行研究。主要有两类方法 组织的质量。物理上两种定义是等价的 实验技术和理论计算。虽然牛物电工学是一门实酷 运用FDTD方法计算得到的使用手机通话时 性非常强的学科，但由于电磁场生物效应的复杂性 人体头部SAR值如表14，计算过程中所采用的人 通过实验手段有时很难全面评价或定量分析。电磁 场数值计算技术能精确地分析电磁场在人体内的分 表I基于FDTD方法的头部SAR值 布情况，而且已在相关学科中获得了成功而又广泛 眼部 脑部接近 的应用。所以，电磁场数值计算技术为电磁场生物 无金属框架眼镜有金属框架眼镜 手机处 效应的研究提供了一个有效途径，能为电磁场生物 效应的研究提供一尝有价值的理论指 0.007-0.21 0.008-0.27 0.12-0.83 ectronic Publis (W/K8
物细胞在微波场的作用下, 其分子也被极化并高频 振荡 ,产生热效应而使温度升高。失去生物活性, 导 致微生物死亡。微波非热效应又称生物效应, 在电 磁波的作用下生物体内不产生明显的升温, 却可以 产生强烈的生物响应 ,使其发生各种生理、生化和功 能的变化 。另外 ,决定细菌正常生长和稳定遗传繁 殖的核糖核酸(RNA)和脱氧核酸核糖(DNA),是由 若干氢键紧密连接而形成的卷曲形大分子。足够强 的微波场可以导致氢键松弛断裂和重组, 从而诱发 遗传基因突变, 或染色体畸变 ,延缓或中断细胞的稳 定遗传和增殖 [ 18] 。微波灭菌正是利用了电磁场的 热效应和非热效应对生物的破坏作用, 使得微波杀 菌温度低于常规方法, 并且仅需 70 ℃- 105 ℃的温 度,时间约 90s - 180s,即能达到灭菌的效果[ 19] 。 杀菌和保鲜是两个不同的概念, 杀菌是指杀死 食品中一定的微生物包括细菌等等 ,而保鲜是指杀 菌程度要达到使食品在一定条件下 ,具有可以满足 实际生产经营需要的货架期。虽然是两个不同的概 念,但是保鲜却离不开杀菌。 在研究微波对食品杀菌与保鲜作用的同时, 为 了兼顾杀菌和保持食品原有品质, 应辅以数学方法 , 如建立数学模型, 采用计算模拟 , 选择最优工艺参 数,提高食品质量[ 20] 。 2. 4 其它 目前 ,磁技术在农业方面的应用也得到广泛的 推广 [ 21] 。首先, 磁场对农作物发芽、生长和结果的 作用 ,即在播种前利用磁场处理种子或在生长过程 中施加一定的磁场可以影响农作物的产量。一些实 验研究证明,对小麦种子 、大麦麦苗和烟草种子等农 作物进行磁处理以后 ,产量都明显增加 。此外 ,磁性 肥料堆农作物都有一定的增产效果 。 3 生物电磁场的数值计算 对电磁场生物效应进行研究, 主要有两类方法 : 实验技术和理论计算 。虽然生物电工学是一门实验 性非常强的学科 ,但由于电磁场生物效应的复杂性 , 通过实验手段有时很难全面评价或定量分析 。电磁 场数值计算技术能精确地分析电磁场在人体内的分 布情况,而且已在相关学科中获得了成功而又广泛 的应用。所以, 电磁场数值计算技术为电磁场生物 效应的研究提供了一个有效途径 ,能为电磁场生物 效应的研究提供一些有价值的理论指导 。 3. 1 时域有限差分技术 电磁场的数值计算方法有有限元、时域有限差 分法(FDTD)、与 频率相 关的时 域有限 差分法 ((FD) 2 TD) [ 22] 和阻抗法等, 应用最广泛的就是 FDTD 法[ 23 - 24] , FDTD 算法概念简单且具有系统 性 、高精度、容易实现多个物理参数的仿真 ,因此逐 渐成为解决电磁散射和电磁波传输问题的有力工 具 。 在运用 FDTD 方法计算电磁辐射对人体器官 和组织的影响时 , 将人体划分为近场区和远场 区 [ 2 5] :近场区也称感应场 , 是指 1 个波长之内的区 域 。其电磁强度比较大 , 但电场和磁场没有明确的 比例关系, 需要分别测量。远场区又称辐射区[ 26] , 是指 1 个波长之外的空间区域。在远场区电磁场能 量脱离辐射体,以电磁波形式向外发散,电场和磁场 的运行方向互相垂直, 并都垂直电磁波传播的方向。 在计 算 区域 的截 断 边界 处 采用 PM L 吸收 边 界[ 2 7 - 28] 。PM L 的优势是能吸收入射电磁波, 具有 很小的反射 ,缩小计算规模 ,提高计算精度 。 运用比吸收率 SA R(Specific Absorptio n Rate) 定量分析人体对电磁波的吸收情况 。SA R 的定义 有两种 : ①给定密度的体积中由质量所吸收能量的增量 对时间的导数[ 29] ,即 SAR = σef f ρ E 2 (1) 式中:σ是电导率 ,ρ是生物组织的密度 , SAR 单 位为 W /Kg. ②Poljak D 推导了另外一个计算 SAR 的表达 式[ 3 0] , SAR = d dt d W dm = d d t dW ρd V (2) 式中:W 是指组织所吸收的电磁波能量, m 是 组织的质量 。物理上, 两种定义是等价的 。 运用 FDTD 方法计算得到的使用手机通话时 人体头部 SA R 值如表 1 [ 4] ,计算过程中所采用的人 体电磁参数如表 2 [ 29 -31] 。 表 1 基于 FDTD 方法的头部 SAR 值 眼部 无金属框架眼镜 有金属框架眼镜 脑部接近 手机处 SAR (W /Kg) 0. 007 - 0. 21 0. 008 - 0. 27 0. 12 - 0. 83 14 电气电子教学学报 第 29 卷
第3期 严登俊.李 伟等：生物电磁学研究进展 15 表2人体头部电磁参数 器官或组织 相对介电常数 电导率sm 骨酪和脂肪 9.99-17.40 0.037 皮肤 3540 1.4 脑部 43.6068-45.7691 0.769-1.1355 图4两磁片对置时的空间磁场分布图 颅骨组织 48-55 0.037-1.4 人体影响的一个清晰的机制，还需要进一步的研究 3.2数值积分技术 和实验。电磁场对人体健康会造成一定的伤害，但 数值积分法是数值计算方法应用中的基本内容 是它在医学方面的优势也不能被忽略，特别是核磁 之一。它不仅奠定了各种类型积分表达式数值求积 共振成像技术和磁疗技术，对于诊断疾病都是非常 的基础。而且随着数值计算方法的日益发展，已成 有效的方法。所以对于电磁场.我们必须采取一定 为多种数值方法，如模拟电荷法、等参有限元法和边 的措施来降低它对人体健康的影响。目前，对于电 界元法.数值积分法为获得场量位函数积分表达 磁场的危害和应用国，内外的研究都已经取得一定 式的精确解，提供了最一般性的计算方法和工具 的成果，但随着经济越来越发达，人们生存环境受到 可以满足工程上由各种分布形态的场源所激励的场 的电磁辐射会越来越大，所以今后的研究应该在尽 分布以及有关参数计算的需要。 量减少电磁辐射的危害的前提下进行 图1~4是采用数值积分技术计算得到的临床 参考文献 永磁贴片穴位治疗中常见的几种永磁体放置方式下 人体内生物磁场分布情况 【刂方球梁广华，王家钢.电磁辐射对人体危害的探讨几广州： 电机电器技术2004(4)：30-32 「1沙路.电磁辐射对人体健康的影响Ⅱ，质量工积卷，200 3.50-60 e 199819：1-18 图1单面磁片的空间磁场分布图 赵梅兰王德文.射频电磁场生物学效应的某些研究进厕】 北京：生物物理学报。200016)：439-443 李振杰。舰船射频电磁场对机体的响与防护儿·北京：解放 左学主200311.7071 牛中奇，阁静，那旺田。电磁波的生物学效应[月技术论坛。 图2异名极并置磁片的空间磁场分布图 刘更税冬东，张丽球 电磁辐射作用下人体比吸收率的研究 【月.西安陕西师范大学学报（自然科学版），2006(34：11( -117 身杰青，核感共振一。获得诺贝尔奖次数最多的一个科学专 题上海：白然杂志，200306).357-261 10 潘子品。李扶刘忠厚冲电磁场疗法及其在防治骨质 松中的应用】.北京：中国骨质疏松杂志 2005.8M10384 图3同名极并置磁片的空向磁场分布图 1 周万松.磁场的临床应用与研究进展(2005年磁疗研讨会资 4结论 料综述川，黑龙江生物磁学200554：110-11 [1☒李万甫等。脉冲电磁场对骨质疏松症患者疼痛的疗沟】，沈 随者科技和医学的发展，电磁场己经成为人们 阳：中因临床康复.2005.11(9)：57 日益关注的问题，对于它对人体所造成的影响是不 」1习郭月红李洪军.微被柔黄技术在食品工业中的应用月.天 可避免的，俱是，目前的技术还没有给出电磁场对lishing律保鲜与加工20(》“-45 http/ww enki ne
表 2 人体头部电磁参数 器官或组织 相对介电常数 电导率 S /m 骨骼和脂肪 9. 99 ～ 17. 40 0. 037 皮肤 35. 40 1. 4 脑部 43. 6068 ～ 45. 7691 0. 769 ～ 1. 1355 颅骨组织 48 ～ 55 0. 037 ～ 1. 4 3. 2 数值积分技术 数值积分法是数值计算方法应用中的基本内容 之一 。它不仅奠定了各种类型积分表达式数值求积 的基础。而且随着数值计算方法的日益发展, 已成 为多种数值方法 ,如模拟电荷法、等参有限元法和边 界元法。数值积分法为获得场量 、位函数积分表达 式的精确解, 提供了最一般性的计算方法和工具 。 可以满足工程上由各种分布形态的场源所激励的场 分布以及有关参数计算的需要 。 图 1 ～ 4 是采用数值积分技术计算得到的临床 永磁贴片穴位治疗中常见的几种永磁体放置方式下 人体内生物磁场分布情况 。 图 1 单面磁片的空间磁场分布图 图 2 异名极并置磁片的空间磁场分布图 图 3 同名极并置磁片的空间磁场分布图 4 结 论 随着科技和医学的发展 , 电磁场已经成为人们 日益关注的问题 ,对于它对人体所造成的影响是不 可避免的 。但是 ,目前的技术还没有给出电磁场对 图 4 两磁片对置时的空间磁场分布图 人体影响的一个清晰的机制 ,还需要进一步的研究 和实验 。电磁场对人体健康会造成一定的伤害, 但 是它在医学方面的优势也不能被忽略, 特别是核磁 共振成像技术和磁疗技术 ,对于诊断疾病都是非常 有效的方法 。所以对于电磁场, 我们必须采取一定 的措施来降低它对人体健康的影响 。目前 ,对于电 磁场的危害和应用国 , 内外的研究都已经取得一定 的成果 ,但随着经济越来越发达 ,人们生存环境受到 的电磁辐射会越来越大 , 所以今后的研究应该在尽 量减少电磁辐射的危害的前提下进行 。 参考文献: [ 1] 方玮, 梁广华, 王家钢. 电磁辐射对人体危害的探讨[ J] . 广州: 电机电器技术 2004(4):30 - 32 [ 2] 沙踪. 电磁辐射对人体健康的影响[ J] . 质量工程卷, 2003 (3):59 - 60 [ 3] Repacholi MH . Low - level exposu re t o radi ofrequen cy electromagnetic fields:health eff ects and research n eeds[ J] . E lectromagnetics, 1998(19):1 - 18 [ 4] 赵梅兰, 王德文. 射频电磁场生物学效应的某些研究进展[ J] . 北京:生物物理学报, 2000(16):439 - 443 [ 5] 李振杰. 舰船射频电磁场对机体的影响与防护[ J] . 北京:解放 军医学杂志, 2006 , 3(31):270 - 271 [ 6] 周兴旺, 施英. 生物电磁学[ J] . 北京:物理, 1995(24):36 - 38 [ 7] 牛中奇, 阎静, 邵旺田. 电磁波的生物学效应[ J] . 技术论坛, 2001(7):8 - 12 [ 8] 刘斐, 税冬东, 张丽琼. 电磁辐射作用下人体比吸收率的研究 [ J] . 西安:陕西师范大学学报(自然科学版), 2006 , 6(34):116 - 117 [ 9] 傅杰青. 核磁共振 - - 获得诺贝尔奖次数最多的一个科学专 题 上海:自然杂志, 2003(06):357 - 261 [ 10] 潘子昂, 李扶刚, 刘忠厚. 脉冲电磁场疗法及其在防治骨质疏 松中的应用[ J] . 北京:中国骨质疏松杂志, 2005 , 8(11):384 - 388 [ 11] 周万松. 磁场的临床应用与研究进展(2005 年磁疗研讨会资 料综述)[ J] . 黑龙江:生物磁学 2005 , 5(4):110 - 111 [ 12] 李万甫等. 脉冲电磁场对骨质疏松症患者疼痛的疗效[ J] . 沈 阳:中国临床康复, 2005 , 11(9):57 [ 13] 郭月红, 李洪军. 微波杀菌技术在食品工业中的应用[ J] . 天 津:保鲜与加工, 2006(1):44 - 45 第 3 期 严登俊, 李 伟等:生物电磁学研究进展 15