生物磁学

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第884页（3980字）

生物磁学又称磁生物学，是一门介于生物学和磁学之间的边缘科学。

生物磁学经历孕育(约公元前2世纪～1875)、初创(1876～1960)和发展(1961年以后)3个阶段。生物磁学的研究内容主要包括：生物磁现象，外加磁场对生物的影响，采用磁学原理和磁性器件的磁生物工程，以及利用各种磁学方法研究生物的结构和功能的关系等。

生物磁现象 生物之所以受磁场影响，主要是因为它们的体内具有微小的磁性微粒。如在向磁性细菌体内，就有10～20颗直径在500～100×10^－10m的微粒。这些微粒连成一条磁性链，化学成分是Fe₃O₄。家鸽具有在成百上千公里外飞回鸽巢的本领，也被认为与鸽头部含有这种磁性微粒有关。鲨鱼、海豚、蜜蜂和某些鸟类等生物，也有按地磁场确定方向的本领。

从微观来看，构成生物体的各种生物材料也是有磁性的，如铁、镍、钴等属于铁磁性材料，磁化效应十分明显；另一些物质，如氢、氧、碳、磷等非金属元素，其分子和原子都具有磁矩。

此外，含铁的血红蛋白、肌红蛋白和铁蛋白，含钴的维生素B₁₂，含铜的血蓝蛋白和肝铜蛋白，这些生物分子在一定条件下会表现出顺磁性，因而其结构和功能便与其顺磁性有关。

绝大多数生物组织在非匀强磁场中是朝磁场减弱的方向受力，因而具有抗磁性。

生物磁场极其微弱，易受到环境磁噪声的干扰，因而对检测生物磁场仪器的敏感性与分辨率要求很高。近年，由于高屏蔽效能的磁屏蔽室的建成，超导量子干涉式磁强计(SQUID)的应用，生物磁场的研究有了明显的进展。

人体磁场的来源 人体磁场的研究，是生物磁学中一个重要的分支。它的来源有两个：(1)生物电流。人体器官和组织在其活动中会产生诸如电子传递、离子转移、神经电活动等生物电过程。

在这些生物电过程中便会产生频率和强度不同、波形各异的生物电流，由此产生微弱的生物磁场。

(2)体内强磁物质的剩余磁场。当某些强磁性物质如F_e3O₄进入人体组织器官后，外加磁场可以将其磁化。

外磁场撤去，会产生剩余磁场。

人体的生物磁图 人体磁场随时间的变化关系被显示出来后，称为人体磁图。

它同记录生物电场随时间变化的生物电图一样，也能提供人体的生理和病理状态的重要信息。已被测量的人体磁图主要有以下几种：(1)心磁图。人体心脏的心耳与心室肌肉的周期性缩舒会产生复杂的交变生物电流，由此产生心磁场，其强度约为10^－11～10^－10T。心磁场强度随时间变化的曲线称为心磁图(MCG)。

1963年，鲍利(G．M．Baule)与麦克菲(R．Mcfee)首次在磁屏蔽室内用线圈磁强计测量到人体心磁图。1970年，科恩(D．Cohen)等人首次使用SQUID作出较完美的心磁图。

现已可用SQUID以及一个二阶导数梯度计耦合线圈辅助装置，在非磁屏蔽室房间里获得较理想的心磁图。心磁图在临床应用中比心电图具有更高的特异性和预期值。

(2)脑磁图。脑磁场随时间变化的曲线，称为脑磁图(MEG)。

脑磁图分为自发脑磁图和受激脑磁图两大类。自发脑磁图(α节律)的最大幅值为10^－12T，频率约为13Hz。当被测者闭眼时信号强，而睁眼时信号弱。

癫痫病患者的α节律信号值较正常人强。

受激脑磁信号很弱，只有10^－13T，用1mA幅值电脉冲信号刺激人的右手小指，可在大脑左半球罗朗多氏缝附近测到受激脑磁信号。用光信号刺激视觉，则在头后部枕外隆突尖附近测到视觉受激脑磁信号。

用声信号刺激听觉，可在头侧部测到听觉受激脑磁信号。1972年，科恩用SQUID记录到第一张脑磁图。脑磁图有助于了解脑细胞群活动与皮层产生的特定功能之间的关系，并有可能成为诊断脑机能状态的新方法。美国已建立脑磁图研究中心，为癫痫患者作癫痫病灶外科切除手术前的定位诊断。意大利罗马生物磁学实验室对脑瘢痕、萎缩、肿瘤、血管瘤和钙化等进行脑磁图研究，取得很大成功。脑磁图法也可成为研究神经系统和实验心理学的重要实验手段。

测脑磁图不要接触皮肤，不会引起伪差。低频或直流磁场可以穿过头颅骨，脑磁图不受其影响。

脑磁图还可以确定脑内场源的强度与部位，并能直接反映脑内场源的活动状态。(3)眼磁图。眼球运动和外界光刺激会产生眼电流，由此产生眼磁场，其强度约为10^－13～10^－12T。眼磁场随时间变化的曲线称为眼磁图(MOG)。

由于不同的眼球和眼球的不同运动方式，都会产生不同的磁场信号，因此借助眼磁图可以检查眼睛的某些病变。应用眼磁图的最突出的优点，就是测量时无需接触眼睛。

(4)肺磁图。肺磁场最先由科恩于1973年探测出。进展较快，已在少数国家用于临床。肺磁场不同于心磁场、脑磁场等人体磁场，它是由侵入肺中的强磁性物质产生的。进入肺中的强磁微粒，在外磁场的作用下被磁化而产生剩余磁场，其强度因肺中含强磁物质的多少而异，一般约为10^－10～10^－8T。肺磁场随时间的变化曲线称为肺磁图(MPG)。

肺磁图的主要用途有：尘肺的早期诊断，评价肺的净化功能，肺部疾病的鉴别，细胞游动的磁性测量。

另外，正在研究的还有肌磁图、胃磁图、肝磁图等。

磁生物工程 磁生物工程是利用各种磁效应和生物磁效应以及磁学方法和技术，设计和制作生物工程中的多种器械和装置。主要进展有：(1)核磁共振成像技术。

核磁共振成像技术(NMRI)是利用核磁共振(NMR)显示某一元素(实际是某一核素)浓度或弛豫时间的二维的或三维的图像的技术。它的特点是能使活体生物组织成像，对生物体无损害；不仅能显示形态，而且能显示说明功能和代谢过程等生理生化的化学性图象像。它在临床应用可分为人体代谢的诊断、人体组织解剖学诊断。(2)核磁共振血流仪。

该仪器可快速、准确、无损伤地测量外周动静脉和体内较深部位器官的血流速度。其工作原理，是根据血流磁化后的磁化强度与流速、流量都存一定的函数关系。(3)SQUID。SQUID是利用超导状态下的卓普逊效应(Joseplon ettect)工作的。

自1970年SQUID应用于人体磁场测量以来，测量灵敏度和分辨率不断提高，现已可测量10^－14～10^－15T的极微弱磁场。一次到高次梯度式SQUID的应用，可避免使用昂贵的磁屏蔽室；从单道到多道、从标量到矢量生物磁场的测量，已使其测量功能不断改善。SQUID目前有两型，直流型dcSQUID和高频型rfSQUID，前者的灵敏度高于后者。SQUID的工作条件是－270℃，要用液氦降温。

若能用液氮代替液氦，将可降低使用费用。(4)磁性药物释放系统。

采用化学的、生物的或物理的方法，可以制成磁性药物释放系统。该系统是含有磁粉(或向磁性细菌)和药物的微粒，可在外磁场引导下聚集于靶部位，在该部位持续释放出药物，从而使疗效提高、副作用减小。微粒的直径可以在几微米到几百微米间进行调节，并可采取静脉注射、埋敷或内服等方式进入人体，以适应不同需要。采用超微粒的磁粉很复杂，而采用向磁性细菌合成磁性药物释放系统，可获更好疗效。

因为向磁性细菌粒子的直径为50～100nm，可在微血管等微小空间移动。

磁场的生物效应 外加磁场对生物的影响称为磁场的生物效应，是生物磁学的重要内容之一。

近年，也有人将研究外加磁场对生物系统的影响的科学称为磁生物学。

由于外加磁场的类型和生物层次的不同，磁场的生物效应也有不同的表现。

磁场的生物效应可分为生物分子效应、细胞效应、组织效应和整体效应，这些效应对于不同的生物体又是多种多样的。磁场对生物体的作用有下列共同点：(1)磁场作用阈值。

磁场必须达到一定的阈值，才能产生生物效应，不同的生物其阈值不同。(2)场型分布的影响。

磁场的类型和分布(恒定或交变，均匀或非均匀，N极或S极，低频或高频)对生物的作用有显着不同的影响。(3)磁场的滞后效应。磁场引起的生物学效应在时间上往往滞后。(4)磁场的累积效应。

磁场的生物学效应与磁场作用时间的长短有关。(5)磁场的双向调节作用。

磁场对生物体具有双向调节作用。

如磁场可提高面神经的兴奋性，用于面神经麻痹的治疗；也可降低面神经的兴性，用于治疗面神经痉挛。

随着生物磁学的不断发展，磁疗已在疾病的临床治疗中得到广泛的应用。生物磁学的未来发展方向将是对磁场的生物效应、生物磁场和生物磁性进行更深入的研究。

除此之外，生物系统磁法研究和磁生物工程的实际应用，也将有较大的进展。

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【参考文献】：

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4 Ahlfors S,et al. Physica B,1990,97 : 165

5 奇云．生物磁学与磁疗机．现代医学与现代医用仪器．北京：中国医药科技出版社，1990．274～296

(安徽省淮南职业医专奇云副教授撰)