生物體電磁兼容研究
——磁刺激對大鼠心電的影響

孫利平 長沙學(xué)院

一、電磁場基本理論

正式發(fā)表的關(guān)于電的第一條定量定律是庫侖定律(Coulomb， 1785 ) 0 1820 年奧斯特(Oersted，丹麥)發(fā)現(xiàn)通電的導(dǎo)線對磁針有作用力。畢奧一薩伐爾確定了這個(gè)力正比于電流強(qiáng)度，反比于導(dǎo)線與磁極的距離。與此同時(shí)安培(Ampere 把磁性歸結(jié)為電流和電流的相互作用，提出安培定律。但安培被自己提出的超距作用的分子電流假說所迷惑，沒能夠發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象。這個(gè)對形成電磁場的概念致關(guān)重要的現(xiàn)象在1831 年被法拉第(Friday)發(fā)現(xiàn)。法拉第創(chuàng)建的力線和場的概念意味深長。麥克斯威(Maxwell，1865)在此基礎(chǔ)上建立了電磁場的完整理論一一麥克斯威方程。

通過大量的電磁場運(yùn)算，可得出電磁輻射下生物體某一點(diǎn)處的電磁場計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式。在運(yùn)算過程中，避開了復(fù)雜的生物體自身原有電磁場的分析，但在運(yùn)算過程中又考慮到了生物體在電磁波進(jìn)入時(shí)的反射透射特性，所選用的磁導(dǎo)率，介電常數(shù)，電導(dǎo)率等參數(shù)都是在考慮生物體自身特性前提下得出的值。從理論上講，只要電磁波和生物體的物理模型確定，生物體內(nèi)部的任一點(diǎn)的新的電磁場強(qiáng)度就可以求出，生物體某處的新電場求出以后，再對其進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)的分析歸納以得出電磁輻射對生物體的影響，如利用電磁場強(qiáng)度求出生物體吸收功率密度等等，為進(jìn)一步深入研究電磁輻射對生物體的影響奠定了基礎(chǔ)。

二、生物體電磁兼容實(shí)驗(yàn)

（一）關(guān)于電磁兼容

人在距離感壓電纜太近時(shí)，會在停駐一段時(shí)間之后發(fā)生神經(jīng)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)等的一系列反應(yīng)與變化。Sazonova T. Ye 在1971年報(bào)道，人在16kV/m 場強(qiáng)下停留30 分鐘后，其行為會有所改變。Hanf R.等在19741982 年連續(xù)報(bào)道，人在1kV/m， 15kV/m 及20kV/m 電場中短時(shí)間停留，可以出現(xiàn)反應(yīng)變快、白細(xì)胞上升和一些激素的變化，但腦電圖沒有發(fā)現(xiàn)變化。后來又有人報(bào)道，12 個(gè)人在40}SOkV/m下停留3 分鐘，發(fā)現(xiàn)腦電圖的變化。

（二）兼容實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想

試驗(yàn)的內(nèi)容和目的：

1.設(shè)計(jì)磁刺激器刺激大鼠試驗(yàn)，分析試驗(yàn)結(jié)果得出幾點(diǎn)規(guī)律。

2.簡述心電產(chǎn)生基本原理，討論磁刺激導(dǎo)致心電變化的原因，為研究磁刺激對生物的影響及治療胸悶，心疼痛等疾病的機(jī)理提供理論基礎(chǔ)。

（三）磁刺激的介紹

心臟磁刺激試驗(yàn)系統(tǒng)從功能上包括刺激信號發(fā)生、磁場激勵(lì)、勝利信號采集、試驗(yàn)裝置狀態(tài)檢測及相關(guān)的信號分析處理功能模塊。刺激型號發(fā)生器產(chǎn)生包括正弦波、方波、脈沖波、等刺激信號，本試驗(yàn)采用脈沖波，送入由功率放大器與線圈構(gòu)成的磁場激勵(lì)部分，產(chǎn)生所需的磁刺激激勵(lì)。同時(shí)由生理信號采集、試驗(yàn)裝置狀態(tài)監(jiān)測部分對試驗(yàn)對象的ECG 及加載在線圈上的電壓、通過線圈的電流及試驗(yàn)點(diǎn)的磁場強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)測，并由相關(guān)的數(shù)據(jù)分析軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。見圖1。

圖1 心臟磁刺激試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

（四）提起布置以及實(shí)驗(yàn)過程介紹

實(shí)驗(yàn)溫度為20 攝氏度。實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備過程中，先把大白鼠麻醉，放到特定的箱子里。然后把針電極固定到它的兩條前足和一條后足的皮下以觀測心電。然后，把電極連接到與信號分析機(jī)相連的功率放大器上。實(shí)驗(yàn)開始前記錄幾組正常心電圖之后，打開場源開關(guān)，準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)。其中實(shí)驗(yàn)所需要的材料清單見表1.

表1

實(shí)驗(yàn)過程中讓線圈靠近大白鼠。磁場強(qiáng)度分梯次增加，同時(shí)，對應(yīng)每一個(gè)磁場強(qiáng)度選擇幾個(gè)特定的頻率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。每一次實(shí)驗(yàn)全過程記錄大鼠心電圖。每一次實(shí)驗(yàn)開始時(shí)保證大白鼠心電恢復(fù)到正常心電狀態(tài)。

1.無刺激的時(shí)候

無刺激的時(shí)候，心電圖比較平緩。大鼠的心電反應(yīng)良好，心電幅數(shù)值約為0.4mV.

2.刺激中

刺激中，大鼠的心電圖有明顯變化。分別采用了幾種積極形式的。12040A. 5Hz、15960A. 5Hz、15960A. 0.2Hz、24080A. 5Hz。

當(dāng)脈沖刺激進(jìn)行時(shí)，在脈沖作用的瞬間，大白鼠心電被外界磁刺激激勵(lì)，出現(xiàn)極強(qiáng)的電信號。在脈沖刺激進(jìn)行過程中，當(dāng)頻率都是5Hz，線圈電流分別為12040A， 15960A， 24080A 時(shí)，大鼠的心電幅值分別約為0.8mV，2mV， 4.5mV，同時(shí)也觀察了刺激頻率在20Hz和0.2Hz 時(shí)的情況，發(fā)現(xiàn)頻率一定時(shí)心電幅值隨著線圈電流的增大而增大。在脈沖刺激進(jìn)行過程中，刺激強(qiáng)度一定頻率改變時(shí)，刺激對大鼠心電幅度沒有影響。綜上所述，刺激正在進(jìn)行時(shí)，刺激強(qiáng)度是影響大鼠心電幅值的重要因素。

3.刺激后

刺激結(jié)束后的大白鼠心電情況：外界脈沖磁場為15960A 和20Hz 時(shí)，刺激對大鼠心電基本上沒有什么影響，當(dāng)外界脈沖磁場為15960A 和5Hz，24080A 和5Hz 時(shí)，刺激對心電有稍許影響。當(dāng)刺激頻率為15960A 和0.2Hz 時(shí)，影響相當(dāng)劇烈，磁刺激結(jié)束后，當(dāng)刺激強(qiáng)度一定時(shí)，刺激對心電的影響將隨著頻率的逐漸降低而加劇。磁刺激結(jié)束后，當(dāng)刺激頻率一定時(shí)，刺激強(qiáng)度的改變對心電幾乎沒有影響。由此可以看出：刺激結(jié)束后，刺激頻率是影響大鼠心電的重要因素。