收藏本站
《西安电子科技大学》 2011年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

电磁场与生物体相互作用及安全性分析

周永军  
【摘要】:随着电子科技的迅速发展,电磁场与电磁波在医学和生物学领域的应用越来越广泛,从而极大地提高了人类的生活质量和健康水平,与此同时,伴随应用而产生的电磁波辐射是一种新的污染环境的因素,从而有可能危及人体健康。无论是对其正面应用的进一步开发和利用,还是对负面效应的评价与防护,均以三方面的基础研究作为支撑的:一是电磁波生物学效应的实验研究,以回答应用什么的问题;二是机理研究,以回答应用的理论依据是什么的问题;三是生物电磁剂量学研究,以回答在什么样的电磁作用量下可应用的问题。本文在上述三方面的特色是:实验研究中以时-频域内的特征量为指标,开展生物学窗效应研究;机理研究中利用膜离子通道的几何结构参数和电荷分布参数计算通道内沿轴向的电位分布和电场分布,其结果中表明的周期性势垒分布为窗效应的存在奠定了物理基础,周期性的电场分布及由细胞膜电位所引起的非线性极化特征所引起电磁波能量的汇聚从而为离子提供了足以跨越势垒的能量基础;生物电磁剂量学研究中,将通常的吸收功率研究扩展到电场应力和温度升高研究,以便从听觉效应和温度变化效应角度对剂量作评价。 一.极低频电磁波生物学窗效应研究 以窗效应实验中常用的Ca ~(2+)为实验对象,在给出细胞内Ca ~(2+)浓度测量方法和为该课题所设计并制作的电磁波生物学实验照射系统的基础上,分别以鸡脑组织和人体肝癌细胞(7721)为生物学研究对象,以同位素示踪法和荧光标记法为实验方法,用不同频率和强度的极低频电磁波为作用因子,以液体闪烁计数器和激光共聚焦扫描显微镜为检测仪器,以放射性强度和荧光强度作为Ca ~(2+)数量的基本数据,进行电磁波生物学非热效应的典型代表—电磁波生物学窗效应的实验研究。其中着重研究了细胞胞浆内Ca ~(2+)浓度在时(间)–频(率)域内对电磁波的响应规律,从而将人们习惯于在时域内对电磁波生物效应的传统研究扩展到时–频域的研究,这样可获得生物系统对照射电磁波响应更深层次的信息。实验结果表明,无论是在时域内还是在时–频域内均存在着电磁波的频率窗效应和强度窗效应,同时表明,只有在特定的电磁波强度条件下才会产生频率窗效应,只有在特定的电磁波频率条件下才会产生强度窗效应,亦即,只有频率和强度的恰当组合的电磁波才会产生生物学窗效应。时–频分析结果表明:一定频率和强度的极低频电磁波可在细胞胞浆Ca ~(2+)浓度的时–频域内产生生物学效应,具体表现为,连续谱的宽度发生了变化,离散谱的个数发生了变化,离散谱的中心频率发生了变化。将产生和不产生生物学效应的一系列电磁波参数进行综合分析,结果表明,在时–频域内也会有生物学窗效应产生。另外,为了探索电磁波作用的物理基础,对无电磁波作用的生理条件下的7种细胞胞浆内Ca ~(2+)浓度的时–频特性作了研究,结果表明,不同细胞间既存在共性又存在差异,其共性表现为在时–频域内既有连续谱又有离散谱,某一参数的电磁波是否产生了生物学效应则正好体现在是否使这两种谱的特征发生变化;其差异表现为连续谱的带宽和离散谱的中心频率的不同,这些差异可为癌细胞的鉴别和对正常细胞健康状况的评价提供一种新的思路。 二.窗效应机理分析 基于Ca ~(2+)浓度变化与Ca ~(2+)穿过细胞膜上的由α-螺旋蛋白质分子构成的离子通道的量密切相关的思路,由α-螺旋蛋白质分子的几何结构参数和主链上的电荷分布参数计算了沿通道轴线的电位分布和电场分布,从而得出了沿轴线有周期性的势垒分布和周期性的电位分布的结果。势垒的高度便是离子在通道内运动时所需能量的基本单元,若要使离子一次跨越n个势垒( n = 1,2,......),则电磁波提供给离子的能量必须是这一基本能量单元的n倍,这意味着,能够使离子在通道内运动的电磁波的强度是一系列的离散值,这便是强度窗效应机理的基础。同时,离子跨越一个势垒是需要一定时间的,这个时间便是离子在通道内运动时耗费时间的基本单元,若要使离子一次性跨越n个势垒,则耗费的时间必然是这一基本时间单元的n倍,这意味着能够使离子在通道内沿正向运动,则电磁波电场的正方向所维持的时间应该是基本时间单元的n倍,即要求电磁波的半个周期等于基本时间单元的n倍,从而可知,要想与通道内的离子沿正向运动在时间上谐调一致,则要求电磁波的周期为一系列的离散值。由于周期与频率间有确定性的关系,故要求电磁波的频率是一系列的离散值,这便是频率窗效应机理的基础。事实上,只有提供给离子的能量为基本能量单元的n倍,同时其电场正向维持的时间也正好是基本时间单元的n倍的电磁波才能使离子沿正向跨越n个势垒而运动,所以,只有强度和频率恰当组合的电磁波才能产生窗效应。另外,量值估算表明,照射电磁波自身所具有的能量是不可能使离子跨越势垒的,为此,提出了电磁波能量局域汇聚的观点,其基本思想是:由于细胞膜存在10~(-2)V静息电位,故膜内有10~7V/m的电场,在如此强电场下,介质的极化表现出明显的非线性特征,加之离子通道内沿轴向有周期性的电场分布,故对通道内每一个横截面而言,两侧的介电常数是不相同的,两侧介电常数的不同便会使电磁波在该面上发生反射,反射的结果便形成了驻波,驻波的存在则表明在其波腹附近的一个区域内有电磁波能量的汇聚,从而使处于该区域的离子可获得远大于照射波自身的,足以使离子跨越势垒的能量。综上所述,本文的机理分析中,既给出了强度窗、频率窗效应的物理基础,又给出了二者的关联,同时,基于能量汇聚结论可给予低强度电磁波何以能够引起生物学效应的合理解释。 三.手机辐射在人体头颅内产生的电场应力、温度升高及安全性评价 出于电磁波会在不连续媒质中产生电场应力的考虑,分析计算了手机辐射在人体头颅内产生的电场应力分布,并以产生的电场应力是否达到人的听觉阀值从而产生听觉效应的角度对手机辐射的安全性进行了评价。出于电磁辐射可引起生物组织的温度升高而大脑又是对温升最为敏感的组织之一的考虑,基于手机辐射在人体头颅内的功率分布及生物组织的热传导特性,分析计算了头颅内的温度分布,给出了温度升高的区域和在目前的手机辐射功率下的温度升高值。出于手机设计中应考虑人体头颅会对手机天线的辐射特性产生影响的考虑,分析计算了人体头颅对手机天线辐射特性的影响,其中,关于天线方向图的影响研究中,不仅给出了人们习惯采用的二维方向图,还给出了一些典型数据,同时增加了对手机输入阻抗影响的研究内容,该内容可用于对影响手机天线辐射效率影响的评价。另外通过分析计算给出了减少人体头颅吸收手机辐射功率的建议。
【学位授予单位】:西安电子科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:Q64;O441.4

手机知网App
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 王补宣,王艳民;生物传热基本方程的研究[J];工程热物理学报;1993年02期
2 王海彬;牛中奇;;人体对电磁脉冲吸收剂量的仿真研究[J];电波科学学报;2006年02期
3 张业荣,聂在平,阮颖铮;电磁逆散射问题中的泛函方法[J];电子科技大学学报;1996年06期
4 范纯武,赵锐,唐凤强,袁铁,戴中美;工频电磁场对人体T淋巴细胞核仁区酸性非组蛋白活性表达影响的研究[J];工业卫生与职业病;2000年05期
5 吴瑞英,姜槐;生物电磁学的热点问题研究[J];基础医学与临床;2000年01期
6 黄春明,叶晖,徐建华,林家瑞,瞿安连;极低频弱磁场对PC-12瘤细胞胞内游离钙离子浓度的影响[J];生物医学工程学杂志;2000年01期
7 郑永芳;钙通道与钙释放通道[J];生物物理学报;1992年04期
8 杨文修,陈振辉;生物膜电压门控离子通道的结构和功能性构象[J];生物物理学报;1991年01期
9 黄卡玛,赵翔,李颖,刘永清,唐敬贤;试论非热电磁生物效应实验的重复性[J];四川大学学报(自然科学版);1997年03期
10 陈星,黄卡玛,赵翔;遗传算法应用于二维微波成像研究[J];四川大学学报(自然科学版);2002年02期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 孟超,高燕,于淼,葛庆昆,朱琨;城市电磁辐射污染的产生与危害[J];安全;2005年05期
2 王静,刘喜排;物质的抗磁性[J];保定师范专科学校学报;2002年02期
3 艾志伟,张四红,魏建华;手机电磁辐射对小鼠损伤实验的初步研究[J];北京生物医学工程;2005年03期
4 王志敏,顾文业,顾晓安,沈荣瀛;大型电力变压器铁心电磁振动数学模型[J];变压器;2004年06期
5 郭庆功,马雪莲;影响瞬态电磁生物效应实验重复性的要素[J];重庆邮电学院学报(自然科学版);2002年01期
6 张业荣,聂在平,漆兰芬;地层电导率非线性反演方法——阵列感应数据反演[J];测井技术;1997年05期
7 张兆庆,张弛,吴浩洁;微波电磁场生物效应机理研究进展[J];磁性材料及器件;2000年01期
8 张敏,张百良,孙治强;采后果实内部传热学分析[J];东北农业大学学报;2004年04期
9 张业荣,聂在平,漆兰芬;用于非均匀介质重建的选代算法收敛性的研究[J];电波科学学报;1998年02期
10 王海彬;牛中奇;;人体对电磁脉冲吸收剂量的仿真研究[J];电波科学学报;2006年02期
中国重要会议论文全文数据库 前9条
1 王瑄;;电磁波屏蔽织物对生物的防护效果功能性研究[A];第四届功能性纺织品及纳米技术研讨会论文集[C];2004年
2 宋婷;刘瑛岩;关志成;;生物电磁学研究进展[A];全国电工理论与新技术学术年会(CTEE'2001)论文集[C];2001年
3 孟超;朱琨;;北京市区电磁辐射现状分析[A];中国环境科学学会2006年学术年会优秀论文集(下卷)[C];2006年
4 陈士修;陈学构;;关于透镜式电收尘技术的汇报[A];第十届全国电除尘、第二届脱硫学术会议论文集[C];2003年
5 侯建强;牛中奇;刘斐;陈军;;基于虚拟仪器的电磁环境测量系统研究[A];中国生物医学工程进展——2007中国生物医学工程联合学术年会论文集(上册)[C];2007年
6 何为;徐征;何传红;;点电流源激励下头颅球模型的电位分布解析算法研究[A];第十一届全国电工数学学术年会论文集[C];2007年
7 殷建华;张健;;北京市重点地区电磁辐射时间序列分析与动态数据建模[A];中国地球物理第二十一届年会论文集[C];2005年
8 王瑄;;电磁波屏蔽织物对生物的防护效果功能性研究[A];第九届陈维稷优秀论文奖论文汇编[C];2005年
9 杨少华;刘军;张虹淼;楼正国;李光;;一种基于磁声电相互耦合的神经电流检测方法[A];第三届全国信息获取与处理学术会议论文集[C];2005年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 高悦;微波热疗中辐射器形式和热场分布的研究[D];第四军医大学;2005年
2 李成;中国克山病的构造环境机理研究——以陕西病区为例[D];西北大学;2001年
3 房少军;非对称共面波导的特性及其场结构图的研究[D];大连海事大学;2001年
4 唐丽灵;周期性机械拉伸对大鼠成骨细胞生理活性和力学性质的影响[D];重庆大学;2002年
5 吴锡南;低强度1800MHz电磁波暴露对大鼠行为功能的影响及其遗传毒性探讨[D];第三军医大学;2002年
6 孙文均;工频磁场细胞信号转导机制及噪声磁场干预作用研究[D];浙江大学;2003年
7 谭启泉;一种新型无线感应系统理论及其应用[D];西南交通大学;2003年
8 高永毅;植物的细胞力学行为研究及在水果机械损伤研究中的应用[D];中国农业大学;2003年
9 刘丽英;人体微气候热湿传递数值模拟及着装人体热舒适感觉模型的建立[D];东华大学;2002年
10 姚陈果;可控陡脉冲对恶性肿瘤细胞不可逆性电击穿的实验和机理研究[D];重庆大学;2003年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 王志刚;低强度微波辐射对兔髂外动脉损伤后再狭窄的影响[D];重庆医科大学;2004年
2 葛亮;高压静电场对肺癌及提高肺癌药物敏感性作用的实验研究[D];吉林大学;2005年
3 王晓俊;高压芒刺静电场及其配合化疗药物对HeLa细胞生长的影响[D];东北师范大学;2005年
4 张令涛;微波无损检测成像算法的研究[D];沈阳工业大学;2005年
5 周琳;胰淀素对培养的新生大鼠胰岛细胞生物功能影响的实验研究[D];第一军医大学;2000年
6 刘军;钙离子平衡调节剂对燥声性聋拮抗作用的实验研究[D];军医进修学院;2001年
7 黄晓莉;东亚钳蝎毒素BMK AS类多肽的分离纯化及对大鼠骨骼肌细胞内[Ca~(2+)]_i的影响[D];南京医科大学;2001年
8 高昕;手机辐射近场对人体作用的电磁剂量研究[D];西安电子科技大学;2001年
9 杨芳;电磁波作用下人体的电场应力分布[D];西安电子科技大学;2002年
10 刘睿;MG患者IgG与培养神经元nAChR免疫结合及对神经元胞浆钙的影响[D];第四军医大学;2002年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 汪彤,张文俊,刘维亮;N阶色散媒质的 FDTD法与数字信号处理技术[J];电波科学学报;2000年04期
2 王长清,祝西里;脉冲电磁波对人体作用的研究[J];电子学报;1994年06期
3 邵耀椿,封国林;激光与DNA作用系统的随机共振研究[J];红外与毫米波学报;1996年06期
4 黄卡玛,唐敬贤,刘永清,徐兰;生物代谢动态过程中的电磁干扰[J];中国科学B辑;1995年03期
5 张沪生,张传清,杜碧,黄兴鼎,叶晖,李宗山,曾繁清,张晴川,陈柳林;超低频脉冲磁场抑制癌瘤和提高细胞免疫功能的实验研究[J];中国科学C辑;1997年02期
6 张沪生,叶晖,张晴川,张起麟,曾繁清,黄兴鼎;用电镜观测超低频脉冲磁场对鼠S-180肉瘤的抑制作用[J];科学通报;1994年21期
7 黄卡玛,刘永清,唐敬贤,赵军,李明斌,赵翔,韩树鹏,熊国安;调幅电磁波作用下Kl及KMnO_4氧化还原反应的新特点[J];科学通报;1995年23期
8 黄卡玛,赵翔,李颖,刘永清,唐敬贤;试论非热电磁生物效应实验的重复性[J];四川大学学报(自然科学版);1997年03期
9 杨文修,王宁韬,汪宽蓉;神经细胞膜钠通道的门控电流和门控动力学[J];生物物理学报;1985年02期
10 卢志恒,林建恒,胡岗;随机共振问题Fokker-Planck方程的数值研究[J];物理学报;1993年10期
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 王一鹏;;旋转球状星体引力场中电磁波的传播[J];华北电力大学学报;1986年04期
2 黄正申;;电路、磁路实验规律与电磁场理论[J];经济经纬;1993年04期
3 陈秉乾;舒幼生;胡望雨;陈熙谋;;迎接挑战——关于电磁场的教学[J];物理通报;1996年04期
4 张旭;庄孝磊;于国安;;库仑定律教学探讨[J];高等函授学报(自然科学版);2008年02期
5 李友全;张旭;;浅议库仑定律[J];中国科教创新导刊;2008年27期
6 葛文萍;贾振红;;“电磁场理论”教学的几点思考[J];高等理科教育;2008年04期
7 杨永芬;;场的物质性[J];云南师范大学学报(自然科学版);1985年02期
8 王彬;陈德智;;浅论亥姆霍兹定理在电磁场理论中的贯穿作用[J];物理与工程;2007年05期
9 曹斌照;许福永;梅中磊;李月娥;;浅谈“电磁场理论”课程的教学改革[J];电气电子教学学报;2008年02期
10 李锦屏;陈伟;;基于ANSYS的电磁场理论仿真实验设计[J];实验室研究与探索;2009年01期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 刘艳;;电磁场课程教学改革探讨[A];武汉(南方九省)电工理论学会第22届学术年会、河南省电工技术学会年会论文集[C];2010年
2 田子建;;《矿井电磁波传播与分析》课程主要教学内容探讨[A];煤矿自动化与信息化——第20届全国煤矿自动化与信息化学术会议暨第2届中国煤矿信息化与自动化高层论坛论文集[C];2010年
3 陈将伟;孙敏;;界面电流对电磁波传播性质的可能影响[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第3分册)[C];2010年
4 张东升;仲伟纲;董克江;;电磁场理论的对称与统一[A];中国生物医学工程学会第六次会员代表大会暨学术会议论文摘要汇编[C];2004年
5 胡伟东;陈重;吕昕;;电磁场理论的精品教学与实践[A];电子高等教育学会2008年学术年会论文集[C];2008年
6 肖春燕;朱衡君;齐红元;萨殊利;李文洲;;基于无损评估钢轨踏面硬度的电磁场理论研究[A];面向21世纪的生产工程——2001年“面向21世纪的生产工程”学术会议暨企业生产工程与产品创新专题研讨会论文集[C];2001年
7 李立峰;;光栅的电磁场理论及其应用[A];中国光学学会2006年学术大会论文摘要集[C];2006年
8 褚庆昕;胡福刚;;多媒质区域中电磁波传播的TDCB模拟[A];1999年全国微波毫米波会议论文集(上册)[C];1999年
9 冯庆国;刘曼芬;王秀江;杨善德;;电磁波传播电阻率测井的理论研究[A];1993年中国地球物理学会第九届学术年会论文集[C];1993年
10 王志华;王博文;张惠娟;杨文荣;吕殿利;;电磁场课程的实践教学探索[A];第6届全国高等学校电气工程及其自动化专业教学改革研讨会论文集(下册)[C];2009年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 郑立琪;孙忠良:情倾“天网”五十年[N];科技日报;2008年
2 记者 罗冰 通讯员 耿文茹;第15届电磁场计算国际学术会议开幕[N];科技日报;2005年
3 郑立琪王燕宁;从“窄带”到“宽带”[N];科技日报;2008年
4 安世亚太 雷先华;某型战机RCS计算简报[N];中国航空报;2005年
5 新疆 赵振强;电磁波常识ABC[N];电子报;2004年
6 贾凤山;科学没有终结[N];解放军报;2001年
7 唐一达杨燕群;朱敏慧:电子信息领域拓新者[N];科技日报;2007年
8 本报通讯员 王辉东 陈健;奋发求知为报国[N];科技日报;2002年
9 王辉东 陈健 本报记者 姜宁;一份沉甸甸的入党申请书[N];解放军报;2002年
10 李幼平;降低评审门槛才能繁荣科学[N];南方周末;2008年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 周永军;电磁场与生物体相互作用及安全性分析[D];西安电子科技大学;2011年
2 夏丹;电磁波与运动媒质的机电相互作用研究[D];华中科技大学;2011年
3 项元江;人工电磁超常材料中光和电磁波的传输与控制[D];湖南大学;2011年
4 何湘;飞机局部等离子体隐身探索研究[D];南京理工大学;2010年
5 王连成;电磁场与时空对全息超导的影响[D];湖南师范大学;2013年
6 王卓远;电磁波单向导波及相关非互易功能器件研究[D];浙江大学;2013年
7 朱学贵;高压永磁机构的理论研究与设计[D];北京交通大学;2008年
8 奚衍斌;高频电磁波在几类等离子体层中传播特性研究[D];大连理工大学;2013年
9 姚善化;复杂矿井巷道中电磁波传播特性及相关技术研究[D];安徽大学;2010年
10 王毅;极低频电磁波时域方法的理论研究及其应用[D];南京航空航天大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 齐致远;电磁波穿透空间等离子体的两点法数值模拟研究[D];电子科技大学;2011年
2 刘韬;电磁波在钢筋混凝土墙中传输特性的有限元分析[D];西安电子科技大学;2010年
3 刘艳;电磁波与等离子体相互作用的研究[D];南京农业大学;2009年
4 段国华;三层介质界面的表面电磁波研究[D];广西大学;2012年
5 张晓青;基于低温共烧陶瓷技术的电磁波带隙型贴片天线研究[D];清华大学;2011年
6 李新文;复变函数在解决电磁场问题中的应用[D];大连海事大学;2010年
7 张振;CN-FDTD分析随钻电磁波电阻率测井的电磁响应[D];山东大学;2012年
8 任恬;高频电磁波在弱电离等离子体中传播的数值模拟研究[D];大连理工大学;2013年
9 吕国梁;非对易电磁场理论[D];新疆大学;2002年
10 高红梅;平面电磁波与一维强碰撞弱电离等离子体的相互作用[D];大连理工大学;2008年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026