1、人体中电现象的一些探讨,14系 张炜 PB03206221,骨头 压电效应 = 电致伸缩效应 =心脏 心脏表面电势分布 = 心脏起搏器与去纤颤器 =,对于骨头，我们大家都不陌生，可我们真正了解它吗？,骨头的一些特殊性质压电性质 电致伸缩性质,当骨头受到压缩或拉伸时，骨头某些对应表面上会产生异性的极化电荷压电效应。,在运动当中，我们的骨头会产生一定程度的变形，这样就会产生一个电势差，这个电势差从医学上来讲，能促进钙的吸收陈沉积，对骨骼发育有很大的帮助。我们航天英雄杨利伟，在外太空时也需要运动来保持骨骼健康良好。,我们发现骨头有着与它们相似的电压反应特征，由此我们可得出结论，骨头也有着类似的压电效
2、应。,横坐标为小针刺击压电材料的频率，纵坐标为相应材料表面产生的电压。 图中显示有三条曲线。它们分别是Tendon 腱, Bone 骨头, Balcen 布加内酯。腱和布加内酯都是高分子的压电材料,频率/Hz,电压/V,骨头的电致伸缩效应当在骨头表面加上一个电压时，骨头会产生伸长或压缩的微小形变。,有些手臂暂时不能活动的病人，如果我们在他受伤的手臂上的适当部位加一电势差，就能促进钙的沉积，让其更早康复。,我们将这样一个仪器简化如下 =,直径75的手臂 ，手臂组织的介电常数 骨头直径 ，介电常数 极板靠近手臂处还有.厚的一层绝缘体，介电常数.,骨头,正极板,负极板,手 臂,两极板间电势差50V已
3、知，骨头中的电场强度有多大？,我们可以把问题近似简化如下图所示的，这样一个平行板电容器问题。把两极板间的骨头，组织，绝缘体看作是填充于其间的不同介质。 =,现在，我们可以得到结果了！,我们用i代表绝缘体，用t代表手臂组织，用b代表骨头。V=2E i d i + 2E t d t +E b d b = 50. (1)D应该是连续的，因此D = 。 i E i = 。 t E t = 。 b E b这样我们把（1）式中的 E i和E t 用E b表示，得到只含一个未知量E b的方程，代入有关数据，求得E b = 970 V/m.即骨头当中的电场强度为970 V/m。,钙离子是带电荷的，我们可以感觉
4、到这个电场有利钙离子向骨头沉积。图中小红圆圈代表钙离子，黑色圆柱体代表骨头。,当然，钙的沉积远非如此简单，骨头当中电场强度的测量也远不止这么简单，都是一个很复杂的研究，它牵涉到物理，医学的多方面领域。在这里我只是想通过这个简单模型说明些问题。,通过网上相关研究资料的调查，我发现国内这方面的研究进展远远落后于国外。因为通过国内的科技搜索引擎，如中国学术期刊网，万方数据等，都很难找到相关资料，几乎可以说是没有。而国外的E i，IEEE等就明显要多一些。这应该有着很好的发展前景 。=,前面，我们看了骨头与电现象的联系。下面，我们来看看心脏方面与电有什么有趣的关系。,对于心，我们了解它多少？,我们知道
5、，当加于其心脏的电压大到一定值时，就会引发心脏的收缩。 我们也经常在电视里看到医生抢救病人时用的心脏起搏器。我们知道心电图。,过测量人体皮肤表面的电势分布，来研究心脏处电势的大体分布。心脏处于人体内部，外围有着人体的各不同组织成分，其导电性能必然很复杂，应该说是一个极复杂的各向异性的环境。,但这些并不代表我们不能从此方面来做些探讨。看看实验结果：=,让我们把它与这幅电偶极子等势图作些比较，看能发现什么相似的地方？=,我们发现其间有着一定的相似性，这给了我们一个不小的震撼。,心脏的等电势图类似于一个电偶极子的等电势图。由于两者的比较方法是极粗糙的，我们不能要求吻合的程度很大。有这么一些相似性已经
6、很不错了。 这意味着什么呢？这给我们研究心电场提供了一个很好的思路，对心脏疾病的诊断提供了一个强有力的方法。当然这需要精准的仪器作为前提条件。=,心脏起搏器和去纤颤器。,心脏可以说是一个有生物体控制着的泵，当心脏受到某种伤害时，心肌会发生激烈的颤动，在医学上叫做纤维性颤动。为了恢复心脏的正常工作，我们需要一个心脏起搏器和去纤颤器。,当去纤颤器外部极板于3毫秒内放电400 J ，求瞬时电流的大小，瞬时电压的大小？,若两极板间人体电阻 R = 50 。 = I R t = V I t I = E /（R t ）代入相关数据可得 I = 51.6 A V = E /（I t ）= 400 /（51.6 0.003） = 2.58 kV,可植入起搏器实物图,随着微型可嵌入式去纤颤器的发展，所需的激发能量也随之减少了许多。其更大的优点还在于，他靠心脏更近，当病发时，仪器可自行放电治疗，而无须像外用式那样，需要医生的临场救治，为病人赢得了宝贵的时间，时间就是生命。,至此，我们从人体的骨头，心脏两方面做了些与电现象有关的研究，发现生物体是与电紧密相关的。生物体其他方面也有着很值得我们探究的地方，如前几届学生做的神经传导，电鳗放电等。另外磁与生物体也是密不可分的，这是一个很好的研究领域。由于水平有限只能写到这里啦。,感谢电词电磁教学组老师提供的机会！祝各位老师元旦快乐！,
