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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 =>=>

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1 人体中电现象的一些探讨 14 系 张炜 PB

2  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 =>=>

3 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

4 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。

5 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 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

6 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。

7 我们将这样一个仪器简化如下 => =>  直径 75 mm的手臂 ,手臂组织的介电常数 ε t=4  骨头直径25mm ,介电常数 ε b=2  极板靠近手臂处还有0. 5mm厚的一层绝缘体,介电常数 ε i=1. 5 骨头 正极板 负极板

8 两极板间电势差 50V 已知,骨头中的电场强度E 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。 =>=> 骨头 组织 E E

9 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 = ε 。 · εi · E i = ε 。 · ε t · E t = ε 。 · ε 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 。

10  钙离子是带电荷的,我 们可以感觉到这个电场 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。

11 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 。 => =>

12 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。

13 对于心,我们了解它多少?  我们知道,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。

14 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: => =>

15 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? => =>

16 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。 => =>

17 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。

18 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 Ω 。  Е = I ² R t = V I t I ² = E / ( R t )  代入相关数据可得 I = 51.6 A V = E / ( I t ) = 400 / ( ) = 2.58 kV

19 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。

20  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。

21 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!


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