第一節(jié)放射線與生物第二節(jié)電磁波與生物第三節(jié)超聲波與生物第四節(jié)激光與生物第一節(jié)放射線與生物一、放射線對人體的急性效應(yīng)和持續(xù)效應(yīng)

（一）放射線與物質(zhì)的相互作用放射性產(chǎn)生于組成物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)或在狀態(tài)的變化過程。當(dāng)原子在一定條件下獲得能量之后，可以從不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)或狀態(tài)向相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)或狀態(tài)變化，這種變化是通過輻射或吸收帶電粒子及高能射線來完成的。根據(jù)原子核的穩(wěn)定性，可以把核素分為穩(wěn)定核素和放射性核素。天然存在的穩(wěn)定核素僅有270余種，而放射性核素則有2200多種。放射性：核素的原子核能自發(fā)地衰變，放出等粒子的性質(zhì)。核衰變：放射性核素的原子核自發(fā)地放出射線而轉(zhuǎn)變成另一種核素的原子核的過程。核輻射：核衰變過程中放出的射線。根據(jù)放出射線的種類，核衰變可以分為α衰變、β衰變和γ衰變等。放射線與物質(zhì)作用時，其作用方式主要有三種：光電效應(yīng)當(dāng)一個光子和一個原子發(fā)生碰撞時，將其全部能量交給一個核外電子，使其成為自由電子，光子則被吸收掉，這一過程稱為光電效應(yīng)。康普頓效應(yīng)當(dāng)入射光子與原子的外層電子進(jìn)行彈性碰撞時，光子只把部分能量傳給電子，使其脫離原子成為自由電子，而光子則改變頻率和運(yùn)動方向，這一過程稱為康普頓效應(yīng)。電子對效應(yīng)如果光子的能量大于兩個電子的靜止質(zhì)量能（1.02MeV）時，光子在原子核庫侖場的作用下，其能量可能被全部吸收而轉(zhuǎn)化為一對電子，即一個正電子和一個負(fù)電子，這一過程稱為電子對效應(yīng)。光子與物質(zhì)相互作用發(fā)生以上三種形式的概率與射線的能量有關(guān)。當(dāng)光子能量較低時，以光電效應(yīng)為主；當(dāng)光子能量達(dá)到1MeV時，康普頓效應(yīng)占優(yōu)勢；當(dāng)光子能量超過1.02MeV時，電子對效應(yīng)才開始發(fā)生，光子的能量越高，電子對效應(yīng)越顯著（二）放射線對人體的急性效應(yīng)和持續(xù)效應(yīng)1．放射線對人體的急性效應(yīng)放射線對人體的急性效應(yīng)是指人體一次或短時間內(nèi)分次接受大劑量電離輻射引起的全身性電離損傷，引發(fā)的急性放射病。（1）初級階段從照射后數(shù)分鐘至1~2日開始，可持續(xù)1至數(shù)日。主要表現(xiàn)為神經(jīng)和胃腸系統(tǒng)功能的改變，尤其是植物神經(jīng)功能紊亂的癥狀。對初期反應(yīng)出現(xiàn)的時間及其嚴(yán)重程度，可以用來判斷病情和估計預(yù)后。（2）假愈期階段初期癥狀緩解或基本消失，但機(jī)體內(nèi)部的病理過程還在繼續(xù)發(fā)展。（3）極期階段急性放射病病情嚴(yán)重，各種癥狀、體癥及實(shí)驗(yàn)室檢查變化明顯，是病人生死存亡的關(guān)鍵時刻。表現(xiàn)出造血功能障礙、嚴(yán)重感染、明顯出血、胃腸道癥狀及代謝紊亂等。受照劑量越大，極期階段開始得越早。（4）恢復(fù)期階段經(jīng)過治療，一般在放射損傷后5~8周開始恢復(fù)。2．放射線對人體的持續(xù)效應(yīng)持續(xù)效應(yīng)是指受照后數(shù)月至數(shù)年乃至數(shù)十年后才發(fā)生的效應(yīng)，例如輻射致癌、輻射致白內(nèi)障、輻射性遺傳效應(yīng)等。遠(yuǎn)期效應(yīng)包括軀體晚期效應(yīng)和遺傳效應(yīng)。（1）確定性效應(yīng)是指效應(yīng)的嚴(yán)重程度與受照劑量的大小呈正比。確定性效應(yīng)存在一個閾值量。

（2）隨機(jī)效應(yīng)是指效應(yīng)的發(fā)生率與照射劑量的大小有關(guān)，如遺傳效應(yīng)和輻射誘發(fā)癌變等。這種效應(yīng)在個別細(xì)胞損傷時即可出現(xiàn)。隨機(jī)效應(yīng)無劑量閾值。二、正常組織對放射線感受性差異在自然界各種生物對象受到電離輻射作用之后都表現(xiàn)出一定的損傷。但是在同一劑量下引起的損傷程度卻有很大的不同。即引起同一水平效應(yīng)所需劑量的高低存在很大差異，這就是輻射敏感性的差異。細(xì)胞對輻射的敏感性敏感：生長、增殖、自我更新的細(xì)胞高度耐受性：分化成熟的細(xì)胞高度敏感細(xì)胞：淋巴、造血、生殖、腸上皮較敏感細(xì)胞：膀胱、食道等上皮細(xì)胞中度敏感細(xì)胞：結(jié)締組織、內(nèi)皮細(xì)胞低敏感性細(xì)胞：肌細(xì)胞、神經(jīng)節(jié)細(xì)胞、成熟軟骨細(xì)胞、骨細(xì)胞。三、放射線對細(xì)胞的作用及放射性引起的細(xì)胞死亡機(jī)制

細(xì)胞受電離輻射作用之后，可以誘發(fā)DNA損傷、細(xì)胞周期調(diào)控紊亂以及嚴(yán)重的細(xì)胞學(xué)后果——細(xì)胞死亡。1.數(shù)百Gy照射可使細(xì)胞的蛋白質(zhì)凝固—立即死亡；2.數(shù)十Gy大劑量照射使細(xì)胞立即終止代謝活動—間期死亡；3.幾Gy照射可使增殖性強(qiáng)的細(xì)胞喪失繼續(xù)增殖的能力—生殖死亡或分裂死亡。第二節(jié)電磁波與生物一、電磁波的傳播特性電磁波包括微波，紅外線，可見光，紫外線等。電磁波具有波動的一切特征。電磁波的強(qiáng)度或功率密度S在物質(zhì)中衰減基本上遵守指數(shù)衰減規(guī)律：二、紅外線的物理特性和生物效應(yīng)（一）物理特性紅外線的波長范圍是0.75μm-1mm。

紅外線分段波段波長（μm）光子能量（eV）短波紅外(IRA)0.76--1.41.6--0.9中波紅外（IRB）1.4--30.9--0.41長波紅外（IRC）3以上0.41--1.24×10-2

(二）紅外線的生物效應(yīng)紅外線是熱線。生物物質(zhì)吸收紅外線IRA和IRB的初級過程。紅外線的生物效應(yīng)只是熱效應(yīng)．1．紅外線加熱生物組織含有85%的水，對紅外線的消光系數(shù)大，但仍有可觀的紅外線進(jìn)人組織．表皮因吸收紅外線而產(chǎn)生的熱量，將通過傳導(dǎo)輸送給其下的組織，使之有溫感或熱感，這是紅外線理療的基礎(chǔ)。2．紅斑效應(yīng)紅外線只需要照射一兩分鐘，皮膚就發(fā)紅，沒有潛伏期。當(dāng)照射停止后，紅斑又很快消失，頂多存在一兩小時。紅斑的發(fā)生是由于紅外線直接刺激血管運(yùn)動機(jī)構(gòu)，使微血管擴(kuò)張，血流加速，從而使局部溫度上升。3．色素沉著吸收紅外線的效應(yīng)之一是微血管擴(kuò)張。血管中含有強(qiáng)吸收紅外線的水，紅細(xì)胞和紅血素也強(qiáng)烈吸收紅外線，所以血管溫度上升，血管周圍基底細(xì)胞中的黑色細(xì)胞的色素形成受到刺激，出現(xiàn)長時間的色素沉著。此后，入射的紅外線將為色素吸收，使局部皮膚發(fā)熱或出汗，從而可防止深部組織發(fā)生過熱現(xiàn)象，所以色素沉著起著遮光板的作用。4．皮膚的紅外線損傷照射劑量不大時，微血管擴(kuò)張，乳頭層水腫，血管周圍為白細(xì)胞侵潤，表皮無明顯變化。若劑量大或長時期照射，表皮深層將發(fā)生較明顯的不可逆變化。5．紅外線對眼的效應(yīng)（1）角膜的紅外線效應(yīng)：角膜對短波紅外線的吸收率隨波長的增加而變大，波長增加為1.9μm中波紅外線時將被角膜全部吸收。（2）晶狀體的紅外線效應(yīng)：短波（中波）紅外線為晶狀體大量吸收。（3）視網(wǎng)膜的紅外線效應(yīng)：（三）紅外線的臨床應(yīng)用紅外線是臨床應(yīng)用最為廣泛的一種物理手段，主要應(yīng)用方面如下：1．改善局部的血液循環(huán)，有消腫作用。2．加大組織對創(chuàng)傷滲出物的吸收，用于燒傷的治療。3．可緩解骨骼肌、胃腸平滑肌的痙攣。4．有鎮(zhèn)痛的作用。謝謝機(jī)體與放射線、電磁波、超聲波、激光中國醫(yī)科大學(xué)物理與生物物理教研室主講人俞航

三、紫外線的物理特性和生物效應(yīng)（一）物理性質(zhì)紫外線是不可見的非電離輻射，其波長范圍約是380-190nm．人眼對波長為380nm的輻射開始有光覺，而波長短于100nm的輻射實(shí)際上能電離所有分子。（二）紫外線和生物分子的相互作用1．生物對象研究紫外線的生物對象，目前主要用微生物，某些細(xì)菌、病毒的核酸可在體外接受紫外線的照射，然后用不同方法處理，以檢查其生物功能。哺乳動物和脊椎動物的細(xì)胞培養(yǎng)已成為重要的生物對象。一是注意到紫外線致癌的可能性和紫外線照射對皮膚的有害作用二是因?yàn)椴溉閯游锏男迯?fù)過程受到重視，而紫外線損害提供了研究這種過程的最好機(jī)會2．核酸的吸收紫外線的生物有效性主要決定于核酸對紫外線的吸收，蛋白質(zhì)和其他生物分子所起的作用小一些。核酸中吸收紫外線的是核苷酸堿基。在DNA中是腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)，胸腺嘧啶(T)和胞嘧啶(C)。在RNA中用尿嘧啶(U)代替胸腺嘧啶，其他相同。3．蛋白質(zhì)的吸收盡管蛋白質(zhì)在細(xì)胞生命中起著重要作用，但它吸收紫外線的后果遠(yuǎn)小于DNA的，因?yàn)榧?xì)胞中大多數(shù)蛋白質(zhì)都有許多復(fù)本，其中一小部分的光化變更，不會影響細(xì)胞執(zhí)行其功能。（三）紫外線的生物效應(yīng)1．紫外線致死效應(yīng)紫外光子被吸收能引起光化反應(yīng)，得到光生產(chǎn)物，光生產(chǎn)物和一定生物效應(yīng)有一定的聯(lián)系。嘧啶二聚體是主要的致死光生產(chǎn)物。嘧啶二聚體干預(yù)了DNA的復(fù)制過程，因?yàn)镈NA多聚酶不能處理二聚體，它不知二聚體原來是兩個嘧啶，所以不再合成子鏈。其次是二聚體能使依賴于DNA的RNA多聚酶不能轉(zhuǎn)錄遺傳物質(zhì)，結(jié)果是得到不完全的信使RNA分子。2．紫外線的非致死效應(yīng)在誘發(fā)突變方面，紫外線遠(yuǎn)沒有電離輻射重要，生物組織對紫外線的強(qiáng)烈吸收，使之對較高有機(jī)物幾乎不能誘發(fā)突變。突變是DNA遺傳信息的永久性變更，該變更決定于核苷酸堿基順序的變更。紫外線照射主要引起點(diǎn)突變，較少引起染色體突變。紫外線誘發(fā)的突變有時不是立即而是幾代之后才出現(xiàn)，個別的甚至要到13代。延時出現(xiàn)的原因是，DNA分子中的變更因傾向錯誤過程的不確定性而延遲了（突變延遲），或是表型在突變事件好久之后才表現(xiàn)出來（表型延遲）。3．紫外線的致癌效應(yīng)（1）日光紫外線：300-320nm的紫外線對日光的不利效應(yīng)起主要作用。（2）紫外輻射致癌：使皮膚發(fā)生癌變的紫外波長范圍是230-320nm。關(guān)于日光照射和人的皮膚生癌率有下述一些關(guān)系：①淺色皮膚比深色皮膚容易生癌；②淺色皮膚的生癌率隨光量的增加而增加；③在室外工作的人員比在室內(nèi)工作的人員更容易生癌；④經(jīng)常曝光的前額、鼻、唇、頸背比有衣服覆蓋的部位更容易生癌。4．紫外線的皮膚效應(yīng)（1）紅斑效應(yīng)：紫外線照射皮膚，過一段時間后，皮膚發(fā)紅，這現(xiàn)象叫紅斑效應(yīng)，又叫做日灼傷。（2）皮膚的自防護(hù)：在紫外線的照射下，皮膚會曬黑和變厚，這二者是自防護(hù)效應(yīng)。（3）抗佝僂病：（4）表皮細(xì)胞生長變化：5．紫外線對眼的效應(yīng)紫外線對眼的有害效應(yīng)初期是光化反應(yīng)而不是熱作用。大劑量照射將產(chǎn)生光致角膜炎、結(jié)膜炎（或叫雪盲）。（四）紫外線的臨床作用臨床上應(yīng)用紫外線治療牛皮癬、白癜風(fēng)、佝僂病及骨軟化。利用紫外線滅菌、消毒，適量紫外線照射有止痛、消炎、促進(jìn)傷口愈合的作用。四、微波的物理特性與生物效應(yīng)（一）物理特性微波的頻率范圍為300MHz～300GHz。其來源于微波爐、電視機(jī)、空調(diào)、移動電話等。（二）微波的生物效應(yīng)微波首先表現(xiàn)出的是熱效應(yīng)，繼而帶來血管擴(kuò)張，改善局部血循環(huán)，這己在臨床上有了應(yīng)用，即微波治療。

1．普通公眾長期受到1～10mw/cm2的輻照會產(chǎn)生頭暈、乏力、記憶力減退、食欲差、情緒、血壓波動、白血球下降及內(nèi)分泌失調(diào)的臨床表現(xiàn)。2．在實(shí)驗(yàn)動物（大鼠）上觀察到：2450MHz一定功率微波連續(xù)照射1h，大鼠記憶功能明顯下降；相同頻率連續(xù)照射7h，記憶功能無改變，但反應(yīng)速度明顯下降；4000MHz微波30min連續(xù)照射可引起人的腦電圖的改變，相同頻率對大鼠的1h連續(xù)照射發(fā)現(xiàn)腦組織的海馬對乙酞膽堿物質(zhì)的釋放下降40%，較低頻率(800MHz)14h照射也使乙酚膽堿分泌下降43%。乙酞膽堿被公認(rèn)為直接影響記憶功能的神經(jīng)遞質(zhì)。微波可影響神經(jīng)生理活動。（三）微波的臨床應(yīng)用微波頻率越高，成束性好，頻率高，熱效應(yīng)也明顯。在低含水量的生物組織中微波的貫穿深度也很可觀。生物體在皮膚下有脂肪層，低、中頻電磁波產(chǎn)熱大部分集中在脂肪層，這就阻止了電磁波深入，肌肉的ε、ρ明顯高于脂肪，所以微波在肌肉內(nèi)的產(chǎn)熱遠(yuǎn)高于低頻電磁波，加上微波的成束好貫穿深度大，這是微波在超短波電療上的優(yōu)勢。微波在臨床上主要用于局部化膿性感染及肌肉類疾病的治療。謝謝機(jī)體與放射線、電磁波、超聲波、激光中國醫(yī)科大學(xué)物理與生物物理教研室主講人俞航

第三節(jié)超聲波與生物一．超聲的基本性質(zhì)超聲波的頻率范圍一般在2×104Hz～5×109Hz之間，不能引起人耳的聽覺。與機(jī)械波一樣，產(chǎn)生超聲波也有兩個必要條件：一是要有高頻聲源，二是要有傳播超聲的介質(zhì)。醫(yī)學(xué)上應(yīng)用的超聲成像是靠反射或散射回波來運(yùn)載生物信息的。超聲回波運(yùn)載信息主要包括三個方面：①大界面造成的反射波，②小粒子所引起的散射波，③生物組織對聲能吸收所導(dǎo)致的回波幅值衰減。聲特性阻抗聲特性阻抗與聲媒質(zhì)的密度ρ和聲傳播速度c有關(guān)。這是醫(yī)學(xué)超聲成像的基本理論依據(jù)之一聲強(qiáng)在聲波傳播過程中，遇到兩種聲特性阻抗不同的介質(zhì)分界面時，會發(fā)生反射和折射，其反射和折射的強(qiáng)度大小與界面兩端的聲特性阻抗差有關(guān)。聲特性阻抗差值越大，反射聲波的強(qiáng)度越大。二、多普勒效應(yīng)當(dāng)聲源或接收器或兩者同時相對介質(zhì)運(yùn)動時，接收器所收到的聲波頻率要發(fā)生變化。這種由于聲源和接收器相對介質(zhì)運(yùn)動，接收器收到的聲波頻率會發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱作多普勒效應(yīng)。超聲多普勒血流測量技術(shù)就是利用多普勒效應(yīng)研究和應(yīng)用超聲波由運(yùn)動物體反射或散射，從而獲得心臟、血管、血流及胎兒心率等信息的一種技術(shù)。

多普勒頻移測量原理

聲源和接收器固定，入射聲波的頻率、聲速、波長分別是ν

、

c和λi,是入射波與運(yùn)動目標(biāo)速度矢量夾角。反射波與速度矢量的夾角為。當(dāng)使用同一個探頭脈沖式發(fā)射和接收信號時，上式變成三、超聲波與物質(zhì)作用的特性

（一）超聲波的傳播特性1．方向性好2．強(qiáng)度高由于波的平均強(qiáng)度正比于頻率的平方，所以在相同振幅的條件下，超聲波比普通聲波具有大得多的能量。醫(yī)學(xué)上利用這一特點(diǎn)可以通過超聲碎石法去除臟器中的結(jié)石。3．對液體和固體的穿透力強(qiáng)（二）超聲波與物質(zhì)作用的特性1．

熱作用機(jī)制被組織吸收的超聲波對分子產(chǎn)生作用會導(dǎo)致兩種基本的結(jié)果：

(a)分子振動和轉(zhuǎn)動能量可逆轉(zhuǎn)性增加，使介質(zhì)溫度上升；

(b)分子結(jié)構(gòu)永久性地被改變.2．機(jī)械作用超聲波在人體中傳播時的振動和壓力會對細(xì)胞和組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生直接的效應(yīng)。如細(xì)胞和細(xì)胞器可以會被高強(qiáng)度超聲波產(chǎn)生的剪切力所粉碎，這一損傷屬非熱效應(yīng)3．超聲空化作用聲空化:可以定義為充有氣體或水蒸汽的空腔在超聲場作用下發(fā)生振蕩的各種現(xiàn)象。聲空化可分為穩(wěn)態(tài)空化和瞬態(tài)空化。超聲生物效應(yīng)十分復(fù)雜，取決于許多物理學(xué)和生物學(xué)方面的因素。如聲強(qiáng)度、輻射時間、聲場時間和空間結(jié)構(gòu)、組織類型與生理狀態(tài)以及溫度、壓力等外部條件。該方面研究按生物組織類型大體可分為：①對神經(jīng)組織和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的影響；②對骨骼系統(tǒng)的影響；③對甲狀腺的影響；④對肝、脾和腎的影響；⑤對肌肉和其它軟組織的影響；⑥對眼睛的影響；⑦對組織再生的影響；⑧對細(xì)胞級和分子級生物客體的影響；⑨對有關(guān)DNA和遺傳變異的影響等。第四節(jié)激光與生物一、激光產(chǎn)生機(jī)制及其特性(一)激光的產(chǎn)生激光的學(xué)名是“輻射的受激發(fā)射光放大”，英文是“l(fā)ightamplificationstimulatedemissionofradiation”，取各自首字母，簡寫為laser。（二）激光特性方向性好:由于光學(xué)諧振腔的作用，只有平行于軸線方向的受激輻射光才能形成激光，所以激光的方向性極好。激光束的發(fā)散角非常小，在幾千米之外的擴(kuò)散直徑不到幾厘米。激光的這一特點(diǎn)可用于定位、導(dǎo)向、測距等。單色性好:激光是從特定的亞穩(wěn)態(tài)能級向特定的低能級躍遷產(chǎn)生的，其中心頻率只有一個。壽命較長的亞穩(wěn)態(tài)的能級寬度較窄，因此激光具有很窄的頻率寬度。又由于諧振腔的選頻作用，使激光頻寬更進(jìn)一步減小。因此激光具有非常好的單色性。強(qiáng)度大:激光能量集中在很小的角度內(nèi)，所以強(qiáng)度很大

相干性好:把最好的普通單色光源的光束分成幾束時，只能在數(shù)厘米的路程內(nèi)保持相干性，而激光發(fā)生干涉現(xiàn)象的光程差可達(dá)數(shù)十公里。這一特性可以用于全息照相，在生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。例如，利用激光相干性制造的激光衍射儀可以用來觀察分析動態(tài)流場中紅細(xì)胞的變形和取向等。二、激光生物醫(yī)學(xué)效應(yīng)（一）激光熱效應(yīng)

1．激光汽化