生物磁现象

生物磁现象

核磁共振层析成像

一般在作体格检查时常要做心电图的检查，在身体上几处贴上电极片，然后用心电检测仪测绘出心电图，再根据心电图来诊断心脏活动是否正常，是否有什么疾病，这是因为人的心脏活动会产生心脏电流，而心脏活动的正常与否便会反映在心脏电流随时间的变化上。这种心脏电流变化称为心电图。但心电图会受电极片接触情况的影响，而且心电图不能反映心电流的直流分量，电极片更不能离开人体。但我们知道，电流会产生磁场，因此心脏电流会产生心脏磁场，原理上同心电图一样也会有心磁图，但是同心电图相比较，要测量心磁图却很困难，可是从心磁图获得的心脏信息却更多和更有其优点。

磁在生物学和医学方面的一项重要应用是原子核磁共振成像，简称核磁共振成像，又称核磁共振CT（CT是计算机化层析术的英文缩写）。这是利用核磁共振的方法和电子计算机的处理技术等来得到人体、生物体和物体内部一定剖面的一种原子核素，也即这种核素的化学元素的浓度分布图像。目前应用的是氢元素的原子核核磁共振层析成像。这种层析成像比目前应用的X射线层析成像（又称X射线CT）具有更多的优点。例如，X射线层析成像得到的是成像物的密度分布图像，而核磁共振层析成像却是成像物的原子核密度的分布图像。目前虽然还仅限于氢原子核的密度分布图像，但氢元素是构成人体和生物体的主要化学元素。因此，从核磁共振层析成像得到的氢元素分布图像，要比从X射线密度分布图像得到人体和生物体内的更多信息。例如，人体头部外层头骨的密度高，而内层脑组织的密度较低，因此从人头部的X射线层析成像难于得到人脑组织的清晰图像，但是从人头部的核磁共振层析成像却可以得到头内脑组织的氢原子核即氢元素分布的清晰图像，从而可以看出脑组织是否正常。又例如，对于初期肿瘤患者，其组织同正常组织尚无明显差异时，从X射线层析成像尚看不出异常，但从核磁共振层析成像就可看出其异常了。

心磁图系统

心磁图和脑磁图

我们在体格检查或因心脏、脑部疾病去医院就医时，常常需要做心电图或脑电图的检查，由此了解心脏或脑部的生理和病理情况。但是我们知道电的活动（电流）会产生磁场，因此在心电流产生心电图和脑电流产生的脑电图时，也应该有心磁场产生的心磁图和脑磁场产生的脑磁图。那么为什么目前医院里还没有应用心磁图和脑磁图呢？这是因为心脏产生的心磁场和脑部产生的脑磁场都太微弱，不但需要特别的高度灵敏的测量心、脑磁场的磁强计，例如应用在很低温度下才能使用的超导量子干涉仪（SQUID）式磁强计，而且由于微弱的心脏磁场只有地球磁场的大约百万分之一（10－6），更微弱的脑部磁场只有地球磁场的大约亿分之一（10－8），因此在测量心脏磁场和脑部磁场时还必须排除地球磁场的干扰，这就需要在能把地球磁场显著减小的磁屏蔽室中进行心、脑磁场的测量，或者利用超导量子干涉仪式磁场梯度计在没有磁屏蔽室时进行心、脑磁场的测量。这是因为磁场梯度计只测量不均匀的磁场，而对均匀的磁场无反应。而在小的区域中的地球磁场是均匀的，但人的心、脑磁场却是随距离心、脑远近的不同而不同的非均匀磁场，故可以用高灵敏度的超导量子干涉仪式磁场梯度计而不需用磁屏蔽室便可以测量人的心、脑磁场。可以看出，心、脑磁场的测量要比心、脑电场的测量复杂和困难得多，因而在应用上受到许多限制。目前国外和我国虽然都研制出超导量子干涉式磁强计，大的磁屏蔽室和超导量子干涉式磁场梯度计，但都还没有实际和大量应用到心、脑磁场和心、脑磁图的测量上。

但是，从另一方面看，同心、脑电图相比较，心、脑磁图在医学应用上却有许多特点和优点。例如，心电图只能测量交变的电流信号，不能测量直流（恒定）的电流信号，因而不能应用于只产生直流异常电信号的生理病理探测，而心、脑磁图却能同时测量交变和直流（恒定）的磁场信号。又例如，心、脑电图的测量都需要使用同人体接触的电极片，而电极片的干湿程度及同人体接触的松紧程度都会影响测量的结果，同时因使用电极片，不能离开人体，故只能是二维空间的测量，但是心、脑磁图却是使用可不与人体接触的测量线圈（磁探头），既没有接触的影响，又可以离开人体进行三维空间的测量，可得到比二维空间测量更多的信息。再例如，实验研究结果表明，心、脑磁图比心、脑电图具有更高的分辨率。还有除了心、脑磁图外，到目前已经测量研究了人体的眼磁图、肌（肉）磁图、肺磁图和腹磁图等，取得了人体多方面的磁信息。

鸽子回家和海龟回游

鸽子

许多人都知道，家里养的鸽子可以从离家几十、几百甚至上千公里的地方飞回家里；燕子等候鸟每年都在春秋两季分别从南方飞回北京，又从北方飞到南方；一些海龟从栖息的海湾游出几百几千公里后又能回到原来的栖息处。它们是如何辨别方向的？尤其是在茫茫的海洋上。难道它们也像人类航海时一样使用指南针吗？大量的和长期的观察研究表明，这些生物从原居处远行后再回到原居处，的确是与地球磁场有关的，或者可能有关的。我们来看看一些观察研究的情况。

海龟

首先关于鸽子的观察研究。曾将两组鸽子分别绑上强磁性的永磁铁块和弱磁性的铜块，在远离鸽巢放飞后，绑有铜块的鸽子全部都飞回鸽巢，但大部分绑有永磁铁的鸽子却迷失方向而未返回鸽巢。这表明永磁铁的磁场干扰，使鸽子不能识别地球磁场。又曾将一组鸽子放置在鸽巢和与鸽巢的地球磁场相同的地磁共轭点（距鸽巢数千公里）之间的中点处，放飞后这些鸽子大约有一半飞回原来的鸽巢，其余的鸽子却飞到鸽巢的地球磁场共轭点处了。这表明鸽子是依靠地球磁场来识别鸽巢的。还有一些观察显示，鸽子在无线电台等强电磁场附近常会迷失方向。这表明强的电磁场会干扰鸽子识别地球磁场。是什么使鸽子能识别地球磁场呢？进一步观察研究发现鸽子头部含有少量的强磁性物质四氧化三铁（Fe₃O₄）。我国古代的司南指南器就是利用天然磁铁矿石制造的，其主要成分也是Fe₃O₄。但是鸽子是否是利用其头部的Fe₃O₄导航（识别地球磁场方向）？又是如何利用Fe₃ O₄导航的？这些都是需要进一步研究的问题。

幼海龟在大西洋中沿着顺时针路线出游，经过若干年后又能回到出生地产卵。这些海龟是依靠什么导航呢？有的观察研究者认为同地球磁场有关，并进行了这样的实验研究。在装有海水并加上人造磁场的大容器中，观测到磁场的确影响海龟的航行。当人造磁场反向时，海龟的游动也反向。这表明磁场是影响海龟的航行的。但是磁场影响海龟航行的程度和机制等都是需要进一步研究的。

君子之学，死而后已。

——顾炎武