Біофізика і біомеханіка - В. С. Антонюк - 2012

Розділ 5. БІОСФЕРА ТА ФІЗИЧНІ ПОЛЯ ЖИВОГО ОРГАНІЗМУ

5.2.Поняття про фізичні поля організму людини

5.2.1 Електромагнітні поля

Діапазон власного електромагнітного випромінювання обмежений з боку коротких хвиль оптичним випромінюванням, більш короткохвильове випромінювання, включаючи рентгенівське та γ-кванти, не реєструється. З боку довгих хвиль діапазон можна обмежити радіохвилями завдовжки близько 60 см. Залежно від частоти електромагнітне поле поділяють на чотири діапазони:

- низькочастотне електричне і магнітне поле (частоти нижчі за 10³ Гц);

- радіохвилі надвисоких частот (частоти 10⁹...10¹⁰ Гц і довжина хвилі поза тілом 3…60 см);

- інфрачервоне випромінювання (частота 10¹⁴ Гц, довжина хвилі 3…10 мкм);

- оптичне випромінювання (частота 10¹⁵ Гц, довжина хвилі - близько 0,5 мкм).

Такий поділ діапазонів зумовлюється не технічними можливостями сучасної електроніки, а особливостями біологічних об’єктів і оцінюванням інформативності різних діапазонів для медицини.

Джерела електромагнітних полів різні в різних діапазонах частот. Низькочастотні поля створюються головним чином під час перебігу фізіологічних процесів, що супроводжуються електричною активністю

органів: кишечнику (близько 1 хв), серця (близько 1 с), мозку (близько 0,1 с), нервових волокон (близько 10 мс). Спектр частот, які відповідають цим процесам, обмежений зверху значеннями, що не перевищують 1 кГц.

У надвисокочастотних та інфрачервоних діапазонах джерелом фізичних полів є теплове електромагнітне випромінювання.

Щоб оцінити інтенсивність електромагнітного випромінювання на різних довжинах хвиль, тіло людини як випромінювач можна з достатньою точністю моделювати як абсолютно чорне тіло, яке, як відомо, поглинає все падаюче на нього проміння і тому має максимальну випромінювальну здатність.

Випромінювальна здатність тіла - кількість енергії, що випускається одиницею поверхні тіла за одиницю часу в одиничному інтервалі довжин хвиль у всіх напрямках - залежить від довжини хвилі λ і абсолютної температури тіла Т.

Інфрачервоне випромінювання тіла людини вимірюють тепловізорами в діапазоні 3...10 мкм, у якому воно максимальне.

Електричне поле. Електричне поле людини існує на поверхні тіла і зовні, поза ним.

Електричне поле поза тілом людини зумовлюється головним чином трибозарядами, тобто зарядами, що виникають на поверхні тіла внаслідок тертя об одяг чи який-небудь діелектричний предмет, при цьому на тілі створюється електричний потенціал близько декількох вольтів. Електричне поле безперервно змінюється в часі: по-перше, відбувається нейтралізація трибозарядів - вони стікають з високоомної поверхні шкіри з характерними часом близько 100…1000 с; по-друге, зміна геометрії тіла унаслідок дихальних рухів, биття серця та інші функції організму спричиняють модуляцію постійного електричного поля поза тілом.

Ще одним джерелом електричного поля поза тілом людини є електричне поле серця. Наблизивши два електроди до поверхні тіла, можна безконтактно і дистанційно зареєструвати таку саму кардіограму, що й традиційним контактним методом. Електричний імпульс серцебиття у багато разів менший від поля трибозарядів [40].

У медицині безконтактний метод вимірювання електричних полів тіла людини застосовують для вимірювання низькочастотних рухів грудної клітки. На тіло пацієнта подають змінну електричну напругу частотою 10 МГц, а декілька антен-електродів підносять до грудної клітки на відстань 2...5 см. Антена і тіло є двома обкладинками конденсатора. Переміщення грудної клітки змінює відстань між обкладинками, тобто ємність цього конденсатора а, отже, змінює і ємнісний струм, вимірюваний кожною антеною. На підставі вимірювань цих струмів можна побудувати карту переміщень грудної клітки під час дихального циклу. У нормі вона має бути симетричною відносно грудної клітки. Її симетрія порушена і з одного боку амплітуда рухів мала, що може свідчити, наприклад, про прихований перелом ребра, за якого блокується скорочення м’язів з відповідного боку грудної клітки.

Контактні вимірювання електричного поля натепер найбільше застосовують у медицині: у кардіографії і електроенцефалографії. Основний прогрес в цих дослідженнях досягнуто застосуванням обчислювальної техніки, зокрема персональних комп’ютерів. Ця техніка дозволяє, наприклад, отримувати електрокардіограми (ЕКГ) високої роздільної здатності.

Як відомо, амплітуда сигналу ЕКГ не більша від 1 мВ, причому сигнал маскується електричним шумом, зумовленим нерегулярною м’язовою активністю. Тому застосовують метод нагромадження, тобто підсумовування багатьох послідовних сигналів ЕКГ. Для цього ЕОМ зрушує кожен подальший сигнал так, щоб його R-пік був суміщений з R-піком попереднього сигналу, і додає його до попередніх сигналів протягом декількох хвилин. За такої процедури корисний сигнал, що повторюється, збільшується, а нерегулярні гасять один одного. За рахунок придушення шуму вдається виділити тонку структуру 5Г-комплексу, яка важлива для прогнозу ризику миттєвої смерті.

В електроенцефалографії, використовуваній для завдань нейрохірургії, персональні комп’ютери дозволяють будувати в реальному часі миттєві карти розподілу електричного поля мозку з використанням потенціалів від 16 до 32 електродів, розміщених на обох півкулях, через тимчасові інтервали близько декількох мілісекунд.

Побудова кожної карти включає чотири процедури:

1) вимірювання електричного потенціалу в усіх точках, де є електроди;

2) інтерполяцію (продовження) виміряних значень на точки, які містяться між електродами;

3) згладжування створеної карти;

4) розфарбування карти в кольори, що відповідають певним значенням потенціалу.

Виходять ефектні кольорові зображення. Таке зображення у квазі-кольорі, коли всьому діапазону значень поля від мінімального до максимального ставлять у відповідність набір кольорів, наприклад від фіолетового до червоного, натепер надто поширене, оскільки дуже полегшує виконання аналізу складних просторових розподілів. У результаті виходить послідовність карт, з якої видно, як по поверхні кори переміщуються джерела електричного потенціалу.

Персональний комп’ютер дозволяє будувати карти не тільки миттєвого розподілу потенціалу, але й тонших параметрів ЕЕГ, які давно апробовані в клінічній практиці. Це передусім просторовий розподіл електричної потужності тих або інших спектральних складових ЕЕГ. Для побудови такої карти в певному тимчасовому вікні вимірюють потенціали в 32 точках скальпа, потім за цими записами визначають частотні спектри і будують просторовий розподіл окремих спектральних компонентів.

Карти таких ритмів сильно розрізняються. Порушення симетрії таких карт між правою і лівою півкулями може бути діагностичним критерієм у разі пухлин мозку і деяких інших захворювань.

Таким чином, натепер розроблено безконтактні методи реєстрації електричного поля, яке створює тіло людини в навколишньому просторі, і знайдено деякі додатки цих методів у медицині. Контактні вимірювання електричного поля отримали новий імпульс у зв’язку з розвитком персональних ЕОМ - їх висока швидкодія дозволила створювати карти електричних полів мозку.

Магнітне поле. Магнітне поле тіла людини створюється струмами, клітинами серця і кори головного мозку. Воно винятково мале - у 10 млн...1 млрд разів слабкіше за магнітне поле Землі. Для його вимірювання використовують квантовий магнітометр. Його датчиком є надпровідний квантовий магнітометр з котушкою. Цим датчиком вимірюють надслабший магнітний потік, який пронизує котушку.

Останніми роками після відкриття «високотемпературної надпровідності» створено котушки, які охолоджують до температури рідкого азоту (77 К). Їх чутливість достатня для вимірювання магнітних полів серця.

Магнітне поле, що створюється організмом людини, на багато порядків менше за магнітне поле Землі, його флуктуацій (геомагнітного шуму) або за поле технічних пристроїв.

Є два підходи до усунення впливу шумів. Найбільш радикальний - створення порівняно великого об’єму (кімнати), у якому магнітні шуми різко зменшують за допомогою магнітних екранів. Для тонких біомагнітних досліджень (на мозку) шуми необхідно зменшити приблизно в мільйон разів, що можна забезпечити багатошаровими екранами з маг- нітом’якого феромагнітного сплаву (наприклад, пермалою). Екранована кімната - дорога споруда, і лише найбільші наукові центри можуть дозволити собі мати таку споруду. Таких кімнат у світі надто мало.

Є й інший, доступніший спосіб ослабити вплив зовнішніх шумів. Він ґрунтується на тому, що більшість магнітних шумів у просторі породжуються хаотичними коливаннями (флуктуаціями) земного магнітного поля і промисловими електроустановками. Далеко від різких магнітних аномалій і електричних машин магнітне поле хоча і флуктує з часом, але просторово воно однорідне, мало змінюється на відстанях, менших порівняно з розмірами людського тіла. Власне біомагнітні поля швидко слабшають у міру віддалення від живого організму. Це означає, що зовнішні поля, хоча і набагато сильніші, мають менші градієнти (тобто швидкість зміни з віддаленням від об’єкта), ніж біомагнітні поля.

Приймальний пристрій з котушкою як чутливим елементом виготовляють так, щоб вона була чутливою тільки до градієнта магнітного поля. Такий прилад називають градіометром. Проте часто зовнішні (шумові) поля мають усе ж помітні градієнти, тоді доводиться застосовувати прилад, що вимірює другу просторову похідну індукції магнітного поля - градіометр другого порядку. Його можна застосовувати у звичайній лабораторній обстановці. Проте й градіометри переважно застосовують у місцях з «магнітно-спокійним» середовищем, і деякі дослідницькі групи працюють у спеціально споруджених немагнітних будинках у сільській місцевості.

Інтенсивні біомагнітні дослідження проводять тепер як у магнітоекранованих кімнатах, так і без них із застосуванням градіометрів. У широкому спектрі біомагнітних явищ з різними рівнями ослаблення зовнішніх шумів [15].

Магнітні прояви біологічної активності властиві багатьом органам живих організмів. Установлено, що постійні або такі, що коливаються з періодом декілька хвилин, магнітні поля характерні для шлунка людини, причому вид сигналу явно визначається функціональним станом шлунка. Сигнали різні до і після їди, змінюються під час прийому води або ліків. Цей факт можна надалі брати до уваги в діагностиці шлункових захворювань.

Були виявлені магнітні поля постійних електричних струмів у шкірі, що виникають у разі дотику до волосяного покриву, який покриває її. Виявляти такі струми електрографічним методом заважають паразитні потенціали, що виникають у місцях кріплення електродів, і їх кріплення тиснуть на шкіру.

Магнітні поля вимірюють під час скорочення скелетних м’язів людини. Запис цих полів як функції часу називають магнітоміограмою. Такі магнітні поля властиві м’язам ніг і здатні існувати близько години. Вони відіграють важливу роль у зростанні й регенерації кінцівок, наприклад у заліковуванні переломів кісток.

Відомо, що око - джерело досить сильного електричного поля, оскільки робота сітківки супроводжується виникненням потенціалу до 0,01 В між передньою і задньою її поверхнями. Це продукує в навколишніх тканинах електричний струм, магнітне поле якого можна реєструвати у вигляді магнітоокулограми під час руху очей і у вигляді магніторетиног- рами у разі зміни освітленості сітківки. Спостереження і вивчення магнітних полів ока є цікавим самостійним завданням. Разом з тим виявилось, що індукція магнітного поля очей істотно вища, ніж магнітного поля мозку. Тому конфігурацію й інші характеристики цих полів необхідно знати, приступаючи до магнітографічних досліджень мозку, особливо під час вивчення зорового сприйняття.