Біофізика і біомеханіка - В. С. Антонюк - 2012
Розділ 5. БІОСФЕРА ТА ФІЗИЧНІ ПОЛЯ ЖИВОГО ОРГАНІЗМУ
5.2.Поняття про фізичні поля організму людини
5.2.2.Біологічне поле
Магнітні поля живого організму можуть бути викликані трьома причинами. Передусім це іонні струми, що виникають унаслідок електричної активності клітинних мембран (головним чином м’язових і нервових кліток). Інше джерело магнітних полів - найдрібніші феромагнітні частинки, що потрапили або спеціально введені в організм. Ці два джерела створюють власні магнітні поля. Крім того, в разі накладення зовнішнього магнітного поля виявляються неоднорідності магнітної сприйнятливості різних органів, що спотворюють накладене зовнішнє поле.
Магнітне поле цих двох джерел не супроводжується появою електричного поля, тому під час дослідження поведінки магнітних частинок в організмі і магнітних властивостей різних органів застосовні лише магнітометричні методи. Біоструми ж, окрім магнітних полів, створюють і розподіл електричних потенціалів на поверхні тіла. Реєстрацію цих потенціалів уже давно використовують у дослідженнях і клінічній практиці - це електрокардіографія, електроенцефалографія і т. ін. Здавалося б, що їх магнітні аналоги, тобто магнітокардіографія і магнітоенцефалографія, реєструвальні сигнали від тих же електричних процесів в організмі, міститимуть аналогічну інформацію про досліджувані органи. Проте, як випливає з теорії електромагнетизму, будова джерела струму в електропровідному середовищі (організмі) і неоднорідність цього середовища по-різному відображаються на розподілі магнітних і електричних полів (деякі види біоелектричної активності проявляють себе переважно в електричному полі, даючи слабкий магнітний сигнал, інші - навпаки). Тому є багато процесів, спостереження яких переважно магнітографічні.
Магнітографія не потребує прямого контакту з об’єктом, тобто дозволяє виконувати вимірювання через пов’язку або іншу заваду. Це не тільки зручно, але й становить принципову перевагу перед електричними методами реєстрації даних, оскільки місця кріплення електродів на шкірі можуть бути джерелами поступово змінюваних контактних потенціалів. Подібних паразитних завад не буває у разі застосування магнітографічних методів, і тому магнітографія дозволяє, зокрема, надійно досліджувати процеси в організмі з характерним часом - десятки хвилин.
Магнітні поля швидко слабшають у міру віддалення від джерела активності, оскільки є наслідком порівняно сильних струмів у самому працюючому органі, тоді як поверхневі потенціали визначаються слабкішими струмами в шкірі. Тому магнітографія зручніша для точного визначення (локалізації) моста біоелектричної активності.
І, нарешті, індукція магнітного поля як вектор характеризується не тільки абсолютною величиною, але й напрямком, що також може надавати додаткову корисну інформацію.
Не слід вважати, що електро- і магнітографічні методи конкурують між собою. Навпаки, саме їх комбінація дає змогу отримати якнайповнішу інформацію про досліджувані процеси. Але для кожного з методів є галузі, у яких застосування якого-небудь з них переважає [40].
Серце - найбільш сильне джерело електричних і магнітних полів в організмі, тому магнітокардіографія виникла давно. Але лише магнітометри дозволили забезпечувати таку ж високу якість магнітокардіограми (МКГ), як і електрокардіограми (ЕКГ). На вигляд сигнали МКГ і ЕКГ дуже схожі, порушення ж серцевої діяльності дещо інакше позначаються на результатах електричних і магнітних вимірювань. У ряді лабораторій світу наразі відбувається процес нагромадження відповідних даних, що дають змогу систематизувати особливості магнітного прояву різних серцевих захворювань.
Найбільшими перевагами магнітографії є можливість спостерігати малозмінні і тим паче постійні сигнали Так, саме магнітографіч- ним методом були виявлені постійні «струми пошкодження», що виникають у разі закупорення коронарної артерії (експериментами на собаках).
Іншим досягненням магнітокардіографії є спостереження МКГ плоду в тілі матері. Чітка локалізація магнітного поля в ділянці джерела дозволила відокремити сигнали плоду від сильніших сигналів материнського серця, тоді як електричні сигнали змішуються внаслідок просторової размитості слабких поверхневих струмів ЕКГ.
Магнітографія дала змогу вирішувати й інше важливе завдання кардіології - визначення кровотоку в серці. Якщо накласти невелике зовнішнє магнітне поле, то періодичний викид крові серцем викличе змінний магнітний сигнал, що дозволить визначити об’єм і швидкість рухомої рідини.
Зовсім недавно виникнув новий напрям магнітокардіографії, подібний до нейромагнітних вимірювань - це МГК високої роздільної здатності. Суть її полягає у більш ґрунтовному вивченні тих інтервалів сер
цевого циклу, коли м’яз спокійний: у цей час можна виміряти слабкі магнітні сигнали, що супроводжують нервові імпульси, які поширюються в серці. Була виявлена цікава особливість - ці системи не змінюються протягом приблизно 20 циклів, потім злегка змінюється форма і зберігається знову наступні 5-10 циклів і так далі. Імовірно тут міститься певна інформація про нервові процеси в серці [40].
На шкірі і в організмі більшості людей, особливо, які працюють в металообробній промисловості, наявні дрібні феромагнітні частинки, магнітні поля яких можуть заважати тонким біомагнітним вимірюванням. Від цих завад можна позбавитися розмагнічуванням у зовнішньому змінному полі спадної амплітуди. Поля феромагнітних частинок можна підсилювати також намагніченням у достатньо великому постійному полі. Тоді вимірювання можна виконувати навіть менш чутливими приладами, особливо якщо вміст феромагнітних частинок в організмі великий. Наприклад, звичайні (ферозондові) магнітометри використовують як засіб охорони праці для визначення вмісту залізного пилу в легенях зварників.
Застосування сквіда дозволяє виявляти щонайменші кількості не тільки феромагнітних, але й парамагнітних (тобто істотно слабкіших від намагнічуваних) домішок. Висока чутливість методу може виявитися корисною для деяких діагностичних цілей. За допомогою сквід- магнітометрів удалося виділити магнітний сигнал, що надходив від мікрочастинок заліза, які потрапили в шлунок разом з їжею, а це дає змогу визначати, наприклад, якими були продукти - свіжими або консервованими. Крім того, вимірювання розподілу магнітних полів навколо торса людини після інгаляції нешкідливого для організму магнетиту (Fe304) дозволяє спостерігати місця переважного осадження пилу в легенях і швидкість його природного виведення (виявлено, зокрема, що у тих, хто палить, пил виводиться повільніше, ніж у тих, хто не палить). У такий спосіб можна виявити осередки застійності (запалення), а за наслідками фізичної дії на частинки пилу (ультразвуком, НВЧ-нагрівом або змінним магнітним полем) отримати інформацію про характер патологічних змін в осередку. Подібні дослідження проводяться і на будь-якому іншому органі, у який можна ввести магнітні частинки. Наприклад, недавно був реалізований своєрідний метод реєстрації коливальних рухів ока (тремору і сакаду) і органів середнього вуха, що полягає в закріпленні в потрібному місці найдрібнішої порошинки феромагнетику та в реєстації її руху за коливаннями магнітного поля.