Низькочастотні електричні і магнітні поля

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

Електричне поле поза тілом людини обумовлено головним чином трибозарядами, тобто зарядами, що виникають на поверхні тіла внаслідок тертя об одяг або об який-небудь діелектричний предмет, при цьому на тілі створюється електричний потенціал порядку декількох вольт. Електричне поле безперервно міняється в часі: по-перше, відбувається нейтралізація трибозарядів - вони стікають з високоомної поверхні шкіри з характерними часами - 100 - 1000 с; по-друге, зміни геометрії тіла внаслідок дихальних рухів, биття серця і т.п. приводять до модуляції 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 ж кардіограму, що і традиційним контактним методом. Відзначимо, що цей сигнал у багато разів менше, ніж поле трибозарядів.

У медицині безконтактний метод виміру електричних полів, зв'язаних з тілом людини, знайшов своє застосування для виміру низькочастотних рухів грудної клітки.

При цьому на тіло пацієнта подається змінна електрична напруга частотою – 10 МГц, а кілька антен-електродів підносять до грудної клітки на відстані 2-5 см. Антена і тіло являють собою дві обкладки конденсатора. Переміщення грудної клітки змінює відстань між обкладками, тобто ємність цього конденсатора і, отже, ємнісний струм, вимірюваний кожною антеною. На підставі вимірів цих струмів можна побудувати карту переміщень грудної клітки під час дихального циклу. У нормі вона повинна бути симетрична щодо грудини. Якщо симетрія порушена і з однієї сторони амплітуда рухів мала, то це може свідчити, наприклад, про схований перелом ребра, при якому блокується скорочення м'язів з відповідної сторони грудної клітки.

Контактні виміри електричного поля в даний час знаходять найбільше застосування в медицині: у кардіографії і електроенцефалографії.

Основний прогрес у цих дослідженнях обумовлений застосуванням обчислювальної техніки, у тому числі персональних комп'ютерів.

Як відомо, амплітуда сигналу ЕКГ не більш 1 мв, а ST-сегмента ще менше, причому сигнал маскується електричним шумом, зв'язаним з нерегулярною м'язовою активністю. Тому застосовують метод нагромадження - тобто підсумовування багатьох послідовних сигналів, що йдуть, ЕКГ. Для цього ЕОМ зрушує кожен наступний сигнал так, щоб його R-пік був сполучений з R-піком попереднього сигналу, і додає його до попереднього, і так для багатьох сигналів протягом декількох хвилин. При цій процедурі корисний повторюваний сигнал збільшується, а нерегулярні перешкоди гасять один одного. За рахунок придушення шуму удається виділити тонку структуру St-комплексу, що важлива для прогнозу ризику миттєвої смерті.

У електроенцефалографії, використовуваної для цілей 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 порядку декількох мс.

Побудова кожної карти містить у собі чотири процедури:

1) вимір електричного потенціалу у всіх крапках, де розміщені електроди;

2) інтерполяцію (продовження) обмірюваних значень на крапки, що лежать між електродами; 3) згладжування карти, що вийшла; 4) розфарбовування карти в кольори, що відповідають визначеним значенням потенціалу. Виходять ефектні кольорові зображення. Таке представлення в квазікольорі, коли всьому діапазонові значень від мінімального до максимального ставлять у відповідність набір кольорів, наприклад від фіолетового до червоного, зараз дуже поширено, оскільки сильно полегшує лікареві аналіз складних просторових розподілів. У результаті виходить послідовність карт, з яких видно, як по поверхні кори переміщаються джерела електричного потенціалу.

Персональний комп'ютер дозволяє будувати карти не тільки миттєвого розподілу потенціалу, але і більш тонких параметрів ЕЕГ, що давно апробовані в клінічній практиці. До них у першу чергу відноситься просторовий розподіл електричної потужності тих або інших спектральних складових ЕЕГ (α, β, γ, δ, і θ-ритми). Для побудови такої карти у визначеному тимчасовому вікні вимірюють потенціали в 32 крапках скальпа, потім по цих записах визначають частотні спектри і будується просторовий розподіл окремих спектральних компонентів.

Карти a, d, і β ритмів сильно відрізняються. Порушення симетрії таких карт між правою і лівою півкулею може бути діагностичним критерієм у випадку пухлин мозку і при деяких інших захворюваннях.

Таким чином, у даний час розроблені безконтактні методи реєстрації електричного поля, що створює тіло людини в навколишньому просторі, і знайдені деякі додатки цих методів у медицині. Контактні виміри електричного поля одержали новий імпульс у зв'язку з розвитком персональних ЕОМ - їхня висока швидкодія дозволила одержувати карти електричних полів мозку.

Магнітне поле тіла людини створюється струмами, генеруючуми клітинами серця і кори головного мозку. Воно винятково мале -10 млн. - 1 млрд. раз слабкіше магнітного поля Землі (табл. 12.2). Для його виміру використовують квантовий магнітометр. Його датчиком є надпровідниковий квантовий магнітометр (СКВІД), на вхід якого включені прийомні котушки. Цей датчик вимірює дуже слабкий магнітний потік, що пронизує котушки. Щоб СКВІД працював, його треба остудити до температури, при якій з'являється надпровідність, тобто до температури рідкого гелію (4 К). Для цього його і прийомні котушки поміщають у спеціальний термос для збереження рідкого гелію - кріостат, точніше, у його вузьку хвостову частину, що вдається максимально близько піднести до тіла людини.

В останні роки після відкриття «високотемпературної надпровідності» з'явилися СКВІДи, що досить прохолоджувати до температури рідкого азоту (77 К). Їхня чутливість достатня для виміру магнітних полів серця.

Таблиця 12.2. Індукція (В) магнітного організму людини і навколишнього середовища

Об'єкт	Індукція В, Тл
серце	10^-11
мозок	10^-13
поле Землі	5×10⁵
геомагнітний шум	10^-8 – 10^-9
магніт ЯМР томографа

Як видно з табл. 12.2, магнітне поле, створюване організмом людини, на багато порядків менше, ніж магнітне поле Землі, його флуктуації (геомагнітний шум) або поля технічних пристроїв. Вимірюють не саме магнітне поле, а його градієнт, тобто його зміну в просторі. У кожній крапці простору повна індукція В магнітного поля є сума індукцій полів перешкоди В_п і серця В_с, а саме В = В_п + В_с, причому В_п > Ус. Поле перешкод: Землі, металевих предметів (труб опалення), що проїжджають по вулиці вантажівок і т.д. - повільно змінюється у просторі, у той час як магнітне поле серця або мозку спадає швидко при віддаленні від тіла.

З цієї причини індукції магнітного поля перешкод В_п₁ і В_п₂, обмірювані безпосередньо на поверхні тіла і на відстані, скажемо, 5 см від нього, практично не відрізняються: В_п₁ = В_п₂, а індукції поля В_с₁ і В_с₂, створюваного серцем у цих же крапках, відрізняються майже в 10 разів: >> В_с₂.

Тому, якщо відняти два значення вимірюваної індукції магнітного поля В₁ і В₂, то різницевий сигнал B₁ – B₂ »В_с1 –В_с₂ практично не містить внеску від перешкоди, а сигнал від серця лише слабко спотвориться. Для реалізації, описаної найпростішої схеми -градіометра першого порядку - можна використовувати дві рівнобіжні одна одній котушки, розташовані одна за іншою на відстані в кілька сантиметрів і включені назустріч один одному. В даний час використовують більш складні конструкції -градіометри другого порядку (їхній датчик містить більш двох котушок). Ці пристрої дозволяють вимірювати магнітоенцефалограми безпосередньо в клініці.

Джерело магнітного поля серця людини теж, що й електричного, - границя області, що переміщається, порушення міокарда. Розрізняють два способи дослідження цього поля: (1) вимір магнітокардіограма (МКГ) і (2) побудова динамічної магнітної карти (ДМК). У першому випадку вимір проводять у якійсь одній крапці над серцем, у результаті одержують залежності величини магнітного поля від часу, що найчастіше збігаються за формою з традиційними електрокардіограмами. Щоб побудувати динамічну магнітну карту, необхідно вимірити набір МГК у різних крапках над серцем. Для цього пацієнта на спеціальному немагнітному ліжку переміщають поблизу нерухомого датчика. Поле виміряється в області 20 х 20 см² по сітці з 6 х 6 елементів, тобто усього в 36 крапках. У кожній крапці записують кілька періодів серцевого циклу, щоб усереднити запис, потім переміщають пацієнта так, щоб вимірити наступну крапку. Потім у визначені моменти часу, відлічувані від R-піка, будують миттєві динамічні магнітні карти. Кожна ДМК відповідає визначеній фазі серцевого циклу.

У магнітокардіографії (МГК) і магнітоенцефалографії (МЕГ) використовують дві основні форми представлення отриманих результатів. Традиційний спосіб - це побудова ізоліній, тобто проведення сімейства кривих, що відповідають тому самому значенню індукції магнітного поля і які відрізняються одна від одної на постійне значення, наприклад, 5пТ (1пТ = 10^-12 т): 0 пТ, 5 пТ, 10 пТ і т.д.

Основні медичні застосування вимірів магнітних полів тіла людини - це магнітокардіографія (МГК) і магнітоенцефалографія (МЕГ). Достоїнством МГК у порівнянні з традиційною електрокардіографією (ЕКГ) є можливість локалізувати джерела поля з високою точністю порядку 1 см. Це зв'язано з тим, що динамічні магнітні карти дозволяють оцінити координати токового диполя.

Розглянемо два потенційних додатки МКГ: 1. Локалізація джерел екстрасистолії. При цьому захворюванні джерелом порушення міокарда в деякі моменти часу замість відповідних нервових центрів серця є міоцити шлуночка. При цьому шлуночок скорочується не у фазі з іншими камерами серця і не забезпечує викид крові в кровоносні судини. Це приводить до розладу кровообігу, і радикальним засобом у важких випадках є висічення вогнища екстрасистолії шляхом оперативного втручання. Для цього дуже важливо мати попередню оцінку координат вогнища - МГК дає можливість провести подібне дослідження. 2. Вимір електричних характеристик плоду на ранніх стадіях розвитку. Слабкий електричний сигнал плоду замаскований великим кардіосигналом серця матері, тому записати його електрокардіограму вкрай складно. У той же час датчик магнітокардіографа можна піднести безпосередньо до плоду і записати сигнал, на який вилучене серце матері не зробить істотного впливу.

Таким чином, реєстрація магнітних полів людини дозволяє одержати нову інформацію, додаткову до тієї, котру дають виміри електричних полів.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
Види фізичних полів тіла людини. Їхні джерела	\|	Інфрачервоне випромінювання

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.007 сек.