Зміст
Введення
Види фізичних полів тіла людини. Їх джерела
1. Електромагнітні поля
2. Акустичні поля
3. Низькочастотні електричні і магнітні поля
4. Природа біомагнітних полів
5. Магнітокардіографія
6. Феромагнітні частки в організмі
7. Магнітні поля внутрішніх органів, шкіри, м'язів, очей
8. Нейромагнітние поля
9. Радіохвилі надвисоких частот (НВЧ)
10. Механізми зміни температури в тілі людини
11. Застосування НВЧ-радіометрії в медицині
12. Інфрачервоне випромінювання
13. Особливості обробки та подання тепловізійного зображення
14. Теплобачення в біології та медицині
15. Оптичне випромінювання тіла людини
16. Акустичні поля людини
Висновок
Список літератури
Численні фізичні методи дослідження організму людини, використовують реєстрацію власних фізичних полів людини, дозволяють отримати інформацію про процеси в організмі, яку не можна отримати іншими способами.
Вчених цікавлять не самі фізичні поля біологічних об'єктів, а можливість перенесення по цих каналах інформації, пов'язаної з роботою внутрішніх органів. Вивчення фізичних полів біооб'єктів методологічно дуже близько до пасивного дистанційного зондування Землі, атмосфери і т.д. У застосуванні таких методів накопичений великий досвід. Немає необхідності пояснювати, наскільки важливу інформацію про структуру і функціонування об'єкта вони дають. Через нестаціонарності біооб'єктів необхідно реєструвати сигнали по багатьох каналах одночасно, включаючи електрофізіологічний контроль. Для отримання просторової структури поля в кожному каналі необхідно використовувати матричні або скануючі антени. Апаратура повинна бути досить швидкодіючою, щоб встигати реєструвати сигнали в динаміці, тобто швидше, ніж змінюється стан об'єкта. Практично у всіх каналах необхідно ретельне екранування від перешкод.
Завдання полягає не в розробці принципово нової апаратури, а в застосуванні сучасної техніки дистанційного зондування в цілях дослідження біологічних об'єктів і, головне, у створенні методики таких досліджень. [1]
Так як біологічний об'єкт є складною приймальні системою то постає проблема вивчення фізичних полів. Вирішення цієї проблеми можливе тільки на основі тісної кооперації фізіологів, біофізиків, психологів, медиків, а також фахівців галузевих організацій, які розробляють вимірювальну апаратуру.
Проблема систематичного дослідження фізичних полів біооб'єктів була поставлена в Інституті радіотехніки й електроніки РАН Ю.В. Гуляєвим і Е.Е. Годік.
Можна виділити основні 4 діапазону електромагнітного випромінювання і 3 діапазону акустичного випромінювання, в яких нині ведуться дослідження. [4]
1) низькочастотне електричне (Е) і магнітне (В) поле (частоти нижче 10 3 Гц);
2) радіохвилі надвисоких частот (НВЧ) (частоти 10 9 - 10 10 Гц і довжина хвилі поза тіла 3-60 см);
3) інфрачервоне (ІЧ) випромінювання (частота жовтня 1914 Гц, довжина хвилі 3-10 мкм);
4) оптичне випромінювання (частота 15 жовтня Гц, довжина хвилі порядку 0,5 мкм).
Такий вибір діапазонів обумовлений не технічними можливостями сучасної електроніки, а особливостями біологічних об'єктів і оцінками інформативності різних діапазонів для медицини. Характерні параметри різних електромагнітних полів, створюваних тілом людини, наведені в табл.12.1
Джерела електромагнітних полів різні в різних діапазонах частот. Низькочастотні поля створюються головним чином при протіканні фізіологічних процесів, що супроводжуються електричною активністю органів: кишечником (~ 1 хв), серцем (характерний час процесів порядку 1 с), мозком (-0,1 с), нервовими волокнами (-10 мс). Спектр частот, які відповідають цим процесам, обмежений зверху значеннями, не переважаючими ~ 1кГц.
У НВЧ та ІЧ-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 абсолютно чорним тілом, яке, як відомо, поглинає все падаюче на нього випромінювання і тому має максимальну випромінюючої здатністю.
Випромінювальна здатність тіла - кількість енергії, що випускається одиницею поверхні тіла в одиницю часу в одиничному інтервалі довжин хвиль по всіх напрямах - залежить від довжини хвилі X і абсолютної температури тіла Т.
ІЧ-випромінювання тіла людини вимірюють тепловізорами в діапазоні 3-10 мкм, де воно максимально.
У порядку зростання частоти три діапазони акустичного поля містять у собі:
1) низькочастотні коливання (частоти нижче 10 3 Гц);
2) кохлеарну акустичну емісію (КАЕ) - випромінювання з вуха людини (v ~ 10 3 Гц);
3) ультразвукове випромінювання (v ~ 1-10 МГц).
Джерела акустичних полів в різних діапазонах частот мають різну природу. Низькочастотне випромінювання створюється фізіологічними процесами: дихальними рухами, биттям серця, потоком крові в кровоносних судинах і деякими іншими процесами, що супроводжуються коливаннями поверхні людського тіла в діапазоні приблизно 0,01 - 10 3 Гц. Це випромінювання у вигляді коливань поверхні можна зареєструвати контактними, або не контактними методами, проте його практично неможливо виміряти дистанційно за допомогою мікрофонів. Це пов'язано з тим, що йдуть з глибини тіла акустичні хвилі практично повністю відбиваються назад від кордону Роззуй розділу "повітря-тіло людини" і не виходять назовні в повітря з тіла людини. Коефіцієнт відбиття звукових хвиль близький до одиниці з-за того, що щільність тканин тіла людини близька до щільності води, яка на три порядки вище щільності повітря.
У всіх наземних хребетних існує, однак, спеціальний орган, в якому здійснюється хороше акустичне узгодження між повітрям і рідким середовищем, - це вухо. Середнє і внутрішнє вухо забезпечують передачу майже без втрат звукових хвиль з повітря до рецепторних клітин внутрішнього вуха. Відповідно, в принципі, можливий і зворотний процес - передача з вуха у навколишнє середовище - і він виявлений експериментально за допомогою мікрофона, вставленого у вушний канал.
Джерелом акустичного вивчення мегагерцевого діапазону є теплове акустичне випромінювання - повний аналог відповідного електромагнітного випромінювання. Воно виникає внаслідок хаотичного теплового руху атомів і молекул людського тіла. Інтенсивність цих акустичних хвиль, як і електромагнітних, визначається абсолютною температурою тіла. [4]
Електричне поле людини існує на поверхні тіла і зовні, поза ним.
Електричне поле поза тілом людини зумовлено головним чином трібозарядамі, тобто зарядами, що виникають на поверхні тіла внаслідок тертя об одяг або про яку-небудь діелектричний предмет, при цьому на тілі створюється електричний потенціал порядку декількох вольт. Електричне поле безперервно змінюється у часі: по-перше, відбувається нейтралізація трібозарядов - вони стікають з високоомній поверхні шкіри з характерними часами ~ 100 - 1000 с; по-друге, зміни геометрії тіла внаслідок дихальних рухів, биття серця і т.п. призводять до модуляції постійного електричного поля поза тіла.
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 ні багато разів менше, ніж поле трібозарядов. [1]
У медицині безконтактний метод вимірювання електричних полів, пов'язаних з тілом людини, знайшов своє застосування для вимірювання низькочастотних рухів грудної клітини.
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 є два обкладки конденсатора. Переміщення грудної клітини змінює відстань між обкладками, тобто ємність цього конденсатора і, отже, ємнісний струм, вимірюваний кожної антеною. На підставі вимірів цих струмів можна побудувати карту переміщень грудної клітки під час дихального циклу. У нормі вона повинна бути симетрична щодо грудини. Її симетрія порушена і з одного боку амплітуда рухів мала, то це може свідчити, наприклад, про прихований переломом ребра, при якому блокується скорочення м'язів з відповідної сторони грудної клітини.
Контактні вимірювання електричного поля в даний час знаходять найбільше застосування в медицині: в кардіографії і електроенцефалографії. Основний прогрес у цих дослідженнях зумовлений застосуванням обчислювальної техніки, в тому числі персональних комп'ютерів. Ця техніка дозволяє, наприклад, отримувати так звані електрокардіограми високого дозволу (ЕКГ ВР).
Як відомо, амплітуда сигналу ЕКГ не більше 1 мВ, а ST-сегмента ще менше, причому сигнал маскується електричним шумом, пов'язаним з нерегулярною м'язовою активністю. Тому застосовують метод накопичення - тобто підсумовування багатьох послідовно що йдуть сигналів ЕКГ. Для цього ЕОМ зрушує кожний наступний сигнал так, щоб його R-пік був суміщений з R-піком попереднього сигналу, і додає його до попереднього, і так для багатьох сигналів протягом декількох хвилин. При цій процедурі корисний повторюється сигнал збільшується, а нерегулярні по міхи гасять один одного. За рахунок зменшення шуму вдається виділити тонку структуру ST-комплексу, яка 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 картки включає в себе чотири процедури:
1) вимірювання електричного потенціалу у всіх точках, де стоять електроди;
2) інтерполяцію (продовження) виміряних значень на точки, що лежать між електродами;
3) згладжування вийшла карти;
4) розфарбовування карти в кольори, що відповідають певним значенням потенціалу. Виходять ефектні кольорові зображення. Таке подання до квазіцвете, коли всьому діапазону значень поля від мінімального до максимального ставлять у відповідність набір квітів, наприклад від фіолетового до червоного, зараз дуже поширене, оскільки сильно полегшує лікаря аналіз 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 і більш тонких параметрів ЕЕГ, які давно апробовані в клінічній практиці. До них в першу чергу відноситься просторовий розподіл електричної потужності тих чи інших спектральних складових ЕЕГ (α, Я, γ, δ, і θ-ритми). Для побудови такої карти в певному часовому вікні вимірюють потенціали в 32 точках скальпа, потім по цих записів визначають частотні спектри і будується просторовий розподіл окремих спектральних компонент.
Карти α, δ, Я ритмів сильно відрізняються. Порушення симетрії таких карт між правим і лівим півкулею може бути діагностичним критерієм у разі пухлин мозку і при деяких інших захворюваннях.
Таким чином, в даний час розроблені безконтактні методи реєстрації електричного поля, яке створює тіло людини в навколишньому просторі, і знайдено деякі програми цих методів у медицині. Контактні вимірювання електричного поля отримали новий імпульс у зв'язку з розвитком персональних ЕОМ - їх висока швидкодія дозволило отримувати карти електричних полів мозку.
Магнітне поле.
Магнітне поле тіла людини створюється струмами, що генеруються клітинами серця та кори головного мозку. Воно виключно мало - 10 млн. - 1 млрд. разів слабкіше магнітного поля Землі. Для його виміру використовують квантовий магнітометр. Його датчиком є надпровідний квантовий магнітометр (СКВІД), на вхід якого включені прийоми і з котушки. Цей датчик вимірює надслабких магнітний потік, який пронизує котушки. Щоб СКВІД працював, його треба ох ладити до температури, при якій з'являється надпровідність, тобто до температури рідкого гелію (4 К). Для цього його і прийомні котушки вміщують у спеціальний термос для зберігання рідкого гелію - кріостат, точніше, в його вузьку хвостову частину, яку вдається максимально близько піднести до тіла людини.
В останні роки після відкриття "високотемпературної надпровідності" з'явилися СКВИДа, які досить охолоджувати до температури рідкого азоту (77 К). Їх чутливість достатня для вимірювання магнітних полів серця.
Магнітне поле, створюване організмом людини, на багато порядків менше, ніж магнітному полі Землі, його флуктуації (геомагнітний шум) або поля технічних пристроїв.
Існують два підходи до усунення впливу шумів. Найбільш радикальний - створення порівняно великого об'єму (кімнати), в якому магнітні шуми різко зменшені за допомогою магнітних екранів. Для найбільш тонких біомагнітних досліджень (на мозку) шуми необхідно з шикати приблизно в мільйон разів, що може бути забезпечено багатошаровими стопками з магнитомягких феромагнітного сплаву (наприклад, пермаллоя). Екранована кімната - дороге спорудження, і лише найбільші наукові центри можуть дозволити собі се споруду. Кількість таких кімнат у світі в даний час обчислюється одиницями.
Є й інший, більш доступний спосіб послабити вплив зовнішніх шумів. Він заснований на тому, що в більшості своїй магнітні шуми в навколишньому просторі породжуються хаотичними коливаннями (флуктуаціями) земного магнітного поля і промисловими електроустановками. Далеко від різких магнітних аномалій і електричних машин магнітне поле хоча і флуктуірует з часом, але просторово однорідно, слабо змінюючись на відстанях, порівнянних з розмірами людського тіла. Власне ж біомагнітні поля швидко слабшають при видаленні 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 приладу зі СКВИДа в якості чутливого елемента виготовляється так, що вона чутлива лише до градієнту магнітного поля, - у цьому випадку прилад називають градіометром. Однак часто зовнішні (шумові) поля мають все ж таки помітними градієнтами, тоді доводиться застосовувати прилад, що вимірює другий просторову похідну індукції магнітного поля - градіометр другого порядку. Такий прилад можна застосовувати вже в звичайній лабораторній обстановці. Але все ж і градіометри переважно застосовувати в місцях з "магнітно-спокійною" обстановкою, і деякі дослідницькі групи працюють у спеціально споруджуються немагнітних будинках в сільській місцевості.
В даний час інтенсивні біомагнітні дослідження ведуться як у Магнітний кімнатах, так і без них, із застосуванням градіометров. У широкому спектрі біомагнітних явищ є багато завдань, що допускають різний рівень ослаблення зовнішніх шумів. [4] Введення
Види фізичних полів тіла людини. Їх джерела
1. Електромагнітні поля
2. Акустичні поля
3. Низькочастотні електричні і магнітні поля
4. Природа біомагнітних полів
5. Магнітокардіографія
6. Феромагнітні частки в організмі
7. Магнітні поля внутрішніх органів, шкіри, м'язів, очей
8. Нейромагнітние поля
9. Радіохвилі надвисоких частот (НВЧ)
10. Механізми зміни температури в тілі людини
11. Застосування НВЧ-радіометрії в медицині
12. Інфрачервоне випромінювання
13. Особливості обробки та подання тепловізійного зображення
14. Теплобачення в біології та медицині
15. Оптичне випромінювання тіла людини
16. Акустичні поля людини
Висновок
Список літератури
Введення
Навколо будь-якого тіла існують різні фізичні поля, зумовлені процесами, що відбуваються всередині його. Не складає в цьому плані винятку і людина. Фізичні поля, які генерує організм у процесі функціонування, називають власними фізичними полями організму людини. [4]Численні фізичні методи дослідження організму людини, використовують реєстрацію власних фізичних полів людини, дозволяють отримати інформацію про процеси в організмі, яку не можна отримати іншими способами.
Вчених цікавлять не самі фізичні поля біологічних об'єктів, а можливість перенесення по цих каналах інформації, пов'язаної з роботою внутрішніх органів. Вивчення фізичних полів біооб'єктів методологічно дуже близько до пасивного дистанційного зондування Землі, атмосфери і т.д. У застосуванні таких методів накопичений великий досвід. Немає необхідності пояснювати, наскільки важливу інформацію про структуру і функціонування об'єкта вони дають. Через нестаціонарності біооб'єктів необхідно реєструвати сигнали по багатьох каналах одночасно, включаючи електрофізіологічний контроль. Для отримання просторової структури поля в кожному каналі необхідно використовувати матричні або скануючі антени. Апаратура повинна бути досить швидкодіючою, щоб встигати реєструвати сигнали в динаміці, тобто швидше, ніж змінюється стан об'єкта. Практично у всіх каналах необхідно ретельне екранування від перешкод.
Завдання полягає не в розробці принципово нової апаратури, а в застосуванні сучасної техніки дистанційного зондування в цілях дослідження біологічних об'єктів і, головне, у створенні методики таких досліджень. [1]
Так як біологічний об'єкт є складною приймальні системою то постає проблема вивчення фізичних полів. Вирішення цієї проблеми можливе тільки на основі тісної кооперації фізіологів, біофізиків, психологів, медиків, а також фахівців галузевих організацій, які розробляють вимірювальну апаратуру.
Проблема систематичного дослідження фізичних полів біооб'єктів була поставлена в Інституті радіотехніки й електроніки РАН Ю.В. Гуляєвим і Е.Е. Годік.
Види фізичних полів тіла людини. Їх джерела
Навколо людини існують електромагнітні та акустичні поля (гравітаційне поле і елементарні частинки залишаються за межами нашого розгляду).Можна виділити основні 4 діапазону електромагнітного випромінювання і 3 діапазону акустичного випромінювання, в яких нині ведуться дослідження. [4]
1. Електромагнітні поля
Діапазон власного електромагнітного випромінювання обмежений з боку коротких хвиль оптичним випромінюванням, більш короткохвильове випромінювання - включаючи рентгенівське і γ-кванти - не зареєстровано. З боку довгих хвиль діапазон можна обмежити радіохвилями довжиною близько 60 см. У порядку зростання частоти чотири діапазони електромагнітного поля, що представлені на ріс.12.1, включають в себе:1) низькочастотне електричне (Е) і магнітне (В) поле (частоти нижче 10 3 Гц);
2) радіохвилі надвисоких частот (НВЧ) (частоти 10 9 - 10 10 Гц і довжина хвилі поза тіла 3-60 см);
3) інфрачервоне (ІЧ) випромінювання (частота жовтня 1914 Гц, довжина хвилі 3-10 мкм);
4) оптичне випромінювання (частота 15 жовтня Гц, довжина хвилі порядку 0,5 мкм).
Такий вибір діапазонів обумовлений не технічними можливостями сучасної електроніки, а особливостями біологічних об'єктів і оцінками інформативності різних діапазонів для медицини. Характерні параметри різних електромагнітних полів, створюваних тілом людини, наведені в табл.12.1
Джерела електромагнітних полів різні в різних діапазонах частот. Низькочастотні поля створюються головним чином при протіканні фізіологічних процесів, що супроводжуються електричною активністю органів: кишечником (~ 1 хв), серцем (характерний час процесів порядку 1 с), мозком (-0,1 с), нервовими волокнами (-10 мс). Спектр частот, які відповідають цим процесам, обмежений зверху значеннями, не переважаючими ~ 1кГц.
У НВЧ та ІЧ-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 абсолютно чорним тілом, яке, як відомо, поглинає все падаюче на нього випромінювання і тому має максимальну випромінюючої здатністю.
Випромінювальна здатність тіла - кількість енергії, що випускається одиницею поверхні тіла в одиницю часу в одиничному інтервалі довжин хвиль по всіх напрямах - залежить від довжини хвилі X і абсолютної температури тіла Т.
ІЧ-випромінювання тіла людини вимірюють тепловізорами в діапазоні 3-10 мкм, де воно максимально.
2. Акустичні поля
Діапазон власного акустичного випромінювання обмежений з боку довгих хвиль механічними коливаннями поверхні тіла людини (0,01 Гц), з боку коротких хвиль ультразвуковим випромінюванням, зокрема, від тіла людини реєстрували сигнали з частотою близько 10 МГц.У порядку зростання частоти три діапазони акустичного поля містять у собі:
1) низькочастотні коливання (частоти нижче 10 3 Гц);
2) кохлеарну акустичну емісію (КАЕ) - випромінювання з вуха людини (v ~ 10 3 Гц);
3) ультразвукове випромінювання (v ~ 1-10 МГц).
Джерела акустичних полів в різних діапазонах частот мають різну природу. Низькочастотне випромінювання створюється фізіологічними процесами: дихальними рухами, биттям серця, потоком крові в кровоносних судинах і деякими іншими процесами, що супроводжуються коливаннями поверхні людського тіла в діапазоні приблизно 0,01 - 10 3 Гц. Це випромінювання у вигляді коливань поверхні можна зареєструвати контактними, або не контактними методами, проте його практично неможливо виміряти дистанційно за допомогою мікрофонів. Це пов'язано з тим, що йдуть з глибини тіла акустичні хвилі практично повністю відбиваються назад від кордону Роззуй розділу "повітря-тіло людини" і не виходять назовні в повітря з тіла людини. Коефіцієнт відбиття звукових хвиль близький до одиниці з-за того, що щільність тканин тіла людини близька до щільності води, яка на три порядки вище щільності повітря.
У всіх наземних хребетних існує, однак, спеціальний орган, в якому здійснюється хороше акустичне узгодження між повітрям і рідким середовищем, - це вухо. Середнє і внутрішнє вухо забезпечують передачу майже без втрат звукових хвиль з повітря до рецепторних клітин внутрішнього вуха. Відповідно, в принципі, можливий і зворотний процес - передача з вуха у навколишнє середовище - і він виявлений експериментально за допомогою мікрофона, вставленого у вушний канал.
Джерелом акустичного вивчення мегагерцевого діапазону є теплове акустичне випромінювання - повний аналог відповідного електромагнітного випромінювання. Воно виникає внаслідок хаотичного теплового руху атомів і молекул людського тіла. Інтенсивність цих акустичних хвиль, як і електромагнітних, визначається абсолютною температурою тіла. [4]
3. Низькочастотні електричні і магнітні поля
Електричне поле.Електричне поле людини існує на поверхні тіла і зовні, поза ним.
Електричне поле поза тілом людини зумовлено головним чином трібозарядамі, тобто зарядами, що виникають на поверхні тіла внаслідок тертя об одяг або про яку-небудь діелектричний предмет, при цьому на тілі створюється електричний потенціал порядку декількох вольт. Електричне поле безперервно змінюється у часі: по-перше, відбувається нейтралізація трібозарядов - вони стікають з високоомній поверхні шкіри з характерними часами ~ 100 - 1000 с; по-друге, зміни геометрії тіла внаслідок дихальних рухів, биття серця і т.п. призводять до модуляції постійного електричного поля поза тіла.
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 ні багато разів менше, ніж поле трібозарядов. [1]
У медицині безконтактний метод вимірювання електричних полів, пов'язаних з тілом людини, знайшов своє застосування для вимірювання низькочастотних рухів грудної клітини.
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 є два обкладки конденсатора. Переміщення грудної клітини змінює відстань між обкладками, тобто ємність цього конденсатора і, отже, ємнісний струм, вимірюваний кожної антеною. На підставі вимірів цих струмів можна побудувати карту переміщень грудної клітки під час дихального циклу. У нормі вона повинна бути симетрична щодо грудини. Її симетрія порушена і з одного боку амплітуда рухів мала, то це може свідчити, наприклад, про прихований переломом ребра, при якому блокується скорочення м'язів з відповідної сторони грудної клітини.
Контактні вимірювання електричного поля в даний час знаходять найбільше застосування в медицині: в кардіографії і електроенцефалографії. Основний прогрес у цих дослідженнях зумовлений застосуванням обчислювальної техніки, в тому числі персональних комп'ютерів. Ця техніка дозволяє, наприклад, отримувати так звані електрокардіограми високого дозволу (ЕКГ ВР).
Як відомо, амплітуда сигналу ЕКГ не більше 1 мВ, а ST-сегмента ще менше, причому сигнал маскується електричним шумом, пов'язаним з нерегулярною м'язовою активністю. Тому застосовують метод накопичення - тобто підсумовування багатьох послідовно що йдуть сигналів ЕКГ. Для цього ЕОМ зрушує кожний наступний сигнал так, щоб його R-пік був суміщений з R-піком попереднього сигналу, і додає його до попереднього, і так для багатьох сигналів протягом декількох хвилин. При цій процедурі корисний повторюється сигнал збільшується, а нерегулярні по міхи гасять один одного. За рахунок зменшення шуму вдається виділити тонку структуру ST-комплексу, яка 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 картки включає в себе чотири процедури:
1) вимірювання електричного потенціалу у всіх точках, де стоять електроди;
2) інтерполяцію (продовження) виміряних значень на точки, що лежать між електродами;
3) згладжування вийшла карти;
4) розфарбовування карти в кольори, що відповідають певним значенням потенціалу. Виходять ефектні кольорові зображення. Таке подання до квазіцвете, коли всьому діапазону значень поля від мінімального до максимального ставлять у відповідність набір квітів, наприклад від фіолетового до червоного, зараз дуже поширене, оскільки сильно полегшує лікаря аналіз 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 і більш тонких параметрів ЕЕГ, які давно апробовані в клінічній практиці. До них в першу чергу відноситься просторовий розподіл електричної потужності тих чи інших спектральних складових ЕЕГ (α, Я, γ, δ, і θ-ритми). Для побудови такої карти в певному часовому вікні вимірюють потенціали в 32 точках скальпа, потім по цих записів визначають частотні спектри і будується просторовий розподіл окремих спектральних компонент.
Карти α, δ, Я ритмів сильно відрізняються. Порушення симетрії таких карт між правим і лівим півкулею може бути діагностичним критерієм у разі пухлин мозку і при деяких інших захворюваннях.
Таким чином, в даний час розроблені безконтактні методи реєстрації електричного поля, яке створює тіло людини в навколишньому просторі, і знайдено деякі програми цих методів у медицині. Контактні вимірювання електричного поля отримали новий імпульс у зв'язку з розвитком персональних ЕОМ - їх висока швидкодія дозволило отримувати карти електричних полів мозку.
Магнітне поле.
Магнітне поле тіла людини створюється струмами, що генеруються клітинами серця та кори головного мозку. Воно виключно мало - 10 млн. - 1 млрд. разів слабкіше магнітного поля Землі. Для його виміру використовують квантовий магнітометр. Його датчиком є надпровідний квантовий магнітометр (СКВІД), на вхід якого включені прийоми і з котушки. Цей датчик вимірює надслабких магнітний потік, який пронизує котушки. Щоб СКВІД працював, його треба ох ладити до температури, при якій з'являється надпровідність, тобто до температури рідкого гелію (4 К). Для цього його і прийомні котушки вміщують у спеціальний термос для зберігання рідкого гелію - кріостат, точніше, в його вузьку хвостову частину, яку вдається максимально близько піднести до тіла людини.
В останні роки після відкриття "високотемпературної надпровідності" з'явилися СКВИДа, які досить охолоджувати до температури рідкого азоту (77 К). Їх чутливість достатня для вимірювання магнітних полів серця.
Магнітне поле, створюване організмом людини, на багато порядків менше, ніж магнітному полі Землі, його флуктуації (геомагнітний шум) або поля технічних пристроїв.
Існують два підходи до усунення впливу шумів. Найбільш радикальний - створення порівняно великого об'єму (кімнати), в якому магнітні шуми різко зменшені за допомогою магнітних екранів. Для найбільш тонких біомагнітних досліджень (на мозку) шуми необхідно з шикати приблизно в мільйон разів, що може бути забезпечено багатошаровими стопками з магнитомягких феромагнітного сплаву (наприклад, пермаллоя). Екранована кімната - дороге спорудження, і лише найбільші наукові центри можуть дозволити собі се споруду. Кількість таких кімнат у світі в даний час обчислюється одиницями.
Є й інший, більш доступний спосіб послабити вплив зовнішніх шумів. Він заснований на тому, що в більшості своїй магнітні шуми в навколишньому просторі породжуються хаотичними коливаннями (флуктуаціями) земного магнітного поля і промисловими електроустановками. Далеко від різких магнітних аномалій і електричних машин магнітне поле хоча і флуктуірует з часом, але просторово однорідно, слабо змінюючись на відстанях, порівнянних з розмірами людського тіла. Власне ж біомагнітні поля швидко слабшають при видаленні 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 приладу зі СКВИДа в якості чутливого елемента виготовляється так, що вона чутлива лише до градієнту магнітного поля, - у цьому випадку прилад називають градіометром. Однак часто зовнішні (шумові) поля мають все ж таки помітними градієнтами, тоді доводиться застосовувати прилад, що вимірює другий просторову похідну індукції магнітного поля - градіометр другого порядку. Такий прилад можна застосовувати вже в звичайній лабораторній обстановці. Але все ж і градіометри переважно застосовувати в місцях з "магнітно-спокійною" обстановкою, і деякі дослідницькі групи працюють у спеціально споруджуються немагнітних будинках в сільській місцевості.
4. Природа біомагнітних полів
Магнітні поля живого організму можуть бути викликані трьома причинами. Перш за все, це іонні струми, що виникають внаслідок електричної активності клітинних мембран (головним чином м'язових і нервових клітин). Інше джерело магнітних полів - найдрібніші феромагнітні частинки, що потрапили або спеціально введені в організм. Ці два джерела створюють власні магнітні поля. Крім того, при накладенні зовнішнього магнітного поля виявляються неоднорідності магнітної сприйнятливості різних органів, які спотворюють накладене зовнішнє поле.Магнітне поле в двох останніх випадках не супроводжується появою електричного, тому при дослідженні поведінки магнітних частинок в організмі і магнітних властивостей різних органів застосовні лише магнітометричні методи. Біоструми ж, крім магнітних полів, створюють і розподіл електричних потенціалів на поверхні тіла. Реєстрація цих потенціалів вже давно використовується в дослідженнях та клінічній практиці - це електрокардіографія, електроенцефалографія і т.п. Здавалося б, що їх магнітні аналоги, тобто магнітокардіографія і магнітоенцефалографії, реєструючі сигнали від тих же електричних процесів в організмі, будуть давати практично аналогічну інформацію про досліджуваних органах. Проте, як випливає з теорії електромагнетизму, будова джерела струму в електропровідного середовищі (організмі) і неоднорідність самої це середовища суттєво по-різному відображаються па розподіл магнітних і електричних нулів: (деякі види біоелектричної активності виявляють себе переважно в електричному полі, даючи слабкий магнітний сигнал , інші - навпаки. Тому є багато процесів, спостереження яких магнітопорошкового переважно.
Магіітографія не вимагає прямого контакту з об'єктом, тобто дозволяє проводити виміри через пов'язку або іншу перешкоду. Це не тільки практично зручно, по | і становить принципова перевага перед електричними методами реєстрації даних оскільки місця кріплення електродів на шкірі можуть бути джерелами повільно мінливих контактних потенціалів. Подібних паразитних перешкод немає при магнітопорошкового методах, і тому магнітографня дозволяє, зокрема, надійно дослідити повільно протікають процеси (на сьогоднішній день з характерним часом в десятки хвилин).
Магнітні поля швидко слабшають при видаленні від джерела активності, так як є наслідком порівняно сильних струмів в самому працюючому органі, в той час як поверхневі потенціали визначаються більш слабкими і "розмазали" струмами в шкірі. Тому магіітографія більш зручна для точного визначення (локалізації) мосту біоелектричної активності.
І, нарешті, індукція магнітного поля як вектор характеризується не тільки абсолютною величиною, але й напрямком, що також може давати додаткову корисну інформацію.
Не слід вважати, що електро-та магнітопорошкового методи конкурують між собою. Навпаки, саме їх комбінація дає найбільш повну інформацію про досліджувані процесах. Але для кожного з методів є області, де застосування якого-небудь одного з них переважно. [1]
5. Магнітокардіографія
Серце - найбільш сильний джерело електричних і магнітних полів в організмі, тому магнітокардіографія виникла ще до появи СКВИДа. Але лише СКВІД-магпітометри дозволили отримувати магнітокардіограмми (МКГ) настільки ж високої якості, як і електрокардіограми. (ЕКГ). За зовнішнім виглядом сигнали МКГ та ЕКГ дуже схожі, порушення ж серцевої діяльності дещо по-різному позначаються на результатах електричних і магнітних вимірювань. У ряді лабораторій світу зараз йде процес накопичення відповідних даних, що дозволить систематизувати особливості магнітного прояву різних серцевих захворювань.Як вже згадувалося, найбільш яскраво гідності магнітограф проявляються при наблюдепіі повільно мінливих і тим більше постійних сигналів. Так, саме магнітопорошкового були виявлені постійні "струми ушкодження", що виникають при закупорку коронарної артерії (в експериментах на собаках).
Інший серйозний успіх магнітокардіографії - спостереження МКГ плоду у тілі матері. Чітка локалізація магнітного поля в районі джерела дозволила відокремити сигнали плоду від більш сильних сигналів материнського серця, у той час як електричні сигнали в значній мірі змішані - через просторової размазанності слабких поверхневих струмів ЕКГ.
Магіітографія дозволяє вирішувати і інше важливе завдання кардіології - визначення кровотоку в серці. Якщо накласти невелике зовнішнє магнітне поле, то періодичний викид крові серцем викличе змінний магнітний сигнал, що дозволяє визначити обсяг і швидкість рідини, що рухається.
Зовсім недавно виник новий напрям у магнітокардіографії, яке схоже на аналізованим нижче нейромагпітним вимірам, - це МГК високого дозволу. Суть її полягає у більш "пильному" вивченні тих інтервалів серцевого циклу коли м'яз спокійна: у цей час можна виміряти слабкі магнітні сигнали, які супроводжують нервові імпульси, що поширюються в серце. Була виявлена цікава особливість ці системи незмінні протягом приблизно 20 циклів, потім злегка змінюють форму, знову зберігаючи її наступні 5-10 циклів, і т.д. Ймовірно, тут міститься певна інформація про нервові процеси в серце. [1]
6. Феромагнітні частки в організмі
На шкірі і в організмі більшості людей, особливо працюючих у металообробній промисловості, присутні дрібні феромагнітні частинки, магнітні поля яких можуть заважати тонким біомагнітних вимірам. Взагалі кажучи, від цих перешкод можна позбутися розмагнічуванням у зовнішньому змінному полі спадної амплітуди. Поля феромагнітних частинок можна і посилити намагнічуванням у досить великому постійному полі. Тоді вимірювання можна проводити навіть менш чутливими приладами, особливо якщо зміст феромагнітних частинок в організмі велика. Наприклад, звичайні (ферозондові) магнітометри ужо використовуються як засіб охорони праці для визначення змісту залізної пилу в легенях зварювальників.Застосування СКВИДа дозволяє виявляти найменші кількості не лише феромагнітних, але і парамагнітних (т. з. Істотно слабкіше намагнічується) домішок. Висока чутливість методу може виявитися корисною для низки діагностичних цілей. За допомогою СКВІД-магнітометрів вдалося виділити магнітний сигнал від мікрочастинок заліза, які потрапили в шлунок разом з їжею, а це дає можливість визначати, наприклад, якими були продукти - свіжими або консервованими. Крім того, вимірювання розподілу магнітних полів навколо торса людини після інгаляції нешкідливого для організму магнетиту (Fe 3 O 4) дозволяє спостерігати місця переважного осадження пилу в легенях і швидкість її природного виведення (виявлено, зокрема, що у курців пил виводиться повільніше, ніж у некурців). Таким способом можна виявити осередки застійності (запалення), а за результатами фізичного впливу на частинки пилу (ультразвуком, НВЧ-нагріванням або змінним магнітним полем) отримати інформацію про характер патологічних змін у вогнищі. Подібні дослідження проводяться і на будь-якому іншому органі, в який можна ввести магнітні частинки. Наприклад, нещодавно був реалізований своєрідний метод реєстрації коливальних рухів ока (тремору і саккад) та органів середнього вуха, що полягає в тому, що в потрібному місці закріплюється найдрібніша порошинка феромагнетика, а її рух реєструється по коливань магнітного поля.
7. Магнітні поля внутрішніх органів, шкіри, м'язів, очей
Магнітні прояви біологічної активності властиві багатьом органам живих організмів. Встановлено, що постійні або коливні з періодом в. кілька хвилин магнітні нуля характерні для шлунку людини, причому вид сигналу явно визначається функціональним станом шлунка. Сигнали різні до і після прийому їжі, змінюються при вживанні води (натще) або ліки. Цей факт може надалі знайти застосування в діагностиці шлункових захворювань.Були виявлені магнітні поля постійних електричних струмів в шкірі, що з'являються при дотику до покриває її волосяному покриву. Виявлення таких струмів електрографічних гранично утруднено через паразитних потенціалів, що виникають у місцях кріплення електродів і, крім того, самим їх закріпленням - вони тиснуть на шкіру.
Виміряно магнітні поля при скороченні скелетних м'язів людини. Запис цих полів як функції часу називають магнітоміограммой (ММГ). На додаток до високочастотним компонентів (10-150 Гц), що реєструються також і електроміографічних, спостерігалася повільно змінюється складова ММГ, що виникала при скороченні м'яза або при се легкому масажі. Таке магнітне поле властиво м'язам ніг і здатне існувати близько години. Висловлювалася думка, що струми, що викликають ці поля, грають важливу роль в рості і регенерації кінцівок, наприклад у залечивании переломів кістки.
Відомо, що око - джерело досить сильного електричного поля, так як робота сітківки супроводжується виникненням потенціалу до 0,01 В між передньою і задньою її поверхнями. Це викликає в оточуючих тканинах електричний струм, магнітне поле якого можна реєструвати у вигляді магнітоокулограмми (МІГ) при русі очей і у вигляді магніторетінограмми (МРГ) при зміні освітленості сітківки. Спостереження і вивчення магнітних полів очі представляють собою цікаву самостійне завдання. Разом з тим виявилося, що індукція магнітного поля очей істотно вище, ніж магнітного поля мозку. Тому конфігурацію та інші характеристики цих полів необхідно знати, приступаючи до магнітопорошкового дослідженням мозку, особливо при вивченні зорового сприйняття.
8. Нейромагнітние поля
При роботі мозку, основи якої поки ще багато в чому загадкові, виникають як електричні, так і магнітні поля. Найбільш сильні сигнали породжуються спонтанної ритмічною активністю мозку. За допомогою електроенцефалографії проведена класифікація цих ритмів і встановлено відповідність між ними і функціональним станом мозку (неспанням, різними фазами сну) або патологічними проявами (наприклад, епілептичним припадком).Дослідження показали, що електро-і магнітоенцефалограмми (ЕЕГ і МЕГ) можуть сильно відрізнятися. У кардіографії ж сигнали ЕКГ та МКГ дуже схожі. Тому застосування СКВІД-магнітометрів особливо перспективно при дослідженні мозку.
Однак різниця в ЕЕГ і МЕГ аж ніяк не обов'язково. Так, в альфа-ритмі, тобто коливаннях з частотою 8-12 Гц, характерному для спить людина з закритими очима і спокійному стані, магнітні й електричні поля з'являються синхронно, тобто суб'єкт з великим електричним сигналом альфа-ритму виробляє і більший магнітний сигнал. Щоправда, подібна чіткий зв'язок була відсутня у пацієнтів з порушеннями ритмічної активності.
При порівнянні електро-і магнітоенцефалограмм слід враховувати, що на відміну від інших органів мозок практично цілком оточений кістковою тканиною черепа, а її електропровідність багато менше, ніж шкіри і самої речовини мозку. Крім того, природні отвори черепа ускладнюють шляху електричного струму, у результаті чого картина потенціалів на поверхні голови людини являє собою складне накладення просторових розподілів сигналів від досить віддалених джерел всередині мозку. Магнітний ж датчик реагує головним чином па більше сильні струми в самій області біоелектричної активності, що також дуже важливо, певним чином орієнтовані щодо приймальні котушки СКВІД-магнітометра. Це робить магнітопорошкового методи кращими, оскільки найбільший дослідний і діагностичний інтерес представляє вивчення сигналів від конкретного джерела всередині мозку - без перешкод, створюваних іншими видами активності. Так, дослідження мозку в осіб, які страждають епілептичними припадками, показали, що магнітопорошкового вдається точно виявити осередок патологічної активності, в той час як на ЕЕГ у окремих пацієнтів не реєструвався спектр, характерний для епілепсії.
Але найбільш яскраво переваги магнітної реєстрації проявляються при дослідженнях відгуків мозку на різні дії через органи почуттів.
У ряді лабораторій світу проводяться дослідження магнітних сигналів, що супроводжують відгуки мозку на дотикальне, звукове та зорове роздратування. Вже перші результати показали, що ці так звані викликані магнітні поля (ВМП) мозку мають порівняно простою структурою і по них можна встановити розташування джерела біоелектричної активності в корі головного мозку. Деякі джерела ВМП можуть бути досить добре представлені у вигляді токового диполя. У відповідь на зорове подразнення виникає струмовий диполь в потиличній частині голови, на слухове - в скроневій частині. У відповідь на роздратування мізинця правої руки виникає диполь, перпендікулярпий центральній борозні лівої півкулі. Цей диполь розташований в проекційної зоні чутливих рецепторів різних частин тіла, і саме в тому місці, де, як показали нейрохірургічні дослідження, знаходиться "представництво" мізинця. За допомогою магнітограф стає можливим без хірургічного втручання досить точно виявити те місце в корі мозку, куди приходить і де обробляється інформація від органів чуття. Настільки точно встановлювати положення джерела біоелектричної активності мозку ЕЕГ не дозволяє.
Порівняльна простота ряду ВМП дає можливість проводити з ними надійні нейрофізіологічні експерименти. Наприклад, досліджувалися магнітні поля мозку, викликані реакцією па грати з темних і світлих смуг, періодично з'являється на екрані осцилографа. Такий вид стимулювання в дослідженнях зорового сприйняття досить розповсюджений, і його застосування пов'язане з сучасними теоретичними уявленнями про сприйняття образів. Виявилося, що амплітуда магнітного сигналу в цьому випадку більше, ніж, наприклад, при використанні простої спалаху. Періодично (від восьми до двадцяти разів на секунду) пред'являючи таку решітку, можна по фазовому відставання магнітного відгуку встановити час проходження сигналу але нервових шляхах від ока до певної області кори головного мозку.
Як встановлено, проходження сигналу - не пасивний процес.
При цьому здійснюється послідовна обробка інформації в різних відділах мозку, і за часом цього "активного" запізнювання (т) можна в тій чи іншій мірі судити про характер цієї обробки.
У більшості випробуваних час запізнювання для обох півкуль мозку однакове, але у деяких людей різниця в часі реакції правого і лівого півкуль досягала 0,1 с! Цей факт, очевидно, може мати клінічну цінність, наприклад для ранньої діагностики склерозу.
Точне вимірювання положення області нервової активності, що супроводжує роздратування того чи іншого органу чуття, дозволяє будувати карти активності кори головного мозку: "соматотопическую" для дотику, "Тонотопическая" для слуху, "ретинотопической" для зору.
Такі карти можуть служити основою для розуміння процесів переробки надходить у головний мозок інформації та постановки більш складних нейрофізіологічних експериментів на базі отриманих результатів. Причому дослідження можна проводити па цілком здорових людях без будь-якого оперативного втручання та істотних незручностей для випробуваного.
Магнітографія дозволяє дослідити процеси не тільки в корі великих півкуль, а й у глибоких структурах мозку і не тільки відгуки на порушення органів почуттів, але й більш складні процеси.
Цілком реальним створення набору, скажімо, зі ста чутливих елементів, одночасно реєструють магнітні поля в різних точках навколо голови людини. Обробка цих даних на ЕОМ дасть картину розподілу джерел поля по всьому об'єму мозку. Така система багато в чому схожа з вже існуючими системами комп'ютерної рентгенівської томографії та ЯМР-інтроскопії, з яких перша дає повну картину розподілу щільності речовини в мозку на реновації даних про поглинання рентгенівських променів, а друга - картину розподілу певних хімічних речовин, полуденну методом ядерного магнітного резонансу . Магнітні методи обіцяють в перспективі побудова тривимірної картини електричної активності мозку.
Магнітні дослідження мозку реально ведуться всього лише кілька років, але вже перші результати показали велику перспективність методу. Біомагнетізм виявився не тільки важливою частиною біологічної науки, але й забезпечив базу для розвитку інших застосувань, надчутливої магнітометрії.
Поряд з транзистором і лазером дітище квантової механіки СКВІД зайвий раз демонструє, наскільки практичною стала ця дивовижна наука, яка здавалася в минулому настільки абстрактною. [1]
Ці хвилі в тілі людини загасають слабкіше, ніж інфрачервоне випромінювання. Тому за допомогою приладів для вимірювання слабких електромагнітних полів цього діапазону частот, так званих НВЧ-радіометрів, можна виміряти температуру в глибині тіла людини.
Хвилі з тіла людини беруть за допомогою контактної антени - аплікатора. Дистанційні вимірювання в цьому діапазоні, на жаль практично неможливі, оскільки хвилі, що виходять з тіла, сильно відбиваються назад від кордону тіло-повітря.
Головні труднощі при аналізі вимірів глибинної температури по радіотепловому випромінюванню на його поверхні полягає в тому, що важко локалізувати глибину джерела температури. Для ІЧ-випромінювання ця проблема не виникає: випромінювання поглинається на глибині 100 мкм, так що його джерелом однозначно є поверхня шкіри. Радіохвилі НВЧ-діапазону поглинаються на відстані, що становить кілька см.
Середня глибина, з якою вимірюється температура, визначається глибиною проникнення d. Вона залежить від довжини хвилі і типу тканини. Чим більше в тканини води (електроліту), то з меншою глибини можна виміряти температур в жировій тканині з низьким вмістом води d = 4 - 8 см, а і м'язової тканини (з високим вмістом води) ця величина зменшується до значень d = 1,5 - 2 см.
Оптимальними для вимірювання глибинної температури є радіометри з довжиною хвилі у вільному просторі X = 20 - 40 см: у більш короткохвильових пристроїв глибина проникнення знижується до декількох міліметрів, тобто вони фактично, так само як і ІК-тепловізори, вимірюють температуру шкіри, а у більш довгохвильових радіометрів (А, = 60 см) занадто великий розмір антени і мала просторова роздільна здатність.
Хоча метод НВЧ-радіометрії вимірює середню по глибині температуру в тілі людини, зараз відомо, які органи можуть змінювати температуру, і тому можна однозначно пов'язати зміни температури з цими органами. Наприклад, зміна температури під час м'язової роботи, очевидно, пов'язано саме з м'язовою тканиною, зміни глибинної температури головного мозку, які досягають 1-2 К, визначаються його корою.
1) генерації тепла внаслідок метаболізму;
2) обміну теплом з сусідніми ділянками тіла з-за термодифузії;
3) конвективного теплообміну за допомогою кровотоку, тобто за рахунок припливу і відтоку тепла з кров'ю. За рахунок конвективного теплообміну одні тканини можуть нагріватися, а інші охолоджуватися. Температура крові, що притікає по артеріях в різні органи, визначається температурою "теплового ядра" тіла (фактично грудної клітини) і становить близько 37 ° С.
Кров, притікає в покояться м'язи (їх температура близько 35,5 ° С), викликає їх нагрівання. Навпаки, температура мозку через активної роботи нейронів ближче до 38 ° С, тобто притікає кров його охолоджує. У силу цього відмінності тимчасове припинення кровотоку призводить до охолодження м'язи і, навпаки, до нагрівання мозку.
Можливий біофізичний механізм підвищення температури пов'язаний з тим, що глюкоза активно засвоюється клітинами. Ефективність перетворення глюкози в АТФ в ракових клітинах значно нижче, ніж у здорових: з однієї молекули глюкози в ракових клітинах синтезується 2 молекули АТФ, а в здорових - 38. Тому раковим клітинам необхідно переробити набагато більшу кількість глюкози. Оскільки коефіцієнт корисної дії цього процесу не перевищує 50%, ракові клітини сильно розігріваються. Цей розігрів в силу фізіологічних механізмів індукує підвищення температури та прилеглих нормальних тканин. Сумарний підйом температури реєструється НВЧ-радіометром. [4]
1) усереднення;
2) зміна контрасту одержані зображень;
3) розмальовку в квазіцвет контрастували зображень.
Усередненням домагаються того, що випадкові шуми придушуються, і корисний сигнал стає більш чітким.
Контрастування зображення і розфарбовування в квазіцвет дають можливість посилити сприйняття величини теплових контрастів. Контрастуванням називається зменшення діапазону вимірюваної величини, якому відповідає повний масштаб зміни яскравості або колірної палітри.
Різновид теплобачення, при якій досліджується тимчасова динаміка температурних полів, іноді називають динамічним теплобачення. Обробляючи послідовні термокарта, можна визначити динаміку температури в якихось цікавлять нас точках, еволюцію в часі розмірів певних нагрітих ділянок шкіри і т.п. [2]
Термоенцефалоскопія дозволяє "побачити" хвилі, що поширюються по поверхні кори головного мозку.
На жаль, теплові карти мозку людини можна отримати тільки в ході нейрохірургічних операцій на відкритому мозку, оскільки з-за сильного поглинання ІЧ-випромінювання скальп і товста черепна коробка виявляються непереборною перешкодою для сигналів з мозку.
Інфрачервоне теплобачення тіла людини дає інформацію про температуру верхніх шарів шкіри - рогового шару епідермісу та деяких підлягають шарів загальною товщиною близько 100 мкм, оскільки, як показано спеціальними вимірами, електромагнітні хвилі ІЧ-діапазону загасають, пройшовши в біологічних тканинах відстань всього близько 100 мкм. Температура цього шару визначається балансом тепла за рахунок його віддачі у навколишнє середовище і припливу за рахунок крові, що притікає з теплового ядра організму. Тому фактично ІК-теплобачення це спосіб оцінити шкірний кровотік в різних ділянках тіла.
Найбільш поширеним застосуванням ІЧ-теплобачення в медицині є візуалізація кровопостачання нижніх кінцівок. Якщо кровопостачання в них порушений, то температура дистальних ділянок різко знижена. Реєструючи розмір областей зі зниженою температурою, можна визначити ступінь вираженості захворювання, а також ефективність терапевтичних заходів.
Динамічне теплобачення дозволяє відстежити зміни температури тіла при різних дозованих впливах - функціональних пробах. Наприклад, після зняття одягу шкіра пацієнта опиняється в іншому температурному режимі, і відбувається тривала (15-20 хв) адаптація. Динаміка вимірювання температури тіла в цей період служить критерієм нормального функціонування системи терморегуляції. Плавне монотонне зміна температури - звичайна нормальна реакція, відсутність динаміки - свідоцтво неблагополуччя. Таким чином, наприклад, контролюють розвиток хвороби Рейно, при якій порушується терморегуляція: зниження температури в кімнаті викликає закономірне зниження температури шкіри здорових випробовуваних і не впливає на хворих на цю недугу. Відсутність динаміки при такій пробі характерно і для хворих з пошкодженою внаслідок травми іннервацією кінцівки.
Метод динамічного теплобачення відкрив можливості візуалізувати реакцію організму в зонах Захар'їна-Геда. У минулому столітті російський лікар Захар'їн і австрійський вчений Гед виявили, що певні ділянки поверхні тіла сигналізують про неблагополуччя у відповідному йому внутрішньому органі. Зокрема, при серцевій недостатності біль відчувається з лівої сторони і віддає в ліву руку. Однак межі цих областей вдається оконтуріть з великими труднощами, тому що доводиться спиратися лише на суб'єктивні реакції пацієнтів. Використання теплобачення засноване на тому, що в разі больової реакції будь-якого органу на функціональну пробу виникає судинна реакція у відповідній зоні Захар'їна-Геда - це призводить до зміни локальної температури шкіри. [4]
Поряд з різними онкологічними застосуваннями, теплобачення дає хороші результати в травматологічної клініці при переломах, остеомієліті, ударах, артритах, визначенні меж опіків і обмороженні і т.д.
Важливою сферою застосування термографії є судинні захворювання. Різні ураження вен та артерій, діабетична ангіопатня, спазм судин головного мозку добре виявляються при тепловізійного спостереження і термографії.
Висока діагностична цінність тепловізійного методу підтверджена при гострих запальних процесах у черевній порожнині: гострому холециститі, панкреатиті, апендициті, абсцесах і запальних інфільтратах. При хронічних, і особливо пухлинних. ураженнях шлунка, печінки, підшлункової залози і. т.д. інформативність тепловізійної картини поки невелика.
Дуже корисним виявилося використання теплобачення в акушерсько-гінекологічній практиці, хоча надії на дуже високу ефективність тепловізійної техніки при визначенні локалізації плаценти і наявності плоду виявилися занадто оптимістичними; цій галузі теплобачення може розглядатися лише як абсолютно нешкідливий допоміжний спосіб діагностики. Самодіяльне і навіть особливе діагностичне значення теплобачення набуває в акушерстві та гінекології при динамічному спостереженні процесу розвитку вагітності і післяпологових стані. [3]
Виміри, проведені в ряді лабораторій, показали, що 1 см 2 шкіри людини за 1 с спонтанно випромінює в усі сторони 6 - 60 квантів, головним чином, у синьо-зеленій області спектра. Світності різних ділянок шкіри відрізняються - найбільш сильне випромінювання виходить від кінчиків пальців, набагато слабше, наприклад, від живота або передпліччя. Це свічення не пов'язано з наявністю забруднень на шкірі і залежить від функціонального стану пацієнта, знижуючись у спокої і підвищуючись зі зростанням його активності.
Можна індукувати світіння шкіри, наприклад, за допомогою обробки її перекисом водню або впливу на шкіру попередньої засвіченням. Сильне післядія - фосфоресценцію - викликає випромінювання на довжині хвилі 254 нм, відповідне піку поглинання ДНК. Попередня засвічення викликає зростання свічення в тисячі разів, яке потім спадає в часі за складною кінетичної кривої з декількома постійними часу від одиниць до десятків хвилин.
Оптичне випромінювання шкіри не є тепловим. Інтенсивність теплового випромінювання в оптичному діапазоні незначна - з 1см 2 поверхні тіла один квант в середньому може випромінюватися лише за багато секунд.
Найбільш ймовірний механізм спонтанного світіння - це хемілюмінесценція, викликана перекисне окислення ліпідів, яке супроводжується появою радикалів, тобто молекул в збудженому електронному стані. При взаємодії таких молекул у визначеному (малому) відсотку випадків відбувається випромінювання світла. При індукованому світінні можливі й інші механізми, наприклад, виміряна випромінювання при активації певних клітин крові - нейтрофілів, пов'язане з генерацією активних форм кисню. [4]
Низькочастотні механічні коливання з частотою нижче декількох кілогерц дають інформацію про роботу легень, серця, нервової системи. Реєструвати руху поверхні тіла людини можна дистанційними або контактними датчиками в залежності від розв'язуваної задачі. Наприклад, в фонокардіографії для вимірювання акустичних шумів, створюваних серцем, використовують мікрофони, що встановлюються на поверхні тіла. Електричні сигнали з датчиків посилюють і подають на реєструючий пристрій або ЕОМ і за їх формою і величиною роблять висновки про рухах тих чи інших ділянок тіла.
Кохлеарна акустична емісія. З вуха тварин і людини можуть випромінюватися звуки - це явище називають кохлеарної акустичної емісією, оскільки їх джерело локалізована в завитці (cochlea) органу слуху. Ці звуки можна зареєструвати мікрофоном, розташованим у вушному каналі. Виявлено ряд видів кохлеарної акустичної емісії, серед яких виділяється так звана спонтанна емісія і акустичне луна.
Спонтанна емісія - це мимовільне безперервне випромінювання звуку з вух людини. Рівень звукового тиску досягає 20 дБ, тобто в 10 разів вище порогового значення 2 • 10 5 Па, яке здатне сприймати вухо людини на частоті 1 кГц. Частоти емісії в різних осіб відрізняються і лежать в діапазоні 0,5-5 кГц, випромінювання має високу монохроматичністю. Емісія спостерігається в середньому у 25% чоловіків і у 50% жінок. Спонтанна емісія не має ніякого відношення до "дзвону у вухах" - суб'єктивному відчуттю чисто нервового походження.
Кохлеарна акустична емісія пов'язана з діяльністю так званих зовнішніх волоскових клітин, розташованих в кортієвого органі равлики. У відповідь на що приходить звукову хвилю вони змінюють свої розміри і викликають у внутрішньому вусі механічні коливання, які здатні, поширюючись у зворотному напрямку, виходити назовні через середнє вухо. Біофізичний механізм швидких змін геометрії клітин поки неясний, його швидкодію в сто разів вище, ніж у м'язів.
З усіх видів кохлеарної акустичної емісії застосування в медицині поки що знайшло явище акустичного відлуння - випромінювання звуків з вуха через деякий час після подачі у вухо короткого звукового сигналу. Воно використовується для діагностики слуху новонароджених в перші кілька днів життя, коли неможливо використовувати звичайні методи аудіометрії. Відсутність луни є тривожним симптомом не тільки глухоти, а й часто пов'язаних з нею уражень інших відділів центральної нервової системи. Рання діагностика дозволяє вже з перших днів життя вжити активних заходів і значною мірою послабити несприятливі наслідки цієї недуги.
Акустичне випромінювання ультразвукового діапазону. Тіло людини є джерелом теплового акустичного випромінювання з різними частотами. Зазвичай акустичні хвилі підходять з глибини тіла, відбиваються від його поверхні і йдуть назад, проте пьезодатчик, контактує з тілом, може їх зареєструвати. Особливість акустичних хвиль, які поширюються в тілі людини, в тому, що, чим вище частота, тим вони сильніші загасають. Тому з глибини людського тіла з відстаней 1 - 10 см можуть дійти лише теплові ультразвукові хвилі мегагерцевого діапазону з частотами не вище 0,5 - 10 МГц. Інтенсивність цих хвиль пропорційна абсолютній температурі тіла. Для вимірювання інтенсивності теплового акустичного випромінювання використовують прилад - акустотермометр. За допомогою цього приладу можна, наприклад, виміряти температуру тіла людини, зануреного у воду.
Суттєвою областю застосування акустотермографіі стане вимір глибинної температури в онкології, при процедурах, пов'язаних з нагріванням пухлин в глибині тіла за допомогою різних методів: ультрависокими і надвисокими частотами, ультразвуком, лазерним випромінюванням. Акустотермографія - потенційно єдиний неінвазивний метод, здатний забезпечити високу просторову роздільну здатність за прийнятний час вимірювання порядку однієї хвилини. [4]
Контактні вимірювання електричного поля в даний час знаходять найбільше застосування в медицині: в кардіографії і електроенцефалографії. За допомогою, яких можна виявити патології серця і головного мозку.
І магнітокардіограмми (МКГ) настільки ж високої якості, як і електрокардіограми. Магнітографія дозволяє дослідити процеси не тільки в корі великих півкуль, а й у глибоких структурах мозку і не тільки відгуки на порушення органів почуттів, але й більш складні процеси. За допомогою зміни магнітних полів можна судити про фізіологічний станах м'язів, внутрішніх органів, шкіри, очі.
СВЧ-радіометрія в даний час може виробляти діагностика злоякісних пухлин різних органів: молочної залози, мозку, легенів, метастазів, а також функціонального стану кори головного мозку.
ІК-теплобачення це спосіб оцінити шкірний кровотік в різних ділянках тіла. Реєструючи розмір областей зі зниженою температурою, можна визначити ступінь вираженості захворювання, а також ефективність терапевтичних заходів. За допомогою ІЧ-теплобачення контролюють розвиток хвороби Рейно.
Оптичне світіння не пов'язано з наявністю забруднень на шкірі і залежить від функціонального стану пацієнта, знижуючись у спокої і підвищуючись зі зростанням його активності.
Акустичні коливання несуть інформацію про багатьох процесах всередині організму: дихальних рухах, биття серця і температурі внутрішніх органів.
Низькочастотні механічні коливання застосовуються для вимірювання акустичних шумів, створюваних серцем.
Явище акустичного відлуння використовується для діагностики слуху новонароджених в перші кілька днів життя, коли неможливо використовувати звичайні методи аудіометрії.
За допомогою приладу акустотермометра можна, наприклад, виміряти температуру тіла людини, зануреного у воду. Суттєвою областю застосування акустотермографіі стане вимір глибинної температури в онкології, при процедурах, пов'язаних з нагріванням пухлин в глибині тіла за допомогою різних методів: ультрависокими і надвисокими частотами, ультразвуком, лазерним випромінюванням.
Таким чином, підводячи підсумок можна сказати, що вивчення зміни фізичних полів людини є дуже важливим для діагностики багатьох захворювань.
2. Гуляєв Ю.В., Годік Е.Е., Петров А.В., Тараторін А.М. Про можливості дистантной функціональної діагностики біологічних об'єктів за їх власним інфрачервоного випромінювання / / Докл. АН СРСР. - 1984. - Т.277, - № 6. - С.1486-тисячу чотиреста дев'яносто одна
3. Мірошников М.М. Теоретичні основи оптико-електронних приладів, 1983р.
4. Антонов В.Ф., Черниш А.М., Вознесенський С.А., Козлова Є.К., 2000р.
Поряд з транзистором і лазером дітище квантової механіки СКВІД зайвий раз демонструє, наскільки практичною стала ця дивовижна наука, яка здавалася в минулому настільки абстрактною. [1]
9. Радіохвилі надвисоких частот (НВЧ)
Інтенсивність випромінювання хвиль НВЧ-діапазону за рахунок теплового руху незначна. Безпосередньо з формули Планка, при перепаді температури відносно навколишнього середовища на 1 К вона складу ет всього 2 • 10 13 Вт / м 2. Як зауважив академік Ю.В. Гуляєв, за своєю інтенсивністю це відповідає світла свічки, вміщеній на відстань понад 10 км.Ці хвилі в тілі людини загасають слабкіше, ніж інфрачервоне випромінювання. Тому за допомогою приладів для вимірювання слабких електромагнітних полів цього діапазону частот, так званих НВЧ-радіометрів, можна виміряти температуру в глибині тіла людини.
Хвилі з тіла людини беруть за допомогою контактної антени - аплікатора. Дистанційні вимірювання в цьому діапазоні, на жаль практично неможливі, оскільки хвилі, що виходять з тіла, сильно відбиваються назад від кордону тіло-повітря.
Головні труднощі при аналізі вимірів глибинної температури по радіотепловому випромінюванню на його поверхні полягає в тому, що важко локалізувати глибину джерела температури. Для ІЧ-випромінювання ця проблема не виникає: випромінювання поглинається на глибині 100 мкм, так що його джерелом однозначно є поверхня шкіри. Радіохвилі НВЧ-діапазону поглинаються на відстані, що становить кілька см.
Середня глибина, з якою вимірюється температура, визначається глибиною проникнення d. Вона залежить від довжини хвилі і типу тканини. Чим більше в тканини води (електроліту), то з меншою глибини можна виміряти температур в жировій тканині з низьким вмістом води d = 4 - 8 см, а і м'язової тканини (з високим вмістом води) ця величина зменшується до значень d = 1,5 - 2 см.
Оптимальними для вимірювання глибинної температури є радіометри з довжиною хвилі у вільному просторі X = 20 - 40 см: у більш короткохвильових пристроїв глибина проникнення знижується до декількох міліметрів, тобто вони фактично, так само як і ІК-тепловізори, вимірюють температуру шкіри, а у більш довгохвильових радіометрів (А, = 60 см) занадто великий розмір антени і мала просторова роздільна здатність.
Хоча метод НВЧ-радіометрії вимірює середню по глибині температуру в тілі людини, зараз відомо, які органи можуть змінювати температуру, і тому можна однозначно пов'язати зміни температури з цими органами. Наприклад, зміна температури під час м'язової роботи, очевидно, пов'язано саме з м'язовою тканиною, зміни глибинної температури головного мозку, які досягають 1-2 К, визначаються його корою.
10. Механізми зміни температури в тілі людини
Тепловий баланс кожної ділянки тіла підтримується за рахунок трьох факторів:1) генерації тепла внаслідок метаболізму;
2) обміну теплом з сусідніми ділянками тіла з-за термодифузії;
3) конвективного теплообміну за допомогою кровотоку, тобто за рахунок припливу і відтоку тепла з кров'ю. За рахунок конвективного теплообміну одні тканини можуть нагріватися, а інші охолоджуватися. Температура крові, що притікає по артеріях в різні органи, визначається температурою "теплового ядра" тіла (фактично грудної клітини) і становить близько 37 ° С.
Кров, притікає в покояться м'язи (їх температура близько 35,5 ° С), викликає їх нагрівання. Навпаки, температура мозку через активної роботи нейронів ближче до 38 ° С, тобто притікає кров його охолоджує. У силу цього відмінності тимчасове припинення кровотоку призводить до охолодження м'язи і, навпаки, до нагрівання мозку.
11. Застосування НВЧ-радіометрії в медицині
Основними сферами практичного застосування НВЧ-радіометрії в даний час представляються діагностика злоякісних пухлин різних органів: молочної залози, мозку, легенів, метастазів, а також функціонального стану кори головного мозку. При цьому використовують так звані функціональні проби: впливи, що викликають відомий відгук організму. У цій якості застосовується, наприклад, Глюкозна проба - пацієнт приймає кілька грамів розчину глюкози, після чого починають вимірювання внутрішньої температури антенами, встановленими в декількох точках на поверхні тіла близько досліджуваного органу. Якщо є злоякісні пухлини або метастази, то після глюкозного проби видно збільшення глибинної температури тіла в цих областях.Можливий біофізичний механізм підвищення температури пов'язаний з тим, що глюкоза активно засвоюється клітинами. Ефективність перетворення глюкози в АТФ в ракових клітинах значно нижче, ніж у здорових: з однієї молекули глюкози в ракових клітинах синтезується 2 молекули АТФ, а в здорових - 38. Тому раковим клітинам необхідно переробити набагато більшу кількість глюкози. Оскільки коефіцієнт корисної дії цього процесу не перевищує 50%, ракові клітини сильно розігріваються. Цей розігрів в силу фізіологічних механізмів індукує підвищення температури та прилеглих нормальних тканин. Сумарний підйом температури реєструється НВЧ-радіометром. [4]
12. Інфрачервоне випромінювання
Найбільш яскраву інформацію про розподіл температур і поверхні тіла людини та її зміни в часі дає метод динамічного інфрачервоного теплобачення. У технічному відношенні це повний аналог телебачення, тільки датчик вимірює не оптичне випромінювання, відбите від об'єкту, яке бачить людське око, як і телебаченні, а його власне, не видиме оком, інфрачервоне випромінювання. Тепловізор складається з сканера, що вимірює теплове випромінювання в діапазоні довжин хвиль від 3 до 10 мкм, пристрої для збору даних і ЕОМ для обробки зображення. Теплове випромінювання від різних ділянок тіла послідовно, за допомогою коливних дзеркал, проектують на один приймач інфрачервоного випромінювання, охолоджуваний рідким азотом. Тепловізори передають в 1 секунду 16 кадрів. Чутливість тепловізора при вимірюванні одного кадру - порядку 0,1 К, однак її можна різко збільшити, використовуючи ЕОМ для обробки зображень.13. Особливості обробки та подання тепловізійного зображення
Тепловізійне зображення можна виводити в чорно-білому або кольоровому форматі. Перепади температури, які потрібно вимірювати на термограмме, складають, як правило, частки градуса, у той час як повний сигнал відповідає приблизно 300 К, тобто вихідне зображення володіє малим контрастом і його необхідно обробляти. Без попередньої обробки на ЕОМ отримана картина неінформативна. ЕОМ дозволяє робити такі операції обробки зображення:1) усереднення;
2) зміна контрасту одержані зображень;
3) розмальовку в квазіцвет контрастували зображень.
Усередненням домагаються того, що випадкові шуми придушуються, і корисний сигнал стає більш чітким.
Контрастування зображення і розфарбовування в квазіцвет дають можливість посилити сприйняття величини теплових контрастів. Контрастуванням називається зменшення діапазону вимірюваної величини, якому відповідає повний масштаб зміни яскравості або колірної палітри.
Різновид теплобачення, при якій досліджується тимчасова динаміка температурних полів, іноді називають динамічним теплобачення. Обробляючи послідовні термокарта, можна визначити динаміку температури в якихось цікавлять нас точках, еволюцію в часі розмірів певних нагрітих ділянок шкіри і т.п. [2]
14. Теплобачення в біології та медицині
Найбільш яскравий результат застосування теплобачення в біології Для вимірювань тепловізор наводять на поверхню черепної коробки, з якою попередньо знімають скальп.Термоенцефалоскопія дозволяє "побачити" хвилі, що поширюються по поверхні кори головного мозку.
На жаль, теплові карти мозку людини можна отримати тільки в ході нейрохірургічних операцій на відкритому мозку, оскільки з-за сильного поглинання ІЧ-випромінювання скальп і товста черепна коробка виявляються непереборною перешкодою для сигналів з мозку.
Інфрачервоне теплобачення тіла людини дає інформацію про температуру верхніх шарів шкіри - рогового шару епідермісу та деяких підлягають шарів загальною товщиною близько 100 мкм, оскільки, як показано спеціальними вимірами, електромагнітні хвилі ІЧ-діапазону загасають, пройшовши в біологічних тканинах відстань всього близько 100 мкм. Температура цього шару визначається балансом тепла за рахунок його віддачі у навколишнє середовище і припливу за рахунок крові, що притікає з теплового ядра організму. Тому фактично ІК-теплобачення це спосіб оцінити шкірний кровотік в різних ділянках тіла.
Найбільш поширеним застосуванням ІЧ-теплобачення в медицині є візуалізація кровопостачання нижніх кінцівок. Якщо кровопостачання в них порушений, то температура дистальних ділянок різко знижена. Реєструючи розмір областей зі зниженою температурою, можна визначити ступінь вираженості захворювання, а також ефективність терапевтичних заходів.
Динамічне теплобачення дозволяє відстежити зміни температури тіла при різних дозованих впливах - функціональних пробах. Наприклад, після зняття одягу шкіра пацієнта опиняється в іншому температурному режимі, і відбувається тривала (15-20 хв) адаптація. Динаміка вимірювання температури тіла в цей період служить критерієм нормального функціонування системи терморегуляції. Плавне монотонне зміна температури - звичайна нормальна реакція, відсутність динаміки - свідоцтво неблагополуччя. Таким чином, наприклад, контролюють розвиток хвороби Рейно, при якій порушується терморегуляція: зниження температури в кімнаті викликає закономірне зниження температури шкіри здорових випробовуваних і не впливає на хворих на цю недугу. Відсутність динаміки при такій пробі характерно і для хворих з пошкодженою внаслідок травми іннервацією кінцівки.
Метод динамічного теплобачення відкрив можливості візуалізувати реакцію організму в зонах Захар'їна-Геда. У минулому столітті російський лікар Захар'їн і австрійський вчений Гед виявили, що певні ділянки поверхні тіла сигналізують про неблагополуччя у відповідному йому внутрішньому органі. Зокрема, при серцевій недостатності біль відчувається з лівої сторони і віддає в ліву руку. Однак межі цих областей вдається оконтуріть з великими труднощами, тому що доводиться спиратися лише на суб'єктивні реакції пацієнтів. Використання теплобачення засноване на тому, що в разі больової реакції будь-якого органу на функціональну пробу виникає судинна реакція у відповідній зоні Захар'їна-Геда - це призводить до зміни локальної температури шкіри. [4]
Поряд з різними онкологічними застосуваннями, теплобачення дає хороші результати в травматологічної клініці при переломах, остеомієліті, ударах, артритах, визначенні меж опіків і обмороженні і т.д.
Важливою сферою застосування термографії є судинні захворювання. Різні ураження вен та артерій, діабетична ангіопатня, спазм судин головного мозку добре виявляються при тепловізійного спостереження і термографії.
Висока діагностична цінність тепловізійного методу підтверджена при гострих запальних процесах у черевній порожнині: гострому холециститі, панкреатиті, апендициті, абсцесах і запальних інфільтратах. При хронічних, і особливо пухлинних. ураженнях шлунка, печінки, підшлункової залози і. т.д. інформативність тепловізійної картини поки невелика.
Дуже корисним виявилося використання теплобачення в акушерсько-гінекологічній практиці, хоча надії на дуже високу ефективність тепловізійної техніки при визначенні локалізації плаценти і наявності плоду виявилися занадто оптимістичними; цій галузі теплобачення може розглядатися лише як абсолютно нешкідливий допоміжний спосіб діагностики. Самодіяльне і навіть особливе діагностичне значення теплобачення набуває в акушерстві та гінекології при динамічному спостереженні процесу розвитку вагітності і післяпологових стані. [3]
15. Оптичне випромінювання тіла людини
Оптичне випромінювання тіла людини надійно реєструється за допомогою сучасної техніки рахунку фотонів. У цих пристроях використовують високочутливі фотоелектронні помножувачі (ФЕП), здатні реєструвати поодинокі кванти світла і видавати на виході короткочасні імпульси струму, які потім рахуються з допомогою спеціальних електронних лічильників.Виміри, проведені в ряді лабораторій, показали, що 1 см 2 шкіри людини за 1 с спонтанно випромінює в усі сторони 6 - 60 квантів, головним чином, у синьо-зеленій області спектра. Світності різних ділянок шкіри відрізняються - найбільш сильне випромінювання виходить від кінчиків пальців, набагато слабше, наприклад, від живота або передпліччя. Це свічення не пов'язано з наявністю забруднень на шкірі і залежить від функціонального стану пацієнта, знижуючись у спокої і підвищуючись зі зростанням його активності.
Можна індукувати світіння шкіри, наприклад, за допомогою обробки її перекисом водню або впливу на шкіру попередньої засвіченням. Сильне післядія - фосфоресценцію - викликає випромінювання на довжині хвилі 254 нм, відповідне піку поглинання ДНК. Попередня засвічення викликає зростання свічення в тисячі разів, яке потім спадає в часі за складною кінетичної кривої з декількома постійними часу від одиниць до десятків хвилин.
Оптичне випромінювання шкіри не є тепловим. Інтенсивність теплового випромінювання в оптичному діапазоні незначна - з 1см 2 поверхні тіла один квант в середньому може випромінюватися лише за багато секунд.
Найбільш ймовірний механізм спонтанного світіння - це хемілюмінесценція, викликана перекисне окислення ліпідів, яке супроводжується появою радикалів, тобто молекул в збудженому електронному стані. При взаємодії таких молекул у визначеному (малому) відсотку випадків відбувається випромінювання світла. При індукованому світінні можливі й інші механізми, наприклад, виміряна випромінювання при активації певних клітин крові - нейтрофілів, пов'язане з генерацією активних форм кисню. [4]
16. Акустичні поля людини
Поверхня людського тіла безперервно коливається. Ці коливання несуть інформацію про багатьох процесах всередині організму: дихальних рухах, биття серця і температурі внутрішніх органів.Низькочастотні механічні коливання з частотою нижче декількох кілогерц дають інформацію про роботу легень, серця, нервової системи. Реєструвати руху поверхні тіла людини можна дистанційними або контактними датчиками в залежності від розв'язуваної задачі. Наприклад, в фонокардіографії для вимірювання акустичних шумів, створюваних серцем, використовують мікрофони, що встановлюються на поверхні тіла. Електричні сигнали з датчиків посилюють і подають на реєструючий пристрій або ЕОМ і за їх формою і величиною роблять висновки про рухах тих чи інших ділянок тіла.
Кохлеарна акустична емісія. З вуха тварин і людини можуть випромінюватися звуки - це явище називають кохлеарної акустичної емісією, оскільки їх джерело локалізована в завитці (cochlea) органу слуху. Ці звуки можна зареєструвати мікрофоном, розташованим у вушному каналі. Виявлено ряд видів кохлеарної акустичної емісії, серед яких виділяється так звана спонтанна емісія і акустичне луна.
Спонтанна емісія - це мимовільне безперервне випромінювання звуку з вух людини. Рівень звукового тиску досягає 20 дБ, тобто в 10 разів вище порогового значення 2 • 10 5 Па, яке здатне сприймати вухо людини на частоті 1 кГц. Частоти емісії в різних осіб відрізняються і лежать в діапазоні 0,5-5 кГц, випромінювання має високу монохроматичністю. Емісія спостерігається в середньому у 25% чоловіків і у 50% жінок. Спонтанна емісія не має ніякого відношення до "дзвону у вухах" - суб'єктивному відчуттю чисто нервового походження.
Кохлеарна акустична емісія пов'язана з діяльністю так званих зовнішніх волоскових клітин, розташованих в кортієвого органі равлики. У відповідь на що приходить звукову хвилю вони змінюють свої розміри і викликають у внутрішньому вусі механічні коливання, які здатні, поширюючись у зворотному напрямку, виходити назовні через середнє вухо. Біофізичний механізм швидких змін геометрії клітин поки неясний, його швидкодію в сто разів вище, ніж у м'язів.
З усіх видів кохлеарної акустичної емісії застосування в медицині поки що знайшло явище акустичного відлуння - випромінювання звуків з вуха через деякий час після подачі у вухо короткого звукового сигналу. Воно використовується для діагностики слуху новонароджених в перші кілька днів життя, коли неможливо використовувати звичайні методи аудіометрії. Відсутність луни є тривожним симптомом не тільки глухоти, а й часто пов'язаних з нею уражень інших відділів центральної нервової системи. Рання діагностика дозволяє вже з перших днів життя вжити активних заходів і значною мірою послабити несприятливі наслідки цієї недуги.
Акустичне випромінювання ультразвукового діапазону. Тіло людини є джерелом теплового акустичного випромінювання з різними частотами. Зазвичай акустичні хвилі підходять з глибини тіла, відбиваються від його поверхні і йдуть назад, проте пьезодатчик, контактує з тілом, може їх зареєструвати. Особливість акустичних хвиль, які поширюються в тілі людини, в тому, що, чим вище частота, тим вони сильніші загасають. Тому з глибини людського тіла з відстаней 1 - 10 см можуть дійти лише теплові ультразвукові хвилі мегагерцевого діапазону з частотами не вище 0,5 - 10 МГц. Інтенсивність цих хвиль пропорційна абсолютній температурі тіла. Для вимірювання інтенсивності теплового акустичного випромінювання використовують прилад - акустотермометр. За допомогою цього приладу можна, наприклад, виміряти температуру тіла людини, зануреного у воду.
Суттєвою областю застосування акустотермографіі стане вимір глибинної температури в онкології, при процедурах, пов'язаних з нагріванням пухлин в глибині тіла за допомогою різних методів: ультрависокими і надвисокими частотами, ультразвуком, лазерним випромінюванням. Акустотермографія - потенційно єдиний неінвазивний метод, здатний забезпечити високу просторову роздільну здатність за прийнятний час вимірювання порядку однієї хвилини. [4]
Висновок
Фізичні поля людини в даний час один з розділів медичної та біологічної фізики. Найбільш важливе його програма - це дослідження стану різних органів людини за допомогою пасивної реєстрації електромагнітного чи акустичного випромінювання безпосередньо цього органу або будь-яких інших ділянок тіла, пов'язаних з досліджуваним органом нервовими або гуморальними зв'язками.Контактні вимірювання електричного поля в даний час знаходять найбільше застосування в медицині: в кардіографії і електроенцефалографії. За допомогою, яких можна виявити патології серця і головного мозку.
І магнітокардіограмми (МКГ) настільки ж високої якості, як і електрокардіограми. Магнітографія дозволяє дослідити процеси не тільки в корі великих півкуль, а й у глибоких структурах мозку і не тільки відгуки на порушення органів почуттів, але й більш складні процеси. За допомогою зміни магнітних полів можна судити про фізіологічний станах м'язів, внутрішніх органів, шкіри, очі.
СВЧ-радіометрія в даний час може виробляти діагностика злоякісних пухлин різних органів: молочної залози, мозку, легенів, метастазів, а також функціонального стану кори головного мозку.
ІК-теплобачення це спосіб оцінити шкірний кровотік в різних ділянках тіла. Реєструючи розмір областей зі зниженою температурою, можна визначити ступінь вираженості захворювання, а також ефективність терапевтичних заходів. За допомогою ІЧ-теплобачення контролюють розвиток хвороби Рейно.
Оптичне світіння не пов'язано з наявністю забруднень на шкірі і залежить від функціонального стану пацієнта, знижуючись у спокої і підвищуючись зі зростанням його активності.
Акустичні коливання несуть інформацію про багатьох процесах всередині організму: дихальних рухах, биття серця і температурі внутрішніх органів.
Низькочастотні механічні коливання застосовуються для вимірювання акустичних шумів, створюваних серцем.
Явище акустичного відлуння використовується для діагностики слуху новонароджених в перші кілька днів життя, коли неможливо використовувати звичайні методи аудіометрії.
За допомогою приладу акустотермометра можна, наприклад, виміряти температуру тіла людини, зануреного у воду. Суттєвою областю застосування акустотермографіі стане вимір глибинної температури в онкології, при процедурах, пов'язаних з нагріванням пухлин в глибині тіла за допомогою різних методів: ультрависокими і надвисокими частотами, ультразвуком, лазерним випромінюванням.
Таким чином, підводячи підсумок можна сказати, що вивчення зміни фізичних полів людини є дуже важливим для діагностики багатьох захворювань.
Список літератури
1. Годік Е.Е., Гуляєв Ю.В. Фізичні поля людини і тварин / / У світі науки. - 1990. - № 5. - С.75-83.2. Гуляєв Ю.В., Годік Е.Е., Петров А.В., Тараторін А.М. Про можливості дистантной функціональної діагностики біологічних об'єктів за їх власним інфрачервоного випромінювання / / Докл. АН СРСР. - 1984. - Т.277, - № 6. - С.1486-тисячу чотиреста дев'яносто одна
3. Мірошников М.М. Теоретичні основи оптико-електронних приладів, 1983р.
4. Антонов В.Ф., Черниш А.М., Вознесенський С.А., Козлова Є.К., 2000р.