Магнітні та електричні поля людини - 25 Серпня 2016, Земля - Хроніки життя
100 – 1000 с; по-друге, зміни геометрії тіла внаслідок дихальних рухів, биття серця тощо. 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 та дистанційно зареєструвати таку ж кардіограму, що й традиційним контактним методом. Зазначимо, що цей сигнал не раз менше, ніж поле трибозарядів.
У медицині безконтактний метод вимірювання електричних полів, пов'язаних із тілом людини, знайшов своє застосування для вимірювання низькочастотних рухів грудної клітки.
При цьому на тіло пацієнта подається змінна електрична напруга частотою - 10 МГц, а кілька антен-електродів підносять до грудної клітини на відстані 2-5 см. Антена і тіло являють собою дві обкладки конденсатора. Переміщення грудної клітини змінює відстань між обкладками, тобто ємність цього конденсатора і, отже, ємнісний струм, що вимірюється кожною антеною. З вимірів цих струмів можна побудувати карту переміщень грудної клітини під час дихального циклу. У нормі вона має бути симетрична щодо грудини. Її симетрія порушена і з одного боку амплітуда рухів мала, це може свідчити, наприклад, про прихований перелом ребра, при якому блокується скорочення м'язів з відповідної сторони грудної клітини.
Контактні вимірювання електричного поля в даний час знаходять найбільше застосування в медицині: кардіографії та електроенцефалографії. Основний прогрес у цих дослідженнях обумовлений застосуванням обчислювальної техніки, зокрема персональних комп'ютерів. Вони дозволяють отримувати електрокардіограми високогодозволі (ЕКГ ВР).
Як відомо, амплітуда сигналу ЕКГ трохи більше 1 мВ, а ST-сегмента ще менше, причому сигнал маскується електричним шумом, що з нерегулярної м'язової активністю. Тому застосовують метод накопичення - тобто підсумовування багатьох сигналів ЕКГ, що послідовно йдуть. Для цього ЕОМ зсуває кожен наступний сигнал так, щоб його R-пік був поєднаний з R-піком попереднього сигналу, і додає його до попереднього, і так для багатьох сигналів протягом декількох хвилин. При цій процедурі корисний сигнал, що повторюється, збільшується, а нерегулярні по міхи гасять один одного. За рахунок придушення шуму вдається виділити тонку структуру ST-комплексу, яка є важливою для прогнозу ризику миттєвої смерті.
В електроенцефалографії, що використовується 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 включає 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 карти, що вийшла;
4) розфарбовування карти у кольори, що відповідають певним значенням потенціалу. Виходять ефектні кольорові зображення. Таке уявлення в квазіцвіті, коли всьому діапазону значень поля від мінімального до максимального ставлять у відповідність набір кольорів, наприклад, від фіолетового до червоного, зараз дуже поширене, оскільки дуже полегшує лікарю аналіз складних просторових розподілів. В результаті виходитьпослідовність карт, з якої видно, як поверхнею кори переміщаються джерела електричного потенціалу.
Персональний комп'ютер дозволяє будувати карти як миттєвого розподілу потенціалу, а й більш тонких параметрів ЕЕГ, які давно апробовані у клінічній практиці. До них в першу чергу відноситься просторовий розподіл електричної потужності тих чи інших спектральних складових ЕЕГ (?, Я,?,?, і?-ритми). Для побудови такої карти у певному часовому вікні вимірюють потенціали в 32 точках скальпу, потім за цими записами визначають частотні спектри та будується просторовий розподіл окремих спектральних компонентів.
Карти α, δ Я ритмів сильно відрізняються. Порушення симетрії таких карт між правою і лівою півкулею може бути діагностичним критерієм у разі пухлин мозку та при деяких інших захворюваннях.
Таким чином, в даний час розроблено безконтактні методи реєстрації електричного поля, яке створює тіло людини в навколишньому просторі, та знайдено деякі додатки цих методів у медицині. Контактні виміри електричного поля отримали новий імпульс у зв'язку з розвитком персональних ЕОМ - їхня висока швидкодія дозволила отримувати карти електричних полів мозку.
Магнітне поле людини
Магнітне поле тіла людини створюється струмами, що генеруються клітинами серця та кори головного мозку. Воно винятково мало - 10 млн. - 1 млрд. разів слабше магнітного поля Землі. Для його виміру використовують квантовий магнітометр. Його датчиком є надпровідний квантовий магнітометр (СКВІД), на вхід якого включені прийоми з котушки. Цей датчик вимірює надслабкий магнітний потік, що пронизує котушки. Щоб СКВІД працював, його треба охолодити дотемператури, коли він з'являється надпровідність, тобто. до температури рідкого гелію (4 К). Для цього його і приймальні котушки поміщають у спеціальний термос для зберігання рідкого гелію – кріостат, точніше, у його вузьку хвостову частину, яку вдається максимально близько піднести до тіла людини.
В останні роки після відкриття "високотемпературної надпровідності" з'явилися СКВІДи, які достатньо охолоджувати до температури рідкого азоту (77 К). Їхня чутливість достатня для вимірювання магнітних полів серця.
Магнітне поле, створюване організмом людини, набагато порядків менше, ніж магнітному полі Землі, його флуктуації (геомагнітний шум) чи поля технічних пристроїв.
Існують два підходи до усунення впливу шумів. Найбільш радикальний - створення порівняно великого обсягу (кімнати), у якому магнітні шуми різко зменшено з допомогою магнітних екранів. Для найбільш тонких біомагнітних досліджень (на мозку) шуми необхідно шикати приблизно в мільйон разів, що може бути забезпечено багатошаровими чарками з магнітом'якого феромагнітного сплаву (наприклад, пермалою). Екранована кімната - дорога споруда, і лише найбільші наукові центри можуть дозволити собі цю споруду. Кількість таких кімнат у світі нині обчислюється одиницями.
Є й інший, доступніший спосіб послабити вплив зовнішніх шумів. Він заснований на тому, що здебільшого магнітні шуми в навколишньому просторі породжуються хаотичними коливаннями (флуктуаціями) земного магнітного поля та промисловими електроустановками. Вдалині від різких магнітних аномалій та електричних машин магнітне поле хоч і флуктує з часом, але просторово однорідно, слабко змінюючись на відстанях, порівнянних з розмірами людського тіла.Власне біомагнітні поля швидко слабшають при віддаленні від живого організму. Це означає, що зовнішні поля, хоч і набагато сильніші, мають менші градієнти (тобто швидкість зміни з віддаленням від об'єкта), ніж біомагнітні поля.
Приймальний пристрій приладу зі сквідом як чутливий елемент виготовляється так, що він чутливий тільки до градієнта магнітного поля, - в цьому випадку прилад називають градіометром. Однак часто зовнішні (шумові) поля мають все ж таки помітні градієнти, тоді доводиться застосовувати прилад, що вимірює другу просторову похідну індукції магнітного поля - градіометр другого порядку. Такий прилад можна застосовувати вже у звичайній лабораторній обстановці. Але все ж таки градіометри переважно застосовувати в місцях з "магнітно-спокійною" обстановкою, і деякі дослідні групи працюють у спеціально споруджуваних немагнітних будинках у сільській місцевості.
В даний час інтенсивні біомагнітні дослідження ведуться як у магнітоекранованих кімнатах, так і без них із застосуванням градіометрів. У широкому спектрі біомагнітних явищ є багато завдань, що допускають різний рівень ослаблення зовнішніх шумів.