Човешки магнитни и електрически полета - 25 август 2016 г., Земята - Хроники на живота
100 - 1000 s; второ, промени в геометрията на тялото поради дихателни движения, сърдечни удари и т.н. водят до модулация на постоянно електрическо поле извън тялото.
Друг източник на електрическо поле извън човешкото тяло е електрическото поле на сърцето. Приближавайки два електрода до повърхността на тялото, е възможно да се запише същата кардиограма дистанционно и безконтактно, както при традиционния контактен метод. Имайте предвид, че този сигнал не е много пъти по-малък от полето на трибозарядите.
В медицината безконтактен метод за измерване на електрическите полета, свързани с човешкото тяло, намери своето приложение за измерване на нискочестотни движения на гръдния кош.
В този случай към тялото на пациента се прилага променливо електрическо напрежение с честота 10 MHz и няколко антенни електрода се довеждат до гърдите на разстояние 2-5 см. Антената и тялото са две кондензаторни пластини. Движението на гърдите променя разстоянието между плочите, тоест капацитетът на този кондензатор и, следователно, капацитивният ток, измерен от всяка антена. Въз основа на измерванията на тези токове е възможно да се изгради карта на движенията на гръдния кош по време на дихателния цикъл. Обикновено тя трябва да е симетрична по отношение на гръдната кост. Неговата симетрия е нарушена и, от една страна, обхватът на движение е малък, това може да означава например скрито счупване на реброто, при което се блокира свиването на мускулите от съответната страна на гръдния кош.
Контактните измервания на електрическото поле в момента са най-широко използвани в медицината: в кардиографията и електроенцефалографията. Основният напредък в тези изследвания се дължи на използването на компютърни технологии, включително персонални компютри. Те ви позволяват да получавате електрокардиограми с високо ниворезолюция (ЕКГ АН).
Както знаете, амплитудата на ЕКГ сигнала е не повече от 1 mV, а ST-сегментът е още по-малък и сигналът е маскиран от електрически шум, свързан с неравномерна мускулна активност. Затова се използва методът на натрупване - тоест сумирането на много последователни ЕКГ сигнали. За да направи това, компютърът измества всеки следващ сигнал, така че неговият R-пик да се комбинира с R-пика на предишния сигнал и го добавя към предишния, и така за много сигнали в продължение на няколко минути. С тази процедура полезният повтарящ се сигнал се увеличава и неравномерният шум взаимно се елиминира. Чрез потискане на шума е възможно да се подчертае фината структура на ST комплекса, който е важен за прогнозиране на риска от мигновена смърт.
В електроенцефалографията, използвана за неврохирургични цели, персоналните компютри позволяват да се изградят моментни карти в реално време на разпределението на електрическото поле на мозъка, като се използват потенциали от 16 до 32 електрода, поставени на двете полукълба на интервали от време от порядъка на няколко ms.
Изграждането на всяка карта включва четири процедури:
1) измерване на електрическия потенциал във всички точки, където са електродите;
2) интерполация (продължение) на измерените стойности към точките, разположени между електродите;
3) изглаждане на получената карта;
4) оцветяване на картата в цветове, съответстващи на определени потенциални стойности. Получете ефектни цветни изображения. Такова представяне в квази-цвят, когато набор от цветове, например от лилаво до червено, е присвоен на целия диапазон от стойности на полето от минимум до максимум, сега е много често, тъй като значително улеснява анализа на сложни пространствени разпределения за лекаря. Резултатът епоследователност от карти, която показва как източниците на електрически потенциал се движат по повърхността на земната кора.
Персоналният компютър дава възможност да се изградят карти не само на моментното разпределение на потенциала, но и на по-фини ЕЕГ параметри, които отдавна са тествани в клиничната практика. Те включват предимно пространственото разпределение на електрическата мощност на някои спектрални компоненти на ЕЕГ (α, R, γ, δ и θ-ритъм). За да се изгради такава карта в определен времеви прозорец, потенциалите се измерват в 32 точки на скалпа, след което от тези записи се определят честотните спектри и се изгражда пространственото разпределение на отделните спектрални компоненти.
Картите α, δ, I ритмите са много различни. Нарушаването на симетрията на такива карти между дясното и лявото полукълбо може да бъде диагностичен критерий при мозъчни тумори и при някои други заболявания.
Така вече са разработени безконтактни методи за регистриране на електрическото поле, което човешкото тяло създава в околното пространство, и са намерени някои приложения на тези методи в медицината. Контактните измервания на електрическото поле получиха нов тласък във връзка с развитието на персоналните компютри - тяхната висока скорост направи възможно получаването на карти на електрическите полета на мозъка.
Човешко магнитно поле
Магнитното поле на човешкото тяло се създава от токове, генерирани от клетките на сърцето и мозъчната кора. То е изключително малко – 10 милиона – 1 милиард пъти по-слабо от магнитното поле на Земята. За измерването му се използва квантов магнитометър. Неговият сензор е свръхпроводящ квантов магнитометър (SQUID), чийто вход включва приеми от намотката. Този сензор измерва ултра-слабия магнитен поток, проникващ през бобините. За да работи SQUID, той трябва да се охлади дотемпература, при която се появява свръхпроводимостта, т.е. до температура на течен хелий (4 К). За целта той и приемните намотки се поставят в специален термос за съхранение на течен хелий - криостат, по-точно в тясната му опашка, която може да се доближи максимално до човешкото тяло.
През последните години, след откриването на "високотемпературната свръхпроводимост", се появиха SQUID, които могат да бъдат охлаждани до температура на течен азот (77 K). Тяхната чувствителност е достатъчна за измерване на магнитните полета на сърцето.
Магнитното поле, създадено от човешкото тяло, е с много порядъци по-малко от магнитното поле на Земята, нейните флуктуации (геомагнитен шум) или полетата на техническите устройства.
Има два подхода за премахване на ефекта от шума. Най-радикалното е създаването на относително голям обем (стая), в който магнитният шум е рязко намален с помощта на магнитни екрани. За най-фините биомагнитни изследвания (на мозъка), шумът трябва да бъде изсъскан около милион пъти, което може да се осигури от многослойни купчини от магнитно мека феромагнитна сплав (например пермалой). Екранираното помещение е скъпо съоръжение и само най-големите научни центрове могат да си го позволят. Броят на такива стаи в света в момента се изчислява в единици.
Има и друг, по-достъпен начин за намаляване на влиянието на външния шум. Основава се на факта, че по-голямата част от магнитния шум в заобикалящото ни пространство се генерира от хаотични трептения (флуктуации) на земното магнитно поле и промишлени електрически инсталации. Далеч от острите магнитни аномалии и електрическите машини, въпреки че магнитното поле се колебае с времето, то е пространствено хомогенно, вариращо леко на разстояния, сравними с размера на човешкото тяло.Всъщност биомагнитните полета бързо отслабват с отдалечаване от живия организъм. Това означава, че външните полета, макар и много по-силни, имат по-малки градиенти (т.е. скорост на промяна с разстоянието от обекта) от биомагнитните полета.
Приемащото устройство на устройството с SQUID като чувствителен елемент е направено така, че да е чувствително само към градиента на магнитното поле - в този случай устройството се нарича градиометър. Въпреки това, често външните (шумови) полета все още имат забележими градиенти, тогава е необходимо да се използва устройство, което измерва втората пространствена производна на индукцията на магнитното поле - градиометър от втори ред. Такова устройство вече може да се използва в нормални лабораторни условия. Въпреки това е за предпочитане да се използват градиометри на места с "магнитно тиха" среда, а някои изследователски групи работят в специално изградени немагнитни къщи в селските райони.
В момента се провеждат интензивни биомагнитни изследвания както в магнитно екранирани помещения, така и без тях, с помощта на градиометри. В широк диапазон от биомагнитни явления има много задачи, които позволяват различни нива на затихване на външния шум.