Федеральное
агенство по образованию Российской
Федерации
Владимирский
государственный университет
Кафедра ОиПФ
Реферат
по теме
«Магнитные
поля внутренних органов, кожи, мышц, глаз».
Студентка группы Бб–110
Молоткова Е. Б.
Преподаватель
Дмитриева Е. В.
Владимир 2011.
Содержание:
-2- . Введение;
-3-. Природа
биомагнитных полей;
-5-. Изобретение «сквида»;
-9-.
Магнитокардиография;
-11-.
Нейромагнитные поля;
-21-. Заключение.
-22-. Список литературы.
Введение.
Вокруг
любого тела существуют различные физические
поля, определяемые процессами, происходящими
внутри его. Не составляет в этом смысле
исключения и человек.
Жизнедеятельность
любого организма сопровождается протеканием
внутри него очень слабых электрических
токов - биотоков (они возникают как следствие
электрической активности клеток, главным
образом мышечных и нервных). Биотоки порождают
магнитное поле с индукцией 10-14 - 10-11 Тл
выходящее и за пределы организма. Его
называют биомагнитным. Измерение биомагнитного
поля и получение на этой основе информации
о генерирующих его биотоках составляют
метод и предмет возникшего в 70-х гг. 20
в. направления исследований, получившего
наименование "биомагнетизм", в отличие
от магнитобиологии, изучающей воздействие
магн. поля на живые организмы.
Многочисленные
физические методы исследования организма
человека, использующие регистрацию
собственных физических полей человека,
позволяют получить информацию о
процессах в организме, которую
нельзя получить иными способами.
Ученых интересуют
не сами физические поля биологических
объектов, а возможность переноса
по этим каналам информации, связанной
с работой внутренних органов. Изучение
физических полей биообъектов методологически
очень близко к пассивному дистанционному
зондированию Земли, атмосферы и
т.д. В применении таких методов
накоплен большой опыт. Нет необходимости
объяснять, сколь важную информацию
о структуре и функционировании
объекта они дают. Из-за нестационарности
биообъектов необходимо регистрировать
сигналы по многим каналам одновременно,
включая электрофизиологический контроль.
Для получения пространственной
структуры поля в каждом канале необходимо
использовать матричные или сканирующие
антенны. Аппаратура должна быть достаточно
быстродействующей, чтобы успевать
регистрировать сигналы в динамике,
т.е. быстрее, чем изменяется состояние
объекта. Практически во всех каналах
необходимо тщательное экранирование
от помех.
Задача состоит
не в разработке принципиально новой
аппаратуры, а в применении современной
техники дистанционного зондирования
в целях исследования биологических
объектов и, главное, в создании методики
таких исследований.
Так как биологический
объект является сложной приемной системой
то встает проблема изучения физических
полей. Решение этой проблемы возможно
только на основе тесной кооперации физиологов,
биофизиков, психологов, медиков, а
также специалистов отраслевых организаций,
разрабатывающих измерительную
аппаратуру.
Природа биомагнитных полей.
Магнитные поля живого организма могут
быть вызваны тремя причинами. Прежде
всего, это ионные точки, возникающие
вследствие электрической активности
клеточных мембран (главным образом
мышечных и нервных клеток). Другой
источник магнитных полей—мельчайшие
ферромагнитные частицы, попавшие или
специально введенные в организм.
Эти два источника создают
собственные магнитные поля. Кроме
того, при наложении внешнего магнитного
поля проявляются неоднородности магнитной
восприимчивости различных органов,
искажающие наложенное внешнее поле.
Магнитное поле в двух
последних случаях не сопровождается
появлением электрического, поэтому
при исследовании поведения магнитных
частиц в организме и магнитных
свойств различных органов применимы
лишь магнитометрические методы.
Биотоки же, кроме магнитных полей,
создают и распределение электрических
потенциалов на поверхности тела.
Регистрация этих потенциалов
уже давно используется в исследованиях
и клинической практике — это
электрокардиография, электроэнцефалография
и т.п. Казалось бы, что их
магнитные аналоги, т.е. магнитокардиография
и магнитоэнцефалография, регистрирующие
сигналы от тех же электрических
процессов в организме, будут
давать практически аналогичную
информацию об исследуемых органах.
Однако, как следует из теории
электромагнетизма, строение источника
тока в электропроводящей среде
(организме) и неоднородность
самой это среды существенно
по-разному отражаются на распределении
магнитных и электрических полей:
некоторые виды биоэлектрической
активности проявляют себя преимущественно
в электрическом поле, давая слабый
магнитный сигнал, другие — наоборот.
Поэтому есть много процессов,
наблюдение которых магнитографически
предпочтительнее.
Магнитография не требует прямого
контакта с объектом, т. е. позволяет
проводить измерения через повязку
или другую преграду. Это не только
практически удобно, но и составляет принципиальное
преимущество перед электрическими методами
регистрации данных, так как места крепления
электродов на коже могут быть источниками
медленно меняющихся контактных потенциалов.
Подобных паразитных помех нет при магнитографических
методах, и потому магнитография позволяет,
в частности, надежно исследовать медленно
протекающие процессы (на сегодняшний
день с характерным временем в десятки
минут).
Магнитные поля быстро ослабевают
при удалении от источника
активности, так как являются
следствием сравнительно сильных
токов в самом работающем органе,
в то время как поверхностные
потенциалы определяются более
слабыми и «размазанными» токами
в коже. Поэтому магнитография
более удобна для точного определения
(локализации) места биоэлектрической
активности.
И, наконец, индукция магнитного
поля как вектор характеризуется
не только абсолютной величиной,
но и направлением, что также
может давать дополнительную
полезную информацию.
Не следует полагать, что
электро- и магнитографические
методы конкурируют между собой.
Наоборот, именно их комбинация
дает наиболее полную информацию
об исследуемых процессах. Но
для каждого из методов есть
области, где применение какого-либо
одного из них предпочтительнее.
Изобретение «сквида».
В конце 1960-х годов развитие финики
сверхпроводимости привело к
созданию нового измерительного прибора,
получившего название «сквид». Действие
прибора основано на использовании
чисто квантовых явлений —
эффекта Джозефсона и интерференции
волновой функции электронных пар
в сверхпроводящем кольце,
содержащем джозефсоновский переход.
Сквид представляет собой чувствительный
элемент магнитометров, применяемых для
измерения магнитного ноля и, следовательно,
таких физических величин, как электрический
ток, магнитная восприимчивость, перемещение
магнетика и т.п. Чувствительность этих
новых приборов по крайней мере в 1000 раз
выше, чем у лучших несверхпроводниковых
магнитометров.
Для поддержания
сверхпроводящего состояния, которое
возможно при очень низкой
температуре, сквид помещают в
сосуд Дьюара с жидким гелием.
Если стенки сосуда металлические,
то возникающие в них токи
искажают магнитные поля от
источников, находящихся снаружи.
В последнее время разработаны
специальные диэлектрические сосуды
Дьюара из стеклопластика. В них
сквид или его специальное
входное устройство из сверхпроводящей
проволоки (так называемый транформатор
магнитного потока) размещены всего
лишь в сантиметре от наружной
стенки сосуда и могут без
искажений воспринимать магнитное
поле от внешнего источника,
находящегося при комнатной температуре.
Такой
прибор (сквид-магнитометр) очень
быстро нашел применение для
измерения магнитных полей, порождаемых
живыми организмами, и прежде
всего человеком. Стала развиваться
новая область исследований, основанных
на анализе информации, поставляемой
этими слабыми полями, и получившая
наименование биомагнетизма в
отличие от магнитобиологии, занимающейся
изучением влияния сильных магнитных
полей на биопроцессы. Резкое
увеличение чувствительности магнитометров,
достигнутое благодаря сквиду, практически
открыло биомагнетизм. Биомагнитные
сигналы очень слабы, и их
измерение представляет собой
непростую физическую задачу. Прежде
всего это объясняется высоким
уровнем магнитных шумов в
окружающем нас пространстве (рис.
1). Без применения специальных мер защиты
от них проведение биомагнитных измерений
невозможно.
Рис.1
Характерные значения и
частотные спектры биомагнитных
сигналов и шумов в окружающем
пространстве:
1 - поле Земли;
2,3 - геомагнитный и городской шум соответственно;
4 - сетевая помеха;
5 - чувствительность сквида
Существуют дни подхода к
устранению влияния шумов. Наиболее
радикальный — создание сравнительно
большого объема (комнаты), в котором
магнитные шумы резко уменьшены
с помощью магнитных экранов.
Для наиболее тонких биомагнитных
исследований (на мозге) шумы необходимо
снижать примерно в миллион
раз, что может быть обеспечено
многослойными стенками из магнитомягкого
ферромагнитного сплава (например,
пермаллоя). Экранированная комната—дорогостоящее
сооружение, и лишь крупнейшие научные
центры могут позволить себе ее сооружение.
Количество таких комнат в мире в настоящее
время исчисляется единицами.
Есть и
другой, более доступный способ
ослабить влияние внешних шумов.
Он основан на том, что в
большинстве своем магнитные
шумы в окружающем нас пространстве
порождаются хаотическими колебаниями
(флуктуациями) земного магнитного
поля и промышленными электроустановками.
Вдали от резких магнитных
аномалий и электрических машин
магнитное поле хотя и флуктуирует
со временем, но пространственно
однородно, слабо меняясь ни
расстояниях, сравнимых о размерами
человеческого тела. Собственно
же биомагнитные поля быстро
ослабевают при удалении от
живого организма. Это означает,
что внешние поля, хотя и намного
более сильные, имеют меньшие
градиенты (т.е. скорость изменения
с удалением от объекта), чем
биомагнитные поля.
Приемное
устройство прибора со сквидом
в качестве чувствительного элемента
изготовляется так, что оно
чувствительно только к градиенту
магнитного поля, - в этом случае
прибор называют градиометром. Однако,
часто внешние (шумовые) ноля обладают
все же заметными градиентами, тогда приходится
применять прибор, измеряющий вторую пространственную
производную индукции магнитного поля
— градиометр второго порядка. Такой прибор
можно применять уже в обычной лабораторной
обстановке. Но все же и градиометры предпочтительно
применять в местах с «магнитно-спокойной»
обстановкой, и некоторые исследовательские
группы работают и в специально сооружаемых
немагнитных домах в сельской местности.
В настоящее
время интенсивные биомагнитные
исследования ведутся как в
магнитоэкранированных комнатах, так
и без них, с применением
градиометров. В широком спектре
биомагнитных явлений есть много
задач, допускающих разный уровень
ослабления внешних шумов.
Магнитокардиография.
Сердце — наиболее сильный
источник электрических и магнитных
полей в организме, поэтому
магнитокардиография возникла еще
до появления сквидов. Но лишь
сквид-магпитометры позволили получать
магнитокардиограммы (МКГ) столь
же высокого качества, как и
электрокардиограммы (ЭКГ). Но внешнему
виду сигналы МКГ и ЭКГ очень
похожи, нарушения же сердечной
деятельности несколько по-разному
сказываются на результатах электрических
и магнитных измерений. В ряде
лабораторий мира сейчас идет
процесс накопления соответствующих
данных, что позволит систематизировать
особенности магнитного проявления
различных сердечных заболеваний.
Как уже упоминалось, наиболее
ярко достоинства магнитографии
проявляются при наблюдении медленно
меняющихся и том более постоянных
сигналов. Так, именно магнитографически
были обнаружены постоянные «токи
повреждения», возникающие при закупорке
коронарной артерии (в экспериментах
на собаках).
Другой серьезный успех магнитокардиографии
— наблюдение МКГ плода в
теле матери (рис. 2). Четкая локализация
магнитного поля в районе источника
позволила отделить сигналы плода
от более сильных сигналов
материнского сердца, в то время
как электрические сигналы в
значительной мере смешаны —
из-за пространственной размазанности
слабых поверхностных токов ЭКГ.
|
Рис.2. Магнито- и электрокардиограмма плода
в теле матери.
П, М - сигналы сердца плода и материнского
сердца соответственно. |
|
|
Магнитография позволяют решать
и другую важную задачу кардиологии
— определение кровотока в
сердце. Если наложить небольшое
внешнее магнитное поле, то периодический
выброс крови сердцем вызовет
переменный магнитный сигнал, позволяющий
определить объем и скорость
движущейся жидкости.
Совсем недавно возникло
повое направление в магнитокардиографии,
которое сродни рассматриваемым
ниже нейромагнитным измерениям,
- это МГК высокого разрешения.
Суть ее заключается в более
«пристальном» изучении тех интервалов
сердечного цикла, когда мышца
спокойна: в это время можно
измерить слабые магнитные сигналы,
сопровождающие нервные импульсы,
распространяющиеся в сердце. Была
выявлена интересная особенность:
эти системы неизменны в точение
приблизительно 20 циклов, затем слегка
изменяют форму, снова сохраняя
ее следующие 5—10 циклов, и т.
д. Вероятно, здесь содержится
определенная информация о нервных
процессах в сердце.