информационный портал по вопросам биомедицинской инженерии

Сейчас на сайте 0 пользователей и 0 гостей.

Вход в систему

аватар: --

Вокруг и внутри биологического объекта при его жизнедеятельности всегда имеются физические поля, которые недостаточно изучены. Их распределение в пространстве и изменение во времени несут важную информацию о состоянии биологического организма.

Известно, что любые тела, температура которых не равна абсолютному нулю, излучают электромагнитные волны всех длин. Интенсивность этого излучения, обычно называемого тепловым, характеризуется законом Планка - законом распределения энергии в спектре равновесного излучения при определенной температуре

Биологический объект как любое физическое тело является источником равновесного электромагнитного излучения. Для тела с температурой 300 К тепловое излучение наиболее интенсивно в инфракрасном диапазоне длин волн. В этом диапазоне излучаемую мощность оценивают величиной порядка 10 мВт с квадратного сантиметра и в целом более 100 Вт.

Тепловое излучение от человека распространяется на достаточно большое расстояние и находится в пределах "окна" прозрачности атмосферы (8-14 мкм) . Излучение промодулировано параметрами физиологических процессов, от которых зависят распределение и динамика температуры поверхности тела. Излучение в инфракрасной области спектра характеризует температуру в тонком слое кожного покрова (порядка 0,1 мм). Это свойство используется в приборах, получивших название тепловизоры. Они позволяют оценить температуру кожного покрова и работают с излучением, длина волны которого порядка 10 мкм.

Радиоизлучение человеческого тела зарегистрировано в сантиметровом и дециметровом диапазоне длин волн. Излучение в этой области частот позволяет оценить температуру глубинных структур биологического организма, так как оно приходит из этих слоев. Так в дециметровом диапазоне удается регистрировать сигналы с глубины 5+10 см. Чем больше длина волны, тем с большей глубины можно получить информацию об имеющейся там температуре и тем хуже разрешающая способность.

Исследования свойств различных биотканей на сверхвысоких частотах показали, что по электромагнитным свойствам в этой полосе частот все ткани делятся на две группы:

- с большими значениями диэлектрической постоянной (60+80) и сильным затуханием электромагнитных волн (близким к затуханию в физиологическом растворе (1% NaCl);

- с малыми значениями диэлектрической постоянной (5-6) и с существенно меньшим затуханием волн, соответствующим затуханию в дистиллированной воде.

К первой группе относятся богатые водой мышечные ткани, мозг, кровь. При длинах волн меньших 70 см, они ведут себя как диэлектрики, а на более длинных - как полупроводники.

Ко второй группе относятся бедные водой жировые и костные ткани. Длина волны в биоткани существенно меньше, чем длина волны в воздухе (приблизительно в восемь раз). Глубину ее проникновения определяют как расстояние, на котором посланная вглубь ткани волна ослабляется в 2,73 раза. Такое же ослабление испытывает волна, идущая из глубины к поверхности тела.

Измерив излучение на нескольких частотах, теоретически можно получить значения температуры на разных глубинах, начиная с его кожного покрова.

Для этих же целей может быть использован метровый диапазон (1,5+2 м), излучение в котором позволяет оценить температуру на глубинах в 2-2,5 раза больших, чем в 30 см диапазоне. При этом ухудшается разрешающая способность. Если бы удалось создать технические средства, позволяющие эффективно измерять излучение биообъекта в метровом, километровом и более длинноволновом диапазонах, то это позволило фиксировать собственные электромагнитные поля человека на любой глубине.

Если удастся использовать диапазон волн от миллиметров до километров, то можно создать измерительную систему, способную определять среднюю температуру в слое заданной толщины по всей поверхности кожного покрова, а также во всем объеме тела. Эти измерения позволяют оценить энергетические процессы, происходящие в нем, и влияние на них различных факторов.

В оптическом, ближнем инфракрасном и ближнем ультрафиолетовом диапазонах частот наблюдается излучение, вызванное биолюминесценцией. Оно обусловлено биохимическими реакциями, протекающими в любом объекте биологической природы.

Считается, что это малое свечение достаточно информативно и по его значениям можно контролировать темп биохимических процессов. При внешнем энергетическом воздействии на биообъект, например, ультразвуковыми колебаниями, интенсивность свечения увеличивается. Появляется индуцированная биолюминесценция, характеристики и параметры которой зависят от состояния организма и параметров и характера внешнего энергетического воздействия.

Таким образом, для биологического организма характерно наличие излучения, лежащего в полосе частот от инфранизких, оцениваемых длинами волн в километры - десятки и более километров, до оптического и ультрафиолетового диапазонов волн. Не исключено, что диапазон излучений шире, но оценить это с помощью существующих технических средств, ввиду малого уровня сигналов, пока не представляется возможным.

Параметры излучения модулированы "процессами", происходящими в диагностируемом организме. Поэтому физические поля изучают при тесной их привязке к быстро меняющимся параметрам, характеризующим психофизиологическое состояние и работу подсистем регулирования, обеспечивающих гомеостаз.

Дополнительную сложность вызывает то, что биологический объект представляет собой систему с существенно неоднородными, нестационарными распределенными параметрами. Поэтому картина физических электромагнитных полей вокруг и внутри них непрерывно меняется.

Для биологического организма характерно наличие сравнительно низкочастотных электрических полей, обусловленных электрохимическими и кинетическими процессами, протекающими в организме. Они, как правило, характеризуют функционирование отдельных органов и функциональных систем. Низкочастотные электрические поля в значительной степени экранируются высокопроводящими тканями биологического объекта с неоднородным распределением электрической проводимости.

В результате решение обратной задачи по определению источников и параметров электрических полей по результатам измерений потенциалов на поверхности кожного покрова не имеет удовлетворительного решения. Биотоки создают на кожном покрове электрические потенциалы. Причем обычно можно выделить квазистатический электрический заряд, имеющийся на определенном участке поверхности, и заряды, изменяющиеся синхронно с изменением свойств определенного органа или системы при его функционировании.

Другими словами - на кожном покрове будут иметься постоянный потенциал относительно зоны, взятой за базовую, и переменный - который характеризует работу соответствующего органа или функциональной системы. Спектр переменных сигналов, характеризующих функционирование органов и систем, лежит в полосе частот от инфранизких до 1-2 кГц. Они регистрируются при проведении электрокардиографии, электроэнцефалографии и пр. Разность квазистатических потенциалов между участками на кожном покрове человека достигает долей вольта (0,3-0,4 В) и в значительной степени зависит от материала электродов, с помощью которых они определяются. Разность переменных потенциалов оценивается микровольтами-десятками милливольт.

Основная часть приборов для функциональной диагностики основана на измерении разности переменных потенциалов, имеющихся между участками на кожном покрове.

Человеческий организм хорошо прозрачен для акустических волн с частотами до нескольких десятков МГц. Поэтому информацию о состоянии объекта несут акустические сигналы, выходящие из глубины организма. Прослушивание организма в инфразвуковом и звуковом диапазонах даст важную информацию о механическом функционировании внутренних органов, мышц и т.д. Высокочастотные акустические сигналы создаются источниками, которые могут функционировать даже на клеточном или молекулярном уровнях. При акустических исследованиях возможно получение хорошего пространственного разрешения, так как длина акустической волны намного меньше, чем электромагнитной волны той же частоты. Вокруг биологического организма имеются магнитные поля.

Они вызваны следующими факторами:

-ионными токами, протекающими в клетках и организме в целом;

-мельчайшими ферромагнитными частицами, попавшими или специально введенными в организм;

-неоднородностью магнитной восприимчивости, имеющейся у различных органов, что приводит к искажениям наложенного внешнего поля.

В случае преобладания первого фактора картины электрического и магнитного полей должны быть коррелированны. При преобладании второго и третьего факторов будут наблюдаться, в первую очередь, магнитные проявления, а электрические будут слабыми.

Магнитные поля быстро ослабевают при удалении от источника активности. Индукция магнитного поля есть вектор, который характеризуется как величиной, так и направлением. Мельчайшие ферромагнитные частицы, имеющиеся в организме, можно размагничивать с «помощью уменьшающегося внешнего магнитного поля. При этом будут уменьшены помехи, обусловленные их наличием и движениями. Они могут быть намагничены с помощью внешнего магнитного поля, что позволяет выяснить места их конденсации (осаждения) и скорости выведения из организма.

С помощью ферромагнитных микрочастиц можно реализовать методы, позволяющие определять, например, колебательные движения глаз, органов среднего уха. Для этого на нужное место закрепляют соответствующие микрочастицы.

На сегодняшний день исследователи отмечают существенное различие между результатами, полученными при оценке функционирования по электрокардиограммам и магнитокардиограммам. Аналогичная ситуация с электро- и магнитоэнцефалограммами.

Установлено, что при внешних физических и психических воздействиях возникают магнитные поля. По их параметрам можно установить место, где находится источник магнитного поля. В простейших случаях - это электрический "диполь", расположение которого поддается идентификации.

Магнитография позволяет исследовать процессы в коре больших полушарий, в глубоких структурах мозга, отклики на возбуждение органов чувств. Магнитные методы позволят, в перспективе, создать технические средства, которые обеспечат получение трехмерной картины электрической активности мозга.

Для биологических организмов важны параметры объекта и взятых из него проб. В некоторых случаях пытаются измерять состав и физико-химические характеристики среды, окружающей биологический объект. В процессе метаболизма организм вносит в нее возмущения - изменяет газовый и аэрозольный состав, концентрацию ионов. При этом изменяются проводимость, диэлектрическая проницаемость, коэффициент преломления среды.

При исследованиях биофизических характеристик биологических тканей и проб, взятых из них, измеряют:

-пассивные электрические свойства тканей: электропроводность; электрическое сопротивление; импеданс; электрическую емкость; комплексную диэлектрическую проницаемость и ее составляющие; тангенс угла диэлектрических потерь; коэффициент отражения электромагнитной волны; коэффициент поляризации (коэффициент Тарусова); сдвиг фаз между напряжением и током;

-активные электромагнитные характеристики органов, тканей клеток; биоэлектрические потенциалы; электрические токи и их плотность; электрические заряды; параметры электрического и магнитного полей; параметры и характеристики излучений в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра; параметры корпускулярных излучений, зависящие от состояния биологического организма;

-пассивные оптические свойства тканей: коэффициенты поглощения и их спектральные значения; оптические плотности; коэффициенты отражения; коэффициенты пропускания и их спектральные значения;

-пассивные магнитные свойства биологических тканей;

-механические свойства тканей: плотность (объемная масса); удельный вес; вязкость; механическое напряжение; относительные деформации; модуль и коэффициент объемного сжатия; модуль продольной упругости; твердость;

-параметры, характеризующие подвижность органов и частей тела;

-пассивные акустические свойства и акустические излучения организма: скорость продольных и поперечных волн; акустическое сопротивление; коэффициент поглощения акустической волны; уровень акустической эмиссии и ее спектральный состав и др.;

-пассивные теплофизические свойства: теплоемкость; коэффициент теплопроводности и его температурная зависимость;

-биофизические параметры дыхания: парциальное давление; растворимость и коэффициент растворимости; минутный объем дыхания; альвеолярную вентиляцию; альвеолярно-артериальный градиент ААГ; водородный показатель РН; кислородную емкость крови (КЕК); латентный период кислородной пробы; время исчерпания запасов кислорода (ВИЗК); выделение СО2 и поглощение С; дыхательный коэффициент транскутанного газообмена; постоянную времени процесса поглощения (выделения) инертного газа тканью; диффузию и коэффициент диффузии и др.

 

Комментарии

Отправить комментарий

Содержание этого поля является приватным и не предназначено к показу.
  • Доступны HTML теги: <a> <em> <strong> <cite> <code> <ul> <ol> <li> <dl> <dt> <dd> <img> <table> <td> <tr> <hr> <div> <span> <h1> <h2> <h3> <h4> <h5> <h6> <p> <pre> <adress> <center>
  • Строки и параграфы переносятся автоматически.

Подробнее о форматировании

2 + 4 =
Решите эту простую математическую задачу и введите результат. Например, для 1+3, введите 4.

Комментарии