ВИДОВЕ ФИЗИЧНИ ПОЛЕТА В ЧОВЕШКОТО ТЯЛО

Диапазонът на собствените електромагнитни лъчения е ограничен откъм късите вълни до оптичното лъчение, а лъчения с по-къси вълни - включително рентгенови лъчи и g-кванти - не са регистрирани. При дългите вълни обхватът може да бъде ограничен до радиовълни с дължина около 60 cm. Във възходящ ред по честота четирите диапазона на електромагнитното поле, включват:

1) нискочестотни електрически (E) и магнитни (B) полета (честоти под 103 Hz);

2) радиовълни със свръхвисока честота (UHF) (честоти 109 - 1010 Hz и дължина на вълната извън тялото 3-60 cm);

3) инфрачервено (IR) излъчване (честота 1014 Hz, дължина на вълната 3-10 µm);

4) оптично излъчване (честота 1015 Hz, дължина на вълната около 0,5 µm).

Източниците на електромагнитни полета са различни в различните честотни диапазони. Нискочестотните полета се създават главно по време на физиологични процеси, придружени от електрическа активност на органите: черва (~1 мин.), сърце (характерно време на процеса около 1 сек.), мозък (-0,1 сек.), нервни влакна (-10 ms). Честотният спектър, съответстващ на тези процеси, е ограничен отгоре до стойности, които не надвишават ~1kHz.

В микровълновия и инфрачервения диапазон източникът на физическите полета е топлинното електромагнитно излъчване.

Излъчвателната способност на дадено тяло - количеството енергия, излъчено от единица повърхност на тялото за единица време в интервал от дължини на вълните във всички посоки - зависи от дължината на вълната X и абсолютната температура на тялото T.

Инфрачервеното излъчване на човешкото тяло се измерва с термовизионни камери в диапазона 3-10 μm, където то е максимално.

Диапазонът на естественото акустично излъчване е ограничен от дълговълновата страна от механичните вибрации на повърхността на човешкото тяло (0,01 Hz), а от късовълновата страна - от ултразвуковото излъчване, по-специално от човешкото тяло са регистрирани сигнали с честота от порядъка на 10 MHz.

Във възходящ ред по честота трите диапазона на акустичното поле включват:

1) нискочестотни трептения (честоти под 103 Hz);

2) кохлеарна акустична емисия (CoAE) - излъчване от човешкото ухо (v ~ 103 Hz);

3) ултразвуково излъчване (v ~ 1-10 MHz).

Източниците на акустични полета в различните честотни диапазони са от различно естество. Нискочестотното излъчване се създава от физиологични процеси: дихателни движения, сърдечен ритъм, кръвообращение в кръвоносните съдове и някои други процеси, съпроводени от вибрации на повърхността на човешкото тяло в диапазона около 0,01 - 103 Hz. Това излъчване под формата на вибрации на повърхността може да се регистрира чрез контактни или безконтактни методи, но е практически невъзможно да се измери от разстояние с микрофони. Това се дължи на факта, че акустичните вълни, които се излъчват дълбоко в тялото, се отразяват почти изцяло обратно от границата въздух-тяло и не се разпространяват навън във въздуха от човешкото тяло. Коефициентът на отражение на звуковите вълни е близък до единица поради факта, че плътността на тъканите на човешкото тяло е близка до плътността на водата, която е с три порядъка по-висока от плътността на въздуха.

При всички сухоземни гръбначни животни обаче има един специален орган, в който има добра акустична координация между въздуха и течната среда - ухото. Средното и вътрешното ухо гарантират, че звуковите вълни от въздуха се предават почти без загуби до рецепторните клетки във вътрешното ухо. Съответно по принцип е възможен и обратният процес - предаване от ухото към околната среда - и това е установено експериментално с микрофон, поставен в ушния канал.

Източникът на акустичните изследвания в мегахерцовия диапазон е топлинното акустично излъчване, което е пълен аналог на съответното електромагнитно излъчване. Това лъчение е резултат от хаотичното топлинно движение на атомите и молекулите в човешкото тяло. Интензитетът на тези акустични вълни, подобно на електромагнитните вълни, се определя от абсолютната температура на тялото.

Магнитните полета на живото тяло могат да бъдат причинени от три неща. На първо място, това са йонни токове, които са резултат от електрическата активност на клетъчните мембрани (главно на мускулните и нервните клетки). Друг източник на магнитни полета са малки феромагнитни частици, които са попаднали или са били целенасочено въведени в тялото. Тези два източника създават свои собствени магнитни полета. Освен това, когато се наслагва външно магнитно поле, се появяват нехомогенности на магнитната възприемчивост на различните органи, които изкривяват наложеното външно поле.

Магнитното поле в последните два случая не е съпроводено с появата на електрическо поле, така че при изследване на поведението на магнитните частици в тялото и магнитните свойства на различни органи са приложими само магнитометрични методи. Биотоковете, освен магнитни полета, създават разпределение на електрическите потенциали по повърхността на тялото.

Сърцето е най-силният източник на електрически и магнитни полета в тялото, когато мускулът е спокоен: тогава могат да се измерят слабите магнитни сигнали, придружаващи нервните импулси, разпространяващи се в сърцето. Установено е, че интересна характеристика на тези системи е, че те не се променят в продължение на около 20 цикъла, след което леко променят формата си, запазват я отново за следващите 5-10 цикъла и т.н. Това вероятно съдържа информация за Магнитни полета на вътрешните органи, кожата, мускулите, очите

Магнитните прояви на биологична активност са характерни за много органи на живите организми. Установено е, че за човешкия стомах са характерни постоянни или колебаещи се магнитни нули с период от няколко минути, а видът на сигнала се определя ясно от функционалното състояние на стомаха. Сигналите са различни преди и след хранене и се променят при прием на вода (на гладно) или лекарства. Този факт може да намери приложение и при диагностицирането на стомашни заболявания.

Открити са магнитни полета на постоянни електрически токове в кожата, които се появяват при докосване на покриващата я коса. Откриването на такива токове по електрографски път е изключително трудно поради паразитните потенциали, които се генерират в точките на закрепване на електродите, а освен това и от самото закрепване - те се притискат към кожата.

Магнитните полета са измерени по време на съкращаване на човешки скелетни мускули. Записът на тези полета като функция на времето се нарича магнитомиограма (ММГ). В допълнение към високочестотните компоненти (10-150 Hz), които също се записват електромиографски, се наблюдава бавно променящ се компонент на MMG, който се появява по време на мускулна контракция или при лек масаж на мускула. Това магнитно поле е характерно за мускулите на краката и може да се задържи за около час. Предполага се, че токовете, които предизвикват тези полета, играят важна роля в растежа и регенерацията на крайниците, например при заздравяването на костни фрактури.

Известно е, че окото е източник на доста силно електрическо поле, тъй като работата на ретината е съпроводена с потенциал до 0,01 V между предната и задната ѝ повърхност. Това предизвиква електрически ток в околните тъкани, чието магнитно поле може да бъде записано като магнитоокулограма (MOG) по време на движението на окото и като магниторетинограма (MRG) при промени в осветеността на ретината. Наблюдението и изучаването на магнитните полета на окото е интересна задача сама по себе си. Установено е обаче, че индукцията на магнитното поле на очите е значително по-висока от тази на магнитното поле на мозъка. Ето защо конфигурацията и другите характеристики на тези полета трябва да се знаят, когато се започват магнитографски изследвания на мозъка, особено при изучаване на зрителното възприятие.нервните процеси в сърцето.

Мозъкът, чиято основа все още е до голяма степен загадъчна, произвежда както електрически, така и магнитни полета. Най-силните сигнали се генерират от спонтанната ритмична дейност на мозъка. Тези ритми са класифицирани чрез електроенцефалография и е установено съответствие между тях и функционалното състояние на мозъка (бодърстване, различни фази на съня) или патологични прояви (като епилептични припадъци).

Например при алфа ритъм, т.е. колебание с честота 8-12 Hz, характерно за буден човек със затворени очи и спокойствие, магнитните и електрическите полета се появяват в синхрон, т.е. субект с по-голям електрически сигнал за алфа ритъм произвежда и по-голям магнитен сигнал. Такава ясна връзка обаче липсва при пациентите с ритъмни нарушения.

При сравняване на електро- и магнитоенцефалограмите трябва да се има предвид, че за разлика от други органи мозъкът е почти изцяло заобиколен от костната тъкан на черепа и неговата електропроводимост е много по-ниска от тази на кожата и на самата мозъчна субстанция. Освен това естествените отвори на черепа усложняват пътищата на електрическия ток, в резултат на което картината на потенциалите върху повърхността на човешката глава е сложна суперпозиция от пространствени разпределения на сигнали от доста отдалечени източници в мозъка. Магнитният сензор, от друга страна, реагира главно на по-силните токове в самата биоелектрическа активност, които също са много важни, ориентирани по определен начин спрямо приемната намотка на магнитометъра

Интензитетът на излъчване на микровълновите вълни, дължащ се на топлинното движение, е пренебрежимо малък. Директно от формулата на Планк, при температурна разлика от 1 K спрямо околната среда, тя е само 2 * 10 13 W/m2. Както забелязва академик Ю. Гуляев, по своята интензивност това съответства на светлината на свещ, поставена на разстояние повече от 10 км.

Тези вълни в човешкото тяло са по-слаби от инфрачервеното излъчване. Ето защо е възможно да се измерва температурата дълбоко в човешкото тяло с помощта на уреди за измерване на слаби електромагнитни полета в този честотен диапазон, т.нар. микровълнови радиометри.

Вълните от човешкото тяло се приемат с помощта на контактна антена - апликатор. Дистанционни измервания в този диапазон за съжаление не са възможни, тъй като вълните, напускащи тялото, се отразяват силно обратно от границата между тялото и въздуха.

Основната трудност при анализа на измерванията на температурата в дълбочина от радиотермичното излъчване на нейната повърхност е, че е трудно да се локализира дълбочината на температурния източник. При инфрачервеното излъчване този проблем не възниква: излъчването се поглъща на дълбочина 100 µm, така че източникът му недвусмислено е повърхността на кожата. Микровълновите радиовълни се поглъщат на разстояние няколко сантиметра.

Средната дълбочина, от която се измерва температурата, се определя от дълбочината на проникване d. Това зависи от дължината на вълната и вида на тъканта. Колкото повече вода (електролит) има в тъканта, толкова по-плитка е дълбочината, от която може да се измери температурата в мастната тъкан с ниско съдържание на вода d = 4 - 8 cm, а в мускулната тъкан (с високо съдържание на вода) тази стойност намалява до стойности d = 1,5 - 2 cm.

Оптимални за дълбочинни измервания на температурата са радиометри с дължина на вълната в свободното пространство X = 20 - 40 cm: при устройствата с по-къса дължина на вълната дълбочината на проникване се свежда до няколко милиметра, т.е. те всъщност измерват температурата на кожата точно както инфрачервените термометри, докато радиометрите с по-голяма дължина на вълната (A, = 60 cm) имат твърде голям размер на антената и ниска пространствена разделителна способност.

Въпреки че методът на микровълновата радиометрия измерва средната температура в човешкото тяло, вече е известно кои органи могат да променят температурата си и следователно температурните промени могат да бъдат недвусмислено свързани с тези органи. Например промените в температурата по време на мускулна работа очевидно са свързани с мускулната тъкан, а промените в температурата на дълбокия мозък, които достигат 1-2 К, се определят от неговата кора.

Механизми за промяна на температурата в човешкото тяло

Топлинният баланс на всяка част от тялото се поддържа от три фактора:

1) генериране на топлина в резултат на обмяната на веществата;

2) обмен на топлина със съседните части на тялото поради термодифузия;

3) конвективен обмен на топлина чрез кръвотока, т.е. чрез вливане и изтичане на топлина с кръвта. Чрез конвективния топлообмен някои тъкани могат да се нагряват, а други да се охлаждат. Температурата на кръвта, която преминава през артериите към различните органи, се определя от температурата на "топлинното ядро" на тялото (всъщност гръдния кош) и е около 37°C.

Кръвта, която се влива в мускулите в покой (температурата им е около 35,5 °C), ги кара да се затоплят. За разлика от това температурата на мозъка е по-близка до 38 °C поради активната работа на невроните, т.е. притока на кръв го охлажда. Поради тази разлика временното прекъсване на кръвния поток води до охлаждане на мускулите и, обратно, до загряване на мозъка.

Оптичното излъчване от човешкото тяло се открива надеждно чрез съвременни техники за броене на фотони. В тези устройства се използват високочувствителни фотоумножители (PMT), които могат да засичат единични кванти светлина и да излъчват кратки токови импулси, които след това се отчитат със специални електронни броячи.

Измерванията, направени в редица лаборатории, показват, че 1 cm2 човешка кожа спонтанно излъчва от 6 до 60 кванта във всички посоки, предимно в синьо-зелената област на спектъра, за 1 секунда. Силата на светене на различните части на кожата е различна - най-силно е излъчването от върховете на пръстите, а много по-слабо - от корема или предмишницата например. Този блясък не се дължи на замърсявания по кожата, а зависи от функционалното състояние на пациента, като намалява при покой и се увеличава при повишена активност.

Блясъкът на кожата може да бъде предизвикан например чрез третиране на кожата с водороден пероксид или чрез излагане на кожата на предварително осветяване. Силен последващ ефект - фосфоресценция - се предизвиква от лъчение с дължина на вълната 254 nm, което съответства на пика на абсорбция на ДНК. Предварителната експозиция води до увеличаване на луминесценцията с хиляди пъти, която след това намалява във времето, следвайки сложна кинетична крива с няколко времеви константи, вариращи от единици до десетки минути.

Оптичното излъчване на кожата не е топлинно излъчване. Интензитетът на топлинното излъчване в оптичния диапазон е пренебрежимо малък - от 1 cm2 повърхност на тялото може да се излъчи само един квант радиация средно за много секунди.

Най-вероятният механизъм на спонтанното излъчване е хемилуминесценцията, причинена от липидната пероксидация, която е съпроводена с образуването на радикали, т.е. молекули във възбудено електронно състояние. Когато такива молекули взаимодействат, определен (малък) процент от тях излъчват светлина. Възможни са и други механизми при индуцираната луминесценция, например измерена е емисия по време на активирането на определени кръвни клетки - неутрофили - свързана с генерирането на реактивни кислородни видове.

Повърхността на човешкото тяло се променя непрекъснато. Тези вибрации носят информация за много процеси в тялото: дишането, сърдечния ритъм и температурата на вътрешните органи.

Нискочестотните механични вибрации с честота под няколко килохерца предоставят информация за белите дробове, сърцето и нервната система. Движенията на повърхността на тялото на човека могат да се записват от дистанционни или контактни сензори в зависимост от задачата. Например при фонокардиографията се използват монтирани на тялото микрофони за измерване на акустичния шум, произвеждан от сърцето. Електрическите сигнали от датчиците се усилват и се изпращат към записващо устройство или компютър, а формата и големината им се използват, за да се направят изводи за движението на определени части на тялото.

Кохлеарна акустична емисия. Звуците могат да се излъчват от ухото на животните и хората - това явление се нарича кохлеарна акустична емисия, тъй като източникът им е локализиран в кохлеята на слуховия орган. Тези звуци могат да бъдат записани с микрофон, поставен в ушния канал. Идентифицирани са редица видове кохлеарни акустични емисии, сред които са така наречените спонтанни емисии и акустично ехо.

Спонтанната емисия е спонтанно, непрекъснато излъчване на звук от ушите на човек. Нивото на звуковото налягане е до 20 dB, т.е. 10 пъти повече от прага от 2*10 5 Pa, който човешкото ухо е способно да поеме при честота от 1 kHz. Честотата на излъчване се различава при отделните хора и е в диапазона 0,5-5 kHz, като излъчването е силно монохромно. Емисии се наблюдават средно при 25% от мъжете и 50% от жените. Спонтанното излъчване няма нищо общо с шума в ушите - субективно усещане с чисто нервен произход.

охлеарната акустична емисия е свързана с дейността на т.нар. външни власинки, разположени в кохлеарния орган на кохлеята. В отговор на входяща звукова вълна те променят размера си и предизвикват механични вибрации във вътрешното ухо, които могат да се разпространяват назад и навън през средното ухо. Биофизичният механизъм, който стои зад бързите промени в геометрията на клетките, все още не е изяснен; скоростта му е сто пъти по-голяма от тази на мускулите.

От всички видове кохлеарна акустична емисия досега медицинско приложение е намерило явлението акустично ехо - излъчване на звуци от ухото известно време след подаване на кратък звуков сигнал към ухото. Използва се за диагностициране на слуха на новородени през първите няколко дни от живота им, когато не могат да се използват конвенционалните аудиометрични методи. Липсата на ехо е не само тревожен симптом за глухота, но често и за свързани увреждания в други части на централната нервна система. Ранното диагностициране дава възможност да се предприемат активни мерки възможно най-рано и да се намалят до голяма степен неблагоприятните последици от това заболяване.

Акустично излъчване в ултразвуковия диапазон. Човешкото тяло е източник на топлинно акустично излъчване с различни честоти. Обикновено акустичните вълни идват от дълбините на тялото, отразяват се от повърхността му и се връщат обратно, но пиезосензор в контакт с тялото може да ги регистрира. Особеност на акустичните вълни, разпространяващи се в човешкото тяло, е, че колкото по-висока е честотата им, толкова повече се затискат. Следователно от дълбочината на човешкото тяло на разстояние 1-10 cm до тялото могат да достигнат само топлинни ултразвукови вълни от мегахерцовия диапазон с честоти не по-високи от 0,5-10 MHz. Интензитетът на тези вълни е пропорционален на абсолютната температура на тялото. Акустотермометърът се използва за измерване на интензивността на топлинното акустично излъчване. Това устройство може да се използва например за измерване на температурата на човек, потопен във вода.