Преобразователи для измерения магнитного поля сердца человека: физический принцип измерения, конструкции, характеристики

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования

«Санкт-Петербургский  государственный электротехнический

университет “ЛЭТИ” имени В.И. Ульянова (Ленина)»

(СПбГЭТУ)

 

 

 

Доклад

Преобразователи для измерения  магнитного поля сердца человека: физический принцип измерения, конструкции, характеристики.

 

 

 

 

Выполнила студентка

Быганова С.

 

 

 

 

 

Руководитель:

Ахлаков М.К.

 

 

 

Санкт-Петербург

2012

Процессы, происходящие в  живом организме, создают физические поля: электромагнитные и акустические. Источниками электромагнитного  излучения являются электрическая  активность органов, трение одежды о  тело; акустического – биение сердца, ток крови по сосудам, излучение  из уха человека (так называемое кохлеарное излучение), тепловое движение атомов и молекул (мегагерцевый диапазон) и другие. Диапазон длин волн электромагнитного излучения тела человека – от 60 см (радиодиапазон) до 0,5 мкм (оптический диапазон), а диапазон акустического излучения – от 0,01 Гц (инфразвук) до 10 Мгц (ультразвук). Эти поля, а также их изменение во времени позволяют получить информацию о физиологических процессах в организме.

Электрические и магнитные поля человека

Каждая клетка организма  обладает электрическим потенциалом. Потенциал некоторых из них (например, нервных и мышечных) меняется во времени, в связи с чем,  изменяется и потенциал целых органов и тканей. Зависимость электрического потенциала от времени называется электрограммой, а диагностический метод исследования – электрографией. Электрографический метод  применяется для исследования  следующих органов: сердца – электрокардиография, мышц – электромиография, головного мозга – электроэнцефалография, сетчатки глаза – электроретинография. Суть метода заключается в измерении  разности потенциалов на поверхности тела, а всю  совокупность клеток исследуемого органа представляют  в виде модели эквивалентного  генератора, который создает такой же электрический потенциал на поверхности тела, что и данный орган. В электрографии существуют два подхода: прямой – определение электрического потенциала на поверхности тела по известным характеристикам эквивалентного генератора и обратный – определение характеристик эквивалентного генератора по электрическому  потенциалу, созданному им на поверхности тела. Наиболее распространенным методом, который использует второй подход,  является  электрокардиография.

Физические  основы электрокардиографии

Электрокардиография – метод  исследования деятельности сердца с  помощью определения  электрических потенциалов, созданных сердцем на поверхности тела. Эквивалентный генератор сердца представляют в виде токового электрического диполя с внутренним сопротивлением, замкнутым на внешнее сопротивление, причем внутреннее сопротивление много больше внешнего. В основе электрокардиографии лежит теория Эйнтховена, согласно которой:

1.  Сердце представляют в виде дипольного генератора с дипольным моментом D;

2.  Направление и величина вектора D в процессе сердечной деятельности периодически меняется во времени (соответственно с таким же периодом изменяется и разность потенциалов между некоторыми двумя точками тела, к которым приложены электроды);

3.  Начало вектора D не изменяет своего положения в пространстве и находится в атриовентрикулярном узле;

4.  Окружающие сердце ткани представляют собой однородную изотропную среду.

В  электрокардиографии обычно измеряют разность потенциалов между: правой рукой и левой рукой (I отведение); правой рукой и левой ногой (II отведение); левой рукой и левой ногой (III отведение). Фактически разность потенциалов измеряется между точками, в которых конечности соединяются с туловищем, так как конечности выступают как проводники. При этом дипольный момент D оказывается в центре треугольника, который приблизительно считается равносторонним. На практике используют и другие отведения: по Гольдбергеру и Вильсону.

Электрокардиография принимает ряд допущений. На самом деле:  

·  Источник электрического поля сердца нельзя представить в виде одного диполя;  

·  Вращение вектора D происходит по всему объему, и для его описания недостаточно проекции только на одну плоскость;  

·  Начало вектора D смещается;   

·  Организм не является однородной средой, кроме того, его проводимость меняется не только в пространстве, но и во времени.

Но несмотря на существующие допущения, электрокардиограмма позволяет  выявить ряд нарушений сердечной  деятельности: тахи- и брадикардию, аритмию, нарушения проведения импульса, пороки сердца, инфаркт миокарда, а также определить токсичность действия химических веществ и пагубность физических раздражителей.

Векторкардиография

Для получения информации о пространственной ориентации дипольного момента сердца используют метод  векторкардиографии. С помощью расположенных соответствующим образом на теле человека электродов на экране осциллографа получают изменяющуюся во времени на протяжении кардиомиоцикла проекцию на некоторую плоскость вектора D – плоскую векторкардиограмму.  Для этого на горизонтально  отклоняющие пластины осциллографа подают напряжение от одного отведения, а на вертикально отклоняющие – от другого. Трехмерную векторную петлю (пространственную векторкардиограмму) получают по ее проекциям на три плоскости: фронтальную, горизонтальную и саггитальную. Векторкардиография имеет ряд  достоинств по сравнению с электрокардиографией.

Методы измерения  магнитных полей

В последнее время используются методы измерения магнитных полей  сердца (магнитокардиография) и мозга (магнитоэнцефалография). Источником магнитного поля  являются движущиеся заряды, то есть электрический ток, который, в свою очередь, пропорционален напряжению. Поэтому  магнитограммы во многом схожи с электрограммами и в то же время позволяют получить некоторую дополнительную информацию.

Магнитное поле человека намного  слабее магнитного поля Земли, магнитная  индукция которого составляет 5•10^-5 Тл (для сравнения: индукция магнитного  поля  сердца – 10^-11 Тл, а мозга – 10^-13Тл), что создает при получении магнитограмм существенные трудности. Их обходят следующим образом: измеряют индукцию поля около поверхности тела (В₁) и на некотором расстоянии от него (В₂). Магнитное поле Земли и другие помехи будут почти одинаковыми в этих двух точках, а магнитное поле человека значительно уменьшается. Поэтому разность (В₁-В₂) будет характеризовать магнитное поле тела человека. Магнитография позволяет получать временную и пространственную картины магнитного поля какого-либо органа, для чего снимают несколько последовательных магнитограмм отдельных участков органа. Одним из преимуществ магнитографии по сравнению с электрографией является возможность локализовать источник магнитного поля (приблизительно до 1 см). Поэтому магнитографию можно использовать для исследования электрической активности сердца плода. В этом случае снятие элетрокардиограммы невозможно, так как электрический сигнал сердца плода заглушается электрическим сигналом сердца  матери.

 

 

 

 

 

В конце 1960-х годов развитие физики 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 поля 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.

	Характерные значения и частотные спектры биомагнитных сигналов и шумов в окружающем пространстве: 1 - поле Земли;  2 - геомагнитный шум;  3 - городской шум;  4 - сетевая помеха;  5 - чувствительность сквида
Рис.1

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.

 
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).