Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь КАТЕГОРИИ: Археология Биология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Техника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ? Влияние общества на человека Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления	Главная Избранные Случайная статья Познавательные Новые добавления Обратная связь FAQ Медицинские приборы измерения и анализа биопотенциалов. Стр 1 из 16Следующая ⇒ Медицинские приборы измерения и анализа биопотенциалов. Часть 1 Методики наблюдения и анализа биопотенциалов.                                 1. Введение Традиционно для диагностики состояния человека использовалось наблюдение свойств, присущих организму. Температура, цвет лица, пульс, акустические тона и многое другое. Постепенно врачи вооружили себя приборами. В конце 18 века открыто биоэлектричество. Появились приборы измерения биоэлектрических потенциалов. Сегодня практически треть всего парка медицинских приборов приходится на электрокардиографы, энцефалографы, миографы. Образно соотношение разных типов приборов медицинской техники представлено на рис 1.1 Широко использу  Рис 1. Соотношение разных типов приборов медицинской техники.   ется не только наблюдение биопотенциалов, но и воздействие электрическими токами на живой организм. Это область электрофизио терапевтических приборов. Как для наблюдения, так и для воздействия необходимо знать законы прохождения электрических токов в теле человека. Поэтому минимальные знания теории электрического поля изложены ниже. Причем на уровне простой электротехники. Затем приводятся сведения о типовых формах сигналов разных органов. Обеспечение четкого усвоения обширного материала становится возможным только при выделении системы начальных понятий. При уяснения основ физиологии органов, сигналы которых мы наблюдаем. Уже потом освоение принципов построения конкретных приборов, направления их развития и специфические для МТ методы контроля, испытаний.    Обьем считается минимально необходимым для подготовки ИТР, выбравших медицинское приборостроение и обслуживание медицинских приборов в качестве своей профессии. Возможно материал будет интересен для аспирантов и любопытствующих врачей. Лекционный материал должен сопровождаться рядом лабораторных и курсовых работ, конкретизирующих восприятие. Все сказанное опробовано в курсе лекций, прочитанных в 1999 – 2009 гг. Курс разбит на два семестра, соответственно часть 1 и часть 2. В части 1 обьединены основы теории электрического поля, описание формы биопотенциалов и изложение методических основ нейромиографии, электрокардиографии, энцефалографии и методиках наблюдения органов сердечно сосудистой системы. Вторая часть обьединяет инженерные и программные вопросы построения приборов наблюдения биопотенциалов. Лекции готовились с использованием замечательных книг Плонси Р. Бар Р. Биоэлектричество /1/, 16 Натансон И.П. Теория функций 1974 480с. Вудворд Ф.М. Теория вероятности и теория информации с приложениями в радиолокации. Сов. Радио 1955, и книг многих других авторов /2-6/. Исторический материал почерпнут, в основном, из Интернета. Открытие биоэлектричества История наблюдения биоэлектрических потенциалов началась с открытия Л. Гальвани. (рис 1.2)В нашем распределении врачебных специализаций он был гинекологом и очень любознательным человеком. В своей лаборатории он имел учеников, которых, следуя добрым традициям цехового ремесленничества, кормила его супруга. По одним сведениям она первая заметила сокращение лягушачьих лапок, когда вошла в лабораторию. Там столы покрыты цинковыми листами. За каждым столом работало несколько учеников. Случилось так, что один из них крутил электрофорную машину, другой препарировал лягушек. Провод от электрофорной машины случайно касался одной из лапок. Она дергалась. По другим рассказам впервые сокращение препарированных лапок были замечены, когда они развешивались на балконе. Была предгрозовая погода. Перила железные. Иногда лапки дергались. Некоторое время Гальвани исследовал причину: ветер ли, роса или что возбуждает движение? Оказалось, что атмосферное электричество и прикосновение разных металлов. Гипотезы были доказательно проверены. Вскоре он представил на всеобщее обозрение лапку, дергающуюся при наложении цинка, если лапку держать стальным пинцетом. Дергание лапок появлялось и при наложении проводов электрофорной машины. Но Гальвани сделал большее: он взял две лапки и наложил нерв каждой из них на мышцу другой в единое кольцо: лапки дергались попеременно без внешних воздействий. Стало ясно, что нерв проводит раздражение и активизирует мышцу, последняя, кроме движения, вырабатывает свой сигнал и возбуждает другой нерв. Так любознательный и настойчивый ум открыл существование биоэлектричества. Общество с уважением относилась к врачам и педагогам, хорошо оплачивало их работу. Любознательность Гальвани, подкрепленная возможностью содержать лабораторию и учеников привела к величайшему открытию человечества. Гальвани широко популяризировал свое открытие, вскоре в каждой аптеке Европы можно было приобрести препарированные лягушечьи лапки для опытов. А племянник Гальвани в Лондоне всенародно заставил сесть труп только что казненного преступника. Л. Гальвани переписывался с другим великим итальянским ученым 18го века А. Волты. (Рис 1.3) Тот отрыл «химическое» электричество, соединяя медные и цинковые кружки через влажную ткань. Сокращение лапок лягушек было самым чувствительным измерителем. Но природа происходящего долго оставалась непонятна ученым. Изучение электричества продолжалось весь следующий 19й век. По Неве в С-Петербурге уже в 1830 году плавал катер с электрическим мотором. В 1831 г Фарадей открыл связь магнитного поля и электрического тока, затем была создана электромагнитная теория Максвелла, возник телефон, трамвай, в 1870г Г. Герцем показана миру передача электрических сигналов на расстоянии, в 1896г. возникла радиосвязь. И только в пятидесятых годах уже 20 века была окончательно раскрыта тайна биоэлектричества. Изучены деполяризация и реполяризация живых клеток. Эти успехи связаны с именами Эйнштейна (уравнение диффузии), Фика, Нернста, Планка. Ходжкина.     Человек полон электрическими биосигналами и буквально живет ими. Каждая мысль, движение, боль возбуждены появлением и передачей электрических биосигналов. Сегодня их измерение доступно каждому профессионально подготовленному человеку. Область разработки и создания приборов, измеряющих биопотенциалы, очень динамично развивается. Если вопросы собственно сьема и регистрации биопотенциалов решены на уровне, определенном физическими возможностями, то вопросы многоэлектродного сьема, вопросы локализации измерений в заданном участке тела, разделения биосигналов разных зон, измерения координат источников сигналов во многом еще ждут своего решения. Инженеры научились измерять очень маленькие биопотенциалы - на уровне 0.01 мкВ. Напомним, что чувствительность профессионального радиоприемника составляет десятые доли микровольта, а телевизионного - десятки микровольт. Следует оценить буквально ювелирную работу инженеров по созданию медицинских приборов. Общая структура медицинского прибора, использующего измерение биоэлектрических потенциалов, показана на рис 1.4. В настоящее время приборы специализированы в соответствие с принятой методикой обследования каждого отдельного органа, хотя представленные на рис 1.4 элементы общие.   Законы для переменного тока Если ЭДС изменчива во времени, а цепь состоит из одних резисторов R, то форма тока I в точности повторяет форму изменения ЭДС. Такая цепь не искажает форму сигналов. Однако если в цепях присутствуют конденсаторы С, то они накапливают заряды, что приводит к появлению остаточных напряжений Vc. Напряжения Vc связаны с накопленными зарядами Q выражением: Vc = Q/C Количество зарядов Q измеряется в Кулонах (в честь Кулона. Один кулон = 1019 элементарных зарядов), С - измеряется в фарадах (в честь Фарадея): при емкости 1 фарада и заряде один Кулон напряжение на конденсаторе равно 1 Вольт. Фарада = 1 кулон / вольт. Ампер =1 кулон / секунду. Заряды Q накапливаются от втекающего в конденсатор   тока " I ", следовательно напряжение Vc (t) определяется интегральным выражением:               Vc(t)= (1/C)∫I(t) dt. Как результат, цепи, содержащие емкости С не подчиняются закону Ома. Происходит изменение (искажение) формы сигнала. Понятие коэффициента передачи "К" становитсяне правомочным из за возникающих искажений. Однако законы Киргофа остаются справедливыми. Связь формы тока и напряжения описывается интегральными уравнениями (обычно их переводят к дифференциальному виду). В общем виде цепь с конденсаторами и резисторами характеризуется ее переходной характеристикой: это форма тока в цепи при резком включении ЭДС (например, ключем, см рис 2.5). Переходная характеристика описывает процесс установления токов и напряжений в цепи. Она находится решением интегрального уравнения. Если цепь состоит только из резисторов и емкостей то решение известно: переходная характеристика имеет вид набора экспонент е-t/τ. Например, для простейшей RC цепи рис 2.5 имеем:     Выходное напряжение V(t) = Е(1-ехр(-t/RC)), где t -время,  R и C - значения резистора и емкости цепи. Произведение RC называется постоянной времени цепи (и переходного процесса) и обозначается "τ".  Пусть ЭДС имеет во времени форму прямоугольного импульса. Это эквивалентно работе ключа. Тогда на выходе будет сигнал из набора экспонент. Прямоугольный импульс исказился (см Рис 2.5). Однако есть сигнал, форма которого не искажается при прохождении RC цепей. Это синусоидальный сигнал. Синусоидальный сигнал считается "собственным" сигналом цепей с реактивными элементами (записывается Аsin(w t+φ), где А -амплитуда, t- время, w - круговая частота, w =2 π f, π =3.14..., f - частота, φ - фаза, временной сдвиг измеренный в долях периода). При гармоническом сигнале вводится понятие реактивных сопротивлений. У конденсатора С это сопротивление записывается как Хс=1/j w c, (j обозначает реактивную, комплексную составляющую). Совместное включение активных R и реактивны х сопротивлений Х обозначаются как Z - комплексное сопротивление. Реактивные и комплексные сопротивления зависят от частоты w. С введением реактивных сопротивлений закон Ома вновь выполняется: I(w)=V(w) / Z(w). Снова обретает строгий смысл понятие коэффициента передачи "К". Т,к. реактивные и комплексные сопротивления зависят от частоты w, то и К становится зависимым от частоты. Зависимость К от w называется частотной характеристикой цепи К(w). Важно помнить, что частотная и переходная характеристики однозначно связаны. Они связаны преобразованием Фурье (рис 2.6). Преобразование Фурье и нахождение спектров сигналов. Реальные сигналы почти никогда не имеют синусоидальной формы. Следовательно они искажаются комплексной цепью. Эти искажения называются частотными искажениями (см рис.2.5). Надо уметь их находить и оценивать. Для этого применяется или метод решения интегральных/диференциальных уравнений или метод спектрального разложения Фурье. Фурье использовал следующий искусственный прием: входной сигнал представляют в виде суммы (набора) синусоид. Это прямое преобразование Фурье (см рис.2.7). Т.к. форма синусоид заранее известна, то запоминать можно только их амплитуды. График этих амплитуд называется спектром сигнала. Каждая синусоидальная составляющая имеет свою частоту w и проходит через комплексную цепь с учетом коэффициента передачи " К(w) " по закону Ома без искажения. В результате простым перемножением спектра входного сигнала на коэффициент передачи К(w) находится спектр выходного сигнала. Получив спектр выходного сигнала, находим его форму простым суммированием синусоид спектра - обратным преобразованием Фурье. Таким образом мы рассмотрели два метода нахождения выходного сигнала комплексной цепи: метод решения дифференциальных уравнений и метод использования двойного преобразования Фурье.Оба метода дают одинаковый результат. Применяют в зависимости от сложности формы входного сигнала и вида структуры цепи. Цепи со специальными формами частотной характеристики К (w)  получили название фильтров. Виды типовых частотных характеристик фильтров и характерное для них преобразование сигнала показаны на рис 2.8.            В сосредоточенных цепях	В обьемных телах
Сопротивление	R {Ом}	ρ {Ом*м}	Удельное  Сопротивление
Напряжение	V {Вольт}	U {Вольт}	Потенциал
Ток	I {Ампер}	j {Ампер/м2}	Плотность тока
Падение напряжения	ΔV {Вольт}	Е {Вольт/м}	Напряженность поля
Закон Ома	V=I*R	Е=j*ρ	Закон Ома

Важнейшим свойством считается " линейность " законов электрических цепей (электрического поля). Линейность - это независимость параметров среды от силы действующих напряжений и токов. Принцип линейности позволяет рассматривать возникновение токов от разных источников ЭДС независимо, например, поочередно. Общий результат находится как сумма частных, парциальных воздействий. 

"Пустота всегда линейна". Однако в реальных телах большие токи и напряжения приводят к нелинейным явлениям: проводник "перегорает", клетки тела деполяризуются и др. Приходится оговаривать границы и условия выполнения принципа линейности. Нелинейные явления всегда рассматриваются особо.

В обьемной среде напряжения V переходят в поле потенциалов U. Потенциалом поля U(xyz) в данной точке называется разность потенциалов V между этой и бесконечно удаленной точками. Функция потенциала U есть скаляр. U - это работа, необходимая для того, что бы пробный заряд переместить из бесконечности в рассматриваемую точку. Крутизна изменения U, математическая  производная, обозначается Е - напряженность поля. Именно Е определяет силы, действующие на заряды. Значение E(х,у, z) уже зависит от направления, в котором берется производная, поэтому Е определяется в направлении максимального изменения поля (градиент поля Е=∂U/∂ R).

Таким образом напряженность Е - вектор. Заряды движутся по направлению вектора град Е. Движение характеризуется плотностью тока зарядов I_S, она равна Е/ ρ, (ρ - удельное сопротивление ). Вектор Е и вектор I  направлены встречно.

 Емкостные свойства среды описываются значением диэлектрической постоянной " ε ". Приходится учитывать зависимость ρ и ε  от частоты сигнала w. Кроме того значения ρ и ε в каждой точке могут зависеть от направления протекания тока. Тогда говорят, что среда анизотропна. Например, значения ρ (xyz) мышцы существенно различно (до восьми раз) для направлений вдоль и поперек волокон. Для малых токов (до 100 мА) ρ и ε не зависят от силы тока и среда описывается линейными уравнениями.

Аналитическое нахождение токов и напряжений в реальном обьемном теле сложно. Поэтому функции пространственного распределения поля отображают графически поверхностями равного потенциала - "эквипотенциалями" (на рисунках используют их сечения - линии равного потенциала). Токи i отображаются линиями   тока: они перпендикулярны поверхностям равного Е (заряды перемещаются в направлении максимального изменения поля). Вдоль линии тока плотность тока обычно не постоянна, поэтому выделяют "русло тока" как зону протекания неизменного полного тока этого русла. Русло тока на графике ограничивается соседними линиями тока. Каждый источник тока характеризуется полным током, для которого русло охватывает все пространство.

2.4 Поле монополя (рис 2.6)

Простейшим источником поля является монополь. Это одиночный заряд в пространстве. Для нахождения его поля возьмем сферическое проводящее тело большого диаметра и расположим начало координат в его центре (далее будет ясно, что требование сферичности не обязательно). Поместим в центр небольшой, но то же сферический электрод диаметром D. Подадим на этот электрод плюс V_D источника напряжения, а минус подключим равномерно распределено по всей внешней поверхности сферы. Электрод D станет источником тока. В силу сферической симметрии линии тока будут радиальными и прямыми, а эквипотенциали будут сферами. Площадь S_e каждой из них пропорциональна квадрату радиуса Ŕ  (S_e= 4 π Ŕ ²). Полный ток через эти поверхности для разных Ŕ неизменен, следовательно плотность тока будет убывать обратно пропорционально квадрату расстояния. Соответственно (по закону Ома) так же будет убывать Е. Результат рассуждений показан на рис 2.9.

Т.к. полный ток I монополя не зависит от Ŕ, то U ( Ŕ ) легко определяется по закону Ома: U ( Ŕ ) = I *R _Ŕ.Для нахождения поля U достаточно знать значение сопротивления R _Ŕпространства, внешнего к сфере произвольного радиуса Ŕ. Найдем R _R   Ра зобьем пространство вокруг выбранной сферы 2Ŕ=D на слои малой толщины Δ. Сопротивление одного слоя Δ равно ρ *Δ/4 π Ŕ² (ρ - удельное сопротивление). Искомое внешнее сопротивление R _R равно сумме сопротивлений по всем слоям ∆ до бесконечности (или интегралу по Ŕ в тех же пределах). Проинтегрируем и получим, что сопротивление пространства внешнего к сфере радиуса Ŕ_d равно:

                         R _Rd =ρ/8 π Ŕ_d.

Следовательно потенциал U спадает как гипербола:

                       U( R )=I _* ρ/8 π Ŕ.

Значение полного тока I находится как

I = V_D / R_RD = V_D 4 π D/ ρ ( D - диаметр сферы источника ).

Подставляя значение I в предыдущее выражение получим две формы записи потенциала монополя:

 1) U ( Ŕ )= V_{D *} D/2Ŕ первая, и рядом запишем вторую:

  2) U ( Ŕ )= I_{D *} ρ / 8 π Ŕ, 2Ŕ>D.

В первой формуле не требуется знания удельного сопротивления ρ,   аво второй - D. Получен интересный и важный результат: форма поля одинакова для сред с разными ρ - от пустоты до серебра. В одной крайности электростатика, во второй - прекрасно проводящее тело. Это свойство очень полезно: в силу независимости формы поля от ρ мы можем заменять ρ в разных руслах тока без изменения общей структуры поля. Результат имеет практическую значимость: например, приложенный внешний электрод создает поле совпадающее со случаем замены одной половины нашей сферы на пустоту. Т.к. общее поле неизменно, то мы знаем форму поля под электродом совершенно точно, не смотря на неоднородность пространства (см рис 2.6 б).

Для больших Ŕ потенциал U стремится к нулю. Из этого следует важный вывод: форма тела на большом удалении от монополя D не обязательно должна быть сферой: распределение поля в ближней зоне не зависит от контура тела при больших его размерах.

Зная форму поля U нетрудно определить форму напряженности поля Е: надо взять производную в направлении максимального изменения поля. Для сферы это направление совпадает с радиусом, следовательно Е= I_{D *} ρ /4 π Ŕ². Мы получили квадратичную гиперболу, она спадает быстрее, чем потенциал U и тем более зависимость от формы тела устраняется.

Напряженность Е так же имеет две формы записи:

Е= V_{D *}D/2Ŕ² и           

Е= I_{D *} ρ / 4 π Ŕ², (2Ŕ>D).

Обратим внимание: при постоянном V_D ( или I_D) напряженность Е неограниченно возрастает при уменьшении D (R>D). Так острый выступ на большой сфере или волосяной покров на теле становятся точками стока зарядов за счет локального увеличения значения Е. Для типовых размеров клеток порядка 20-50 мкм и типовых потенциалов 50-70 мВ, напряженность поля на их поверхности составляет величину порядка 2 кВ/м. Статические потенциалы на пациенте достигают сотни вольт: в этом случае Е=2000 кВ/м.

Целесообразно привести еще один вид формулы потенциала поля монополя. Центральная сфера монополя D обладает емкостью C =2 π ε D. Напряжение V_D так же выражается через емкость и заряд: V = q / C. Тогда:

        U = q / 2 π ε Ŕ,      E = q / 2 π ε Ŕ².

Именно в таком виде выражения для U и E приводятся в справочниках по электростатике.

Зная емкость сферы D и сопротивление R_D внешнего к сфере пространства полезно найти постоянную времени разряда этой сферы τ = R C = ερ /2. Мы видим, что τ не зависит от диаметра. Для величин ρ, характерных для биотканей, τ примерно равно 10^-12 сек.

Непрерывное убывание поля позволяет очертить границу, за которой монополь не наблюдаем. Эту границу создает уровень собственных шумов пространства. Границу наблюдаемости можно считать границей реального существования поля в конкретной среде.

 Для описания поля монополя нужны координаты его центра (x_о,y_о,z_о) и значение ЭДС V_D (на поверхности диаметром D) или полного тока I (плюс ρ среды), т.е пять параметров. 

 

Практическое применение

    В реальных случаях повсеместно встречаются две разновидности дипольных систем. У первой дипольное расстояние ℓ очень мало по сравнению с расстоянием до точки измерения. Это клеточные структуры нейронов и мышц при наблюдении поверхностными электродами. Такие диполи удобно характеризовать моментом М. Форма их эквипотенциалей имеет вид восьмерки. Во второй разновидности дипольные центры D расположены на большом расстоянии. Это случай токовых электродов физиотерапевтических приборов, а так же некоторые другие (рис 2.11). Здесь мы интересуемся внутренним полем диполя.

Как и при рассмотрении монополя, мы можем выделить русла тока и произвольно изменять ρ в каждом из них. Общая форма поля не изменяется. Здесь, как и для случая монополя, мы снова получаем практически важный результат: полная картина поля от электродов, расположенных на поверхности тела точно описывается в достаточно простых формулах, несмотря на то, что половина проводящей среды отброшена.

Около каждого электрода поле повторяет форму поля монополя. Между электродами - внутреннее поле диполя. На том же рисунке показано, как источник - диполь, расположенный близко к поверхности черепа формирует внешнее поле, воспринимаемое электродами.

Используя принцип линейности (наложения) несложно определить форму поля для электродов различной формы, например, больших и плоских. Электрод надо заменить композицией множества сферических электродов и находить их суммарное поле.

Мультиполи высших порядков

Диполь и монополь есть простейшие элементы поля. Математики определили и более сложные структуры, например квадруполь (суммарное поле 4х монополей) и высшие мультиполи. Произвольную картину поля можно выразить через ряд / набор мультиполей. Эта задача является пространственным обобщением задачи Фурье: представить произвольную кривую набором (рядом / суммой) синусоид. Синусоида при переходе к полярным координатам имеет вид восьмерки, вторая гармоника этой синусоиды представляется лепестками диаграммы поля квадруполя и т.д. В пространстве сигналов разложение Фурье облегчает анализ преобразований (или искажений) частотными фильтрами и решение дифференциальных уравнений. Спектр сигнала имеет точный инженерный смысл. Спектр мультиполей не отображает четкие физические понятия. Более того, очень часто источниками полей биосигналов являются геометрически протяженные и разнесенные структуры: введение точечного центра разложения нарушает смысл отображения, а само разложение по мультиполям скрадывает физические особенности. Поэтому не рекомендуется пользоваться разложениями по мультиполям. Реальные поля произвольной формы практично представлять композицией полей диполей, монополей и структур ДЗС, т.е разложение желательно проводить по ряду форм физически существующих источников.

 

Электродные отведения

Электроды используются как минимум в парном подключении. Два электрода образуют биполярное отведение. Если число электродов больше двух, то формируется или набор биполярных отведений, или синтезированные отведения (потенциалы разных электродов взвешенно обьединяются). В частном случае, если один электрод расположен близко к источнику, а другой далеко, то отведение называют униполярным. Действительно, вклад удаленного электрода пренебрежимо мал, следовательно его можно не учитывать, этот электрод можно размещать в произвольной удаленной точке. Такой электрод называют индиферентным. А близко расположенный электрод - референтным или сигнальным. Униполярными являются грудные отведения в электрокардиографии.

Если мы проведем линию от точки диполя к электроду, то потенциал каждого униполярного электрода будет определен как проекция момента диполя М на линию соединения с учетом величины квадрата расстояния 1/ R ². Потенциал равен проекции момента вектора диполя на соединяющую линию.

Магнитное поле

Этот материал для самостоятельной проработки и не входил в курс лекций

Основные понятия: Магнитодвижущая сила Н, магнитная индукция В. Проницаемость μ. Магнитное поле Земли, магнитные бури и магнитные поля технического происхождения. Постоянное магнитное поле (МП) не действует на неподвижные заряды. Переменное МП действует - наводит в проводящем теле электрические токи. С ила Лоренца действует на движущийся заряд в магнитном поле. По закону Ампера провода с током притягиваются. По закону Фарадея переменное поле наводит ЭДС. Замена одного из взаимодействующих токов его полем. Форма поля провода с током, кольца с током, соленоида, постоянного магнита. Поле “наводимой напряженности Е_н(x, y, z), поле “действующей напряженности” U_д(x, y, z). Воздействие переменного магнитного поля на ткани человека.

.

В медицинской практике широко используются физиотерапевтические приборы с магнитными полями. В 1997г наша промышленность выпустила безболевые магнитные стимуляторы для миографии. Магнитным полем осуществляется перекодировка режимов имплантированных электрокардиостимуляторов. Феноменальные успехи получены при использовании магнитного поля в ЯМР (ядерно магнитный резонанс). Ниже дается краткое описание законов магнитного поля и особенностей его воздействия на биообьекты.   

                 

Постоянное магнитное поле

Мы живем в магнитном поле Земли. Происхождение магнитного поля Земли спорно, говорят о токах в ядре Земли, но, вероятно в раскаленном ядре токов нет, а магнитное поле определяется вращением Земли. Земля несет электрический заряд, вращение создает движение зарядов и магнитное поле. Медленно вращающиеся планеты (например Венера) практически не имеют собственного магнитного поля.

Внешний электрический заряд Земли определяется солнечным ветром, состоящим в основном из электронов, внутренний, в районе ядра, возможно разделенными протоно - электронными слоями (электронный слой ближе к поверхности, протонный - к ядру). Вращение расслоено заряженного шара создает магнитное поле. Неоднород­ность поверхности Земли приводит к неравномерности заряда по поверхности. Возможная прецессия внутренних слоев ядра и нестабильность внешних ионосферных слоев создает дрейф магнитных полюсов. Такая интерпретация позволяет обьяснить происхождение магнитных бурь, дрейфа полюсов и даже их смену в прежние исторические периоды (см рис 3.1).

Магнитное поле в прошлом веке измерялось в Эрстедах, сегодня в Ампер/метр. 1 Эрстед =(10³/4π=79,57)А/м. В районе экватора на поверхности Земли индукция около 0.34 Эрстед, (27 А/м), у магнитных полюсов около 0.66э (52А/м), а в наших широтах около 0.5 Э (40А/м). В районах магнитных аномалий, например около Курска, поле вырастает до 2э (159а/м). Магнитное поле Земли подвержено магнитным бурям, которые вызываются изменением активности Солнца (и солнечного ветра). Величина отклонений магнитного поля во время магнитных бурь составляет порядка 1% от номинального значения, т.е. 0.4А/м.

Напряженность магнитного поля " Н"  величиной 1 Ампер на метр - это поле от проводника с током 2 π ампер на расстоянии 1 метр. Однако силовой характеристикой, определяющей воздействие магнитного поля является не напряженность Н, а индукция " В". Индукция учитывает свойства среды усиливать магнитное поле за счет изменения ориентации молекулярных структур. Это определяется величиной магнитной восприимчивости (намагничиваемости, проницаемости) среды μ:    

                                В=μ*Н.

В измеряется в Тесла {Вольт_*с/м², 1Тесла=4П 10^-7 А/М для вакуума}. Для реальных веществ удобно ввести относительную (к пустоте) магнитную проницаемость μ или В=μ_*μ_0*Н, где μ₀ =4П 10^-7 [Генри/метр] проницаемость пустоты. Вода, ткани тела, дерево имеют μ =1, железо, ферриты имеют μ =500-200 000.

В трех осветительных лампочках по 100вт домашней люстры течет ток около 1,5 ампер. В домашней стиральной машине токи порядка 10А. Трамвай движут токи 200-600А. Наша цивилизация окружила нас магнитными полями технического происхождения. На остановке трамвая или в метро на человека воздействует магнитодвижущая сила 60-600 А/м, что в десятки, сотни раз превышает естественное магнитное поле Земли, не говоря уже об уровне магнитных бурь. Стрелка компаса на платформе метро безумно дергается. В медицинских аппаратах используются поля до миллиона А/М (1 и более Тесла). Обыкновенные ферритовые магнитики для браслетов создают поле в области своих торцов до В= 10-20 мили Тесла, а современные магниты из специальных сплавов до 0.7 Тесла. Таким образом окружающие нас технические магнитные поля в тысячи раз превышают уровень магнитных бурь от Солнца. Стоит подумать о других причинах плохого самочувствия кроме бурь земного магнетизма "метеозависимым людям". (Есть другие устойчивые мнения о влиянии Природных факторов на самочувствие людей. Изменение атмосферного давления, фаз Луны, погоды. Однако при спуске в Метро или на фуникулере, я не говорю уже о кресельных подьемниках или перелетах аэро, атмосферное давление с высотой меняется более, чем при изменении погоды, однако я не видел людей, реагирующих на это. Фазы Луны, погода прямо воздействуют на наше эмоциональное состояние, а мы живем эмоциями. Более того, при дождливости резко изменяется ионизированность нашего воздуха – при влажности ионы теряются. До восхода Солнца ионизация воздуха почти равна нулю. В полдень она достигает больших величин. Ионизированный воздух и может влиять на наше самочувствие. Люстра Чижевского всем знакома и во многих клиниках используется. Вероятно внутри организма постоянно идут медленные процессы изменения внутреннего состояния, накопления и рассасывания чего то. Период этих процессов – недели и месяцы, соизмерим с фазами Луны. Именно это надо изучать врачам и физиологам, а не ссылаться на "магнитные бури". Хотя последнее проще.)

    2. Воздействие постоянного магнитного поля

Воздействие постоянного магнитного поля на биообьекты во многом еще не выяснено.  Дело в том, что по законам физики постоянное магнитное поле действует только на движущиеся заряды. В мембранах и электролитах тела заряды связаны в ионы, ионы движутся очень медленно. Следовательно на них постоянное магнитное поле фактически не действует. Известно, что постоянное магнитное поле воздействует на доменную структуру воды - нашего повсеместного спутника и основы плазмы наших электролитов. Однако это воздействие значимо проявляется при температурах ниже 20 градусов Цельсия. Температура пациента 36.6 градусов. В целом оказывается затруднительно подвести какой либо известный физикам механизм воздействия постоянного магнитного поля на биообьекты.

Магнитное поле действует на быстро движущиеся электроны в атомах веществ. Возможно при этом изменяется скорость обменных процессов в длинных молекулах белков. Однако воздействия постоянного магнитного поля на скорость типовых химических реакций не наблюдается. Известно действие магнитного поля на движущийся электрон, оно описывается силой Лоренца (Fл):

              Fл=е_*v_*В_*sinα.,

где е - заряд частицы, v - скорость, В - индукция поля, α -угол между векторами В и v. Но эта сила проявляет себя разве что в телевизионных трубках и в космосе. Если вместе с зарядами движется проводник, то за счет сил Лоренца заряды смещаются и на торцах провода индуцируется ЭДС U:

              U = - B L v_*sin α. {Вольт},

 где L- длинна проводника в метрах, v - скорость м/с, α тот же угол, что и для силы Лоренца.

        

              3. Форма магнитного поля токов

Магнитное поле описывает конкретное физическое явление: движущиеся заряды воздействует на другие движущиеся заряды на любом расстоянии. Это открыл Ампер (рис 3.2). Два провода длинной L с током i ампер на расстоянии R притягиваются (если токи текут в одну сторону), или отталкиваются (токи в разные стороны) с силой взаимодействия F:

F = μ _{0 *} i_1*i_{2 *}L/2ПR.

Поделиться: