Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние применения магнитных полей в современной медицине 18
1.1. Введение и краткая историческая справка 18
1.2. Биофизические и биохимические основы магнитотерапии 19
1.3. Механизмы физнолопіческого и терапевтического действия 21
1.4. Показания к лечебному применению магнитных полей 28
1.5. Противопоказания 30
1.6. Магнитные поля биологического происхождения и их использование в медицине 31
1.7. Магнитно-резонансная томография 47
1.8. Магнитная стимуляция - помощь при лечении психических расстройств 49
1.9. Обзор применения магнитов в медицине 50
1.10. Виды и классификация магнитных полей 63
1.11. Современное состояние магнитотерапии 75
1.11.1. Основные достижения магнитотерапии 79
1.11.2. Перспективные направления развития магнитотерапии 87
1.11.3. Разработка новых технологий в магнитотерапии 89
ГЛАВА 2. Теоретические основы оценки распределения магнитного поля в проводящих средах и биологических объектах 97
2.1. Общий случай расчёта магнитного поля и вихревых токов в проводящих средах при изменении тока в соленоиде 97
2.2. Программные средства расчета величин магнитных и электрических полей и вихревых токов и картины пространственного распределения их векторных полей 99
2.3. Распределение магнитных полей и вихревых токов в проводящих средах 105
ГЛАВА 3. Научные основы биоимпедансного метода контроля физического воздействия магнитного поля на биологические объекты
3.1. Общие положения 114
3.2. Применение биоимпедансных методов в медицине 115
3.2.1. Биофизические основы измерения импеданса живых тканей 116
3.2.2. Технические особенности измерения биоимпеданса 126
3.3. Контроль воздействия низкочастотной импульсной
магнитотерапии на живую ткань методом динамических многочастотных биоимпедансных измерений 128
3.3.1. Система мониторинга магнитотерапевтического воздействия прибора ГинеСпок биоимпедансным методом в субкилогерцовом диапазоне частот 129
3.3.2 Система мониторинга магнитотерапевтического
воздействия прибора ГинеСпок биоимпедансным методом в субмегагерцовом диапазоне частот 13 б
3.3.3 Применение (?иоимпедансного метода для измерения медленных релаксационных процессов в живых тканя 149
ГЛАВА 4. Научные основы проектирования технических средств различных типов импульсного магнитноговоздействия на биологические объекты 163
4.1. Выбор типа магнитной стимуляции 163
4.2. Разработка генератора тока для питания индуктора 164
4.3. Исследование влияния материала сердечника на эффективность работы индуктора 166
4.4. Поиск оптимальной конструкции индуктора для магнитотерапии простатита 167
4.5. Обмеры магнитного поля вокруг индуктора ПроСПОК 171
4.6. Разработка индуктора для импульсной магнитотерапии в гинекологии 173
4.7. Разработка индуктора для проведения общей импульсной магнитотерапии 175
4.8. Разработка индуктора для неинвазивнои гемомагнитотерапии 178
ГЛАВА 5. Практическая реализация результатов диссертационной работы методами низкочастотной магнитотерапии с использованием аппаратов серии «спок» в клинической и восстановительной медицине 181
5.1. Механизмы биологического действия магнитных полей 181
5.2. Клиническое применение аппаратов «СПОК» 189
5.3. Аутогемомагнитотерапия в клинической практике 198
5.4. Повышение и восстановление физической активности и выносливости с помощью низкочастотных МП 202
5.5. Основные разработки, выполненные по результатам диссертационных исследований 204
Основные результаты диссертационной работы 250
Литература
- Магнитные поля биологического происхождения и их использование в медицине
- Программные средства расчета величин магнитных и электрических полей и вихревых токов и картины пространственного распределения их векторных полей
- Биофизические основы измерения импеданса живых тканей
- Исследование влияния материала сердечника на эффективность работы индуктора
Введение к работе
В диссертации представлено обобщение выполненных автором в 1984-2004 годах исследований в области создания системы контроля и направленного воздействия магнитных полей на состояние биологических объектов с использованием биоимпедансных методов и импульсных магнитных полей определенной формы и параметров.
Актуальность темы. Чрезвычайно широкое распространение в различных областях науки, техники и особенно в биологии и медицине получили магнитные поля и магнитные методы контроля. Биологическая наука первой половины XX века уверенно описывала жизненные функции, вовсе не учитывая существования каких-либо магнитных полей. Более того, некоторые биологи считали нужным подчеркнуть, что даже сильное искусственное магнитное поле не оказывает никакого влияния на биологические объекты.
В последние годы России и за рубежом интенсивно развивается магнитотерапия, базирующаяся на лечебно-профилактическом применении магнитных полей различных параметров. Многочисленные экспериментальные исследования и клинические наблюдения указывают на высокую терапевтическую эффективность магнитных полей, хорошую их совместимость с другими лечебными средствами. Как физиологическое, так и лечебное действие магнитных полей многообразно и весьма существенно зависит от параметров и методик использования. Поэтому несмотря на обилие публикаций, многие вопросы магнитотерапии остаются неясными, требующими обсуждения и исследования. Актуальной проблему магнитотерапии делает и постоянное появление новых магнитотерапевтических аппаратов, методик и способов применения магнитных полей.
Среди нерешенных и перспективных вопросов отметим необходимость более полного и точного описания механизмов действия магнитных полей на здоровый и больной организм, разработку проблем общей и специальной магнитотерапии, оптимизацию лечебных методик при самых различных заболеваниях, совершенствование маг-нитотерапевтической аппаратуры. Особенно острой является проблема создания высокочувствительных современных методов и средств контроля и оценки степени воздействия магнитного поля различной формы и параметров на биологические объекты в норме и патологии.
В данной работе предлагается система контроля и направленного воздействия магнитных полей на состояние биологических объектов основанная на использовании методов динамических многочастотных биоимпедансных измерений и низкочастотных импульсных магнитных полей определенной формы и параметров с использованием аппаратов серии «СПОК» в клинической и восстановительной медицине
Цель работы — совершенствование методов контроля и создание научно обоснованных технических решений направленного воздействия магнитных полей на биологические объекты, обеспечивших внедрение в биологическую и медицинскую практику новых методов и средств коїпроляішадїшшздщиаіячзских технических
устройств, основанных на использовании 1НЭДОД&бШН№Д->№пу&ъсных магнитных
"г&И
полей определенной формы и параметров, позволивших значительно расширить области использования методов магнитотерапии.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
Анализ современного состояния методов и средств контроля, воздействия магнитных полей на биологические объекты;
Анализ воздействия магнитных полей различных форм и параметров на состояние биологических объектов;
Разработка алгоритмов и программного обеспечения для анализа распределения магнитных полей в биологических объектах и проводящих элементах технических устройств, используемых для воздействия магнитных полей на биологические объекты;
Разработка научных основ методов динамических многочастотных биоимпе-дансных измерений для оценки воздействия магнитных полей на биологические объекты;
Определение требований, предъявляемых к средствам биоимпедансного контроля магнитного воздействия на биологические объекты;
Проведение экспериментальных исследований при воздействии низкочастотных импульсных магнитных полей определенной формы и параметров с использованием аппаратов серии «СПОК» в клинической и восстановительной медицине;
Проведение опытно-промышленных испытаний и освоение биоимпедансных методов контроля и аппаратов серии «СПОК» в клинической и восстановительной медицине.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Показана возможность и эффективность использования биоимпедансного метода контроля воздействия магнитного поля на биологические объекты, основанного на измерении электрических параметров живой ткани;
Экспериментальные данные, получаемые прибором для многочастотного измерения биоимпеданса, дают значительный массив информации, позволяющий детально описывать динамику процессов в живой ткани, что может представлять диагностическую ценность при анализе различных патологических состояний;
В результате теоретических и экспериментальных исследований получены аналитические выражения для описания распределения магнитного поля в биологических объектах и проводящих материалах, используемых в устройствах воздействия магнитных полей на биологические ткани;
В результате теоретических и экспериментальных исследований показана перспективность измерения проводимости тканей в субмегагерцовом диапазоне для контроля магнитотерапевтического воздействия аппаратов серии СПОК.;
При изменении проводимости в ходе магнитотерапевтической процедуры выявлено сложное поведение частотных свойств тканей. Наибольшая стабильность отклика наблюдалась на частоте 125 кГц, а наибольшее разнообразие сценариев поведения - на частоте 1 МГц;
Установлено, что влияние магнитотерапии на межсистемный уровень заключается в информационно-энергетическом эффекте магнитного воздействия на биологические системы, что достигается за счет увеличения скоростей биохи-
мических реакций и обменных процессов в зоне воздействия, стимуляции регенерации и повышения возбудимости нервно-мышечных процессов, улучшения микроциркуляции;
Разработаны основные требования и предложены технические решения, защищенные рядом авторских свидетельств и патентов, обеспечивающие разработку аппаратов серии СПОК, основанных на использовании методов низкочастотного магнитного воздействия на биологические объекты;
На основе результатов диссертационного исследования предложены методологические принципы магнитотерапевтической системы с использованием аппаратов серии СПОК в клинической и восстановительной медицине.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
разработаны аналитические алгоритмы и программы, позволяющие получать все необходимые данные для расчета и изготовления индукторов, с помощью которых формируются магнитные поля конкретных видов и величин;
разработаны и освоены в промышленности приборы нового поколения серии «СПОК» (Униспок, Проспок, Гинеспок, Дермспок, Ортоспок, Уроспок, Диабспок, Гемоспок, Стимулспок, Музиспок, Неврспок). Сертификат соответствия РОСС BY.PBO1.B10552, РОСС ВУ.РБ01.В03759, РОСС ВУ.РБ В10553; регистрационные удостоверения ИМТ №ИМ-0.352, ИМТ №ИМ-0374, ИМТ №ИМ-7.632, МЗ РФ №2001/324, МЗМПР №97/719, МЗ РФ №2000/184, МЗМПР№98/511;
разработаны и внедрены в медицинскую практику методические рекомендации по использованию аппаратов СПОК в медицинской практике;
выполнены работы по разработке технологического обеспечения, сертификации выпускаемого оборудования, разработаны ТУ РБ 14506074.005-96, ТУРБ 14506074.006-98;
приборы серии «СПОК» внедрены более чем в 500 научных и лечебных учреждениях, в том числе: Всероссийском научном центре восстановительной медицины и курортологии, РНЦ «Курчатовский институт», Всероссийском научно-исследовательском институте физической культуры и спорта, Московском научном центре спортивной медицине, Санкт-Петербургской военно-медицинской академии, Оренбургской областной клинической больнице, Главном клиническом госпитале МВД РФ и др., а также поставлены на экспорт в Германию, Швейцарию, США, Австрию, Италию, Болгарию, Чехию, Венгрию, Польшу, Китай, Южную Корею, Чехию, Турцию;
использование аппаратов СПОК в медицинской практике позволяет качественно улучшить оказание лечебно-оздоровительных услуг, сократить время лечения и реабилитации, число койко дней на каждого пациента. Лечение на аппаратах «СПОК» прошло более 300000 пациентов;
использование аппаратов СПОК в спортивной практике позволяет повысить работоспособность спортсменов, улучшить восстановление после нагрузок, что позволяет показывать высокие результаты на различных соревнованиях. Аппараты «УниСПОК», «Ортоспок» использовались при подготовке и участии спортсменов на Летних Олимпийских играх в Сиднее и Афинах, Зимних Олимпийских играх в Солт-Лейксити.
На защиту выносится комплексное решение научно обоснованной системы контроля и направленного воздействия магнитных полей на состояние биологических объектов с использованием биоимпедансных методов и импульсных магнитных полей определенной формы и параметров, позволившей значительно расширить области использования методов магнитотерапии, включающей в себя:
Единый системный подход к решению задач разработки методов и средств контроля и направленного воздействия магнитных полей на состояние биологических объектов;
Полученные в результате теоретических и экспериментальных исследований аналитические зависимости для описания распределения магнитных полей в биологических и проводящих средах;
Теоретические основы разработки алгоритмов и программ, необходимых для разработки методик контроля биологических объектов биоимпедансным методом;
Научное обоснование возможности использования биоимпедансного метода контроля, основанного на измерении электрической проводимости живой ткани, для проведения экспрессного контроля направленного воздействия низкочастотных магнитных полей на биологические объекты;
Основные требования, предъявляемые к средствам направленного воздействия магнитных полей и к биоимпедансным методам контроля, предназначенным для измерения и оценки степени воздействия магнитных полей на биологические объекты и соответствующие технические решения, положенные в основу магнитотера-певтических устройств типа «СПОК».
Апробация работы. Основные результаты работы были получены при выполнении научно-исследовательских работ, проводимых предприятием «Интер-спок» совместно с Российским научным центром «Курчатовский институт», в которых автор принимал участие в качестве руководителя и ответственного исполнителя, отражены в научных отчетах по этим работам, а также докладывались автором лично и в соавторстве на Всемирном конгрессе «Магнитные поля в медицине» (г.Чикаго, США, 1997г.), на 2-ой Международной конференции по биомедицинским технологиям (г.Стамбул, Турция, 1998г.), на Международной конференции по применению магнитных полей в медицине (Прага, Чехия, 1999г.), на XIII Международном конгрессе Биофизиков (Нью Дели, Индия, 1999г.), на Европейском конгрессе ревматологов в (Ницце, Франция, 2000г.), на III Российском симпозиуме по остео-порозу (Санкт-Петербург, 2000г.), на 2-ом Всемирном конгрессе новых технологий (Дейджеон, Южная Корея, 2001г.), на Международной научно-практической конференции «Применение магнитных полей в медицине» (Оренбург, Россия, 2000г.), на Международном симпозиуме «Физические факторы в повышении работоспособности, лечении и реабилитации легкоатлетов» (Минск, Белоруссия, 2001г.), на Всероссийском форуме «Здравница 2002» (Москва, 2002г.), на Всероссийском форуме «Здравница 2003» (г. Кисловодск, Россия, 2003г.), на Всероссийском форуме «Здравница 2004» (Санкт-Петербург, Россия, 2004г.).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 54 научные работы, в том числе книг, монографий, брошюр - 3, авторских свидетельств и патентов - 17, изданиях по перечню ВАК — 4, статей в отечественных журналах и докладов и тезисов докладов на науч-
но-технических семинарах и конференциях - 23, нормативно и информационно-технические издания - 2, методические рекомендации и инструкции — 5.
Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов, списка литературы. Основная часть диссертации изложена на 271 страницах машинописного текста, содержит 75 рисунков и 15 таблиц.
Магнитные поля биологического происхождения и их использование в медицине
Некоторые виды клеток в организме, такие как мускульные и нервные клетки, обладают собственной электрической активностью. Электрические токи, возникающие в результате этой активности, порождают магнитные поля. Измерением и изучением таких полей занимается область знаний, называемая биомагнетизм. Основной целью биомагнетизма является выявление биологических процессов, лежащих в основе элекрической и магнитной активности живых тканей. Информация, полученная при изучении биомагнитных полей, не только вносит вклад в понимание фундаментальных законов функционирования живых организмов, но и дает в руки медиков полезный диагностический инструмент. Следует отметить, что магнитные поля измеряются снаружи тела без какого-либо контакта, вследствие чего данная методика является совершенно неинвазивной и абсолютно безвредной.
Наибольший интерес у исследователей вызывают магнитные поля сердца (магнитокардиография) и мозга (магнитоэнцефалография). Однако изучаются и другие источники биомагнитных полей, такие как мышцы (магнитомиография), глаза (магнитоокулография) и др.
Биомагнитные поля очень малы. Даже магнитное поле сердца, самого сильного источника магнитного поля в человеческом организме, в миллион раз слабее магнитного поля земли, вращающего стрелку компаса. Измерение столь малых полей достаточно сложная задача, поэтому прогресс в биомагнетизме стал возможен только с появлением очень чувствительных датчиков магнитного поля, сквидов. Действие Сверхпроводящего КВантово-Интерференционного Датчика (СКВИД) основано на эффекте Джозефсона. Магнитометрами на основе сквида могут быть измерены магнитные поля до 10"14 тесла. Первым серьезным успехом биомагнетизма стало измерение магнитной кардиограммы сердца, произведенное Д. Коэном и его коллегами в 1970 году. В этом исследовании был использо ван сквид в качестве датчика магнитного поля, немагнитный криогенный сосуд с жидким гелием для поддержания рабочей температуры сквида во время измерений и магнитоэкранированную комнату для подавления внешних магнитных шумов. Данный набор оборудования является теперь стандартным при проведении биомагнитных измерений.
Измерительная аппаратура
По сути сквид - это сверхпроводящее кольцо, имеющее одно или два слабых звена, получивших название Джозефсоновские переходы. Особенность Джозеф-соновского перехода состоит в том, что существующая в нем сверхпроводимость может быть вазрушена очень слабым током (типичное значение критического тока 10-100 микроампер). Сложные квантово-волновые свойства перехода впервые были описаны Б. Джозефсоном в 1962 году. Джозефсоновские переходы могут работать только при сверхпроводящих температурах, то есть несколько градусов кельвина в случае обычных низкотемпературных сверхпроводников или несколько десятков градусов кельвина в случае высокотемпературных сверхпроводников. Такие температуры обычно достигаются путем охлаждения в жидком гелии (температура кипения 4.2 градусов Кельвина) или в жидком азоте (температура кипения 77 грдусов кельвина), что вызывает определенные технические трудности. С другой стороны, работа при низких температурах, когда шумы датчика значительно снижены, позволяет достичь предельной чувствительности.
Можно упомянуть несколько интересных явлений, на которых основана работа сквида. Например, тот факт, что магнитное поле не может проникнуть внутрь сверхпроводника глубже определенной величины. Вытеснение магнитного поля из тела сверхпроводника, известное как эффект Мейснера, тесно связано с другим явлением, называемым "вмороженное поле". Представим себе сверхпроводящее кольцо, которое было помещено во внешнее магнитное поле до наступления сверхпроводящего состояния. После удаления внешнего магнитного поля некоторая часть магнитного потока останется "вмороженной" в отверстие кольца. Более того, это вмороженное поле не может принять произвольное значение, а обязательно должно быть кратно некоторой величине, кванту потока, равному 2.07x10 15 вебер.
Конструкция современных сквидов основана на использовании тонкопленочных технологий, сходных с теми, что используются при произведстве интегральных схем. Чувствительность датчиков, предлагаемых сегодня на рынке, достигает 5 fT/Hz" . С открытием высокотемпературной сверхпроводимости в 1986 году большие усилия исследователей были направлены на разработку высокотемпературных сквидов. Существенным преимуществом высокотемпературных сквидов является то, что жидкий азот дешевле жидкого гелия и проще в обращении. Несмотря на то, что термический шум высокотемпературных сквидов неизбежно выше, чем шум низкотемпературных сквидов, стараниями разработчиков их чувствительность вплотную приблизилась к чувствтельности низко-температурньгх датчиков. Однако, как показывает практика, в настоящее время большинство коммерчески выпускаемых приборов построено на основе низкотемпературных сквидов, что объясняется тем, что высокотемпературные сквиды по-прежнему считаются шумными и недостаточно стабильными.
Программные средства расчета величин магнитных и электрических полей и вихревых токов и картины пространственного распределения их векторных полей
Все расчеты величин магнитных и электрических полей и вихревых токов, а также картины пространственного распределения их векторных полей, проводились на компьютере в рамках прикладного пакета программ «МАТЕМАТИКА 4», совместимого с операционной системой Windows98 и выше. Этот программный продукт позволяет проводить расчеты непосредственно по формулам математической физики, в том числе решать интегро-дифференциальные уравнения, а также приводить результаты в удобном графическом виде.
В качестве конкретного примера рассчитаем зависимость величины магнитной индукции B(z) в единицах тесла от расстояния z в сантиметрах по оси соленоида до нижнего края катушки. Ее параметры: радиус а=2 см, длина h= 10 см, плотность витков n=100/h, ток 1=0.2 ампера, магнитный сердечник с магнитной проницаемостью ц=700. Ниже приведена соответствующая расчетная формула задачи в том виде, как она непосредственно задается для компьютерного счета: B=(700)nJ(4Pi/10000000)(((h-z)/(((h-z)2+aA2)(1/2)))+((z)/(((z)2+a2)(,/2)))))/2
Результат расчета удобно представить в виде графика (рис.2.2.1) Из рис.2.2.1. видно, что величина магнитной индукции В достигает максимума В=0.17 Тл в центре катушки и плавно спадает при удалении от него. Так, у нижнего края катушки (z=0) она уже в два раза меньше и составляет В=0.085 Тл, а на расстоянии 2 см ниже ее края (z=-2 см) индукция равна В=0.050 Тл=50 мТл. Предполагается, что ферритовый сердечник заполняет пространство только внутри катушки, что, однако, практически не влияет на величину магнитной индукции внутри расположенной рядом с катушкой биологической ткани, которая имеет магнитную проницаемость и,» I.
Рис.2.2.1. Расчетная магнитная индукция В в теслах по оси катушки - ось ординат, ось абсцисс z - расстояние в сантиметрах от ее нижнего края. Параметры катушки: радиус а=2 см, длина h=10 см, плотность витков n=100/h, ток 1=0.2 ампера, магнитный сердечник из феррита марки М700НН с магнитной проницаемостью р,=700.
Перейдем теперь к расчетам вихревых электрических полей в среде с проводимостью X. При изменении во времени магнитной индукции B(x,y,z,t) в области, окружающей соленоид, возникают вихревые электрические поля E(x,y,z,t), такие, что согласно уравнению Максвелла (4): rotE(x,y,z,t)=5B(x,y,z,t)/5t. (10) Эти вихревые электрические поля вызывают соответствующие вихревые токи в проводящей среде, где происходит изменение магнитной индукции B(x,y,z,t). При достаточно низкой частоте таких изменений тока I(t) в катушке соленоида из уравнения Максвелла (3) можно с хорошей степенью точности записать: ЭВ(х,у,2,1)/ЭНВо(х,у,г)Я0) ОВД/&), (10 где B0(x,y,z) - это магнитная индукция, создаваемая в пространстве вблизи соленоида с постоянным током 1о- Учитывая, что магнитная индукция может быть представлена как ротор векторного потенциала A(x,y,z,t) [2]: B=rot A(x,y,z,t), где A(x,y,z,t)=J J(x,y,z,t)dx dy dz/ r-r (x,y,z,t) . Из (10) и (11) получаем пропорциональность вихревого электрического поля E(x,y,z,t) векторному потенциалу A(x,y,z,t). Поэтому, для вычисления вихревых токов полезно провести расчет векторных полей B(x,y,z,t) и A(x,y,z,t) для какого-нибудь постоянного тока 1о, а потом этот расчёт использовать в задаче с переменными токами низкой частоты I(t). Этому расчёту посвящено нижеследующее рассмотрение.
В качестве начального приближения следует провести рассмотрение для очень тонкого и длинного соленоида, так как по ряду причин оно оказывается полезным и находит своё применение в качестве структурного элемента в более сложных расчетах для соленоидов с большим отношением диаметра к длине. Наличие магнитного сердечника на оси соленоида приводит лишь к пропорциональному увеличению магнитной индукции B(x,y,z,t) во всех точках пространства и не искажает картины силовых линий, полученной в рамках рассмотрения простых соленоидов без сердечника.
Для бесконечно тонкого соленоида магнитная индукция в окружающем пространстве выглядит как суперпозиция радиальных кулоновских полей от двух разноимённых магнитных полюсов, расположенных в концевых точках этого тонкого соленоида. Ниже показан пример применения этого подхода к расчету величин магнитной индукции и полей векторного потенциала в пространстве вокруг тонкого соленоида. Соответствующий набор формул для пакета "МАТЕМАТИКА 4" имеет следующий вид;
Биофизические основы измерения импеданса живых тканей
В живых тканях распределение электрических полей, а также связанных с ними электрических токов зависит от электрических свойств этих тканей. К данным свойствам относятся удельная электрическая проводимость ст и диэлектрическая проницаемость є. Диэлектрическая проницаемость зависит от частоты электрического поля, в то время как удельная электрическая проводимость не меняется с частотой. Эти параметры характеризуют различные физические механизмы, которые будут изложены ниже.
Удельная проводимость - это мера подвижности ионов в жидкостях, входящих в состав исследуемой ткани, под действием электрического поля. Живые ткани являются проводниками с ионной электропроводностью. То есть электропроводность осуществляется за счет движения ионов в электролите под действием электрического поля. Электропроводность тканей зависит от содержания в них жидкости. Ткань с высоким содержанием воды и свободная от жира обладает меньшим электрическим сопротивлением, чем жировая, костная и эпителиальная. Общее количество воды, содержащейся в организме здорового человека, составляет в среднем около 60% его веса. Это количество принято разделять на внеклеточную и внутриклеточную жидкость. По данным S. Albert (1971) их процентные содержания составляют 16-20% и 38-50% от массы тела соответственно. Внеклеточная жидкость, в свою очередь, делится на плазму крови (4-5% массы тела) и на межтканевую жидкость и лимфу (13-15%).
Диэлектрическая проницаемость характеризует поляризацию вещества. Поляризация может меняться во времени под действием переменных электрических полей, что ведет к возникновению токов поляризации. Электрическая поляризация может быть определена как возмущение распределения электрических зарядов в некоторой области под действием внешнего электрического поля. Поляризация - это инерционный процесс, который не может произойти мгновенно. По стоянная времени, характеризующая длительность этого процесса, называется временем релаксации т. Время релаксации некоторой системы можно узнать, подав на нее ступенчатое возмущающее воздействие, и затем измерив время перехода в новое устойчивое состояние. Релаксация электронов и небольших дипольних молекул - это довольно быстрый процесс с временами релаксации, лежащими в диапазоне пико- и наносекунд, в то время как поляризация на границе раздела сред может занимать промежуток времени порядка секунд.
Рассмотрим простейшую модель, представленную на рис. 3.2.1, где исследуется образец сечением А и толщиной L, материал которого обладает диэлектрической проницаемостью є и удельной электрической проводимостью а. Для данного примера закон Ома в комплексной форме будет выглядеть следующим образом: А I ={ J + j(DE ) Et (3.1) где /— ток, протекающий через образец, о) — частота переменного тока, Е — разность потенциалов на электродах, L - площадь электродов, Л - расстояние между электродами, Приведенная выше схема позволяет измерить коэффициент пропорциональности между напряжением и током, который называется полным удельным сопротивлением Z. 2 = 1—. (3.2) щ ч Полное удельное сопротивление состоит из двух компонент активной - 2 , и реактивной —z". z z +jz". (3.3) В такой цепи между напряжением и током возникнет сдвиг фаз р, который определяется как: ф = arctan — . (3.4) Диэлектрическая проницаемость биологических тканей зависит от частоты переменного электрического поля. Так же, как и z, диэлектрическая проницаемость может быть разложена на истинную и мнимую составляющие: Е = Є + ]Є . (3.5)
Диэлектрические свойства биологических тканей и клеток имеют ряд отличительных особенностей. Обычно диэлектрическая проницаемость имеет наивысшее значение на низких частотах, а затем ступенчато снижается с увеличением частоты (рис. 3.2.2). Такие свойства объясняются действием нескольких различных биофизических механизмов. Три колена на графике соответствуют трем основным областям релаксации, получившим названия а, (3 и у области. Им соответствуют частоты со средними значениями приблизительно равными 100 Гц, 500 КГц и 25 ГГц соответственно, а-область связана с внешней поляризацией мембран клеток и свойствами двойного электрического слоя, р-область связяна с наличием у клеточной мембраны электрической емкости, у-связана с релаксаци ей молекул воды. Далее мы рассмотрим более подробно аир" области, так как они лежат в интересующем нас диапазоне частот (ниже одного мегагерца).
Исследование влияния материала сердечника на эффективность работы индуктора
Одним из важных направлений развития биоимпедансного метода является увеличение пространственной детализации измерения характеристик организма и отдельных его частей. Это достигается путем увеличения числа электродов и последующим расчетом распределения проводимости, с учетом вклада от различных пар электродов. Однако на этом пути существует принципиальная трудность. Оказывается, что даже после тщательного, аккуратного наложения измерительных электродов и при полном покое пациента, измеряемая величина биоимпеданса не остается постоянной, а непрерывно изменяется. Скорость этого изменения не постоянна, а сама измеряемая величина может как возрастать, так и падать, в зависимости от места наложения электродов и состояния организма. Амплитуда дрейфа импеданса довольно значительна и иногда сравнима с самой величиной импеданса.
В настоящее время такое свойство биоимпеданса воспринимается как мешающий фактор, имеющий недостаточно ясную природу, и его пытаются исключить, по мере возможности. Это приводит к большой длительности измерения, так как необходимо ждать, пока величина биоимпеданса приемлемо заста-билизируется. Значительное изменение происходит в течение примерно 10 минут, что уже немало, однако медленный дрейф наблюдается еще 2-4 часа. Все это время пациент должен избегать движений, что довольно затруднительно. Поскольку на разных электродах характерные времена такого переходного процесса могут быть различны, то возникает трудность в проведении расчетов пространственного распределения электропроводящих свойств тканей организма.
Перечисленные факторы сильно тормозят прогресс в разработке биоимпедансно-го томографа.
Целью данного исследования являлось изучение вышеописанных медленных процессов как дополнительного источника информации о состоянии тканей.
В ходе работы было осуществлено дальнейшее усовершенствование измерительной системы, включающее расширение возможностей пользовательского интерфейса. Кроме того, были сконструированы электроды, позволяющие вести измерения на разных участках поверхности тела.
Измерительная система
При использовании измерительной системы, базирующейся на компьютере, одной из важнейших задач является организация пользовательского интерфейса, то есть такого отображения измеряемых величин и такого метода управления с клавиатуры и мыши, которые обладали бы достаточной информативностью и удобством для медицинского работника. Данный подход лежит в основе дальнейшего усовершенствования измерительной системы, описанной в подразделе 2.2.
Вид дисплея компьютера в процессе работы программы в режиме просмотра результатов показан на рис. 3.3.23. Записанные кривые имеют разные цвета и изображают зависимости амплитуды токов разной частоты, протекающих между электродами, как функции времени. Полный размер шкалы по вертикали соответствует току 2 мА. Одна запись может продолжаться около получаса (2000 секунд). В ходе измерения врач имеет возможность следить за изменением токов на экране и делать выводы о том как они зависят от различных условий проведения процедуры. Кроме того, имеется возможность вводить текущие комментарии, отражающие события, происходящие в различные моменты проведения процедуры. Эти комментарии, а также данные о пациенте (ФИО, возраст, диагноз и пр.) и полный набор амплитуд токов во все моменты времени заносятся в общую базу данных, снабженную системой поиска по пациентам, дате и диагнозу. Это позволяет проводить последующий анализ массива данных с целью установления необходимых закономерностей.
Рис. 3.3.23. Представление данных измерения высокочастотного биоимпедеанса на экране компьютера в режиме просмотра. Электроды, площадью 4 кв. см, установлены на бедре и бицепсе. Кривые, относящиеся к разным частотам мзмере-ния, имеют разный цвет. Пользуясь курсором, можно определить точные значения амплитуды тока в любой момент времени. При этом значение момента времени высвечивается в минутах и секундах в передвигающемся окошке (здесь -31.59 в правой части экрана), а значения амплитуды тока в отсчетах аналого-цифрового преобразователя (пропорциональных току), - в четырех окошках слева вверху. Это необходимо для проведения точных расчетов при обработке результатов измерений.
Похожие диссертации на Система контроля и направленного воздействия магнитных полей на состояние биологических объектов
