Рентгеновское и гамма-излучение обладают высокими энергиями квантов, что определяет их специфическое взаимодействие с веществом, - эти излучения являются ионизирующими. Одной из важных характеристик электромагнитного излучения. Определяющей характер его взаимодействия с биологическими объектами, является энергия фотона e. Как известно, электромагнитное излучение обладает одновременно как свойствами волны, так и частице (корпускулярно-волновой дуализм). Выраженность каждого из этих свойств зависит от длины волны. Так, в радио- и ИК-диапазоне проявляются волновые свойства (дифракция волн, интерференция), в видимом диапазоне и те и другие свойства выражены примерно одинаково (дифракция - волновые, фотоэффект - корпускулярные). С уменьшением длины волны сильнее проявляются корпускулярные свойства электромагнитного излучения. Начиная с энергии кванта, примерно равной 12 эВ (1 эВ = 1,6*10-19 Дж), что соответствует дальнему УФ, и далее в диапазоне рентгеновского и тем более гамма-излучения, электромагнитная волна ведет себя как поток частиц. С этой условной границы электромагнитные излучения могут ионизировать вещество, и поэтому, начиная с дальнего УФ, рентгеновское и гамма-излучения относят к ионизирующим.
Собственные физические поля организма человека
физика естественный наука человек электромагнитный
Вокруг любого существуют различные физические поля, определяемые процессами, происходящими внутри него. Не составляет в этом смысле исключения и человек. Физические поля, которые генерирует организм в процессе функционирования, называют собственными физическими полями организма человека.
Многочисленные физические методы исследования организма человека, использующие регистрацию собственных физических полей человека, позволяют получить информацию о процессах в организме, которую нельзя получить иными способами. Типичный пример - электрокардиография.
Виды физических полей тела человека. Их источники
Можно выделить четыре основные диапазона электромагнитного и три диапазона акустического излучения, которые активно изучаются в последнее время. Диапазон собственного электромагнитного излучения ограничен со стороны коротких волн оптическим излучением, а со стороны длинных волн - радиоволнами длиной около 60 см. В порядке возрастания частоты указанные выше диапазоны можно расположить следующим образом:
1) низкочастотное электрическое и магнитное поле (частоты ниже 103 Гц);
2) радиоволны сверхвысоких частот (СВЧ) (частоты 109-1010 Гц и длина волны вне тела человека 3-60 см);
3) инфракрасное (ИК) излучение (частота 1014 Гц, длина волны 3-10 мкм);
4) оптическое излучение (частота 1015 Гц, длина волны 0,5 мкм).
Такой выбор диапазонов особенностями биологических объектов.
Источники электромагнитных полей различны в различных диапазонах частот. Низкочастотные поля создаются главным образом при протекании физиологических процессов, сопровождающихся электрической активностью органов: перистальтические сокращения гладкой мускулатуры кишечника (период около 1 мин), поляризация и деполяризация сердечной мышцы в цикле сердечного сокращения (характерное время процессов порядка 1 с), прохождением электрического импульса по нервным волокнам (около 10 мс), периодические процессы возбуждения и торможения в головном мозге (0,1 с). Спектр частот, соответствующих этим процессам ограничен сверху значениями, не превосходящими 1 кГц. В СВЧ и ИК-диапазонах источником физических полей является тепловое электромагнитное излучение. Измерение теплового излучения позволяет определить температуру тела человека. Диапазон собственного акустического излучения ограничен со стороны длинных волн механическими колебаниями внутренних органов и поверхности тела (0,01 Гц), а со стороны коротких волн - ультразвуковым излучением. В частности, от тела человека регистрируются сигналы с частотой порядка 10 МГц. В порядке возрастания частоты три диапазона акустического поля включают в себя:
1) низкочастотные колебания (частоты ниже 103 Гц);
2) кохлеарную акустическую эмиссию - излучение из уха человека (частота 103 Гц);
3) ультразвуковое излучение (частота 1-10 МГц).
Источники акустических полей в различных диапазонах имеют разную природу. Низкочастотное излучение создается физиологическими процессами: дыхательные движения, сокращение сердца, пульсирующее движение крови по сосудам, сопровождающиеся колебаниями поверхности тела человека в диапазоне приблизительно 0,01 - 103 Гц. Это излучение в виде колебаний поверхности можно зарегистрировать контактными, либо бесконтактными методами, однако его практически невозможно измерить дистанционно с помощью микрофона. Это связано с тем, что идущие из глубины тела акустические волны практически полностью отражаются обратно от границы раздела "воздух-тело человека" и не выходят наружу в воздух из тела человека. Коэффициент отражения звуковых волн близок к единице из-за того, что плотность тканей человека близка к плотности воды, которая на три порядка выше плотности воздуха. У всех наземных позвоночных существует, однако, специальный орган, в котором осуществляется хорошее акустическое согласование между воздухом и жидкой средой, - это ухо. Среднее и внутренне ухо обеспечивают передачу почти без потерь звуковых волн их воздуха к рецепторным клеткам внутреннего уха. Соответственно, в принципе, возможен и обратный процесс - передача колебаний из уха в окружающую среду - и он обнаружен экспериментально с помощью микрофона, фиксированного в слуховом канале. Источником акустического излучения в мегагерцовом диапазоне является тепловое акустическое излучение - полный аналог соответствующего электромагнитного излучения. Оно возникает вследствие хаотического теплового движения атомов и молекул человеческого тела. Интенсивность этих акустических волн, как и электромагнитных, определяется абсолютной температурой тела. Рассмотрим некоторые виды физических полей, создаваемых телом человека, более подробно.
Низкочастотные электрические и магнитные поля
Электрическое поле человека существует на поверхности тела и снаружи, вне его. Электрическое поле вне тела человека обусловлено главным образом трибозарядами, т.е. зарядами, возникающими на поверхности тела вследствие трения об одежду или какой-то диэлектрический предмет, при этом на теле создается электрический потенциал порядка нескольких вольт. Электрическое поле непрерывно меняется во времени: во-первых, происходит нейтрализация трибозарядов - они стекают с высокоомной поверхности кожи с характерными временами 100-1000 с; во-вторых, изменения геометрии тела вследствие дыхательных движений, биения сердца и т.п. приводят к модуляции постоянного электрического поля вне человека.
Еще одним источником электрического поля вне человека является электрическое поле сердца. Приблизив два электрода к поверхности тела, можно бесконтактно и дистанционно зарегистрировать такую же кардиограмму, что и традиционным методом. Следует отметить, что этот сигнал во много раз меньше, чем поле трибозарядов. Контактные методы измерения электрического поля в настоящее время находят наибольшее применение в медицине: на этих принципах основаны методы кардиографии и электроэнцефалографии. Магнитное поле тела человека создается токами, генерируемыми клетками сердца и коры головного мозга. Оно исключительно мало - в 10 млн. - 1 млрд. раз слабее магнитного поля Земли. Основные медицинские применения измерений магнитных полей человека - это магнитокардиография (МКГ) и магнитоэнцефалография (МЭГ). Достоинством МКГ по сравнению с традиционной ЭКГ является возможность локализовать источники поля с высокой точностью порядка 1 см. Рассмотрим два примера приложения МКГ.
1. Локализация источников экстрасистолии (картирование сердца). При экстрасистолии источником возбуждения миокарда в некоторые моменты времени вместо соответствующих нервных центров сердца являются миоциты желудочка. При этом нарушается цикл сердечного сокращения, т.к. желудочек сокращается не в фазе с остальными камерами сердца и не обеспечивает выброс достаточного объёма крови в аорту. Это приводит к тяжелым расстройствам кровообращения, и некоторых тяжелых случаях радикальным средством является хирургическое вмешательство - иссечение или радиочастотная деструкция очага экстрасистолии. Для этого очень важно иметь точные координаты расположения этого очага в миокарде, которые возможно получить только методом МКГ.
2. Измерение электрических характеристик плода на ранних стадиях развития. Слабый электрический сигнал плода замаскирован большим кардиосигналом сердца матери, поэтому записать ЭКГ развивающегося ребенка сложно. В то же время датчик магнитокардиографа можно поднести непосредственно к плоду и записать сигнал, на который материнское сердце не окажет существенного влияния, т.к. оно располагается в относительном удалении. Таким образом, регистрация электрических и магнитных полей человека позволяет получить взаимодополняющую информацию о функционировании отдельных органов человеческого организма.
Инфракрасное излучение
Наиболее яркую информацию о распределении температуры поверхности тела человека и её изменениях во времени дает метод динамического инфракрасного тепловидения. В техническом отношении это полный аналог телевидения, только датчик измеряет не оптическое излучение, отраженное от объекта, а его собственное инфракрасное излучение, не видимое глазом. Тепловизор состоит из сканера, измеряющего тепловое излучение в диапазоне волн от 3 до 10 мкм, устройства для сбора данных и электронно-вычислительного блок для обработки изображения. Диапазон 3-10 мкм выбран потому, что именно в этом диапазоне наблюдаются наибольшие отличия интенсивности излучения при изменении
температуры тела. Разновидность тепловидения, при которой исследуется временная динамика температурных полей, иногда называют динамическим тепловидением. Обрабатывая последовательные термокарты, можно определить динамику температуры в каких-то интересующих нас точках, изменения размеров определенных нагретых участков кожи. Наиболее яркий результат применения тепловидения в биологии - метод термоэнцефалоскопии, который используется в острых опытах для обнаружения и регистрации пространственного распределения температуры коры головного мозга животных. Использование этого метода позволяет "видеть" волны, распространяющиеся по коре головного мозга в ответ на различные внешние воздействия: раздражение определённых рецепторных зон, звуковую или зрительную стимуляцию, инъекции растворов и т.д.
К сожалению, тепловые карты мозга человека можно получить только в ходе нейрохирургических операций на открытом мозге, поскольку из-за сильного поглощения ИК-излучения скальп и толстая черепная коробка оказываются непреодолимой преградой для сигналов из мозга. Инфракрасное тепловидение тела человека дает информацию о температуре верхних слоев кожи - рогового эпидермиса и некоторых подлежащих слоев общей толщиной около 100 мкм, поскольку, как показано специальными измерениями, электромагнитные волны ИК-диапазона затухают, пройдя в биологических тканях это расстояние. Температура кожного покрова определяется балансом тепла за счет его отдачи в окружающую среду и притока за счет крови, притекающей из "теплового ядра" организма. Поэтому фактически ИК-тепловидение это способ оценить кожный кровоток в различных участках тела. Наиболее распространенным применением тепловидения в медицине является визуализация кровоснабжения нижних конечностей. Если кровоснабжение в них нарушено, то температура дистальных участков (стопы, голени) резко снижена. Регистрируя размер областей со сниженной температурой, можно определить степень выраженности заболевания, а также эффективность лечебных мероприятий.
Динамическое тепловидение позволяет отследить изменения температуры тела при различных дозированных воздействиях - функциональных пробах., таких как тепловое или холодовое воздействие на определенные участки кожи, физические упражнения, введение препаратов, вызывающих сужение или расширение сосудов и т.д.
Оптическое излучение тела человека
Оптическое излучение тела человека регистрируется с помощью современной техники счета фотонов. В этих устройствах используются высокочувствительные фотоэлектронные умножители, способные регистрировать одиночные кванты света. Измерения, проведенные в ряде лабораторий, показали, что 1 см2 кожи человека за 1 с спонтанно излучает во все стороны от 6 до 60 квантов, главным образом в сине-зеленой области спектра. Светимости различных участков кожи отличаются - наиболее сильное излучение исходит от кончиков пальцев, гораздо слабее, например, от живота или предплечья. Это свечение не связано с наличием загрязнений на коже и зависит от функционального состояния человека: в покое снижается и повышается с ростом его активности. Можно индуцировать свечение кожи, например, с помощью обработки ее перекисью водорода или воздействия на кожу предварительной засветкой. Сильное последействие - фосфоресценцию - вызывает излучение на длине волны 254 нм, соответствующее пику поглощения ДНК. Предварительная засветка вызывает рост свечения в тысячи раз, которое потом спадает во времени по сложной кинетической кривой. Оптическое излучение кожи не является тепловым. Интенсивность теплового излучения в оптическом диапазоне ничтожна - с 1 см2 поверхности тела один квант в среднем может излучаться лишь 1 раз за десятки секунд. Наиболее вероятный механизм спонтанного свечения - это хемилюминесценция, вызванная перекисным окислением липидов, которое сопровождается появлением радикалов, т.е. молекул в возбужденном электронном состоянии. При взаимодействии таких молекул в определенном (малом) проценте случаев происходит излучение света. При индуцированном свечении возможны и другие механизмы, например, излучение при активации определенных типов клеток крови - нейтрофилов.
Акустические поля человека
Поверхность человеческого тела непрерывно колеблется. Эти колебания несут информацию о многих процессах внутри организма: дыхательных движениях, биениях сердца и температуре внутренних органов. Низкочастотные механические колебания с частотой ниже нескольких килогерц дают информацию о работе легких, сердца, нервной системы. Регистрировать движения поверхности тела человека можно дистанционными или контактными датчиками в зависимости от решаемой задачи. Например, в фонокардиографии для измерения акустических шумов, создаваемых клапанами сердца, используют микрофоны, устанавливаемые на поверхности грудной клетки. Кохлеарная акустическая эмиссия. Из уха животных и человека могут излучаться звуки - это явление называют кохлеарной акустической эмиссией, поскольку их источник локализован в улитке (латинское название "cochlea") органа слуха. Эти звуки можно зарегистрировать микрофоном, расположенным в слуховом проходе. Обнаружено несколько разновидностей этого явления, таких как спонтанная эмиссия и акустическое эхо. Спонтанная эмиссия - это самопроизвольное непрерывное излучение звука из ушей человека. Уровень звукового давления достигает 20 дБ, т.е. в 10 раз выше порогового значения 2*10-5 Па, которое способно воспринимать ухо человека на частоте 1 кГц. Частоты эмиссии у разных лиц отличаются и лежат в диапазоне 0,5-5 кГц, излучение отличается высокой монохроматичностью. Эмиссия наблюдается в среднем у 25% мужчин и 50% женщин. Спонтанная эмиссия не имеет никакого отношения к "звону в ушах" - субъективному ощущению чисто нервного происхождения.