Лекция №9

1. Лекция №9

СОБСТВЕННЫЕ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОЛЯ
ОРГАНИЗМА

2.

Физические поля, которые генерирует организм в процессе функционирования, называют
собственными физическими полями организма человека. Выделяют три диапазона
электромагнитного излучения:
- низкочастотное,
- Сверхвысокочастотное,
- оптическое, включая инфракрасное и ультрафиолетовое
и три диапазона акустического излучения
- низкочастотные колебания,
- кохлеарная акустическая эмиссия,
- ультразвуковое излучение.
Кохлеарная акустическая эмиссия (КЭА) —
это звуки, которые возникают внутри улитки
(кохлеи) внутреннего уха в ответ на
звуковую стимуляцию или спонтанно. Эти
звуки представляют собой побочный
продукт нормальной деятельности внешних
волосковых клеток улитки, которые
усиливают звуковые колебания,
поступающие в ухо.

3.

Пассивные электрические свойства живых тканей
Клеточные мембраны и емкостные свойства
Мембраны клеток ведут себя как конденсаторы, накапливая заряд на своей поверхности. Когда ток только начинает
проходить через клетку, на мембране создается зарядная разность, что вызывает начальный всплеск силы тока.
По мере того как заряд накапливается, ток через мембрану уменьшается, пока не установится равновесие между
внешним потенциалом и зарядом на мембране. Это явление аналогично заряду обычного конденсатора в
электрической цепи.
Активация ионов и изменение проводимости
Биологические мембраны содержат ионные каналы, которые регулируют транспорт ионов (таких как натрий, калий,
хлор) через мембрану. При приложении потенциала через мембрану могут открываться или закрываться каналы,
изменяя её проводимость.
Со временем некоторые ионные каналы могут инактивироваться (закрыться), что приводит к снижению потока
ионов и, соответственно, падению силы тока.
Поляризация мембраны
При длительном приложении тока мембрана может поляризоваться, то есть возникает накопление зарядов на её
внутренней и внешней сторонах. Поляризация снижает дальнейший ток, так как противодействует приложенному
внешнему потенциалу.
Электролитическая ионовая диффузия
В тканях ток переносится ионами через межклеточную жидкость. Со временем ионы перераспределяются под
действием электрического поля, и их концентрация у мембран изменяется, что также влияет на силу тока.
Этот процесс замедляется с течением времени, что объясняет уменьшение силы тока до некоторого постоянного
уровня.
Аккомодация и адаптация тканей
Биологические ткани обладают способностью адаптироваться к воздействию постоянного тока. Со временем клетки
перестают реагировать так интенсивно на постоянное напряжение, что приводит к аккомодации — снижению
ответа на неизменное электрическое воздействие.
Переход к стационарному состоянию
После начального периода зарядки и перераспределения ионов система достигает стабильного состояния. Сила
тока снижается и устанавливается на постоянном уровне, который определяется постоянным сопротивлением
тканей в этом состоянии.

4.

Пассивные электрические свойства живых тканей

5.

Пассивные электрические свойства живых тканей
Потенциальная томография — это метод функциональной диагностики, основанный на регистрации и анализе
электрических полей, генерируемых живыми тканями. Этот метод позволяет создавать пространственные
изображения электрической активности тканей и органов, таких как головной мозг или сердце, и оценивать их
функциональное состояние.
Принцип работы потенциальной томографии
Метод основан на измерении электрических потенциалов, создаваемых клетками и тканями. Например:
В мозге измеряются биоэлектрические сигналы, такие как сигналы электроэнцефалограммы (ЭЭГ).
В сердце фиксируются сигналы электрокардиограммы (ЭКГ).
Суть метода заключается в том, что электрические потенциалы, зарегистрированные с поверхности тела,
интерпретируются для построения трёхмерных карт электрической активности внутренних органов. Такие карты
помогают локализовать источники электрической активности и выявить функциональные отклонения.

6.

Пассивные электрические свойства живых тканей
Применение потенциальной томографии
Электроэнцефалографическая томография (ЭЭГ-томография):
Позволяет оценивать распределение электрической активности в разных участках головного мозга.
Применяется для диагностики эпилепсии, опухолей мозга, нарушений кровообращения и оценки
последствий инсульта.
Обеспечивает пространственное разрешение и визуализацию активных областей мозга в реальном времени.
Электрокардиографическая томография (ЭКГ-томография):
Используется для анализа электрической активности сердца.
Помогает в диагностике аритмий, ишемической болезни сердца, а также при оценке эффективности
кардиологических процедур.
Позволяет определить аномальные зоны возбуждения в миокарде.
Преимущества метода
Неинвазивность: Регистрация электрических сигналов происходит с поверхности тела, что исключает
необходимость хирургического вмешательства.
Высокая чувствительность: Метод позволяет выявить даже незначительные изменения в электрической
активности тканей.
Функциональная оценка: Даёт информацию о работе органов в реальном времени, а не только их структурных
изменениях.
Ограничения
Потенциальная томография требует сложной математической обработки данных для построения трёхмерных
изображений.
Электрические сигналы могут искажаться при прохождении через различные ткани организма, что снижает точность
локализации источников сигналов.
Метод менее точен в пространственном разрешении по сравнению с методами, такими как МРТ и КТ

7.

Принцип восстановления изображения в томографии
Томография — это метод неинвазивной визуализации, который позволяет получать изображения внутренних
структур объектов (например, органов) в виде срезов или объемных моделей. Основной задачей томографических
методов является восстановление изображения из множества сигналов, полученных с разных углов и проекций.
Основные этапы восстановления изображения
Сбор проекционных данных:
В процессе томографии с разных углов регистрируются сигналы (рентгеновские, электромагнитные, звуковые или
электрические), проходящие через исследуемый объект. Каждая проекция содержит информацию о внутренней структуре, но
в виде проекционных данных, а не готового изображения.
Математическая реконструкция:
Для преобразования проекций в трёхмерные или двумерные изображения используется инверсия преобразования Радона
— математический метод, применяемый в большинстве видов томографии. Преобразование Радона связано с представлением
данных в виде суммы проекций. Для восстановления изображения необходимо решить обратную задачу, то есть восстановить
распределение свойств (плотности, электропроводности) внутри объекта.
Алгоритмы реконструкции:
Метод обратной проекции (Filtered Back Projection, FBP):
Одна из наиболее распространенных техник. Проекции «обратно проецируются» на изображение вдоль тех
направлений, откуда они были получены. Затем применяется фильтрация для устранения размытия и артефактов.
Итерационные методы:
Алгоритмы, такие как Алгебраический метод реконструкции (ART) и Итеративная реконструкция,
последовательно уточняют изображение. Они особенно полезны при наличии ограниченных данных или шума.
Методы на основе Фурье-преобразования:
Эти методы преобразуют проекционные данные в частотную область, где их обработка становится более эффективной.
Затем данные снова преобразуются в пространственную область, создавая изображение.
Коррекция и фильтрация:
Применяются различные фильтры для устранения артефактов и улучшения качества изображения (например, фильтры
Рамлака, Хэмминга).
Для коррекции ошибок и искажений, вызванных движением пациента или шумами, используются дополнительные
алгоритмы обработки данных.
Получение объемного изображения:
Современные томографы позволяют не только получать срезы, но и реконструировать 3D-модели органов и тканей, что
улучшает диагностическую ценность исследования.

8.

9.

10.

11.

Виды томографии и принципы восстановления изображений:
Компьютерная томография (КТ):
Используются рентгеновские лучи, которые проходят через тело под разными углами. Измерения с разных позиций
объединяются для построения изображения. Алгоритмы обратной проекции широко применяются для быстрой
реконструкции КТ-изображений.
Магнитно-резонансная томография (МРТ):
Восстановление изображения основывается на регистрации отклика атомов водорода на магнитные импульсы.
Применяются алгоритмы Фурье-преобразования для построения изображений из сигналов, поступающих с разных
частотных областей.
Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ):
В ПЭТ-томографии регистрируются гамма-лучи, испускаемые при аннигиляции позитронов. Восстановление
изображения требует объединения данных о времени и направлении излучения для определения активных зон в
организме.
Электротомография и потенциальная томография:
В этих методах электрические или электромагнитные сигналы собираются с поверхности тела, а затем с помощью
итеративных методов реконструируется распределение электропроводности или биоэлектрической активности в
тканях.

12.

13.

Пассивные электрические свойства живых тканей

14.

Пассивные электрические свойства живых тканей

15.

Пассивные электрические свойства живых тканей

16.

Электростимуляция органов и тканей
Электростимуляция — это метод воздействия на органы и ткани с помощью электрических импульсов для
активации их функций или восстановления нарушенных процессов. Применение этого метода охватывает как
лечебные, так и реабилитационные цели, а также используется в спорте и науке для улучшения функциональных
показателей.
Принципы электростимуляции
Механизм действия: Электрические импульсы воздействуют на нервные и мышечные волокна, вызывая
сокращения мышц или стимулируя активность органа.
Типы импульсов: Обычно используются низкочастотные или среднечастотные импульсы, имитирующие
естественную биоэлектрическую активность организма.
Эффект на ткани: При воздействии электрическим током активируются рецепторы и нервные окончания, что может
улучшить кровообращение, усилить метаболизм, восстановить нарушенные функции мышц и стимулировать
нервные волокна.

17.

Электростимуляция органов и тканей
Применение электростимуляции
Медицина:
Кардиостимуляторы: Электроды имплантируются в сердце для регулирования сердечного ритма при
аритмиях и других патологиях.
Функциональная электрическая стимуляция (ФЭС): Используется для восстановления двигательной
активности у пациентов с повреждением нервной системы (например, после инсульта или травмы спинного
мозга).
Трансдермальная электрическая стимуляция нервов (TENS): Применяется для облегчения боли путем
стимулирования нервных окончаний.
Физиотерапия и реабилитация:
Электростимуляция мышц: Метод, используемый для восстановления мышечного тонуса и силы после
травм или операций. Также помогает предотвратить атрофию мышц при длительной иммобилизации.
Реабилитация после травм: Электрическая стимуляция улучшает кровообращение и ускоряет регенерацию
тканей.
Спортивная медицина:
Тренировка мышц: Применение электростимуляции в тренировочных программах для увеличения силы и
выносливости.
Восстановление после нагрузок: Помогает снять мышечное напряжение и уменьшить время восстановления
спортсменов после интенсивных тренировок.

18.

Низкочастотные и сверхвысокочастотные электромагнитные поля биологических
объектов

19.

Низкочастотные и сверхвысокочастотные электромагнитные поля биологических
объектов

20.

Электромагнитные излучения инфракрасного
и оптического диапазонов
Инфракрасное излучение (диапазон 0,74–300 мкм) — это тепловое излучение, испускаемое всеми объектами с
температурой выше абсолютного нуля. В случае живых организмов оно вызвано тепловыми процессами,
связанными с метаболической активностью и кровообращением.
Источники ИК-излучения:
Метаболическая активность: Основной источник теплового излучения. Органы с высокой метаболической
активностью (например, мозг или мышцы) излучают больше тепла.
Кровообращение: Пульсация крови и изменения температуры сосудов влияют на интенсивность ИК-излучения.
Кожа и поверхности тела: Внешние покровы отражают тепловое состояние организма и окружающей среды.
Применение ИК-излучения:
Тепловизионная диагностика: ИК-камеры фиксируют температуру поверхности тела, помогая выявлять
воспалительные процессы и нарушения кровообращения.
Медицинская термография: Метод используется для диагностики раковых опухолей и воспалений, так как
аномальные участки выделяют больше тепла.
Мониторинг стрессового состояния: Изменения кровообращения и температуры в ответ на стресс могут быть
выявлены через ИК-излучение.
Флуоресцентные и ИК-методы помогают в ранней диагностике заболеваний (например, рака и сосудистых
патологий).
Неинвазивные исследования с использованием ИК- и видимого излучения позволяют наблюдать за
физиологическими процессами в реальном времени.

21.

Электромагнитные излучения инфракрасного
и оптического диапазонов
Биологические ткани также могут излучать и поглощать свет в видимом спектре (диапазон 380–750 нм). Хотя живые
ткани не светятся в обычных условиях, существуют процессы, при которых происходит излучение в этом диапазоне.
Виды оптического излучения:
Биолюминесценция: Некоторые организмы, такие как светлячки или медузы, излучают свет за счёт химических
реакций в клетках (например, окисление люциферина).
Флуоресценция: Ткани и молекулы могут флуоресцировать после воздействия ультрафиолетового света.
Флуоресцентные красители широко применяются для визуализации клеточных структур в микроскопии.
Применение оптического излучения:
Оптическая томография и спектроскопия: Позволяют выявлять изменения в поглощении и рассеянии света в тканях,
применяются для диагностики рака и других патологий.
Флуоресцентная микроскопия: Используется для визуализации биологических структур, таких как белки и ДНК.
Пульсоксиметрия: Измеряет насыщение крови кислородом по изменению светопропускания тканей.
ИК-излучение даёт информацию о тепловых процессах, кровообращении и воспалениях.
Оптическое излучение предоставляет сведения на молекулярном уровне, помогая анализировать биохимические
процессы и активность клеток.

22.

Электромагнитные излучения инфракрасного
и оптического диапазонов
Механизм излучения
Биофотоны генерируются в процессе нормального клеточного метаболизма. В частности,
окисление молекул и цепные реакции в митохондриях сопровождаются выбросом
одиночных фотонов.
Основные химические реакции, связанные с этим излучением:
Окисление липидов и аминокислот.
Образование реактивных форм кислорода, которые могут спонтанно испускать свет в
результате распада.
Спектр излучения — главным образом сине-зелёная область — объясняется участием
молекул, таких как флавины и порфирины, участвующих в дыхательных и метаболических
процессах.

23.

Электромагнитные излучения инфракрасного
и оптического диапазонов

24.

Биофизические принципы исследования электрических полей в организме
1.
Источники электрических полей в организме
Нейроны и потенциал действия: Электрическая активность в нервных клетках возникает при деполяризации и
реполяризации мембран.
Кардиологическая активность: Электрические поля сердца формируются за счет сокращений и расслабления
миокарда, что регистрируется в виде электрокардиограммы (ЭКГ).
Мышечная активность: Электромиография (ЭМГ) позволяет фиксировать электрические импульсы, генерируемые
скелетными мышцами.
2. Основные принципы исследования
Электрические потенциалы и их измерение:
Измерение биопотенциалов проводится с помощью электродов, накладываемых на поверхность кожи или
непосредственно на ткани (инвазивно).
Потенциал покоя и потенциал действия являются основными параметрами, отражающими состояние нервных
и мышечных клеток.
Используемые методы регистрации:
Электрокардиография (ЭКГ): Исследование электрической активности сердца.
Электроэнцефалография (ЭЭГ): Регистрация электрической активности мозга.
Электромиография (ЭМГ): Запись электрических импульсов мышц.
Потенциальная томография: Использование множества электродов для создания трёхмерных карт
электрических полей.
Роль мембранного потенциала:
Живые клетки обладают мембранным потенциалом, вызванным распределением ионов (Na⁺, K⁺, Ca²⁺) через
клеточные мембраны.
Электрические поля возникают при изменении концентрации ионов и передаче импульсов по клеткам, таким
как нейроны и миокард.

25.

Биофизические принципы исследования электрических полей в организме
3. Технические аспекты и методы анализа
Амплификация и фильтрация сигналов:
Поскольку биопотенциалы имеют низкую амплитуду, сигналы усиливаются перед записью. Для
исключения помех применяются фильтры низких и высоких частот.
Обратное моделирование электрических полей:
В некоторых случаях электрические поля реконструируются на основе данных, собранных с
поверхности тела (например, при электрокардиографической или электроэнцефалографической
томографии).
Инвазивные и неинвазивные методы:
Неинвазивные методы (ЭКГ, ЭЭГ) удобны и безопасны, но имеют ограниченное разрешение.
Инвазивные методы (например, внутрисердечные электроды) обеспечивают более точные
измерения, но сопряжены с рисками.

26.

Эквивалентный электрический генератор сердца

27.

Эквивалентный электрический генератор сердца

28.

Эквивалентный электрический генератор сердца

29.

Эквивалентный электрический генератор сердца

30.

Эквивалентный электрический генератор сердца

31.

Эквивалентный электрический генератор сердца