ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы О чем дают информацию биомагнитные поля из "Сверхчувствительная магнитометрия и биомагнетизм" Магнигаые поля, порождаемые электрическими токами, протекающими внутри организма при его жизнедеятельности, называют биомагнитными. Биотоки возникают как следствие электрический активности клеток, главным образом мышечных и нервных. Электрически активной частью клетки, преобразующей химическую энергию в электрическую, является клеточная мембрана. Процессы, протекающие в ней, определяют картину биомагнитных полей, или, как говорят, биомагнитных сигналов. [c.83] Рассмотрим, в каких случаях и каким образом эти процессы вызывают появление биомагнитных полей в окружающем тело пространстве. Мы будем опираться на данные о свойствах нервных клеток — нейронов, но в принципе электрические процессы протекают аналогично и в других клетках, таких как глиальные клетки мозга или мышечные клетки (последние отвечают на электрическое возбуждение еще и сокращением). [c.83] И параметром, определяющим уровень трансмембранного потенциала, является отношение проводимостей мембраны к ионам натрия и капия. При отсутствии возбуждения много меньше и поэтому близок к обычно составляя -70 мВ, т.е. внутренняя сторона мембраны заряжена отрицательно. Эта довольно большая величина может быть измерена, если внутрь клетки ввести электрод. При протыкании мембраны клетки микроэлектродом в виде стеклянной микропипетки диаметром О Л мкм регистрируется именно такой скачок потенциала, инутриклеточным электродом можно измерять и изменения трансмембранного потенциала. [c.84] Сдвиг потенциала может происходить при изменении ионного состава внеклеточной жидкости, согласно уравнениям (4.1) и (4.3). Такова, например, реакция глиальных клеток мозга на локапьное уменьшение содержания калия в межклеточном пространстве вследствие активности нейронов. Это сравнительно медленный процесс. [c.84] Следует особо подчеркнуть, что само по себе наличие трансмембранного потенциала и даже его импульсное или градуальное (плавное) изменение не связаны с появлением токов во внеклеточном пространстве. Электрические токи текут сквозь мембрану, заряжая и разряжая ее как конденсатор. Их можно обнаружить лишь при регистрации потенциала внутриклеточным электродом. [c.85] Как следствие трансмембранных токов могут возникнуть макроскопические ( объемные ) токи во внеклеточном пространстве, но клетка вызывает объемные токи лишь тогда, когда ее мембрана поляризована неоднородно вдоль своей поверхности. Тогда имеются части мембраны, потенциал на которых в одном месте выше, а в другом - ниже среднего. Эти места служат соответственно источником и стоком внеклеточных токов, замыкающихся внутри клетки. Такие токи уже можно обнаружить при внеклеточной регистрации. [c.85] Из этих уравнений следует, что, во-первых, потенциалы К(г ) и поля 5 (г ) дают различную информацию о строении вызывающих их источников сторонних токов потенциалы - о потенциальной части магнитные поля — о вихревой части. Во-вторых, имеет место неизбежная связанность этой информации через источники вторичных сторонних токов. В результате оказывается, что электрические потенциалы и магнитные поля, физически вызываемые одной и той же причиной (мембранными клеточными токами / ), могут в одних случаях иметь сходные пространственные распределения и временные зависимости, а в других сильно различные, что определяется внутренним строением источников тока в организме. Ниже будут рассмотрены случаи как очень похожих, так и сильно различающихся биомагнитных и биоэлектрических сигналов. [c.87] Отметим, что вопрос о разделении на первичные и вторичные сторонние токи связан с определенными трудностями [125]. Дело в том, что если строго принять за первичные только трансмембранные ионные токи в месте возбуждения, тем самым пытаясь решать задачу начиная прямо с микроскопического уровня, то чтобы прийти к конечному результату, придется учитывать все вторичные токи, возникающие из-за микроскопических неоднородностей проводимости в клетке и непосредственно прилегающем пространстве. Такие расчеты действительно проводятся с целью установить распределение полей и токов внутри и вокруг активных клеток, например от потенциала действия, распространяющегося по аксону [126]. Однако из уравнений (4.7) и (4.8) видно, что первичные и вторичные сторонние таки одинаковом образом определяют электрические потенциалы и магнитные поля. Это означает, что в зависимости от степени детализации решаемой задачи по определению потенциалов и полей часть вторичных токов можно переопределить как первичные, отнеся к таковым вторичные токи, возникающие на клеточном или даже более высоком уровне. Такой подход позволяет вводить в качестве первичных модельные сторонние токи, считая их, например, равномерно распределенными по объему сердечной мышцы при решении кардиографических задач [123]. [c.87] Дополняющий друг друга характер электрических и магнитных данных можно проиллюстрировать на двух примерах (рис. 20). Информацию о положении изолированного витка с током внутри некоторого тела и значении этого тока можно получать лишь магнитографически, так как виток не создает разности потенциалов на поверхности тела. Наоборот, дипольный источник тока ( токовый диполь — рис. 206 ), помещенный в центр проводящего шара, вызывает токи, о которых можно судить только по распределению потенциалов на поверхности шара. Магнитное поле снаружи тождественно равно нулю независимо от тока в источнике и его ориентации. [c.88] В концепции полей отведения существенным является то, что она позволяет довольно просто оценивать эффективность той или иной системы датчиков (отведения) для приема сигналов от определенного распределения сторонних токов г) в теле. Причем сигнал определяется видом поля отведения только в районе источников и производится лишь компонентой / г ), параллельной полю. Если рассматривается сравнительно протяженный источник, такой как сердце, для которого следует построить магнитный вектор, то желательно иметь три отведения, поля которых взаимно перпендикулярны и однородны в объеме сердца. Уже проведена большая работа по поиску оптимальных отведений в магнитокардиографии и предложено отведение [133], позволяющее получить достаточную информацию о магнитном векторе сердца при съемке трех компонент поля всего в одной точке вне тела (см. рис. 12). [c.90] Но сердце — не единственный источник биомагнитных сигналов. В других органах (например, мышцах, мозге) электрическая активность не так сильно скоррелирована, чтобы всему органу можно было приписать единый электрический или магнитный вектор. Более детальным модельным источником сигналов является токовый диполь, показанный на рис. 20 . Он представляет собой своего рода миниатюрную батарейку с близкорасположенными электродами, помещенную в проводящую среду. В точке расположения токового диполя течет сторонний ток с плотностью / а вне его — объемные токи с плотностью у. [c.90] ДИПОЛЯ. В этом состоит важное отличие магнитографии от электрографии, так как токовый диполь создает ненулевые поверхностные электрические потенциалы при любой ориентации. Очень существенно еще то, что даже наличие в шаре концентрических неоднородностей электропроводности никак не влияет на магнитные поля вне его. Напротив, величина поверхностных электрических потенциалов сильно уменьшается при наличии слабопроводящего приповерхностного слоя по сравнению с однородным шаром. Эти различия скажутся при сопоставлении магнито- и электроэнцефалографии. [c.91] Приведенные выражения для магнитного поля — это строгие математически результаты. Беда в том, что применять их приходится для реальных систем - в биомагнетизме для описания активности различных органов. Следовательно, возникает вопрос о том, в какой мере распределение полей, полученное теоретически, будет зависеть от различных отклонений исследуемого объекта от теоретической модели. В рамках строгого математического подхода были проанализированы некоторые частные случаи. Показано [135], что если модельную сферу сплющива1ь или растягивать, превращая ее в эллипсоид, то относительное искажение распределения внешнего магнитного поля даже меньше, чем геометрическое изменение. Если, скажем, сферу растянуть на 1 %, то эквивалентный магнитный д люль. соответствующий токовому диполю, изменится менее чем на процент. Полученное утверждение распространяется даже на значительные отклонения от сферичности, достигающие 30%. Рассчитаны и распределения полей для вытянутого и сплюснутого эллипсоидов [134]. [c.93] Более сложную магнитную активность можно представить как результат действия множества диполей, и уже проведены расчеты для некоторых их распределений в организме, с тем чтобы по наблюдаемым полям можно было выбрать подходящее распределение токовых диполей [137]. [c.95] При оасчетах полей, производимых синхронной активностью большого участка нервной или мышечной ткани, иногда используют представление о двойном слое. Это как бы лоскут поверхности с четко определенными краями, одна сторона которой заряжена положительно и является источником тока, а другая заряжена отрицательно и служит стоком. Эту поверхность можно представлять себе равномерно заполненной токовыми диполями, ей перпендикулярными. Смысл введения такого представления заключается в важном для расчетов свойстве двойных слоев электрические и магнитные поля, производимые слоем токовых диполей, зависят лишь от конфигурации границы слоя и не зависят от формы трехмерной поверхности, натянутой на этот контур [123, 124]. В живом организме происходят реальные процессы, приближенно описываемые движением двойного слоя. Это и распространение фронта переполяризации мышечных клеток желудочков сердца при сокращении, и ритмические процессы в коре головного мозга и т.п. [c.95] Наряду с математическими расчетами биомагнитных полей, исходящими отнюдь не из простых интегральных уравнений (4.6) — (4.8), получает распространение и экспериментальный модельный подход, который зачастую более удобен и прост. С его помощью, в частности, удается исследовать влияние объемных токов, текущих вне сердца, на вид магнито кардиограммы. Это оказывается возможным, во-первых, в предельно модельном эксперименте, когда обособле1шое сердце животного помещается в ванну, заполненную проводящей жидкостью (раствором соли), а форму ванны можно варьировать. Кроме того, измерения проводились и на живом человеке, помещаемом в такую же ванну, которая с точю зрения электрических и магнитных полей как бы сильно изменяет форму тела [138]. Такое моделирование может быть доведено до очень высокого уровня подобия. Именно, изготавливается макет человеческого тела, заполненный раствором поваренной соли. При этом проводимость различных органов модели делается неодинаковой (в соответствии с естественной проводимостью) применением различных пористых материалов [139]. Внутрь этого макета можно помещать управляемые извне источники тока и, моделируя с их помощью реальные сигналы, проводить обмеры электрических и магнитных полей. Такие измерения проводятся и на макете человеческой головы [140]. Необходимые для постановки подобных экспериментов характерные проводимости различных тканей тела приведены в табл. 2. [c.95] Вернуться к основной статье