Электронные лекции, страница 8

Важным аспектом в понимании механизмов рецепции адекватных внешних воздействий является роль иммунной системы. Например, почему воздействие, которое практически не ощущается здоровым организмом, становится не переносимым (например, из-за боли) для больного. Научно обоснованные ответы на подобные вопросы были найдены относительно недавно. На мембранном, клеточном, органном и системном уровнях было экспериментально установлено, что интенсификация процессов трансмембранного транспорта, снижение порога чувствительности рецепторных полей, быстрые ответные реакции нервной и сердечно-сосудистой систем в ответ на физические и вещественные воздействия проявляются гораздо выраженнее при активации иммунной системы. Иными словами развитие патофизиологических процессов приводит к активации иммунной системы организма и к снижению порогов чувствительности сенсорных и регуляторных систем (при этом повышается чувствительность).

В понимании и практическом использовании механизмов биологической рецепции внешних воздействий мы сталкивается, и часто как с принципиальным ограничением, с одной из самых сложных и далеко не систематизированной областью биоинженерии – физики и техники биосенсорных систем. Перечислим основные научные и практические задачи на пути целенаправленного синтеза адекватных внешних воздействий для биологии и медицины.

1. Определение природы биологически действующего физического фактора внешнего поля.

Например, когда оказывается на ткани и системы организма электромагнитной воздействие, какие из факторов поля – магнитная индукция, напряженность электрического поля, возникающие токи, связанные заряды, джоулево тепло или их комбинации преимущественно воспринимаются биологическими рецепторами.

1. Исследование адекватных амплитудных, временных и пространственных параметров внешнего поля.

Например, в каком диапазоне должна находиться амплитуда индукции поля, форма импульса, частота их следования, какими могут, или должны быть параметры пространственной направленности и неоднородности и прочее, прочее, прочее.

3. Исследование механизмов первичной биологической рецепции, строения и свойств, сенсорных полей, связей локальных и системных механизмов регуляции.

4. Исследование ответных реакциий систем организма на внешнее адекватное воздействие, создание инструментальных и алгоритмических средств формирования обратной связи, моделей связывающих в едином контуре управления параметры воздействия и ответных реакций систем организма, разработка рекомендаций и методик лечебного применения.

Рассмотрим современные представления о механизме взаимодействия внешних биоадекватных физических полей с сенсо-регуляторными системами организма.

Для количественных характеристик и определения характера взаимодействия внешнего воздействия с сенсорными системами организма принято вводить следующие качественные и количественные характеристики:

- порог чувствительности к данному воздействию – наименьшая интенсивность внешнего воздействия, приводящая к его рецепции и соответственно к изменениям в информационных процессах связи сенсорных полей и систем организма;

- область информационного взаимодействия внешнего поля и сенсо-регуляторных систем (ОИВД) – она начинается сразу за порогом чувствительности и соответствует активному включению систем организма в ответные на воздействие адаптационные реакции;

- область энергетического взаимодействия внешнего поля и сенсо-регуляторных систем (ОЭВД) – если интенсивность внешнего воздействия попадает в эту область, то системы организма стремятся сделать всё возможное, чтобы сохранить гомеостатические параметры. Когда эти возможности будут исчерпаны, вероятность необратимых изменений повышается.

К экспериментальным фактам относится и то, что примерно в середине зоны информационного взаимодействия (в логарифмической шкале интенсивностей – вспомнить закон Вебера-Фехнера) расположена область наилучшего сенсорного восприятия. Именно в эту зону интенсивностей хотелось бы попадать при проведении, например, сеанса физиотерапевтического воздействия. На рис. 4.1 схематически представлены указанные зоны.

Интенсивность ОЭВД

в нешнего воздействия Область энергетического взаимодействия

в логарифмическом ОИВД

масштабе Область

1 00-140 Дб. Информационного зона оптимального

Взаимодействия взаимодействия

Порог чувствительности

Рис.4.1

Порог чувствительности сенсорных систем экспериментально или теоретически оценить обычно трудно. Для количественной характеристики локализации ОЭВД используют два критерия:

- экспериментальный, при котором измеряют локальное изменение температуры в области воздействия, и если изменение температуры более 0.1-0.5⁰С, то говорят, что характер взаимодействия при данной интенсивности, скорее всего, является энергетическим;

- теоретический - оценочный. Если интенсивность внешнего воздействия сопоставима, или выше, интесивности основного обмена тканей (обычно говорят о нейро-мышечной ткани), то характер взаимодействия внешнего поля с сенсо-регуляторными системами организма - энергетический.

В состоянии покоя в единице объема мышечной ткани выделяется около 0,1-0,5мВт./×мл^-1 тепла. Или иными словами, через поверхность излучается порядка 0,1 мВт×/см².. Поэтому, если в результате поглощения энергии внешнего поля в единице объёма поглощается более чем 1 мВт/мл, или плотность потока мощности более 1 мВт/см², то мы имеем дело с энергетическим типом взаимодействия.

На сегодняшний день, для большинства изученных сенсорных систем, и что крайне важно активированных (т.е. в максимальной степени чувтвительных), установлено, что для ширина ОИВД для плотности потока мощности находится в диапазоне 100-140 дБ (в амплитудах 5-7 порядков соответственно).

Вторым экспериментальным фактом является то, что примерно в середине ОИВД находится зона наилучшего сенсорного восприятия- зона оптимального взаимодействия.

Понятно, что максимальная степень активации на практике соответствует случаям уже развитого патофизиологического процесса, т.е. это главным образом, пациенты стационаров, или состояние после хирургического вмешательства. Получается, что, для них исходя из знания положения границы зон энергетического и информационного взаимодействия можно оценить плотности потока мощности, которая будет соответствовать зоне наилучшего сенсорного восприятия. А как быть, если стадия заболевания еще не дошла до стадии максимальной активации, или в наших терминах ширина зоны информационного взаимодействия меньше, чем 100- 140 Дб.

В этом случае можно рекомендовать два способа оценки ширины индивидуальной зоны информационного взаимодействия: либо надо экспериментально оценить порог чувствительности к данному виду воздействия; либо менять интенсивность воздействия (уменьшать его интенсивность, начиная с уровней соответствующих уровню нормального функционирования) до тех пор, пока не будет определены значения соответствующие наиболее выраженной реакции сенсо-регуляторных систем. Однако в обоих случаях, необходимо иметь канал обратной связи по информации которого оперативно и внятно можно судить о эффективности воздействия (в последнем случае тестового воздействия).

В клинической практике ситуация не выглядит столь трудоёмко, поскольку в процессе медико-биологических исследований в зависимости от степени и тяжести конкретного заболевания уже определены примерные значения интенсивности, экспозиции и других технических параметров воздействия. Но при исследованиях новых адекватных воздействий все эти этапы необходимо реализовывать в той, или иной степени.

4.3. Физиологически активные инфранизкочастотные поля.

Без особых комментариев, в качестве информации к размышлениям, приведём данные анализа многочисленных публикаций по реакциям различных систем организма на инфранизкочастотные электромагнитные поля (рис. 4.2). Причем, необходимо отметить, что далеко не во всех работах эксперименты были метрологически обоснованы, и в этом смысле всегда трудно делать определенные выводы о эффективности воздействия, сравнения различных по своим параметрам воздействий, а уж тем более говорить о физических и физиологических механизмах.

f [Гц.]

Эффекты

· обнаружены

m не обнаружены

Ñ противоречивы

Рис. 4.2. Спектр действия инфранизкочастотных ЭМП по данным анализа публикаций [8].

Заключение.

Представленные в методическом указании материалы относятся к курсу лекций читаемых студентам и аспирантам факультета «Биомедицинская техника» на 3-м курсе после изучения дисциплин медико-биологического цикла и «Основ биофизики». По курсу предусмотрен письменный экзамен, на который выносятся теоретические вопросы, а также задачи. Выражаю признательность студентам, аспирантам и преподавателям способствовавших формированию и оформлению материалов пособия.

В приложении приведены некоторые задачи и вопросы экзамена, а также приведены электрофизические свойства биологических тканей на различных частотах.

Приложения.

Таблица 1.

Диэлектрическая проницаемость некоторых биотканей (при 37 ⁰С)

Ткань	Частота, Гц
	10	20	100	103	104
Легкие	-	-	450	85	25
Мышцы	-	2500	800	130	55
Печень	-	-	850	145	55
Сердечная мышца	-	-	820	320	100
Жировая	-	-	150	50	20

Таблица 2.

Удельное сопротивление (при 37 ⁰С), Омс м

Тип ткани	Частота, Гц
	10	100	103	104
Легкие	1120	1090	1040	950
Мышцы	965	880	830	760
Печень	840	800	765	685
Сердечная мышца	965	925	845	600
Жировая ткань	-	-	1500…5000	-

*Прочерки в таблицах означают отсутствие достоверных данных.

Таблица 3.

Диэлектрическая проницаемость  (числитель) и проводимость биотканей =1/ (знаменатель) при 37 ⁰С, (Омм)^-1

Ткань	Частота, Гц
	10	102	103	104	105	106	107	108	109	1010
Мышцы1)
Кость
Кровь

Примеры задач предлагаемых студентам на экзамене по разделу курса «Основы взаимодействия физических полей с биологическими объектами.

1. Перпендикулярно поверхности тела имеется однородное электрическое поле с частотой 10 Гц. и амплитудой 1 Кв/см., на расстоянии 1 см. от поверхности проходит нерв диаметром 1 мм. Оценить плотности тока в нерве если удельные сопротивления сред составляют: Мягкой ткани 10, аксоплазмы 1, миелиновой оболочки 1000 Ом*м. Какой должна быть амплитуда поля для формирования спайка.

2. Бедро пациента радиусом 10 см. находится в однородном па­раллельном оси магнитном поле частотой 100 Кгц на расстоянии 5 см. от оси бедра проходит растянутая пациентом мышца диаметром 4 см. Оценить амплитуду индукции поля необходимую для прогрева мыш­цы. Принять удельные сопротивления мягких тканей и мышцы 20 и 5 Ом*м., диэлектрические постоянные 1000 и 3000 соответственно. Оценить, как качественно изменится результат, если мышца окружена гематомой толщиной 1 см.

3. В толще биоткани с удельной проводимостью о имеется проводящее однородное цилиндрическое включение с проводимостью 1 (поврежденный кровеносный сосуд). В ткани имеется однородное поле с плотностью тока Jо на удалении от включения. Как относятся плотности тока через включение для случаев его расположения в мы­шечной и костной тканях.

4. В результате повреждения биоткани образовалась цилиндри­ческая гематома, в центре которой расположен нерв. В биоткани про­ходит ток с плотностью Jо. Как должны относиться Jо для создания потенциала действия в нерве, если в одном случае гематома рас­положена в толще костной ткани, а в другом - в мышечной ткани. Принять удельные сопротивления костной и мышечной тканей равными 10³ (Ом*м) и 10(Ом*м), проводимость гематомы - 1(Ом*м) (кровь). Нервное окончание считать не миелинизированным с диаметром равным 0,1 мм..

5. Параллельно оси бедра имеется однородное магнитное поле частотой 1 кГц., радиус бедренной кости 1 см. Какова должна быть амплитуда магнитного поля, чтобы в мышечной и костной ткани вы­делялось тепловая мощность 1мВт/мл. Принять удельное сопротивле­ние кости и мышцы равным и 10³ и 10 (Ом*м) соответственно.

6. Бедро помещено в однородное магнитное поле с амплитудой 1 Тл и частотой 10 Кгц. В какой из тканей: мягкой, костной, или костном мозге будет выделяться больше тепла и во сколько раз. Принять характерные радиусы соответственно расположенных тканей равными 5 см., 2 см., 1 см. Удельные сопротивления тканей принять равными: 10, 10³ и 1 (Ом*м).

7. Конечность находится в однородном электрическом поле с f=100 Гц. и амплитудой 1 КВ/см. Оценить максимальные плотности тока в кости проходящей по центру и кровеносном сосуде находящимся на расс­тоянии 5 см от оси. Толщины принять равными 5 мм и 1 мм, внут­ренние диаметры 10 мм и 5 мм соответственно. Удельные сопротив­ления крови- 1, мягких тканей- 10, кости- 1000, костного мозга -2 Ом*см..

8. Система колец Гельмгольца создает в пределах головы пациента однородное поле частотой 10 Кгц. На расстоянии 5 см. от оси сис­темы колец имеется опухоль с характерным размером 1 см. Оценить амплитуду индукции поля необходимую для прогрева опухоли, если из­вестно, что для этого необходимо выделять 5 мВт/мл. Удельные соп­ротивления сред принять равными: тканей мозга 4 (Ом*см.); опухоли 10 (Ом*см.), характерный радиус головы принять 10 см. Оценить, как качественно изменится результат, если опухоль окружена гематомой толщиной порядка 1 см..

9. Конечность раздражается прямоугольными импульсами тока низкой частоты. Оценить во сколько раз отличаются амплитуды токов вызывающие одинаковые болевые ощущения в двух случаях: нерв, расположенный в костной ткани диаметром 1 мм, окружен микрогематомой диаметром 4 мм, гематомы нет. Удельные сопротивления сред принять равными: мягкой ткани 10, аксоплазмы 1, миелиновой оболочки 1000, крови 1 (Ом*м), косной ткани 1000 (Ом*м).

10. Согласно рекомендациям международного стандарта электробе­зопасности медицинской аппаратуры, для пациентов с сердечными за­болеваниями вероятность фибрилляции желудочков сердца на уровне 0.1 % соответствует плотности тока через структуры миокарда по­рядка 0.25 mA/cm2. Оценить предельную скорость перемещения человека в неоднород­ном электростатическом поле с grad E ~ 30 KV/cm2.

11. Оценить амплитуду индукции импульсного (форму импульса принять треугольной с равными фронтами) магнитного поля необходи­мого для дефибрилляции сердца. Принять пороговую плотность тока через структуры миокарда равной 2 мА/см². Общая длительность импульса 2 мс. Удельные сопротивления сред: мягких тканей 10 Ом*м; миокарда 5, крови 1. Считать что форма сердца близка к сфере. Поле считать однородным и перпендикулярным поверхности груди.

12. Оценить плотность тока проходящего через структуры миокарда при дефибрилляции. Принять ток равным 10 А., площадь электродов на спине и груди по 150 см². Удельные сопротивления сред: мягких тканей 10 (Ом*м); миокарда 5, крови 1. Считать что форма сердца близка к сфере. Поле между электродами принять однородным и перпендикулярным поверхности груди.

13. При использовании нейлоновой одежды на поверхности кожных покровов и на нейлоне образуется электростатический заряд с нап­ряжением до 10 КВ. Оценить риск получить удар током при снятии одежды. Порого­вую плотность тока принять равной 2 мА/см². Характерное время - секунда. Принять характерные расстояния экранирования (радиус Де­бая) зарядов в нейлоне и коже равными 1 мкм и 100 А^0, диэлектри­ческую проницаемость считать равной

Список литературы

1. Самойлов Л.Ю. Медицинская биофизика. Л.: Изд-во Военно-медицинской академии им.С.М.Кирова, 1988,- 297 с.

2. Соковец И.Г. Расчет наведенных токов в теле человека //Живые системы в электромагнитных полях. Томск: Изд-во ТГУ, 1978. с.62-65.

3. Соковец И.Г. Плотность потока мощности, поглощаемая телом человека в электромагнитных полях // Живые системы в электромагнитных полях. Томск: Изд-во ТГУ, 1978. с.41-53.

4. Плеханов Г.В. Электричество, магнетизм, информация и живые системы // Живые системы в электромагнитных полях. – Томск: Изд-во ТГУ, 1978. с.3-8.

5. Щукин С.И. Теоретические основы биотехнических систем / Методические указания по выполнению курсовой работы. – М.: МГТУ им.Н.Э.Баумана, 1991,- 20 с.

6. Лосев Е.С., Тычинская М.П. Моделирование тепловых эффектов при локальной гипертермии //Биомеханика мягких тканей. КФТИ КФ АН СССР, Институт механики МГУ. Казань, 1987, с.5-20.

7. Лосев Е.С., Тычинская М.П.. Расчет распределения электромагнитного поля в плоской многослойной ткани //Биомеханика мягких тканей. КФТИ КФ АН СССР, Институт механики МГУ. Казань, 1987, с.21-25.

8. Реакции биологических систем на магнитные поля. М.: Наука, 1978,- 215 с.

9. Электромагнитные поля в биосфере. Том II. Биологическое действие электромагнитных полей. /Под ред. Н.В. Красногорской. М.: Наука, 1984, - 326 с.

10. Левтов В.А., Регирер С.А., Шадрина Н.Х. Реология крови. М: Медицина, 1982,- 272 с.

11. Щукин С.И. Аппараты и системы для электромагнитной терапии и активной диагностики // Вестник МГТУ им.Н.Э.Баумана, 1993. N 4. с. 9-24.

12. K.R.Visser K.R.. Electric Properties of Flowing Blood and Impedans Cardiology // Аnnals of Biomedical Engineering. Vol. 17. 1989, P. 463-473.

1. Sakamoto K., Kanai H.. Electrical Characteristics of Flowing Blood // IEEE Trans of Biomedical Engineering/ 1979. Vol.BME-26. No.12, P.686-695.

2. Особая роль системы «миллиметровые волны – водная среда» в природе. Гуляев Ю.В., Бецкий О.В.,Синицын Н.И. и др.. //Биомедицинская электроника 1998, N1, c. 5-23.

3. Березовский В.А., Колотилов Н.Н. Биофизические характеристики тканей человека. Справочник. –Киев: Наук. Думка, 1990.-224 с.

4. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. –М.: Высшая школа, 1978.- 231 с.

5. Владимиров В.С., Михайлов В.П., Вашарин А.А. Сборник задач по уравнениям математической физики. –М.: Наука, 1978.-272 с.

6. Щукин С.И. Аппараты и системы для биоадекватной электромагнитной терапии и активной диагностики. //Биомедицинская радиоэлектроника. М., 1999,N3, с. 6-15.

7. Electrical bioimpedance methods: applications to medicine and biotechnology. // Ann.N.Y.Acadamy of Science, V.873. New York, 1999. P. –543.

62