Das menschliche elektrische Feld existiert auf der Oberfläche des Körpers und außerhalb, außerhalb. Das elektrische Feld außerhalb des menschlichen Körpers ist hauptsächlich auf Triboaufladungen zurückzuführen, dh auf Ladungen, die auf der Oberfläche des Körpers infolge von Reibung gegen Kleidung oder dielektrische Objekte entstehen, während am Körper ein elektrisches Potential in der Größenordnung von mehreren Volt erzeugt wird. Das elektrische Feld ändert sich zeitlich kontinuierlich: Erstens werden die Triboladungen neutralisiert - sie fließen mit charakteristischen Zeiten von ~ 100 - 1000 s von der hochohmigen Hautoberfläche herab; zweitens Veränderungen der Körpergeometrie aufgrund von Atembewegungen, Herzschlag usw. führen zur Modulation eines konstanten elektrischen Feldes außerhalb des Körpers.
Eine weitere Quelle des elektrischen Feldes außerhalb des menschlichen Körpers ist das elektrische Feld des Herzens. Indem zwei Elektroden an die Oberfläche des Körpers gebracht werden, ist es möglich, dasselbe Kardiogramm berührungslos und aus der Ferne wie bei der herkömmlichen Kontaktmethode zu registrieren. Beachten Sie, dass dieses Signal nicht um ein Vielfaches kleiner ist als das Feld der Triboaufladungen.
In der Medizin hat die berührungslose Methode zur Messung elektrischer Felder, die mit dem menschlichen Körper verbunden sind, ihre Anwendung zur Messung niederfrequenter Brustbewegungen gefunden.
In diesem Fall wird eine elektrische Wechselspannung mit einer Frequenz von 10 MHz an den Körper des Patienten angelegt, und mehrere Antennenelektroden werden in einem Abstand von 2 bis 5 cm zur Brust gebracht. Die Antenne und der Körper sind zwei Platten eines Kondensators. Durch Bewegen der Brust ändert sich der Abstand zwischen den Platten, dh die Kapazität dieses Kondensators und damit der von jeder Antenne gemessene kapazitive Strom. Basierend auf den Messungen dieser Ströme ist es möglich, eine Karte der Bewegungen der Brust während des Atemzyklus zu erstellen. Normalerweise sollte es symmetrisch zum Brustbein sein. Seine Symmetrie ist gebrochen und einerseits ist der Bewegungsbereich klein, dann kann dies beispielsweise auf eine versteckte Rippenfraktur hinweisen, bei der die Muskelkontraktion auf der entsprechenden Seite der Brust blockiert ist.
Kontaktmessungen des elektrischen Feldes werden derzeit am häufigsten in der Medizin eingesetzt: in der Kardiographie und Elektroenzephalographie. Der Hauptfortschritt in diesen Studien ist auf den Einsatz von Computertechnologie, einschließlich Personalcomputern, zurückzuführen. Mit ihnen können Sie hochauflösende Elektrokardiogramme (EKG HR) erstellen.
Wie Sie wissen, beträgt die Amplitude des EKG-Signals nicht mehr als 1 mV, und das ST-Segment ist noch kleiner, und das Signal wird durch elektrisches Rauschen maskiert, das mit unregelmäßiger Muskelaktivität verbunden ist. Daher wird die Akkumulationsmethode verwendet, dh die Summierung vieler sequentieller EKG-Signale. Zu diesem Zweck verschiebt der Computer jedes nachfolgende Signal so, dass sein R-Peak mit dem R-Peak des vorherigen Signals ausgerichtet ist, und fügt ihn für viele Signale mehrere Minuten lang zum vorherigen hinzu und so weiter. Bei diesem Verfahren wird das nützliche Wiederholungssignal erhöht und die unregelmäßige Interferenz hebt sich gegenseitig auf. Durch die Unterdrückung von Rauschen ist es möglich, die Feinstruktur des ST-Komplexes hervorzuheben, die für die Vorhersage des Risikos eines sofortigen Todes wichtig ist.
In der Elektroenzephalographie, die für neurochirurgische Zwecke verwendet wird, ermöglichen Personal Computer die Erstellung von Echtzeitkarten der Verteilung des elektrischen Feldes des Gehirns in Echtzeit unter Verwendung von Potentialen von 16 bis 32 Elektroden, die sich auf beiden Hemisphären in Zeitintervallen in der Größenordnung von mehreren ms befinden.
Die Erstellung jeder Karte umfasst vier Verfahren:
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1) Messen des elektrischen Potentials an allen Punkten, an denen sich die Elektroden befinden;
2) Interpolation (Fortsetzung) von Messwerten zu Punkten, die zwischen den Elektroden liegen;
3) Glätten der resultierenden Karte;
4) Färben der Karte in Farben, die bestimmten Werten des Potentials entsprechen. Es werden effektive Farbbilder erhalten. Eine solche quasi-farbige Darstellung, wenn eine Reihe von Farben, beispielsweise lila bis rot, an den gesamten Bereich der Feldwerte von minimal bis maximal angepasst wird, ist heute sehr verbreitet, da sie dem Arzt die Analyse komplexer räumlicher Verteilungen erheblich erleichtert. Das Ergebnis ist eine Folge von Karten, auf denen Sie sehen können, wie sich elektrische Potentialquellen entlang der Oberfläche der Kruste bewegen.
Ein Personal Computer ermöglicht es, nicht nur Karten der augenblicklichen Potentialverteilung zu erstellen, sondern auch subtilere EEG-Parameter, die seit langem in der klinischen Praxis getestet wurden. Dazu gehört vor allem die räumliche Verteilung der elektrischen Leistung bestimmter Spektralkomponenten des EEG (α-, R-, γ-, δ- und θ-Rhythmen). Um eine solche Karte zu erstellen, werden in einem bestimmten Zeitfenster die Potentiale an 32 Punkten der Kopfhaut gemessen, dann werden die Frequenzspektren aus diesen Aufzeichnungen bestimmt und die räumliche Verteilung der einzelnen Spektralkomponenten konstruiert.
Die α, δ, I Rhythmuskarten sind sehr unterschiedlich. Störungen der Symmetrie solcher Karten zwischen der rechten und der linken Hemisphäre können ein diagnostisches Kriterium bei Hirntumoren und bei einigen anderen Krankheiten sein.
Daher wurden derzeit berührungslose Verfahren zur Registrierung des elektrischen Feldes entwickelt, das der menschliche Körper im umgebenden Raum erzeugt, und es wurden einige Anwendungen dieser Verfahren in der Medizin gefunden. Kontaktmessungen des elektrischen Feldes erhielten im Zusammenhang mit der Entwicklung von Personalcomputern neue Impulse - ihre hohe Leistung ermöglichte es, Karten der elektrischen Felder des Gehirns zu erhalten.
Menschliches Magnetfeld
Das Magnetfeld des menschlichen Körpers wird durch Ströme erzeugt, die von den Zellen des Herzens und der Großhirnrinde erzeugt werden. Es ist extrem klein - 10 Millionen - 1 Milliarde Mal schwächer als das Erdmagnetfeld. Ein Quantenmagnetometer wird verwendet, um es zu messen. Sein Sensor ist ein supraleitendes Quantenmagnetometer (SQUID), dessen Eingang auch Empfänge von der Spule enthält. Dieser Sensor misst den extrem schwachen Magnetfluss, der durch die Spulen fließt. Damit ein SQUID funktioniert, muss er auf eine Temperatur abgekühlt werden, bei der Supraleitung auftritt, d. H. auf die Temperatur von flüssigem Helium (4 K). Zu diesem Zweck werden es und die Empfangsspulen in einer speziellen Thermoskanne zur Speicherung von flüssigem Helium untergebracht - genauer gesagt einem Kryostaten in seinem schmalen Schwanzteil, der so nah wie möglich an den menschlichen Körper gebracht werden kann.
In den letzten Jahren sind nach der Entdeckung der "Hochtemperatursupraleitung" SQUIDs aufgetreten, die ausreichend auf die Temperatur von flüssigem Stickstoff (77 K) abgekühlt werden können. Ihre Empfindlichkeit reicht aus, um die Magnetfelder des Herzens zu messen.
Das vom menschlichen Körper erzeugte Magnetfeld ist um viele Größenordnungen kleiner als das Magnetfeld der Erde, seine Schwankungen (geomagnetisches Rauschen) oder die Felder technischer Geräte.
Es gibt zwei Ansätze, um den Einfluss von Rauschen zu eliminieren. Am radikalsten ist die Schaffung eines relativ großen Volumens (Raums), in dem magnetisches Rauschen durch magnetische Abschirmungen drastisch reduziert wird. Für die empfindlichsten biomagnetischen Untersuchungen (am Gehirn) müssen Geräusche etwa eine Million Mal gezischt werden, was durch mehrschichtige Stapel einer weichmagnetischen ferromagnetischen Legierung (z. B. Permalloy) verursacht werden kann. Der abgeschirmte Raum ist eine teure Struktur, die sich nur die größten wissenschaftlichen Zentren leisten können. Die Anzahl solcher Räume in der Welt ist derzeit in Einheiten.
Es gibt eine andere, kostengünstigere Möglichkeit, den Einfluss von Außengeräuschen zu verringern. Es basiert auf der Tatsache, dass magnetische Geräusche im Raum um uns herum größtenteils durch chaotische Schwingungen (Schwankungen) des Erdmagnetfelds und industrielle elektrische Anlagen erzeugt werden. Weit entfernt von scharfen magnetischen Anomalien und elektrischen Maschinen ist das Magnetfeld, obwohl es mit der Zeit schwankt, räumlich homogen und ändert sich geringfügig in Abständen, die mit der Größe eines menschlichen Körpers vergleichbar sind. Tatsächlich schwächen sich biomagnetische Felder mit der Entfernung von einem lebenden Organismus schnell ab. Dies bedeutet, dass die externen Felder, obwohl sie viel stärker sind, geringere Gradienten (d. H. Die Änderungsrate mit der Entfernung vom Objekt) aufweisen als biomagnetische Felder.
Die Empfangsvorrichtung einer Vorrichtung mit einem Tintenfisch als empfindlichem Element ist so hergestellt, dass sie nur gegenüber dem Magnetfeldgradienten empfindlich ist - in diesem Fall wird die Vorrichtung als Gradiometer bezeichnet. Da externe (Rausch-) Felder jedoch häufig noch merkliche Gradienten aufweisen, muss ein Gerät verwendet werden, das die zweite räumliche Ableitung der Magnetfeldinduktion misst - ein Gradiometer zweiter Ordnung. Ein solches Gerät kann bereits in einer normalen Laborumgebung verwendet werden. Dennoch sind Gradiometer auch an Orten mit einer "magnetisch ruhigen" Umgebung vorzuziehen, und einige Forschungsgruppen arbeiten in speziell gebauten nichtmagnetischen Häusern in ländlichen Gebieten.
Derzeit wird eine intensive biomagnetische Forschung sowohl in magnetisch abgeschirmten Räumen als auch ohne diese mit Gradiometern durchgeführt. In einer Vielzahl von biomagnetischen Phänomenen gibt es viele Aufgaben, die eine unterschiedliche Dämpfung des externen Rauschens ermöglichen.