2. Низькочастотні електричні й магнітні поля
Електричне поле людини існує на поверхні тіла і зовні, поза ним.
Електричне поле поза тілом людини зумовлено головним чином зарядами, що виникають на поверхні тіла внаслідок тертя об одяг або діелектричний предмет (трібозарядів), при цьому на тілі створюється електричний потенціал порядку декількох вольт.
Електричне поле безперервно змінюється у часі: по-перше, відбувається нейтралізація трібозарядів - вони стікають з високоомної поверхні шкіри; по-друге, зміни геометрії тіла внаслідок дихальних рухів, биття серця і т. п. призводять до модуляції постійного електричного поля поза тілом.
Ще одним джерелом електричного поля поза тілом людини є електричне поле серця. Наблизивши два електроди до поверхні тіла, можна безконтактно і дистанційно зареєструвати таку ж кардіограму, що і традиційним контактним методом. Зазначимо, що цей сигнал у багато разів менший, ніж поле трібозарядов.
У медицині безконтактний метод вимірювання електричних полів, пов'язаних з тілом людини, знайшов своє застосування для вимірювання низькочастотних рухів грудної клітини.
При цьому на тіло пацієнта подається змінна електрична напруга частотою - 10 МГц, а кілька антен-електродів підносять до грудної клітки на відстані 2-5 см. Антена і тіло являють собою дві обкладки конденсатора. Переміщення грудної клітини змінює відстань між обкладками, тобто ємність цього конденсатора і ємнісний струм, вимірюваний кожною антеною. На підставі вимірів цих струмів можна побудувати карту переміщень грудної клітини під час дихального циклу. У нормі вона повинна бути симетрична щодо грудини. Якщо симетрія порушена і з одного боку амплітуда рухів мала, то це може свідчити, наприклад, про прихований переломі ребра, при якому блокується скорочення м'язів з відповідної сторони грудної клітки.
Контактні вимірювання електричного поля в даний час знаходять найбільше застосування в медицині: в кардіографії і електроенцефалографії. Основний прогрес у цих дослідженнях зумовлений застосуванням обчислювальної техніки, в тому числі персональних комп'ютерів. Ця техніка дозволяє отримувати електрокардіограми високої роздільної здатності (ЕКГ ВР).
У електроенцефалографії, що використовується в нейрохірургії, персональні комп'ютери дозволяють будувати в реальному часі миттєві карти розподілу електричного поля мозку з використанням потенціалів від 16 до 32 електродів, розміщених на обох півкулях, через часові інтервали порядку декількох мс. Карти α, δ і β ритмів відрізняються. Порушення симетрії таких карт між правою і лівою півкулею може бути діагностичним критерієм у разі пухлин мозку і при деяких інших захворюваннях.
Магнітне поле тіла людини створюється струмами, які генеруються клітинами серця і кори головного мозку. Воно дуже мале і слабкіше магнітного поля Землі в 10 млн. – 1 млрд. разів.
Для його вимірювання використовують квантовий магнітометр. Його датчиком є надпровідний квантовий магнітометр (СКВИД – сверхпроводящий квантовый магнітометр), на вхід якого включені прийомні котушки. Цей датчик вимірює надслабкий магнітний потік, що пронизує котушки. Щоб СКВИД працював, його треба охолодити до температури, при якій з'являється надпровідність, тобто до температури рідкого гелію (4 К). Для цього його і прийомні котушки поміщають в спеціальний термос для зберігання рідкого гелію - кріостат, точніше, в його вузьку хвостову частину, яку вдається максимально близько піднести до тіла людини.
В останні роки після відкриття «високотемпературної надпровідності» з'явилися СКВІДи, які досить охолодити до температури рідкого азоту (77 К). Їх чутливість достатня для вимірювання магнітних полів серця.
Магнітне поле, створюване організмом людини (10-11 – 10-13), на багато порядків менше, ніж магнітне поле Землі (5*10-5 Тл), його флуктуації (геомагнітний шум) (10-8 – 10-9 Тл) або поля технічних пристроїв (1 Тл).
Щоб їх не враховувати, вимірюють не саме магнітне поле, а його градієнт, тобто його зміну в просторі. У кожній точці простору повна індукція В магнітного поля є сума індукцій полів перешкод Вп і серця Вс, а саме В = Вп + Вс, причому Вп>Вс. Поле перешкод: Землі, металевих предметів (труб опалення), проїжджаючих по вулиці вантажівок тощо повільно змінюється у просторі, в той час як магнітне поле серця або мозку зменшуєтьсяє швидко при віддаленні від тіла.
З цієї причини індукції магнітного поля перешкод Вп1 і Вп2, виміряні безпосередньо на поверхні тіла і на відстані, скажімо, 5 см від нього, практично не відрізняються: Вп1 = Вп2, а індукції поля серця в цих же точках відрізняються майже в 10 разів. Тому, якщо відняти два значення вимірюваної індукції магнітного поля В1 і В2, то різниця сигналів В1-В2=Вс1-Вс2 практично не містить вкладу від перешкоди, а сигнал від серця лише слабо спотвориться.
Магнітокардіограмма і динамічна магнітна карта людини. Джерело магнітного поля серця людини те ж, що і електричного, - змінна межа області збудження міокарда. Розрізняють два способи дослідження цього поля: (1) вимірювання магнітокардіограми (МКГ) і (2) побудова динамічної магнітної карти (ДМК). У першому випадку вимір проводять в якійсь одній точці над серцем, в результаті отримують залежності величини магнітного поля від часу, які найчастіше збігаються за формою з традиційними електрокардіограмами.
Щоб побудувати динамічну магнітну карту, необхідно виміряти набір МКГ в різних точках над серцем. Для цього пацієнта на спеціальній немагнітній поверхні переміщують поблизу нерухомого датчика. Поле вимірюється в області 20х20 см2 в 36 точках. У кожній точці записують кілька періодів серцевого циклу, щоб усереднити запис, потім перемещають пацієнта так, щоб виміряти наступну точку. Кожна ДМК відповідає певній фазі серцевого циклу.
Основні медичні застосування вимірювань магнітних полів тіла людини - це магнітокардіографія (МКГ) і магнітоенцефалографія (МЕГ). Перевагою МКГ порівняно з традиційною електрокардіографією (ЕКГ) є можливість локалізувати джерела поля з високою точністю порядка 1 см. Це пов'язано з тим, що динамічні магнітні картки дозволяють оцінити координати токового диполя.