5. Магнитография биологических объектов

Магнитография – это методы регистрации магнитных полей, индуцируемых биотоками организма. Действительно, возникающие разности биопотенциалов в результате деятельности живого организма и достаточно большая электропроводность биотканей генерируют биотоки и возникающие вокруг них магнитные поля.

Магнитные свойства биосред определяются в основном диамагнитными и парамагнитными свойствами. Величина индукции В магнитного поля напряженностью Н в веществе определяется выражением

В = μ₀μН = μ₀ (1+æ)Н ,

где μ₀ и μ – соответственно магнитная постоянная и относительная магнитная проницаемость вещества , æ – магнитная восприимчивость вещества. Учитывая, что для парамагнетиков и диамагнетиков │æ│<< 1, можно считать для биосред справедливым соотношение В ≈ μ₀Н. Для диагностических применений это означает, что биосреда практически не искажает магнитные поля, порождаемые биотоками организма. Таким образом, обеспечиваются локализация источника биомагнитного поля в организме и реализация бесконтактного способа съема информации.

Известны следующие методы магнитографических исследований.

Магнитокардиография (МКГ) – метод регистрации изменений магнитного поля, обусловленных циклической работой сердца. Поскольку величина возникающих биотоков пропорциональна разности биопотенциалов, то эта же пропорциональность будет существовать и для индукции биомагнитного поля. Поэтому форма и способы анализа магнитокардиограммы аналогичны электрокардиографическим исследованиям. Амплитудные значения индукции магнитного поля сердца – около 10^–10 Тл.

Магнитоэнцефалография (МЭГ) – метод регистрации магнитных полей, индуцированных биотоками мозга. Данный метод свободен от физиологических помех, свойственных электроэнцефалографии (электрическая экранировка структурами черепа), и отражает только активность мозга. Однако амплитуда магнитной индукции мозга не превышает 10^–11…10^–12 Тл.

Работа мышц также сопровождается индуцированием магнитного поля, в котором можно выделить две существенно различные компоненты – квазипостоянную составляющую и наложенный на нее быстроизменяющийся нерегулярный сигнал. Последний имеет широкий спектр колебаний (до единиц килогерц) с максимумом в интервале частот 40…80 Гц. Суммарная магнитная индукция мышечной деятельности (магнитомиограмма) составляет 2…4•10^–11 Тл.

Исследования магнитных полей глаза позволили выделить две компоненты – магнитоокулограмму и магниторетинограмму – с индукцией магнитного поля 10^–12…10^–13 Тл.

Несмотря на некоторые очевидные преимущества методов магнитографии (бесконтактность, локализация источника сигнала), практическая реализация связана с инженерной проблемой измерения слабых низкочастотных магнитных полей с разрешением 10^–12…10^–15 Тл. В исследованиях по магнитографии применяют методы измерения слабых магнитных полей.

Магниторезонансный метод с оптической накачкой. Основан на одновременном использовании двух квантовых переходов рабочего вещества (пары щелочных металлов), частота одного из которых находится в оптическом, а другого - в радиочастотном диапазонах. Частота последнего сильно зависит от величины внешнего магнитного поля. Измеряя с большой точностью значение радиочастоты (что решено технически) при резонансном поглощении оптического излучения, получают чувствительность порядка 10^–13 Тл в частотном диапазоне биомагнитных сигналов 0…20 кГц. Недостатком магнитометров с оптической накачкой является большой объем преобразователя (1…3 дм³).

Метод, основанный на явлении сверхпроводимости. Предполагает применение СКВИДов – сверхпроводниковых квантовых датчиков. Чтобы СКВИД работал, его нужно охладить до температуры жидкого гелия (4 К). Для этого его приемные сверхпроводниковые катушки помещают в криостат на жидком гелии, точнее, в его узкую хвостовую часть, которую можно максимально близко поднести к телу человека. СКВИДы используют как непосредственно наводимую ЭДС в приемной катушке, так и явление перехода сверхпроводника в резистивное состояние при изменении внешнего магнитного поля вблизи критического значения, а также эффект Джозефсона. Чувствительность сверхпроводниковых датчиков – 10^–12…10^–13 Тл. Основной недостаток – применение криорежимов и требование высокой стабильности температуры охлаждения.

Таким образом, следует отметить, что все проявления магнитной активности биообъектов имеют свои электрические аналоги, и пока трудно говорить об исследовательской или клинической перспективности магнитографических методов ввиду их аппаратной сложности и затратности.