Вокруг любого биологического объекта в процессе его жизнедеятельности возникает
сложная картина физических полей. Их распределение в пространстве и изменение
во времени несут важную биологическую информацию, которую можно использовать, в
частности, в целях медицинской диагностики,
Прежде всего сформулируем, о каких полях идет речь. Естественно, что биологический объект,
как любое физическое тело, должен быть источником равновесного
электромагнитного излучения. Для тела с температурой около 300 К такое тепловое
излучение наиболее интенсивно в инфракрасном диапазоне волн. В этом диапазоне
биологический объект, например человек, излучает очень большую мощность — свыше
10 мВт с квадратного сантиметра поверхности своего тела, т. е. в целом более
100 Вт. Это излучение далеко уходит от человека, попадая в «окно» прозрачности
атмосферы (длина волны 8—14 мкм).
Следует подчеркнуть, что нас интересуют не сами по себе электромагнитные
излучения биологических объектов, а возможность переноса по этим каналам
информации, связанной с работой внутренних органов. Например, инфракрасное
излучение промодулировано физиологическими процессами. которые задают
распределение и динамику температуры поверхности тела.
Следующий канал (диапазон волн) — радиотепловое излучение, несущее информацию о
температуре и временных ритмах внутренних органов человека. Так, в дециметровом
диапазоне волн удается регистрировать сигналы с глубины до 5—10 см. На более
коротких волнах глубина, с которой получается информация, уменьшается, однако
улучшается пространственное разрешение. По радиотепловым изображениям на
различных длинах волн с помощью достаточно сложной цифровой обработки можно
восстановить пространственное распределение температуры в глубине биообъекта.
Низкочастотные электрические поля (с частотами до 1 кГц) связаны, как правило,
с электрохимическими (в первую очередь транcмембранными потенциалами,
отражающими функционирование различных органов и систем биообъекта (сердца,
желудка и др.). К сожалению, низкочастотные электрические поля практически
полностью планируются высокопроводящими тканями биообъекта. Это затрудняет
решение обратных задач по определению источников таких полей на основе
измерений электрического потенциала вблизи поверхности тела.
На тех же частотах должны наблюдаться и магнитные поля, связанные с токами в
проводящих тканях, сопровождающими физиологические процессы. Для магнитных
полей (в отличие от электрических) ткани биологического объекта не являются
экраном, поэтому, регистрируя магнитные поля, можно с большей точностью
локализовать их источники. Это, в частности, представляет большой интерес для
исследования деятельности мозга. Сейчас работы такого рода, сулящие большие
перспективы для медицинской диагностики, стали широко развиваться и мировой
пауке.
Если говорить о более высоких частотах, то в оптическом, ближнем инфракрасном и
ближнем ультрафиолетовом диапазонах должны наблюдаться сигналы биолюминесценции,
обусловленной протекающими и организме биохимическими реакции. Это слабое
свечение тоже весьма информативно: оно позволяет контролировать темп
биохимических процессов.
Наш организм хорошо прозрачен для акустических волн с частотами до нескольких
мегагерц. В связи с этим исключительно интересно изучение собственных
акустических сигналов, выходящих из глубины организма. Такие исследования
включают прослушивание организма в инфразвуковом диапазоне, дающее важную
информацию о механическом функционировании внутренних органов, мышц и т. д.
Высокочастотные акустические сигналы (в том числе шумового характера) могут
быть связаны с возможными источниками на клеточном и молекулярном уровнях.
Принципиально важна возможность локализации источников акустического излучения
с достаточно высоким пространственным разрешением, так как длина акустической
волны намного меньше, чем электромагнитной той же частоты.
Наконец, помимо названных каналов, важны
измерения состава и физико-химических характеристик среды, окружающей
биологический объект. В процессе метаболизма биологический объект вносит в нее
возмущения — изменяет газовый и аэрозольный состав, концентрацию ионов. При
этом изменяются проводимость и диэлектрическая проницаемость, коэффициент преломления
среды.
Изучение физических нолей биообъектов методологически очень близко к пассивному
дистанционному зондированию Земли, атмосферы и т.д. В применении таких методов
накоплен большой опыт. Нет необходимости объяснять, сколь важную информацию о
структуре и функционировании объекта они дают.
С точки зрения дистанционного зондирования биологические объекты имеют ряд
принципиальных отличий от обычных физических объектов. Состояние биообъекта
существенно нестационарно. По этой причине картину его физических полей можно
изучать лишь путем привязки к быстро меняющемуся психофизиологическому
состоянию организма, для чего одновременно с физическими измерениями физиологи
должны регистрировать различные физиологические параметры биообъекта. Кроме
того, любой биообъект — динамическая саморегулирующая система, поэтому в
картине его физических полей должны существенно проявляться характеристики
регуляторных систем гомеостаза, исследование которых также невозможно без
тесного сотрудничества с физиологами.
Эти отличия выдвигают специфические требования к аппаратуре. Из-за
нестационарности биообъектов необходимо регистрировать сигналы по многим
каналам одновременно, включая электрофизиологический контроль. Для получении
пространственной структуры поля в каждом канале необходимо использовать
матричный или сканирующие антенны. Аппаратура должна быть достаточно
быстродействующей, чтобы успевать регистрировать сигналы в динамике, т.е.
быстрее, чем изменяется состояние объекта. Практически во всех каналах
необходимо тщательное экранирование от помех.
Наша задача состоит не в разработке принципиально новой аппаратуры, а в
применении современной техники дистанционного зондирования в целях исследования
биологических объектов и, главное, в создании методики таких исследований. Как
правило, технику приходится модернизировать с учетом особенностей
биологического объекта, разрабатывать отдельные элементы и узлы. При этом
используется богатый опыт, накопленный при разработке разнообразных датчиков физических
полей (полупроводниковых, сверхпроводниковых, фотоэмиссионных и др.), а также
аппаратуры для пассивного зондирования.
К настоящему времени создана аппаратура для исследования электрических полей
биологического объекта. 13 электрически экранированной комнате (клетке Фарадея)
дистанционно регистрируется электрокардиограмма. Для этого достаточно поднести
руку к антенне — потенциальному зонду — на расстояние до 10 см.
Дистанционно (на расстояниях до 2м) регистрируются так называемые баллистограммы.
Работа внутренних органов (например, легких, сердца и др.) вызывает сотрясения
поверхности грудной клетки, отражающие механические ритмы, свойственные этим
органам. А поскольку на поверхности тела всегда есть статический заряд, то он,
двигаясь вместе с грудной клеткой, приводит к появлению на потенциальном зонде
значительных электрических сигналов.
Наша аппаратура дистанционно регистрирует и более тонкие сигналы — микротремор
мышц (миограмму), вариации поля поверхностного заряда, связанные с изменениями
электрических параметров кожи. Совместно с медиками начаты исследования
возможностей использования этих сигналов для дистанционной медицинской
диагностики.
На основе тепловизорной системы и специализированного микропроцессора для обработки
изображений создан комплекс аппаратуры, регистрирующий инфракрасное излучение в
диапазонах 3—5 и 8—14мкм. Комплекс позволяет получать термограммы биообъекта с
высокой чувствительностью (0,05 К).
Следует отметить, что в медицине тепловидение пока используется односторонне.
Термограммы, как правило, сравнивают с некими установленными ранее нормалями и
по наличию отклонений фиксируют патологию.
Мы подошли к делу иначе. Поскольку биологический объект, как уже говорилось,
это прежде всего саморегулирующаяся система, изображение, получаемое по любому
каналу, должно содержать информацию о регуляторных системах. Температура
биологического объекта — это параметр, регулируемый системами гомеостаза.
Поэтому была поставлена цель увидеть в пространственной структуре термограммы и
ее временной динамике проявления этих систем и определить их характеристики. Мы
ожидали, что после внешнего воздействия (нагрева или охлаждения участка тела)
температура будет возвращаться к исходному значению с характерным для работы
следящей системы перерегулированием. Разработаны программы цифровой обработки
термограмм, позволяющие построить графики релаксации температуры для любой из
128х128 точек, описывающих термограмму, а также очертить области с одинаковой
динамикой.
И действительно, удалось установить, что в термограмме человека наряду с
областями, где температура релаксирует монотонно, есть также области,
охваченные активным регулированием.
Такой подход позволяет уже на данном
этапе oxарактеризовать точки или области точек, ведущие себя однотипно, некими
функциональными параметрами, т.е. характерной постоянной времени, сигналом
рассогласования.
Это важно для ранней диагностики,
потому что она связана с контролем состояния регуляторных систем гомеостаза, в
которых прежде всего должны появляться изменения, приводящие впоследствие к
патологии.
По инфракрасному каналу в настоящее
время дистанционно регистрируется целый ряд сигналов: колебания температуры
кистей рук (с периодом приблизительно 2 мин), вариации температуры лица в ритме
дыхания и др.
Коротко о других каналах.
Создана высокочувствительная
аппаратура, позволяющая регистрировать сверхслабую биолюминесценцию в
оптическом диапазоне. Это — система счета фотонов и экранированная от света
камера. Регистрируется свечение полости рта, кожи лица, рук и т.д.
Для контроля изменений состава среды, связанных с метаболизмом, также
используется инфракрасная термография. С помощью фильтра, пропускающего лишь
излучение молекул углекислого газа, удается визуализировать облако выдыхаемого
газа по его тепловому излучению. При смене фильтра в принципе возможна
регистрация паров воды и других газов. Кроме того, создана аппаратура для
регистрации изменений проводимости воздуха вокруг биологического объекта.
Испытываются макеты радиометрических систем па длинах волн 18, 10 и 3 см. При этом используются
различные типы контактных антенн. Достигнута чувствительность к температуре 0,1
К. Эти системы позволяют регистрировать радиотепловое излучение внутренних
органов человека (желудка и др.). Разрабатываются радиотепловизорные системы на
других длинах волн — для получения термограмм тканей, расположенных на
различной глубине.
Созданы макеты установок для регистрации акустических сигналов биообъектов в
полосе частот до 100 кГц. Начат монтаж аппаратуры для исследования магнитных
полей биологических объектов.
На базе ЭВМ, специализированных микропроцессоров и развитой сети периферийных
устройств создается автоматизированная система управления экспериментом и
обработки данных, в задачи которой входит сбор данных, выделение сигналов из
шумов и помех, восстановление истинной структуры полой (т.е. устранение
искажений, вносимых датчиками), анализ динамики формирования полей и
корреляционных связей между каналами (прежде всего выявление корреляции между
физическими каналами и электрофизиологическими показателями). Однако самая
главная и сложная задача — исследование возможностей восстановления объемного
изображения источников полей (тепловых, магнитных, электрических, акустических)
по результатам измерений их пространственной структуры.
Предусматривается также изучение чувствительности биологического объекта к
внешним физическим полям биологического и геофизического происхождения. Но это
— следующий этап, так как вначале необходимо выяснить характеристики полей,
адекватных биологическому объекту. Кроме того, эта задача для физиков
существенно труднее исследования физических полей, поскольку здесь
биологический объект выступает как очень сложная приемная система. Решение
такой задачи невозможно без тесного сотрудничества с биофизиками и
психофизиологами.
Хотелось подчеркнуть, что проблема может быть решена только на основе тесной
кооперации специалистов в разных областях знания: физиологов, биофизиков,
психологов и медиков, а также специалистов отраслевых организаций,
разрабатывающих измерительную аппаратуру.
В настоящее время Институт радиотехники и электроники АН СССР сотрудничает с
группой физиологов и психофизиологов I Московского медицинского института и НИИ
нормальной физиологии АМН СССР. Кроме того, мы сотрудничаем с Институтом высшей
нервной деятельности АН СССР, Московским университетом, Горьковским
научно-исследовательским радиофизическим институтом и рядом медицинских
учреждений.
Большое внимание оказывают
проводимым исследованиям академики П.Д.Девятков и Ю.Б.Кобзарев.
