Види фізичних полів тіла людини. Їхні джерела

Навколо людини існують електромагнітні й акустичні поля (гравітаційне поле й елементарні частки залишаються за межами нашого розгляду).

Можна виділити основні 4 діапазони електромагнітного випромінювання і 3 діапазони акустичного випромінювання, у яких нині ведуться дослідження (мал. 12.1).

Електромагнітні поля. Діапазон власного електромагнітного випромінювання обмежений з боку коротких хвиль оптичним випромінюванням, більш короткохвильове випромінювання - включаючи рентгенівське і g-кванти - не зареєстрований. З боку довгих хвиль діапазон можна обмежити радіохвилями довжиною близько 60 см. У порядку зростання частоти чотири діапазони електромагнітного поля, представлені на мал. 12.1, містять у собі:

1) низькочастотне електричне (Е) і магнітне (В) поле (частоти нижче 10³ Гц);

2) радіохвилі надвисоких частот (РНЧ) (частоти 10⁹-10¹⁰ Гц і довжина хвилі поза тілом 3-60 см);

3) інфрачервоне (ІЧ) випромінювання (частота 10¹⁴ Гц, довжина хвилі 3-10 мкм);

4) оптичне випромінювання (частота 10¹⁵ Гц, довжина хвилі порядку 0,5 мкм).

Такий вибір діапазонів обумовлений не технічними можливостями сучасної електроніки, а особливостями біологічних об'єктів і оцінками інформативності різних діапазонів для медицини. Характерні параметри різних електромагнітних полів, створюваних тілом людини, приведені в табл. 12.1.

Джерела електромагнітних полів різні в різних діапазонах частот. Низькочастотні поля створюються головним чином при протіканні фізіологічних процесів, що супроводжуються електричною активністю органів: кишечником ((1 хв), серцем (характерний час процесів порядку 1 с), мозком ((0,1 с), нервовими волокнами ((10 мс). Спектр частот, що відповідають цим процесам, обмежений зверху значеннями, що не перевершують (1кгц).

У РНЧ і ІЧ-діапазонах джерелом фізичних полів є теплове електромагнітне випромінювання.

Щоб оцінити інтенсивність електромагнітного випромінювання на різних довжинах хвиль, тіло людини, як випромінювач, можна з достатньою точністю моделювати абсолютно чорним тілом, що, як відомо, поглинає все падаюче на нього випромінювання і тому володіє максимальною випромінюючою здатністю.

Випромінювальна здатність тіла ε_λ,Т – кількість енергії, що випускається одиницею поверхні тіла в одиницю часу в одиничному інтервалі довжин хвиль в усіх напрямках - залежить від довжини хвилі λ і абсолютної температури тіла Т.

Ця функція має максимум на довжині хвилі λ _т» hс/(5k), що при температурі людського тіла Т = 310 До складає близько 10 мкм. Тому ІЧ-випромінювання тіла людини вимірюють тепловізорами в діапазоні 3-10 мкм, де воно максимальне.

Таблиця 12.1. Характеристики електромагнітних полів, створюваних тілом людини

	Електричне	Магнітне	Електромагнітне випромінювання РНЧ діапазону	Інфрачервоне ІЧ	Видиме
Частота, Гц	0 - 103	109	1014	1015
Довжина хвилі	—	—	3 - 60 див	3-14 мкм	500 нм
Датчики	електроди	СКВІД	антени-аплікатори	тепловізори	ФЕУ
Спосіб реєстрації	контактний і без-контактн.	безконтактний	контактний	дистанційний	дистанційний
Джерела полів	біопотен- ціали	біоструми	теплове випромінювання	хемілю- мінес- ценція

З мал. 12.2 випливає, що у РНЧ-діапазоні, у якому довжина хвилі в 10⁴ разів більше, щільність енергії теплового випромінювання на багато порядків менше.

Вимір теплового випромінювання дозволяє визначити температуру тіла людини через те, що спектральна залежність теплового випромінювання міняється з ростом температури. На мал. 12.2 приведені криві для двох температур чорного тіла: 290 ДО (крива 1) і 310 ДО (крива 2). Настільки велику різницю температур ми вибрали, щоб яскравіше виділити розходження між кривими. Видно, що ріст температури усього на 20 До викликає збільшення інтенсивності випромінювання в 1,5 рази (у ІЧ-діапазоні) - в інших діапазонах він помітно менше.

Акустичні поля. Діапазон власного акустичного випромінювання обмежений з боку довгих хвиль механічними коливаннями поверхні тіла людини (0,01 Гц), з боку коротких хвиль ультразвуковим випромінюванням, зокрема, від тіла людини реєстрували сигнали з частотою порядку 10 Мгц.

У порядку зростання частоти (цифри на мал. 12.1.) три діапазони акустичного поля містять у собі: 1). низькочастотні коливання (частоти нижче 10³ Гц); 2). кохлеарну акустичну емісію (КАЕ) - випромінювання з вуха людини (ν ~10³ Гц); 3). ультразвукове випромінювання (ν ~ 1-10 МГц).

Джерела акустичних полів у різних діапазонах частот мають різну природу. Низькочастотне випромінювання створюється фізіологічними процесами: дихальними рухами, биттям серця, струмом крові в кровоносних судинах і деяких інших процесах, що супроводжуються коливаннями поверхні людського тіла в діапазоні приблизно 0,01 - 10³ Гц. Це випромінювання у виді коливань поверхні можна зареєструвати контактними, або безконтактними методами, однак його практично неможливо виміряти дистанційно за допомогою мікрофонів. Це зв'язано з тим, що акустичні хвилі, що йдуть із глибини тіла, практично цілком відбивають назад від границі роздягнула «повітря-тіло людини» і не виходять назовні в повітря з тіла людини. Коефіцієнт відображення звукових хвиль близький до одиниці через те, що щільність тканин тіла людини близька до щільності води, що на три порядки вище щільності повітря.

У всіх наземних хребетних існує, однак, спеціальний орган, у якому здійснюється гарне акустичне узгодження між повітрям і рідким середовищем, - це вухо. Середнє і внутрішнє вухо забезпечують передачу майже без утрат звукових хвиль з повітря до рецепторних кліток внутрішнього вуха. Відповідно, у принципі, можливий і зворотний процес - передача з вуха в навколишнє середовище - і він виявлений експериментально за допомогою мікрофона, вставленого у вушний канал.

Джерелом акустичного вивчення мегагерцевого діапазону є теплове акустичне випромінювання - повний аналог відповідного електромагнітного випромінювання. Воно виникає внаслідок хаотичного теплового руху атомів і молекул людського тіла. Інтенсивність цих акустичних хвиль, як і електромагнітних, визначається абсолютною температурою тіла.

Розглянемо кожен вид фізичних полів, створюваних тілом людини, окремо.