Il campo elettrico umano esiste sulla superficie del corpo e all'esterno, al di fuori di esso. Il campo elettrico esterno al corpo umano è principalmente dovuto alle tribocariche, cioè alle cariche che si formano sulla superficie del corpo per attrito contro gli indumenti o qualsiasi oggetto dielettrico, mentre sul corpo si crea un potenziale elettrico dell'ordine di diversi volt. Il campo elettrico cambia continuamente nel tempo: in primo luogo, le cariche tribo vengono neutralizzate - fluiscono dalla superficie della pelle ad alta resistenza con tempi caratteristici di ~ 100 - 1000 s; in secondo luogo, i cambiamenti nella geometria del corpo dovuti a movimenti respiratori, battito cardiaco, ecc. portare alla modulazione di un campo elettrico costante all'esterno del corpo.
Un'altra fonte del campo elettrico al di fuori del corpo umano è il campo elettrico del cuore. Portando due elettrodi sulla superficie del corpo, è possibile registrare lo stesso cardiogramma senza contatto e da remoto come con il metodo di contatto tradizionale. Notare che questo segnale non è molte volte più piccolo del campo delle tribocariche.
In medicina, il metodo senza contatto per misurare i campi elettrici associati al corpo umano ha trovato la sua applicazione per misurare i movimenti del torace a bassa frequenza.
In questo caso, viene applicata una tensione elettrica alternata con una frequenza di 10 MHz al corpo del paziente e diversi elettrodi dell'antenna vengono portati al torace a una distanza di 2-5 cm. L'antenna e il corpo sono due piastre di un condensatore. Lo spostamento del torace cambia la distanza tra le piastre, cioè la capacità di questo condensatore e, quindi, la corrente capacitiva misurata da ciascuna antenna. Sulla base delle misurazioni di queste correnti è possibile costruire una mappa dei movimenti del torace durante il ciclo respiratorio. Normalmente, dovrebbe essere simmetrico rispetto allo sterno. La sua simmetria è rotta e da un lato il raggio di movimento è piccolo, quindi questo può indicare, ad esempio, una frattura costale nascosta, in cui la contrazione muscolare è bloccata sul lato corrispondente del torace.
Le misure di contatto del campo elettrico sono attualmente le più utilizzate in medicina: in cardiografia ed elettroencefalografia. Il principale progresso in questi studi è dovuto all'uso della tecnologia informatica, inclusi i personal computer. Consentono di ottenere elettrocardiogrammi ad alta risoluzione (ECG HR).
Come sapete, l'ampiezza del segnale ECG non è superiore a 1 mV e il segmento ST è ancora più piccolo e il segnale è mascherato dal rumore elettrico associato all'attività muscolare irregolare. Pertanto, viene utilizzato il metodo di accumulo, ovvero la somma di molti segnali ECG sequenziali. Per questo, il computer sposta ogni segnale successivo in modo che il suo picco R sia allineato con il picco R del segnale precedente e lo aggiunge a quello precedente, e così via per molti segnali per diversi minuti. In questa procedura, il segnale ripetitivo utile viene aumentato e l'interferenza irregolare si annulla a vicenda. Sopprimendo il rumore, è possibile evidenziare la struttura fine del complesso ST, che è importante per prevedere il rischio di morte istantanea.
Nell'elettroencefalografia, utilizzata per scopi neurochirurgici, i personal computer consentono di costruire in tempo reale mappe istantanee della distribuzione del campo elettrico cerebrale utilizzando potenziali da 16 a 32 elettrodi posti su entrambi gli emisferi ad intervalli di tempo dell'ordine di diversi ms.
La costruzione di ogni mappa prevede quattro procedure:
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1) misurare il potenziale elettrico in tutti i punti in cui si trovano gli elettrodi;
2) interpolazione (continuazione) dei valori misurati ai punti che si trovano tra gli elettrodi;
3) levigare la mappa risultante;
4) colorare la mappa con colori corrispondenti a determinati valori del potenziale. Si ottengono immagini a colori efficaci. Una tale rappresentazione in quasi colore, quando un insieme di colori, ad esempio, dal viola al rosso, è assegnato all'intero intervallo di valori di campo dal minimo al massimo, è ora molto comune, poiché facilita notevolmente l'analisi di distribuzioni spaziali complesse per il medico. Il risultato è una sequenza di mappe da cui è possibile vedere come si muovono le fonti di potenziale elettrico lungo la superficie della crosta.
Un personal computer consente di costruire mappe non solo della distribuzione potenziale istantanea, ma anche di parametri EEG più sottili, che sono stati a lungo testati nella pratica clinica. Questi includono principalmente la distribuzione spaziale della potenza elettrica di alcuni componenti spettrali dell'EEG (ritmi α, R, γ, δ e θ). Per costruire una tale mappa, in una certa finestra temporale, i potenziali vengono misurati in 32 punti del cuoio capelluto, quindi gli spettri di frequenza vengono determinati da questi record e viene costruita la distribuzione spaziale delle singole componenti spettrali.
Le carte α, δ, I sono molto diverse. Disturbi della simmetria di tali mappe tra l'emisfero destro e sinistro possono essere un criterio diagnostico nel caso di tumori cerebrali e in alcune altre malattie.
Così, attualmente, sono stati sviluppati metodi senza contatto per registrare il campo elettrico che il corpo umano crea nello spazio circostante e sono state trovate alcune applicazioni di questi metodi in medicina. Le misurazioni a contatto del campo elettrico hanno ricevuto un nuovo impulso in connessione con lo sviluppo dei personal computer: le loro elevate prestazioni hanno permesso di ottenere mappe dei campi elettrici del cervello.
Campo magnetico umano
Il campo magnetico del corpo umano è creato dalle correnti generate dalle cellule del cuore e dalla corteccia cerebrale. È estremamente piccolo - 10 milioni - 1 miliardo di volte più debole del campo magnetico terrestre. Un magnetometro quantistico viene utilizzato per misurarlo. Il suo sensore è un magnetometro quantistico superconduttore (SQUID), il cui input include anche i ricevimenti dalla bobina. Questo sensore misura il flusso magnetico ultra debole che passa attraverso le bobine. Perché uno SQUID funzioni, deve essere raffreddato a una temperatura alla quale appare la superconduttività, ad es. alla temperatura dell'elio liquido (4 K). Per fare ciò, esso e le bobine riceventi sono posti in uno speciale thermos per la conservazione dell'elio liquido - un criostato, più precisamente, nella sua coda stretta, che può essere portato il più vicino possibile al corpo umano.
Negli ultimi anni, dopo la scoperta della "superconduttività ad alta temperatura", sono comparsi gli SQUID, che possono essere sufficientemente raffreddati alla temperatura dell'azoto liquido (77 K). La loro sensibilità è sufficiente per misurare i campi magnetici del cuore.
Il campo magnetico creato dal corpo umano è di molti ordini di grandezza inferiore al campo magnetico della Terra, alle sue fluttuazioni (rumore geomagnetico) o ai campi dei dispositivi tecnici.
Esistono due approcci per eliminare l'influenza del rumore. Il più radicale è la creazione di un volume (stanza) relativamente grande in cui il rumore magnetico viene ridotto drasticamente dagli schermi magnetici. Per gli studi biomagnetici più delicati (sul cervello), i rumori devono essere sibilati circa un milione di volte, il che può essere fornito da pile multistrato di una lega ferromagnetica magnetica dolce (ad esempio, permalloy). La stanza schermata è una struttura costosa e solo i più grandi centri scientifici possono permetterselo. Il numero di queste stanze nel mondo è attualmente in unità.
Esiste un altro modo più economico per ridurre l'influenza del rumore esterno. Si basa sul fatto che, per la maggior parte, i rumori magnetici nello spazio intorno a noi sono generati da oscillazioni caotiche (fluttuazioni) del campo magnetico terrestre e da installazioni elettriche industriali. Lungi da improvvise anomalie magnetiche e macchine elettriche, il campo magnetico, sebbene fluttui nel tempo, è spazialmente omogeneo, variando leggermente a distanze paragonabili alle dimensioni di un corpo umano. Infatti, i campi biomagnetici si indeboliscono rapidamente con la distanza da un organismo vivente. Ciò significa che i campi esterni, sebbene molto più forti, hanno gradienti inferiori (cioè la velocità di variazione con la distanza dall'oggetto) rispetto ai campi biomagnetici.
Il dispositivo di ricezione di un dispositivo con un calamaro come elemento sensibile è fabbricato in modo che sia sensibile solo al gradiente del campo magnetico - in questo caso, il dispositivo è chiamato gradiometro. Tuttavia, spesso i campi esterni (di rumore) hanno ancora gradienti evidenti, quindi è necessario utilizzare un dispositivo che misura la seconda derivata spaziale dell'induzione del campo magnetico - un gradiometro del secondo ordine. Un tale dispositivo può già essere utilizzato in un normale ambiente di laboratorio. Tuttavia, è preferibile utilizzare i gradiometri anche in luoghi con un ambiente "magneticamente silenzioso" e alcuni gruppi di ricerca lavorano in case non magnetiche appositamente costruite nelle aree rurali.
Attualmente, è in corso un'intensa ricerca biomagnetica sia in stanze schermate magneticamente che senza di esse, utilizzando gradiometri. In una vasta gamma di fenomeni biomagnetici, ci sono molti compiti che consentono diversi livelli di attenuazione del rumore esterno.
