http://www.ras.ru/digest/showdnews.aspx?id=7c6bb0e5-efce-4e0d-82f9-797a2540a20b&print=1
© 2024 Российская академия наук

ФИЗИЧЕСКИЕ ПОЛЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

31.05.2004

Источник: http://www.integro.ru/system/new_science/field_obj/field_obj.htm

В Институте радиотехники и электроники АН СССР начаты исследования физических полей биологических объектов с целью создания дистанционных невоздействующих методов медицинской диагностики.
В журнале «Вестник Академии наук СССР» (1983, № 8) было напечатано интервью корреспондента журнала А.И.Козловой с руководителем этих исследований — заместителем директора института, членом-корреспондентом АН CCCР Ю.В.ГУЛЯЕВЫМ и заведующим лабораторией радиоэлектронных методе исследования биологических объектов, доктором физико-математических наук Э.Э.ГОДИКОМ.
— Почему именно в Институте радиотехники и электроники была создана лаборатория радиоэлектронных методов исследования биологических объектов?

Ю. В. Гуляев. Занятия вопросами биологии и медицины для ученых нашего института, можно сказать, традиционны. Под руководством академика Н.Д.Девяткова у нас уже давно и активно ведутся работы по изучению воздействия сверхвысокочастотных (СВЧ) электромагнитных излучений на биологические объекты. Сейчас такие исследования широко проводятся и в других научных учреждениях, в частности медицинских, например в Онкологическом научном центре, но пионерскими были именно исследования Николая Дмитриевича с сотрудниками. Чтобы полнее охарактеризовать традиционный интерес ученых нашего института к биологии и медицине, добавлю, что специалисты, занимающиеся у нас лазерным излучением и стекловолоконной техникой, в последние годы тоже подключились к медицинским проблемам, принимая участие в работах по использованию стекловолокна для подведения энергии лазера к тому или иному органу. Кроме того, наш институт сравнительно давно занимается изучением физических полей Земли.

— Вы имеете в виду дистанционное зондирование?

— Да. Если говорить о пассивном зондировании, то это прием слабых собственных электромагнитных сигналов от различных объектов. Используя соответствующий математический аппарат, по этому слабому излучению можно судить о состоянии, например, почвы, растительности, различных параметрах атмосферы. Думаю, нет необходимости объяснять, сколь важную информацию они дают.
Те же методы можно применять к зондированию биологических объектов. Например, измеряя относительно слабые их излучения в СВЧ-диапазоне, можно делать выводы о температуре, диэлектрической проницаемости не только на поверхности, но и внутри объекта, Такие работы стала вести одна из лабораторий института. Надо сказать, что работы по применению пассивных методов дистанционного зондирования к исследованию биообъектов развиваются и в других учреждениях. Например, в горьковском Научно-исследовательском радиофизическом институте под руководством члена-корреспондента АН СССР В.С.Троицкого разработаны радиометры, позволяющие измерять температуру в глубине любого биологического объекта по его собственному излучению в СВЧ-диапазоне волн. Все шире используется тепловидение, основанное на регистрации инфракрасного излучения биообъектов. В последнее время началось активное изучение магнитных полей биообъектов. Мы пришли к выводу о необходимости комплексного применения таких методов для получения полной картины физических полей, генерируемых биообъектом. При этом информация, получаемая по различным каналам, взаимно дополняется и позволяет разносторонне охарактеризовать биообъект.

— Чем же все-таки вызвана необходимость изучения физических полей биологических объектов?

Ю. В. Гуляев. 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.

- И когда именно создана ваша лаборатория?

Э.Э.Годик. В сентябре 1981 г. Лаборатория состоит из физиков и инженеров, специалистов в области приема слабых электромагнитных и акустических сигналов, их выделения из шумов и помех, цифровой обработки сигналов. С нами работает группа физиологов НИИ нормальной физиологии АМН СССР. Кроме того, мы тесно контактируем с 1-м Медицинским институтом, МГУ, Научно-исследовательским радиофизическим институтом и другими учреждениями.

— Какие же именно физические поля биологического объекта вы регистрируете и изучаете?

Э.Э.Годик. Прежде чем ответить на этот вопрос, замечу, что в работах по изучению физических полей биологических объектов первый этап, безусловно, должен быть экспериментальным. Если в физике твердого тела сейчас теория развита настолько, что теоретики, лред-сказывая те или иные явления, с большой вероятностью уверены в подтверждении их экспериментом, то в работах, о которых идет речь, эксперимент должен дать теоретикам почву для размышлений. Приступая к исследованиям, мы считали, что очень важно проблему проработать профессионально, четко выделить область, в которой мы компетентны, и провести добротные исследования на современном научном уровне. Прежде всего нужно было сформулировать, 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 — примерно 10 мВт с квадратного сантиметра поверхности своего тела, в целом около 100 Вт. Это излучение далеко уходит от человека, попадая в окно прозрачности атмосферы (длина волны 8—14 мкм).
Ю.В.Гуляев. Хочу подчеркнуть, что нас интересуют не сами по себе -электромагнитные излучения, которые уходят от биологических объектов, а возможность переноса по этим каналам информации, связанной с работой внутренних органов. Так, инфракрасное излучение может быть промодулировано физиологическими процессами, которые задают распределение и динамику температуры поверхности тела.
Э.Э.Годик. Следующий канал (диапазон волн) — радиотепловое излучение, несущее информацию о температуре и временных ритмах внутренних органов человека. Чем больше длина волны, тем с большей глубины можно зарегистрировать излучение. 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.
Далее. Низкочастотные электрические поля с частотами от нуля примерно до 1 кГц. Они связаны, как правило, с электрохимическими, в первую очередь трансмембранными, потенциалами, которые отражают функционирование различных органов и систем биообъекта (сердца, желудка и др.). К сожалению, низкочастотные электрические поля практически полностью экранируются высокопроводящими тканями биообъекта. Это затрудняет решение обратных задач по восстановлению 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 в мире.
Необходимы также исследования акустических сигналов, возникающих при работе внутренних органов, мышц и т.д. Это инфразвуковые сигналы, которые выходят из любой точки организма. «Прослушивание» организма может дать ценную информацию о его механическом функционировании.
Нас интересуют и более высокочастотные акустические сигналы (шумового характера), связанные с возможными источниками на молекулярном и клеточном уровнях.
Измеряя распределение полей в пространстве, окружающем биообъект, можно получить информацию о распределении температуры и источниках электрических, магнитных, акустических полей в глубине биообъекта. Это открывает возможность дистанционной диагностики функциональной активности внутренних органов.

- Какие еще поля вы можете назвать?

Э.Э.Годик. Если говорить о более высоких частотах, то в оптическом, ближнем инфракрасном и ближнем ультрафиолетовом диапазонах должны наблюдаться сигналы биолюминесценции, обусловленной протекающими в организме биохимическими реакциями. Это слабое свечение тоже весьма информативно: оно позволяет контролировать темп биохимических процессов.
Наконец, помимо названных каналов важны измерения изменений 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.

— Регистрация сигналов по всем названным каналам — задача физиков, а в чем задача работающих с вами вместе физиологов?

Ю.В.Гуляев. Состояние биообъекта существенно нестационарно. По этой причине картину его физических полей можно изучать лишь путем привязки к быстро меняющемуся психофизиологическому состоянию. Для этого одновременно с физическими измерениями физиологи должны регистрировать различные физиологические параметры биообъекта. Кроме того, любой биообъект — динамическая саморегулирующаяся система, поэтому в картине его физических полей должны существенно проявляться характеристики регуляторных систем гомеостаза. Исследование таких систем также невозможно без тесного сотрудничества с физиологами.

— Вы не могли бы охарактеризовать особенности создаваемой вами аппаратуры?

Э.Э.Годик. Чтобы разобраться в сложной картине физических полей, окружающих биологические объекты, в том числе человека, выяснить возможность использования этих полей для дистанционной медицинской диагностики, создается измерительно-вычислительный комплекс на базе ЭВМ и высокочувствительной аппаратуры для регистрации тех физических полей, о которых шла речь. Этот комплекс должен позволять регистрировать сигналы по многим каналам одновременно, включая каналы электрофизиологического контроля. Для получения пространственной структуры поля в каждом канале необходимо использовать матричные или сканирующие антенны. Из-за нестационарности биообъекта аппаратура должна быть достаточно быстро действующей, с тем чтобы успевать регистрировать сигналы в динамике, то есть быстрее, чем изменяется состояние объекта. Практически во всех каналах необходима тщательная экранировка от помех.

— В какой стадии находятся эти работы и какие каналы уже работают?

Э. Э. Годик. Создана и функционирует. аппаратура для исследования электрических полей биологического объекта. В электрически экранированной комнате (клетке Фарадея), где практически не остается ни геофизического поля, ни промышленных помех, дистанционно регистрируется электрокардиограмма. Для этого достаточно поднести руку к антенне — потенциальному зонду — на расстояние около 10 см.
Дистанционно (на расстояниях до 2м) регистрируются так называемые баллистограммы. Работа внутренних органов, например легких, сердца, вызывает сотрясения поверхности грудной клетки, отражающие те механические ритмы, которые свойственны этим органам. А поскольку на поверхности тела всегда есть статический заряд, то он, двигаясь вместе с грудной клеткой, приводит к появлению на потенциальном зонде электрических сигналов.
Наша аппаратура дистанционно регистрирует и более тонкие сигналы — микротремор мышц (миограмму), вариации поля поверхностного заряда, связанные с изменениями электрических параметров кожи. По этому каналу начаты совместные исследования с медиками.

—Насколько оригинальны ваша аппаратура и методики?

Э.Э.Годик. Наша задача состоит не в разработке принципиально новой аппаратуры, а в применении самой современной техники дистанционного зондирования к исследованию 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 мы используем богатый опыт, накопленный в институте при создании разнообразных датчиков физических полей (полупроводниковых, сверхпроводниковых, фотоэмиссионных и др.), а также аппаратуры для пассивного зондирования.

— Что сделано в вашей лаборатории для регистрации инфракрасного излучения биологических объектов?

Э.Э.Годик. Для регистрации инфракрасного излучения в диапазонах 3—5 и 8—14 мкм создан комплекс аппаратуры на основе тепловизорной системы и специализированного микропроцессора для обработки изображений. Комплекс позволяет регистрировать термограммы биообъекта с высокой чувствительностью (0,05 К).
Ю.В.Гуляев. Следует отметить, что в медицине тепловидение пока используется односторонне. Термограммы, как правило, сравнивают с некими установленными ранее нормалями и по наличию отклонений фиксируют патологию.
Э.Э.Годик. 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 мы поставили цель увидеть в пространственной структуре термограммы и ее временной динамике проявления этих систем и определить их характеристики. В частности, мы ожидали, что после внешнего воздействия (нагрева или охлаждения участка тела) температура будет возвращаться к исходному значению с характерным для работы следящей системы проскакиванием этого уровня. Мы разработали программы цифровой обработки термограмм, дающие возможность построить графики релаксации температуры для любой из 128х128 точек, описывающих термограмму, а также очертить области с одинаковой динамикой.
И действительно, нам удалось установить, что в термограмме человека наряду с областями, в которых температура релаксирует монотонно, есть также области, охваченные активным регулированием.
Такой подход позволяет уже на данном этапе охарактеризовать точки или области точек, ведущие себя однотипно, некими функциональными параметрами, то есть характерной постоянной времени, сигналом рассогласования.
Ю.В.Гуляев. Это очень важно для ранней диагностики, потому что она связана с контролем состояния регуляторных систем гомеостаза, в которых раньше всего должны появляться изменения, приводящие впоследствии к патологии.

— О диагностике каких болезней здесь может идти речь?

Ю.В.Гуляев. Ответить на этот вопрос — значит нарушить тот принцип, с которым мы подходим к работе.. На этот вопрос должны отвечать медики, а не физики. Беда, когда медики берутся за физические методы, которыми они не владеют профессионально, и с их помощью пытаются делать открытия в медицине. Но не меньшая беда, когда физики, владея этими методами, будут пытаться использовать их для лечения больных.

— Хотелось бы вернуться к вопросу о других каналах.

Э.Э.Годик. Создана высокочувствительная аппаратура, позволяющая регистрировать сверхслабую биолюминесценцию в оптическом диапазоне. Это система счета фотонов и экранированная от света камера. Регистрируется свечение полости рта, кожи 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 собственному 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.
Созданы и испытываются макеты радиометрических систем на длине волны 20 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.

— Расскажите о задачах вычислительной части вашего комплекса.

Э.Э.Годик. 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 полей (то есть 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 ли изучение чувствительности биологического объекта к внешним физическим полям биологического и геофизического происхождения?

Ю.В.Гуляев. Да, но на следующем этапе, так как для таких исследований вначале необходимо выяснить характеристики полей, адекватных биологическому объекту. Кроме того, эта задача существенно труднее для физиков, чем исследование физических полей, поскольку здесь биологический объект выступает как очень сложная приемная система. Решение этой задачи невозможно без тесного сотрудничества с биофизиками и психофизиологами.
Мне бы хотелось подчеркнуть, что наша 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.
Для нас очень важно внимание, которое оказывает проводимым работам академик Н.Д.Девятков. Одним из инициаторов этих работ является академик Ю.Б.Кобзарев, благодаря энергии и доброжелательному участию которого они развиваются.
Я думаю, что при поддержке наших ведущих ученых радиоэлектроника внесет весомый вклад в осуществление комплексной программы «Фундаментальные науки — медицине».