Современная медицина в значительной степени опирается на достижения физики, в частности — электромагнетизма. Электрические и магнитные поля, а также электромагнитное излучение различных частотных диапазонов используются в неинвазивной диагностике, физиотерапии, хирургии, а также в клеточном и молекулярном воздействии.
Работа сердца сопровождается возникновением слабых электрических токов, создающих электромагнитное поле. Электрокардиография позволяет регистрировать эти потенциалы с помощью электродов, размещённых на поверхности тела. На основе анализа ЭКГ оценивается ритм, частота и электрическая активность сердца. Это — один из наиболее простых и широко применяемых неинвазивных методов.
Ключевые физические принципы:
Метод регистрации биоэлектрической активности мозга. Электроды фиксируются на черепной коробке, и с помощью чувствительной аппаратуры регистрируются изменения потенциалов, возникающих в результате нейронной активности. Анализ ЭЭГ позволяет диагностировать эпилепсию, нарушения сна, нейродегенеративные процессы.
В отличие от ЭЭГ, МЭГ регистрирует не электрические, а магнитные поля, индуцированные нейронной активностью. Для этого используется сверхпроводящая технология — сквид-магнитометры (SQUID). Это позволяет получить высокоточное пространственное распределение источников нейронной активности.
Особенности МЭГ:
МРТ основана на ядерном магнитном резонансе. Протоны (в основном ядра водорода) в тканях организма в постоянном магнитном поле получают ориентацию. При наложении радиочастотного импульса они поглощают энергию, а затем при релаксации излучают её обратно. Регистрируя это излучение, можно построить пространственные срезы тканей.
Ключевые физические аспекты:
МРТ незаменима при исследовании мягких тканей: головного и спинного мозга, суставов, сосудов. Отсутствие ионизирующего излучения делает метод безопасным даже при частом использовании.
Ткани организма обладают частотно-зависимой диэлектрической проницаемостью и электропроводностью. При прохождении микроволновых и радиочастотных волн через биологические среды происходит избирательное поглощение, отражение и рассеяние. Эти эффекты используются в:
Рентгеновские лучи (жёсткое электромагнитное излучение с энергией фотонов порядка десятков кэВ) широко применяются для получения изображений внутренних структур организма. Основано на различной степени поглощения излучения различными тканями: кости поглощают больше, чем мягкие ткани.
Основные составляющие установки:
КТ — развитие рентгенографии, в которой множество проекций тела собираются при вращении источника вокруг пациента. На основе этих проекций вычисляется пространственное распределение плотностей — срез за срезом.
Слабые электрические токи используются для стимуляции нервов и мышц, улучшения кровообращения, снятия боли. В физиотерапии применяются:
Механизм действия: модуляция потенциала мембраны клеток, изменение проницаемости ионных каналов, индукция сократительной активности мышц.
Используются переменные магнитные поля низкой частоты. Предполагаемые эффекты:
Существует методика транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС), при которой магнитное поле индуцирует токи в коре головного мозга, что используется при лечении депрессии, постинсультных состояний, эпилепсии.
Методы основаны на локальном нагреве тканей при прохождении высокочастотного тока. При этом наблюдается:
Контролируемая гипертермия применяется в онкологии — опухолевые клетки более чувствительны к температурному воздействию по сравнению со здоровыми.
Лазеры позволяют производить бескровные и точные разрезы, коагулировать ткани и стерилизовать область воздействия.
Применяется для стимуляции заживления, снятия боли и воспаления. Эффект объясняется активацией внутриклеточных процессов под воздействием когерентного света.
Используются магнитные наночастицы, покрытые лекарственными веществами. Под действием внешнего магнитного поля частицы направляются в зону патологического очага. Это обеспечивает:
На основе чувствительных наноструктур разрабатываются биосенсоры, способные регистрировать малые изменения электромагнитных свойств среды, например, при связывании молекул-мишеней. Используются в диагностике и мониторинге терапии.
Применение электромагнитных методов требует строгого контроля дозы и параметров воздействия. В медицинской практике используются:
Избыточное или неконтролируемое электромагнитное воздействие может вызвать тепловые и нетепловые эффекты, включая ожоги, мутации и функциональные нарушения. Поэтому безопасность является неотъемлемым аспектом медицины, основанной на электромагнетизме.