СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОГО МАГНИТОМЕТРИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ВНУТРЕННИХ СТРУКТУР ЧЕЛОВЕКА ИЛИ ЖИВОТНОГО

Изобретение относится к медицине и биологии, в частности к способу исследования организма человека или животного, основанному на бесконтактном измерении магнитных полей внутренних органов биологического объекта. Способ предназначен для использования в диагностических целях.

Известен способ магнитометрического исследования человека или животного (патент РФ №2102082, МПК A61K 41/00, опубл. 20.01.1998), основанный на использовании парамагнитных и сверхпарамагнитных веществ в качестве усиливающих средств для диагностической магнитометрии. Недостатками способа являются недостаточная безопасность его осуществления из-за использования парамагнитных и сверхпарамагнитных веществ и ограниченность полученной информации.

Известен способ измерения изменений магнитной восприимчивости человеческого тела, в частности сердца (патент US №3980076, A61B 5/02, опубл. 14.09.1976), основанный на воздействии внешнего магнитного поля, создаваемого дополнительными устройствами на тело человека. Недостатком аналога является недостаточная достоверность полученных результатов из-за использования дополнительных магнитных полей, вызывающих изменения текущего состояния биологического объекта. Кроме того, для выполнения способа требуется сложная система охлаждения датчика магнитометра, связанная с использованием двух, вставленных друг в друга, сосудов Дьюара.

Известен способ (патент РФ №2118833, МПК G01R 33/02, опубл. 10.09.1998), основанный на измерении магнитных полей сердца и головного мозга человека с помощью высокотемпературного СКВИД-магнитометра. Недостатком способа является необходимость наложения дополнительного магнитного поля, нахождение биологического объекта в котором вызывает изменение его внутреннего состояния и соответственно изменение в характеристиках полей, формируемых самим биологическим объектом и его отдельными органами.

Среди известных аналогов наиболее близким по назначению и технической сущности является способ бесконтактного магнитометрического исследования физического состояния человека или животного (патент РФ №№2102082, МПК А61К 41/00, опубл. 20.01.1998). Сущность прототипа заключается в применении к исследуемому объекту физиологически приемлемого парамагнитного или сверхпарамагнитного вещества, генерировании магнитометрического сигнала и его регистрации с использованием магнитометра со сверхпроводящим квантовым интерференционным датчиком SQUID от той части тела, в котором распределяется указанное вещество.

Основными недостатками данного способа являются недостаточная полнота полученных результатов из-за невозможности исследования тех органов, куда не попадает контрастное вещество, и достаточно высокая опасность его осуществления. Кроме того, процедура усложняется из-за использования магнитометра со сверхпроводящим квантовым интерференционным датчиком (SQUID), обладающим сверхвысокой чувствительностью до 10^-14 Тл, но требующим специальных условий для эксплуатации в виде оборудования для создания и поддержания низких температур и магнитного экранирования от внешних электромагнитных помех. Помещение биологического объекта (человека) в условия магнитного экранирования вызывает изменение его внутреннего состояния, что приводит к искажению регистрируемых данных и их ошибочной интерпретации. В свою очередь, использование парамагнитных и сверхпарамагнитных веществ (Mn, Fe, Dy, Gd, Eu, Tb, Tm, Yb, Er) в качестве усиливающих средств для диагностической магнитометрии может вызвать отрицательные последствия на организм исследуемого.

В отличие от прототипа заявляемый способ позволяет получить более полную картину физического состояния внутренних органов биологического объекта как суммарное магнитное поле (обобщенную магнитограмму) исследуемого и повысить безопасность проведения процедуры. На основании полученных результатов появляется возможность проведения экспресс-диагностики физического состояния человека и впоследствии более тщательного исследования больного органа.

Таким образом, техническим результатом от использования предлагаемого способа магнитометрического исследования биологического объекта является увеличение его эффективности за счет получения более полной и достоверной информации о физическом состоянии внутренних органов объекта при одновременном повышении безопасности проведения исследований.

Для достижения указанного результата используется следующая совокупность существенных признаков: в способе бесконтактного магнитометрического исследования физического состояния внутренних структур человека или животного, основанном на снятии магнитограммы исследуемого объекта, в отличие от прототипа исследуемый объект помещают в отдалении от искусственных источников магнитного поля, ориентируют его в вертикальном положении сначала лицом на север, а затем на юг, измеряют величины индукций магнитных полей объекта в точках, расположенных на следующих горизонтальных уровнях: общий уровень, расположенный прямо над головой; уровень головного мозга; уровень щитовидной железы; уровень сердца; уровень эцигастрия; уровень органов малого таза; причем показания снимают со стороны груди и со стороны спины в каждом ориентированном положении объекта, после чего для каждого уровня полученные результаты суммируют по формуле , где H_A - суммарная напряженность магнитного поля, , - напряженность магнитного поля объекта со стороны груди и со стороны спины, , - напряженность магнитного поля объекта в вертикальном положении сначала лицом на север, а затем на юг, и графически отображают полученные показатели в виде обобщенной магнитограммы исследуемого объекта, представляющей зависимость величин магнитных полей внутренних структур объекта по их измерению на выбранных уровнях.

Сущность предложенного способа состоит в использовании магнитного поля Земли в качестве единственного и достаточного источника магнитного поля для проведения исследований. Способ осуществляется неинвазивно на нескольких уровнях и в определенных точках над поверхностью тела человека. Измерения индукций магнитного поля в каждой точке осуществляют дважды: при ориентации человека лицом на север, а затем на юг. Вследствие неоднородности биологических сред такие показания будут различными. Алгебраическое сложение полученных результатов позволяет исключить внешнее магнитное поле, оставив только поле, наведенное внутренними органами биологического объекта. Наличие аналогичных точек измерения на противоположной поверхности (грудной или спинной) позволяет оценивать магнитную несимметричность внутренних органов на том или ином рассматриваемом уровне измерений.

Очевидным преимуществом заявляемого способа по сравнению с известными аналогами является то, что исследования проводятся без дополнительных магнитных излучателей и без специального магнитного экранирования, при этом исследуется весь организм, а не только те его части, куда попадает контрастное вещество. Достоинством способа помимо указанных выше является то, что измерения и обработка данных являются достаточно простыми действиями и не требуют участия высококвалифицированных специалистов, а используемое оборудование отличается дешевизной.

Сопоставление предлагаемого способа и прототипа показало, что поставленная задача - увеличение эффективности и безопасности проведения магнитометрических исследований - решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие изобретения критерию патентоспособности «новизна».

В свою очередь проведенный информационный поиск в области медицины и биологии не выявил решений, содержащих отдельные отличительные признаки изобретения, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа критерию «изобретательский уровень».

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 схематически изображен биологический объект «S», на поверхности которого в точке «А» производится замер напряженности суммарного магнитного поля,

на фиг. 2-5 приведены обобщенные магнитограммы внутренних органов здоровых людей (норма) и людей с заболеваниями.

Заявленный способ осуществляется следующим образом.

Выбирается подходящее место для проведения измерений, как правило, типовые помещения, в которых располагаются медицинские учреждения. Проверяется отсутствие значительных магнитных наводок от антропогенных источников магнитных полей, например трансформаторов или сильноточного медицинского оборудования в соседних помещениях. Уточняется конкретное место магнитометрического исследования в выбранном помещении с учетом металлоконструкции здания и линий энергообеспечения. Выбранное место должно обеспечивать однородность внешнего магнитного поля по постоянной составляющей.

Исследуемый биологический объект (человек) ориентируется в пространстве определенным образом: силовые линии магнитного поля Земли должны пронизывать его в направлении грудь-спина (условно прямое направление) или спина-грудь (условно обратное направление). С целью сокращения количества изменений ориентации объекта, для каждого пространственного положения его производятся одновременные входные измерения для одной поверхности тела (например, грудной поверхности) и выходные измерения для другой поверхности (спинной поверхности). При однократной смене ориентации объекта, проводятся аналогичные измерения, при которых у указанных поверхностей меняются только направления входа-выхода силовых линий внешнего магнитного поля.

Поскольку при смене пространственной ориентации объекта исследования направление внешнего магнитного поля, пронизывающего биологический объект, меняется на противоположное, то алгебраическое сложение полученных результатов для каждой точки измерения компенсирует внешнее магнитное поле, исключая его из процесса измерения. Вследствие магнитной неоднородности биологических объектов такая компенсация не распространяется на магнитные поля, формируемые самим биологическим объектом. Поэтому в результате такой обработки остаются только магнитные поля, вызванные компонентами биологического объекта, расположенными вблизи точки измерения и по оси магнитной силовой линии внешнего магнитного поля.

Наличие нескольких точек измерения на грудной и спинной поверхностях для каждого выбранного уровня исследований позволяет судить не только о магнитной неоднородности внутренних органов, но и конкретизировать их вклад в общую магнитограмму человека. Сравнение полученных магнитограмм с аналогичными магнитограммами здоровых людей позволяет судить об имеющихся отклонениях на структурно-функциональном уровне.

На фиг. 1 условно показан биологический объект «S», на поверхности которого в точке «А» производится замер напряженности суммарного магнитного поля. В зависимости от ориентации биологического объекта в магнитном поле Земли, напряженность которого в месте проведения измерений равна Н₀, получаем значения:

и

Данные уравнения отражают тот факт, что магнитное поле в любой точке на поверхности биологического объекта обусловлено двумя составляющими: внешним магнитным поле (Н₀) и магнитным полем, формируемым биологическим объектом. Вследствие неоднородности биологических объектов, магнитные поля, которые они формируют, зависят от пространственной ориентации объекта в магнитном поле Земли. В приведенных уравнениях этот факт отражен в виде составляющих H_S ^SN и H_S ^NS.

Для получения напряженности магнитного поля в точке «А», обусловленной только внутренней составляющей, т.е. магнитным полем биологического объекта, или точнее магнитными полями внутренних органов объекта, расположенными вблизи точки измерения, достаточно произвести алгебраическое сложение приведенных уравнений.

Учитывая, что

получаем

Уравнение (4) показывает, что для оценки магнитного поля, формируемого самим биологическим объектом в любой точке на его поверхности, необходимы минимум две составляющие, зависящие от ориентации объекта в пространстве. Понятно, что указанные составляющие будут иметь максимальное значение только в одном случае, когда они располагаются вдоль силовых линий магнитного поля Земли. Аналогичные вычисления можно произвести и для любых других биологически значимых точек на поверхности тела человека.

В результате получаем совокупность значений магнитного поля на поверхности тела человека, обусловленных только внутренними магнитными полями. Поскольку данные магнитные поля отражают текущую структуру внутренних органов биологического объекта, они могут быть использованы для оценки их состояния. Для осуществления анализа полученных результатов измерения использовалась графическая форма их представления (фиг. 2-5).

ПРИМЕРЫ РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБА

Апробирование предлагаемого способа осуществлялось в Федеральном государственном бюджетном учреждении «Санкт-Петербургский научно-исследовательский психоневрологический институт им. В.М. Бехтерева» Росздравнадзора. В исследованиях принимали добровольное участие как здоровые люди разного возраста и пола, так и люди, имеющие определенные заболевания. Исследования проводились на целостном организме бесконтактным способом. Никаких изменений внешней магнитной обстановки в виде магнитных экранов или магнитной подсветки не имелось, т.е. измерения проводились в естественной среде, в помещении с наименьшим дополнительным искажением геомагнитного поля от металлоконструкций здания.

Целью исследований являлась оценка несимметричности биомагнитных полей на выделенных уровнях тела человека в зависимости от состояния его здоровья и ее динамика под влиянием конкретных нагрузок и тех или иных лечебных, главным образом, физиотерапевтических процедур.

Для этого были определены конкретные точки измерения, исходя из общеизвестных представлений о биоэлектрической активности отдельных органов и систем, а также - целостном организме как источнике электромагнитных излучений.

Были выделены 7 горизонтальных уровней:

1. Общий уровень, расположенный прямо над головой;

2. Уровень головного мозга;

3. Уровень щитовидной железы (гортани);

4. Уровень сердца;

5. Уровень эпигастрия (желудок, желчные пути, головка поджелудочной железы, почки);

6. Уровень солнечного сплетения;

7. Уровень органов малого таза.

На каждом уровне располагалось по 6 точек измерения: 3 спереди (одна осевая и две боковые) и 3 аналогичные точки сзади. Осевая точка использовалась для определения левой или правой несимметричности. Несимметричность определялась для двух плоскостей: передней (грудинной) и задней (спинной). Замеры индукции магнитного поля в указанных точках осуществлялись с помощью отечественного трехкоординатного магнитометра: НВ0302. 1А (Россия) (0,1-100 мкТл) с разрешением 0,1 мкТл. Полученные данные сводились в разработанную таблицу измерений и соответствующим образом обрабатывались. Средствами Microsoft Exsel результаты обработки представлялись в графическом виде.

На графиках (фиг. 2-5) приведены обобщенные характеристики магнитограммы несимметричности для здоровых людей (норма) и людей с определенными заболеваниями. По оси абсцисс отложены номера уровней, на которых осуществлялись измерения магнитного поля, а по оси ординат - результаты обработки полученных данных в единицах индукции магнитного поля - мкТл. Измерения на каждом уровне показывали отклонения от осевых измерений на грудинной и спинной поверхностях и представлялись в виде величин, расположенных в соответствующих квадрантах. Первый квадрант был поставлен в условное соответствие с правой передней «четвертью» условного горизонтального «среза» на соответствующем уровне измерения. Второй квадрант соответствует левой передней четверти условного горизонтального среза. Третий и четвертый квадранты поставлены в соответствие с задней левой и задней правой четвертям условного горизонтального среза. Таким образом, четыре измерения на каждом уровне позволяют судить об имеющейся внутренней несимметричности по двум условным координатным осям: «ось ширины» (влево-вправо) и «ось глубины» (грудь-спина). Измерения проведены для двух различных пространственных положений человека: лицо на север и лицо на юг. Измерения проводились как без нагрузки, так и с нагрузкой в виде приседаний.

Проведенные таким образом измерения показали различную существующую биомагнитную несимметричность на выделенных уровнях и ее зависимость как от состояния здоровья человека, так и от нагрузочных условий.

На графике, приведенном на фиг. 2 (Распределение по квадрантам - Лицо на север - Норма - Без нагрузки), видно, что биомагнитная несимметричность здорового человека невелика и приходится на 4, 5 и 6 уровни. Положительное значение графика соответствует превышению измеряемой величины относительно осевого значения. В таком положении находится величина 1 квадранта. Остальные квадранты отрицательные. Видно, что несимметричность по осям «глубины» и «ширины» различна, что отражает различие внутренних структур по этим осям.

График, приведенный на фиг. 3 (Распределение по квадрантам - Лицо на юг - Норма - Без нагрузки), показывает существующую биомагнитную несимметричность в условиях расположения человека лицом на юг. В этом случае порядок прохождения внешнего геомагнитного поля через внутренние органы в направлении оси «глубины» меняется на противоположный, что и отражается в небольших изменениях получаемых результатов.

На фиг. 4 (Распределение по квадрантам - Лицо на север - Норма - Нагрузка) приведены обобщенные графики несимметричности здоровых людей после физической нагрузки в виде приседаний. Отчетливо видно, что несимметричность резко возросла в области сердца и легких (квадранты 2 и 1 уровня 4) и солнечного сплетения (квадранты 1 и 2 уровня 5).

На фиг. 5 (Распределение по квадрантам - Лицо на юг - Норма - Нагрузка) дополнительно продемонстрировано, что сердце и легкие (уровень 4) располагаются несимметрично относительно оси «глубины» и оси «ширины».

Проведенные исследования показали потенциальную возможность использования обобщенной магнитограммы для количественной оценки несимметричности биомагнитной структуры человека в зависимости от состояния его здоровья и ее динамику под влиянием конкретных нагрузок.

Предложенный способ исследования, целью которого является формирование обобщенной магнитограммы человека, может быть рассмотрен в качестве основы для разработки эффективных неинвазивных технологий диагностики и контроля текущего физического состояния человека.

По сравнению с прототипом предлагаемый способ позволяет получить более полную картину исследований и затем использовать результаты для экспресс-диагностики различных патологий. Кроме того, он более безопасен, т.к. не искажает магнитное поле отдельных органов ввиду отсутствия каких-либо дополнительных воздействий, и прост в применении, т.к. источник магнитного поля представляет собой естественное для человека воздействие, создаваемое магнитным полем Земли.

Способ был разработан специалистами ФБГУ Института физиологии имени И.П. Павлова РАН. Были предложены и успешно опробованы программа экспериментов, а также методики измерений и обработки данных для реализации способа. Проведенные испытания дали положительный результат, подтвердивший возможность использования способа для построения обобщенной магнитограммы человека и животных, а также проведения диагностики и экспресс-диагностики патологий внутренних органов.

Изложенное позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию «промышленная применимость».