Основы медицинской интроскопии

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ  
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ  
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 
 
 
 
 
 
Е.С. Марченко  
 
 
ОСНОВЫ МЕДИЦИНСКОЙ 
ИНТРОСКОПИИ 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Томск 
Издательский Дом Томского государственного университета 
2018 
 

Основы медицинской интроскопии 

УДК 669.018:612.089.61 
ББК 34.2 
         М30 
 
 
Марченко Е.С. 
М30 
Основы медицинской интроскопии : учебное пособие. −  
 
Томск : Издательский Дом ТГУ, 2018. – 156 с. 

ISBN 978-5-94621-775-0 
 
В основу пособия положен материал лекций по курсу «Основы интроскопии» специализации «Медицинская физика», которые автор читает на физическом факультете ТГУ. 
Для студентов технических и биологических факультетов высших 
учебных заведений, а также для широкого круга читателей, интересующихся вопросами медицинской интроскопии. 
 
УДК 669.018:612.089.61 
ББК 34.2 
 
 
 
Рецензенты 
Д-р техн. наук, заслуженный профессор ТГУ В.Э. Гюнтер  
профессор РАН, д-р мед. наук А.А. Радкевич  
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ISBN 978-5-94621-775-0 
 
© Марченко Е.С., 2018 
© Томский государственный университет, 2018 
© ООО «НПП “МИЦ’’», 2018 
 
 

2 

Глава 1. Введение в интроскопию 

 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
В каждой главе данного пособия последовательно представлены основные виды медицинской интроскопии в зависимости 
от длины волны электромагнитного излучения, на которой она 
основана. Дано описание аппаратуры, предназначенной для регистрации этих излучений и получения с их помощью изображений различных биологических объектов. Приведен обзор современных возможностей физических методов исследований 
в биологии и медицине. Особое внимание уделено биологическому действию разных видов излучения на ткани организма. 
Обосновано применение представленных видов интроскопии 
в определенных областях медицины.  
В настоящей работе не только используются сведения из 
существующих университетских курсов по физике, биофизике, 
физической химии, медицинской физике, но и дается достаточно подробное изложение необходимого для понимания основ 
интроскопии дополнительного материала, который не нашел 
своего отражения в соответствующих курсах. Рассмотрение 
этих вопросов основано на биологических примерах; эти вопросы приводится по ходу изложения основного материала. Достаточно подробное изложение дает возможность читателю войти 
в круг физических идей, составляющих теоретический фундамент современной медицинской интроскопии.  
Автор надеется, что пособие, предлагаемое читателям и в 
первую очередь студентам, внесет свой вклад в понимание физических методов и технологий медицинской интроскопии, применяемых не только для диагностики, но также для профилактики и лечения различных заболеваний. 
 
 
 

3 

Основы медицинской интроскопии 

 
 
Глава 1. ВВЕДЕНИЕ В ИНТРОСКОПИЮ 
 
 
1.1. Определения и задачи интроскопии 
 
Любой биологический объект в условиях своей жизнедеятельности является источником физических полей. Непрерывное и нормальное функционирование систем живого организма 
отражается в сложной картине физических полей и излучений, 
исходящих из него (см. рис. 1.1). Это связано с возникновением, 
движением и взаимодействием электрических зарядов в живом 
организме в процессе его жизнедеятельности. Электрическая активность сердца и мозга, распространение пульсовых волн 
в эластичных сосудах, мышечная сократительная деятельность, 
распространение нервных импульсов по всем структурам, активный и пассивный транспорт веществ и другое – все эти процессы порождают физические поля и волны, которые генерирует и излучает человек. По картине физических полей можно судить о работе физиологических систем организма. 
По своей природе различают физические поля: гравитационное, электрическое, магнитное, электромагнитное, ядерное 
и акустическое. У человека существует пять основных разновидностей электромагнитного поля и одно акустическое: 
1. Низкочастотное электрическое поле. Источником низкочастотного электрического поля в живом организме является электрогенез в клетках и органах, т.е. возникновение потенциала, 
вызванное физико-химическими процессами, обеспечивающими 
неравномерное распределение ионов внутри живой клетки и на 
поверхности оболочки или быстрое перемещение ионов через 
мембрану. Напряженность электрического поля E = F/q измеряется в В/м. 
2. Низкочастотное магнитное поле с частотами ниже 103 Гц. 
Низкочастотное магнитное поле тела человека создается движущимися зарядами, возникающими в процессе возбуждения 

4 

Глава 1. Введение в интроскопию 

клеток сердца и коры головного мозга. Источником магнитного, 
как и электрического, поля сердца является перемещающаяся 
граница области возбуждения миокарда – левого желудочка. Вектор индукции магнитного поля В определяет силу, действующую 
в данной точке поля движущийся заряд и измеряется в Тл. 
3. Электромагнитное поле в диапазоне радиоволн сверхвысоких частот 109–1 010 Гц и с длиной волны 3–60 см. Источником 
радиоволн сверхвысоких частот (СВЧ) в организме человека является сердце. Его можно рассматривать как поляризационный 
генератор СВЧ-волн. В процессе сокращения в нем, как в пьезоэлектрике, возникают высокочастотные колебания. СВЧ-поля 
распространяются по кровеносным сосудам, как по диэлектрическим волноводам. Так как проводимость стенок невелика, поля могут выходить за стенки такого кровеносного волновода 
при сгибах сосудов или изменении их диаметра. 
4. Электромагнитное поле в инфракрасном (ИК) диапазоне 
частот 1 014 Гц и с длиной волны 3–10 мкм. Источником этого 
излучения является инфракрасное (тепловое) излучение тела человека. ИК-излучение дают все живые тела при любой температуре и излучается атомами и молекулами вещества. Человеческий организм функционирует в довольно узком диапазоне температур (4–40°С) и чрезвычайно чувствителен к тепловому балансу внутри него (измерение температуры тела при болезнях – 
это показатель состояния организма). Тепловое излучение характеризует температуру организма через температуру кожи. 
Оно несет информацию о сети капиллярного кровотока, обеспечивающего терморегуляцию тела. Основной характеристикой 
является энергетическая светимость и измеряется в Вт/м2. 
5. Электромагнитное поле в оптическом диапазоне частот 
1 015 Гц с длиной волны около 0,5 мкм. Излучение в видимом 
диапазоне частот электромагнитного поля называется оптической хемилюминесценцией (свечением). Оно дает информацию 
о насыщении тканей организма кислородом. Разрешение такого 
излучения ~ 1 000 фотонов в 1 с.  
Механизм свечения связан с перекисным окислением липидов, которое сопровождается появлением молекул в возбужден
5 

Основы медицинской интроскопии 

ном электронном состоянии (радикалов). При взаимодействии 
таких молекул происходит излучение света. При индуцированном свечении возможен и другой механизм. Например, измерено излучение при активации нейтрофилов (клеток крови), связанное с генерацией активных форм кислорода. Светимости 
различных участков кожи различаются (наиболее сильное излучение исходит от кончиков пальцев, гораздо слабее – от живота 
пли предплечья). Они снижаются в покое и повышаются с ростом активности пациента. 
 

 
 
Рис. 1.1. Схема физических полей в организме человека  
(ИК – инфракрасное излучение; B – магнитная индукция;  
E – напряженность электрического поля;  
СВЧ – излучение сверхвысокой частоты) 
 
Акустические волны тела человека. Акустоэлектрические 
волны генерируются в диапазоне 0,15–0,20 ГГц в белково
6 

Глава 1. Введение в интроскопию 

липидных мембранах, изменяя биохимические процессы в клетке. Низкочастотные акустические сигналы создаются физиологическими процессами: дыхательными движениями, биением 
сердца, током крови в кровеносных сосудах. Они сопровождаются колебаниями поверхности тела и несут информацию о колебательных процессах таких внутренних органов, как легкие 
и сердце (акустические фононы и ультразвук). Источником акустического излучения мегагерцового диапазона является тепловое акустическое излучение. Оно возникает вследствии хаотического теплового движения атомов и молекул человеческого тела. Интенсивность этих волн определяется абсолютной температурой тела. 
Радио- и акустотепловое излучение может быть использовано 
для исследования тепловой динамики внутренних органов. 
Регистрация и измерение характеристик этих полей могут 
быть использованы для получения информации о состоянии организма, систем органов и тканей, т.е. для целей медицинской 
диагностики. Раздел медицинской диагностики, связанный с использованием различных методов исследования внешних 
и внутренних органов биологических тканей и объектов за счет 
физических полей и воздействий электромагнитных, ультразвуковых и корпускулярных излучений, называется медицинской 
интроскопией.  
Основной задачей медицинской интроскопии являются обнаружение и идентификация различных отклонений от заданных 
свойств, а также исследование явлений и процессов, происходящих в живых биологических объектах. 
 
 
1.2. Классификация различных видов излучений  
и виды интроскопии в медицине 
 
Все излучения, используемые в интроскопии, условно делятся на две группы: ионизирующие и неионизирующие. Ионизирующие излучения включают квантовые и корпускулярные излучения. В медицинской интроскопии к квантовым излучениям 

7 

Основы медицинской интроскопии 

относят рентгеновское (тормозное) и гамма-излучения, к корпускулярным: потоки электронов, протонов, нейтронов и других 
частиц.  
К неионизирующим излучениям можно отнести: 
– ИК излучение; 
– резонансное излучение (излучение, возникающее в объекте 
в постоянном магнитном поле под действием радиочастотных 
импульсов); 
– ультразвуковое излучение. 
В современной медицинской интроскопии для преобразования 
невидимого поля излучения биологических объектов в видимое 
изображение используется практически весь спектр электромагнитного излучения, от радиоволн до гамма-излучения (см. 
рис. 1.2). Электромагнитное излучение позволяет получать изображение внешних и внутренних структур исследуемого объекта. 
Вся шкала в спектре электромагнитного излучения условно 
подразделена на семь диапазонов (в зависимости от их частоты 
и длины волны в вакууме): радиоволны, микроволновое излучение, инфракрасные волны, видимые волны, ультрафиолетовые 
волны, рентгеновские волны, гамма-излучение. 
В зависимости от диапазона электромагнитного излучения 
можно выделить следующие виды медицинской интроскопии: 
1. Ядерно-магнитно-резонансная (ЯМР) интроскопия базируется на основе радиоволнового излучения (с длиной волны λ 
от 5×10–5 до 1010 м и частотами от 6×1012 до нескольких Гц). 
2. Инфракрасная интроскопия основана на инфракрасном 
излучении (с длиной волны λ от 700 до 105 нм и частотами от 
3×1012 до 0,42×1015 Гц). 
3. Эндоскопическая интроскопия использует диапазон видимого излучения (с длиной волны λ от 400 до 760 нм и частотами 
от 0,39×1015 до 0,75×1015 Гц). 
4. Ультрафиолетовая интроскопия использует область ультрафиолетового излучения (с длиной волны λ от 200 до 400 нм 
и частотами от 0,39 до 0,75×1015 Гц). 

8 

Глава 1. Введение в интроскопию 

 

 
 
Рис. 1.2. Спектр электромагнитного излучения (в длинах волн λ)  
и соответствующие его участкам виды интроскопии 
 
5. Рентгеновская интроскопия с λ рентгеновского излучения 
от 80 до 10-4 нм и частотами от 0,37×1016 до 3,0×1023 Гц. 
6. Радионуклидная или радиоизотопная интроскопия на основе гамма-излучения с длиной волны менее 10–4 нм и частотой 
более 3,0×1023 Гц. 
7. Ультразвуковая интроскопия основана на излучении не 
электромагнитной, а акустической природы. В ее основе лежат 
упругие колебания и волны с частотами более 20 кГц с верхним 
пределом ультразвуковых частот 109–1013 Гц. 

9 

Основы медицинской интроскопии 
 
 
 
 
Глава 2. МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНАЯ 
ТОМОГРАФИЯ 
 
Магнитно-резонансная томография (МРТ) является одним из 
наиболее эффективных применений радиоволнового излучения 
для целей медицинской интроскопии. Это томографический метод исследования внутренних органов и тканей с использованием физического явления ядерного магнитного резонанса. Для 
получения изображений в МРТ используются постоянное магнитное поле высокой напряженности и комбинации с электромагнитными радиоволнами. 
Данный метод позволяет получать без особенного риска для 
пациента не только высококачественное анатомическое изображение «срезов» частей тела в любой плоскости, но и информацию о «химии» физиологических процессов, о структуре и динамике тканей на молекулярном уровне и, как следствие, принципиально новые возможности для медицинской диагностики. 
Томография (греч. τομη – сечение) – метод неразрушающего 
послойного исследования внутренней структуры объекта посредством получения большого количества проекций в различных пересекающихся направлениях.  
Главными преимуществами метода МРТ являются высокий 
мягкотканный контраст, что дает возможность получать качественные изображения различных мягких тканей (головного 
и спинного мозга, позвоночника, суставов, сердца, сосудов, органов брюшной полости за исключением желудка, кишечника 
и малого таза) без введения контрастного препарата, а также отсутствие лучевой нагрузки. 
Рассмотрим 
общие 
принципы 
реализации 
магнитнорезонансной томографии и ее применение в медицинской интроскопии.  

10