Материал: В.П.Олейник ОВФПсБО учебное пособие

свою очередь, стимулирует физиологические процессы. К нетепловым проявлениям действия УВЧ-поля относят бактерицидное свойство, влияние на нервную систему (эффекты болеутоления), улучшение сосудистой проницаемости и перефирического кровоснабжения.

Емкостная плетизмография – диагностический метод, основанный на зависимости емкости конденсаторного датчика от кровенаполнения тканей, расположенных между электродами конденсатора. Измерение импеданса в цепи датчика проводится на частотах диапазо-

на 0,3…1 МГц.

2.6. Биообъекты в электромагнитном поле

Выше были рассмотрены случаи воздействия отдельных компонентов электромагнитного поля на биообъекты. Задача настоящего раздела – учесть особенности действия электромагнитного поля как излучения. В этом случае исходным моментом является понятие волновой зоны.

Волновая зона – это пространство, в котором электромагнитное поле обладает волновыми свойствами, т. е. характеризуется частотой изменения, длиной волны и направлением распространения. Волновая зона – это также часть пространства, в котором источник электромагнитного излучения можно считать точечным.

По особенностям воздействия на биологические объекты спектр электромагнитного излучения радиочастотного диапазона подразделяют на пять интервалов:

1.Единицы герц … 10 кГц – волновая зона находится на расстояниях, где интенсивность электромагнитного поля утрачивает свою биологическую значимость. Применительно к этому участку практическое значение имеют отдельные составляющие электрического и магнитного полей, действие которых рассмотрено в предыдущих разделах.

2.10 кГц … 30 МГц – характерно неравномерное поглощение

электромагнитной энергии различными биоструктурами организма. Поглощение энергии растет пропорционально ω2.

3.30 МГц … 10 ГГц – характерно возникновение выраженных интерференционных явлений, сопровождающееся сложным распределением поглощенной организмом энергии. Максимальное поглощение имеет место в случае возникновения резонансных явлений при определенном соотношении длины волны и размеров объекта. Возникают области так называемых «горячих пятен».

4.10 … 200 ГГц – характерно быстрое затухание волны при прохождении через ткани. Эффективная глубина проникновения – около 0,01… 0,1λ. Характерен эффект локального воздействия для человека. 49…60 ГГц – диапазон биорезонансных частот.

30

5. 200 … 3000 ГГц – характерно поглощение энергии самыми поверхностными слоями. При незначительных уровнях энергии излучения действие связывают с раздражением рецепторов кожи или действием на биологически активные точки.

Рассмотрим некоторые характеристики проникновения, распространения и поглощения электромагнитного излучения биоструктурами, моделируя их сплошными средами с пространственным распределением параметров ε, σ, µ.

Глубина проникновения электромагнитного излучения в био-

ткани – это расстояние, на котором амплитуда электрического поля уменьшается в e раз, а плотность потока энергии – в е2 раз. Эта вели-

чина определяется по формуле

d = λ0[ 2π2ε·((1+tg2δ)½-1)]½,

где λ0 – длина волны в вакууме. Учитывая, что tgδ = σ/ωεε0, при значительном увеличении частоты tgδ ≈ 0, следовательно, параметр d – бесконечно малая величина. Однако экспериментальная проверка показала, что теоретическая формула дает несколько заниженный результат, особенно для диапазона КВЧ. Это расхождение поясняют неадекватностью модели биосреды как сплошной среды.

Длину волны электромагнитного излучения в биотканях ха-

рактеризует формула

λтк = λ0·[(εµ/2)·((1+tg2δ)½+1)]-½.

Если учесть, что биосреды – это водосодержащие ткани, для ко-

торых в УКВ- и СВЧ-диапазонах tgδ<<1, а ε ≈ 81, µ ≈ 1, для оценочных расчетов применима формула λтк ≈ λ0(ε) -1/2 ≈ λ0/9… λ0/6. Таким обра-

зом, для электромагнитного излучения, проникшего в биосреду, присуще явление укорочения длины волны. Графики частотной зависимости λтк и d показаны на рис. 2.9. Для тканей с низким содержанием воды укорочение длины волны составляет 2…2,5 раза.

λтк, см d, см

100

1

d

0,1

1 10 102 103 104 F, Гц

Рис. 2.9. Частотная зависимость λтк и d для биотканей

Интерференционные явления обусловлены слоистой структурой биотканей. В тех случаях, когда толщина нескольких слоев вещества

31

меньше глубины проникновения излучения, часть энергии отражается от границ их раздела и в тканях возникают максимумы поглощения («горячие пятна», рис. 2.10).

Рис. 2.10. Моделирование образования «горячих пятен»

Общее количество поглощенной энергии электромагнитного излучения и ее распределение внутри биологического объекта являются сложной функцией электрических свойств тканей и их общих геометрических размеров и условий облучения. Объективной характеристикой энергетического воздействия является specific absorbed rate (SAR), или удельная поглощённая мощность (УПМ) – часть энергии электромагнитного излучения, поглощаемая единицей массы в единицу времени, [W]=Вт/кг. На рис. 2.11 показаны зависимости УПМ для объекта, различным образом ориентированного относительно плоскополяризованного электромагнитного излучения (векторы Е, Н, К=[ЕН]) в свободном пространстве. В качестве ориентационного признака выбран отрезок L, соединяющий максимально удаленные точки объекта, а аргументом взято отношение L/λ. Для получения зависимостей использовались экспериментальные фантомы (физические модели биообъектов).

Рис. 2.11. Зависимости УПМ от параметров облучения объекта

32

Исследования, проведенные на животных, подтвердили наличие максимума УПМ, когда максимальный размер объекта L несколько меньше половины длины волны излучения и ориентирован параллельно плоскости поляризации.

При облучении в свободном пространстве на частотах до 1 МГц размеры тела животных и человека малы по сравнению с длиной волны, диэлектрические процессы в тканях выражены слабо. Поэтому тело человека или животного можно считать однородным проводящим эллипсоидом. Учитывая, что энерговыделение пропорционально квадрату плотности тока и сопротивлению тканей человеческого тела,

для сфероидной модели были получены следующие формулы для Е и Н составляющих поля: QЕ = 2 ·10-21ρf2Е2, QН = 2 ·10-17ρf2Н2, где

[Q] = кал/мин.

При облучении в свободном пространстве в диапазоне частот 1…400 МГц наблюдается пропорциональная зависимость УПМ от площади поверхности биообъектов: W ~ S·ℓn(f).

На рис. 2.12 представлены частотные зависимости усредненных УПМ для различных частей тела человека, полученные численными методами. Полагается, что объект находится в свободном пространстве, а интенсивность падающего излучения – 1 мВт/см2. Наблюдается ряд характерных резонансов поглощения, а УПМ головы человека имеет несколько максимумов в интервале частот 300…400 МГц.

W, Вт/кг

Рис. 2.12. Частотные зависимости УПМ частей тела человека

Отличительной особенностью действия электромагнитного излучения в интервале частот 300…300000 МГц (1 м…1 мм) на биосреду является выполнение условий волновой зоны, поэтому применение электромагнитного излучения СВЧ- и КВЧ-диапазонов в медицине основывается, прежде всего, на локализации их воздействия, эффек-

33

тивном теплообразовании (пропорциональном частоте поля) и ряде специфических нетепловых эффектов.

Микроволновая терапия – метод лечения, основанный на использовании электромагнитного излучения дециметрового и сантиметрового диапазонов. Первичное действие этого излучения проявляется в зоне локального воздействия и состоит из теплового и осцилляторного (экстермического) эффектов. Тепловой эффект в биотканях обусловлен рассеиванием энергии колебаний свободных ионов электролитов и дипольных молекул диэлектриков вокруг своей оси в процессе их ориентирования относительно силовых линий электромагнитного поля. Наибольшее образование тепла происходит в водосодержащих тканях (кровь, мышцы, лимфа). К осцилляторному эффекту относят изменения коэффициентов поверхностного натяжения биожидкостей, проницаемости клеточных мембран, резонансное поглощение излучения белковыми макромолекулами и аминокислотами. Этот эффект проявляется при малых мощностях воздействия.

Выраженным биологическим действием обладает электромагнитное излучение диапазона 49…60 ГГц слабой и сверхслабой интен-

сивностей. Различают микроволновую резонансную терапию и ин- формационно-волновую терапию. В первом случае лечебный эф-

фект достигается воздействием узкополосного излучения интенсивностью около 10-6…10-9 Вт/см2, в другом – широкополосным излучением с обязательной составляющей миллиметрового диапазона и интенсивностью ~ 10-15 Вт/см2. Оба метода способствуют нормализации физиологических процессов в организме, стимулируют иммунные функции, обладают болеутоляющим действием.

Воздействие электромагнитных излучений на живые организмы имеет и негативные проявления. Поглощенная биотканями энергия вызывает повышение температуры во всем организме или в некоторых локальных областях. Величина повышения температуры зависит от диффузных механизмов нагревания и охлаждения тканей. Если способность системы к терморегулированию окажется недостаточной и теплоотвод затруднен, происходит перегревание тканей, что может привести к их разрушению и даже смерти всего организма.

Тепловой стресс – явление повышения температуры тела, увеличения частоты пульса и дыхания высших животных и человека при интенсивном и длительном их облучении электромагнитным СВЧполем. Поражение глаз (микроволновая катаракта) – помутнение хрусталика при интенсивном облучении СВЧ-полем.

Естественные источники мощных ВЧ- и СВЧ-излучений в пределах биосферы отсутствуют. Однако техногенная деятельность человека в последние десятилетия привела к существенному росту интенсивностей электромагнитных излучений и расширению их спектра в область сверхвысоких частот. Поэтому допустимый уровень интенсивности излучения 2,5 мкВт/см для человека трудновыполним.

34