4 Методы медико-биологических исследований на основе сверхвысокочастотных и оптических эффектов

4.1 Поглощение и рассеяние электромагнитных волн на биологических средах. Биологическое действие электромагнитного излучения

Вокруг и внутри БО при его жизнедеятельности всегда присутствуют физические поля, происхождение которых обусловлены природными явлениями, промышленными объектами и процессами, протекающими в самих БО. Распределение полей БО в пространстве и их изменение во времени несут информацию о состоянии БО.

Известно, что любые тела с температурой, отличной от абсолютного нуля, излучают электромагнитные волны (ЭМВ) во всем диапазоне длин волн. Интенсивность излучения можно оценить с помощью закона распределения энергии в спектре равновесного излучения при определенной температуре (закона Планка).

Живой объект, как любое физическое тело, является источником равновесного электромагнитного излучения (ЭМИ). Для тела с температурой ~300 К излучение наиболее интенсивно в инфракрасном диапазоне длин волн. Мощность теплового излучения составляет величину около 70 – 100 Вт, что соответствует плотности потока 10 мВт/см² для среднего человека с площадью поверхности тела ~ 1м².

Излучение, модулированное параметрами физиологических процессов, распространяется на достаточно большие расстояния в пределах "окна" прозрачности атмосферы ( 8-14 мкм). Тепловое излучение характеризует температуру в тонком слое кожного покрова глубиной l~ 0,1 мм. Это свойство использовано в приборах, называемых тепловизорами, определяющих температуру кожного покрова в диапазоне длин волн 10 мкм.

Радиоизлучение человеческого организма можно зарегистрировать также в сантиметровом и дециметровом диапазонах длин волн, в которых можно измерить температуру более глубоких структур человеческого тела. В дециметровом диапазоне удается регистрировать сигналы с глубины l~5…10 см. На более длинных волнах информация о температуре поступает с большей глубины, но при этом разрешающая способность прибора ухудшается.

Исследования свойств различных биологических тканей на сверхвысоких частотах ( ГГц, 1 м) показали, что по электромагнитным свойствам в СВЧ - диапазоне все ткани можно разделить на две группы:

– ткани с большими значениями диэлектрической постоянной 60…80 и сильным затуханием электромагнитных волн, близким к затуханию в физиологическом растворе 1% (NaCl);

– ткани с малыми значениями диэлектрической постоянной …6 и с меньшим затуханием волн, сравнимым с затуханием в чистой воде.

К первой группе относятся богатые водой мышечные ткани, мозг, кровь. При длинах волн 70 см они ведут себя как диэлектрики, а при 70 – как полупроводники.

Ко второй группе относят ткани с малым содержанием воды, прежде всего жировые и костные ткани.

Длина волны в биологических тканях 𝛬 значительно меньше, чем длина волны в воздухе, поскольку . Глубину ее проникновения принято определять глубиной «скин-слоя» δ, расстоянием, на котором амплитуда волны ослабляется в 2,73 раза. Такое же затухание испытывает волна, идущая c глубины δ от поверхности тела.

Отметим, что в БО протекают электрохимические и кинетические процессы, генерирующие низкочастотные электрические и магнитные поля и вносящие свой вклад в спектр излучения.

Если провести измерения излучений на различных длинах волн, начиная с миллиметров до метров и более, то можно получить значения температуры на разных глубинах от кожного покрова, и оценить энергетические процессы, происходящие в БО, в том числе влияние на них различных факторов.

В инфракрасном, оптическом и ближнем ультрафиолетовом диапазоне частот наблюдается слабое излучение, называемое биолюминесценцией, которое обусловлено биохимическими реакциями, протекающими в живом организме.

При современных методах измерений можно экспериментально подтвердить, что БО излучает электромагнитные волны, лежащие в диапазоне от инфранизких до оптических и ультрафиолетовых частот. При этом не исключается возможность излучения БО в более широком диапазоне, нужно лишь создать соответствующие инструменты для исследований.

Излучения электромагнитных полей (ЭМП) вокруг и внутри БО, модулированы механизмами электрической природы, возникающими при механических, гидродинамических и биохимических процессах в организме и в его подсистемах. Кроме того на процессы в организме значительно влияют психофизиологическое состояние БО и электромагнитная обстановка окружающей среды, вследствие чего картина распространения непрерывно меняется. Следовательно, экспериментальные исследования и измерения физических полей БО следует проводить в пределах характерного для этих процессов времени, фиксируя моменты выполнения измерений, а параллельно – другие показатели БО и электромагнитной обстановки вокруг БО.

В практической деятельности человека ЭМИ находят всё новые сферы применения – от бытовых СВЧ печей и использования СВЧ нагрева плазмы в ТОКАМАКах до лазерных сварочных аппаратов и рентгеновских томографов.

Устройства и аппаратура радиорелейной и космической связи, радиолокационное, телевизионное, радиоспектроскопическое и другого вида оборудование занимает диапазон рабочих частот 0,01...300 ГГц, создавая вокруг БО невидимый океан ЭМВ (шкала реально используемых в теоретических и экспериментальных исследованиях ЭМВ ~ 10^-3...10²⁰ Гц).

В клинической медицине используются устройства СВЧ, обеспечивающие ЭМИ в диапазоне 0,01...2,5 ГГц.

Диапазон рабочих интенсивностей СВЧ сигнала, применяемых в практике сегодня, простирается от 10^-6 до 10⁶ Вт (до 10⁹ Вт в устройствах на релятивистских пучках электронов). Поэтому справедлива постановка вопроса о безопасных нормах ЭМИ для животного и растительного мира и, прежде всего, для человека.

Электромагнитные поля, распространяющиеся в окружающем пространстве, в гомогенных и гетерогенных средах, в том числе в биологических средах, испытывают в различной степени поглощение, отражение и рассеяние. Затухание ЭМВ (согласно уравнениям Максвелла) возникает при отличии от нуля проводимости среды , отражение возникает на границе сред (тканей), а рассеяние вызывается неоднородностями с размерами порядка длины волны в среде.

Взаимодействие ЭМИ с веществом приводит к частичному поглощению энергии. Наблюдаемые при этом биологические эффекты являются результатом поглощения энергии ЭМИ атомами, молекулами, клетками, тканями, органами и в целом всем организмом.

Только та часть энергии ЭМИ, которая поглощается веществом, может вызвать изменение в веществе (принцип Гроттгауса).

В условиях дальней зоны ( - размер источника или апертура излучателя) формируются плоские ЭМВ, плотность потока энергии которых выражается формулой:

(4.1)

В ближней зоне плотность потока энергии определяется двумя составляющими ЭМП (электрической и магнитной):

	(4.2)
	(4.3)

При взаимодействии ЭМИ с биологическим веществом возникают два типа эффектов, определяющих диэлектрические свойства тканей:

а) колебания свободных зарядов (ионов) приводят к увеличению токов проводимости и к потере энергии, связанной с электрическим сопротивлением среды;

б) вращение дипольных молекул с частотой приложенного ЭМП влияет на токи смещения и на диэлектрические потери, обусловленные вязкостью среды из-за комплексного характера диэлектрической проницаемости:

	(4.4)
	(4.5)
[Ф/м]	(4.6)

Магнитные свойства биологических тканей, прежде всего рассеяние магнитной энергии в тканях, в значительной степени зависят от размеров и электрических свойств объектов.

При воздействии ВЧ магнитного поля в токопроводящих тканях образуются вихревые токи, при этом выделяется тепло [4.1]:

(4.7)

– коэффициент, зависящий то размерности величин,

при , т.е. и можно варьировать,

(4.8)

В целом биологические ткани являются слабыми диамагнетиками и парамагнетиками.

и тканей с высоким содержанием воды (мышечные, жировые и мозговые ткани) исследовались Шванном Г.П. [4.2] в широком диапазоне частот. Результаты исследований представлены на кривых рис. 4.1.

Рис. 4.1 Зависимости и от частоты.

– для жировых тканей;

- для мозговых тканей;

- для мышечных тканей.

Изменения параметров от температуры составляют:

(3.50)