Биологическое действие ик излучения

Биологическое действие ИК излучения в основном определяется производимым им нагревом тканей. Повышение температуры активизирует деятельность клеток, ускоряет их размножение и обменные процессы.

Растения в процессе эволюции выработали способность поглощать лишь необходимые для фотосинтеза участки видимого спектра, и если они живут в условиях солнечного освещения, то не нуждаются в тепловом излучении, которое приводило бы к избыточному нагреву. Поэтому такие растения обладают способностью отражать ИК часть спектра. Живущие в темноте мхи и водоросли, наоборот, поглощают ИК лучи. Мало того, листья, растущие на свету, отражают гораздо больше ИК излучения, чем листья того же растения, находящиеся в затененных местах. Таким образом, степенью поглощения и отражения ИК излучения растения регулируют в определенных пределах свою температуру.

Первичное действие ИК излучения начинается с эффектов, происходящих в коже. Волосяной покров, роговой слой кожи, весь эпидермис прозрачны для ИК излучения, и оно поглощается преимущественно в дерме, но некоторая его часть (25–30%) проникает на глубину до 2,5–4 см, достигай подкожного жирового слоя и даже расположенных под ним органов. Температура тех слоев кожи, в которых излучение поглощается, повышается, что приводит к раздражению содержащихся в коже рецепторов. В последних возникают потенциалы действия, поступающие в центральную нервную систему, которая управляет механизмом терморегуляции. В результате в месте облучения количество циркулирующей крови возрастает, увеличивается снабжение ткани кислородом, что и ведет к активизации ее биологических функций. Поэтому действие облучения не ограничивается только тем местом, которое подвергалось облучению. Длинноволновое излучение поглощается в верхних слоях тканей и вызывает в них гиперемию, тогда как более коротковолновое излучение проникает в ткани на глубину до 6–8 см, вызывая прогревание внутренних органов. ИК облучение широко применяют в медицинской физиотерапии. Его используют при лечении заболеваний кожи, лимфатической системы, суставов (артриты, ревматизм), плевритов, маститов и пр. ИК излучение, сильно поглощаясь водой, усиливает испарение и тем самым оказывает высушивающее действие на влажные поверхности. Это свойство находит применение при лечении мокнущих экзем, обмораживании и т. п. Преимущество ИК терапии перед другими тепловыми методами лечения в более глубоком прогревании. Кроме того, отсутствует контакт между источником тепла и органом, чем устраняется раздражение тканей и их загрязнение, что особенно важно при открытых повреждениях. Возможно также ИК облучение через тонкие повязки, так как оно проникает через обычные перевязочные материалы.

В промышленных производственных комплексах используют выпускаемые отечественной промышленностью лампы ИКЗК, ИКЗС и др., дающие излучение с длиной волны 1 мкм. В последние годы стали применять галогенные лампы КГД, КГТ, КГО и некоторые другие, обладающие более стабильным световым потоком и повышенной светоотдачей. Используют также «темные» источники длинноволнового ИК излучения, представляющие собой металлические трубки, внутри которых находится нагреваемая током проволока, запрессованная в огнеупорное вещество. Такие тепловые электронагреватели (ТЭН) при температуре поверхности около 450 К создают излучение с длинами волн _М = 4–5 мкм. Обычная тепловая обработка молока при пастеризации несколько влияет на его химический состав, снижая его вкусовую и биологическую ценность, требует громоздкого оборудования, значительных затрат и времени. Обработка молока от ИК источников быстро и практически полностью уничтожает в молоке микрофлору с очень незначительным изменением его вкусовых и пищевых качеств.

Следует помнить, что ИК излучение оказывает вредное действие на глаза, поскольку сильно поглощается хрусталиком и стекловидным телом. Оно может приводить к катаракте, отслоению сетчатки и другим заболеваниям глаз, которые наблюдают у пекарей, литейщиков, кузнецов и работников других профессий, имеющих дело с раскаленными телами, испускающими значительное ИК излучение. Поэтому при работе с такими источниками необходимо надевать защитные очки.

Исключительно важное значение приобретает в последнее время термография, основанная на регистрации с помощью электронно-оптических преобразователей ИК излучения, испускаемого тканями человека и животных. Поскольку ИК излучение поглощается тканями значительно слабее, чем видимый свет, то оно несет с собой информацию о находящихся под кожей тканях и позволяет видеть детали, неразличимые в видимом свете. Хорошо видны на ИК снимках или на телеэкранах находящиеся близко под кожей вены, так как температура крови немного выше температуры окружающих сосуды тканей, и они создают более интенсивное ИК излучение. Снимки вен позволяют обнаруживать места закупорки сосудов, поскольку очаги воспаления имеют температуру более высокую, чем окружающие ткани. Современные методы регистрации ИК излучения позволяют обнаруживать места локализации тромбов или злокачественных опухолей, даже если их температура превышает окружающую температуру па сотые доли градуса. Вывод информации на ЭВМ дает возможность за считанные секунды получить своеобразную термограмму – силуэт исследуемого участка органа, «нарисованный» цифрами, соответствующими температурам внутри ткани. Информация при этом получается не от 5–10 точек ткани, как при обычной термографии, а от нескольких тысяч точек, что резко повышает достоверность диагностики.

С воеобразными термолокаторами, регистрирующими ИК излучение, обладают змеи. Уже давно биологи нашли у гремучей змеи между носом и глазами два конических углубления, покрытых тонкой мембраной, в которой находится большое количество нервных окончаний. Долгое время роль этих мембран оставалась загадочной, и только в 1937 г. выяснилось, что это не что иное, как «тепловые глаза» – термолокаторы, способные улавливать ИК излучение и определять по его направлению местонахождение нагретого объекта. Чувствительность термолокатора змеи очень велика. Она может обнаружить в полной темноте мышь, находящуюся от нее на расстоянии 20 см, за счет того, что температура воздуха, нагретого телом мыши, на этом расстоянии больше температуры окружающего воздуха на 0,01° С. Точно так же змея обнаруживает лягушек, понижающих температуру окружающего воздуха за счет испарения влаги с их кожи на еще меньшую величину. Чувствительность «теплового глаза» змеи составляет примерно миллионные доли ватта. Изучение этого удивительного органа позволило бионикам создать термолокаторы, обладающие почти такой же чувствительностью, но значительно превышающие термолокаторы змей по габаритам.

Физические основы термографии

У человека тепловое излучение составляет наибольшую долю теплопотерь (около 50%). Максимум излучения приходится на длину волны  = 9,5 мкм.

Мощность, теряемая телом человека при взаимодействии с окружающей средой посредством излучения, рассчитывается по формуле , где S – площадь поверхности,  – коэффициент поглощения, Т₁ – температура поверхности тела или одежды, Т₀ –- температура окружающей среды.

Для одетого человека под температурой Т₁ следует понимать температуру поверхности одежды. Рассмотрим следующий пример.

Пример. Для раздетого человека, температура поверхности кожи которого 33 °С (306 К), а площадь поверхности 1,5 м², мощность потерь за счет теплового излучения при температуре окружающей среды 18°С (291 К) равна 122 Вт.

При той же температуре окружающей среды в хлопчатобумажной одежде, температура поверхности которой 24°С (297 К), мощность потерь в несколько раз меньше:

Р_од = 37 Вт.

Тепловое излучение человека может быть использовано как диагностический параметр.

Термография – диагностический метод, основанный на измерении и регистрации теплового излучения поверхности тела человека или его отдельных участков.

Определение различия температуры Т поверхности тела осуществляется двумя способами.

1. Использование жидких кристаллов, физические свойства которых чувствительны к небольшому изменению температуры. По изменению цвета жидких кристаллов можно определить местное изменение температуры.

2. Использование приборов ночного видения, тепловизоров. В технической системе тепловизора используются электронно-оптические преобразователи, предназначенные для преобразования изображения из одной области спектра в другую. На входной элемент системы подается сигнал в области ИК излучения, а воспроизводится на экране телевизора в области видимого света. Части тела с разной температурой различаются на экране либо цветом, либо интенсивностью (тепловой портрет). Современные методы измерения позволяют отличать участки тела, разность температур которых составляет 0,2°.

Исследование распределения температуры кожи важно для функциональной диагностики. При патологических состояниях внутренних органов могут образовываться стойко существующие кожные зоны с измененной температурой. Различные патологические состояния характеризуются термоасимметрией и наличием температурного градиента между зоной повышенного или пониженного излучения и симметричным участком тела, что отражается на термографической картине и имеет диагностическое и прогностическое значение. Термографический метод облегчает дифференциальный диагноз между доброкачественными и злокачественными опухолями. Этот метод является объективным средством контроля за эффективностью терапевтических методов лечения. Так, при термографическом обследовании больных псориазом было установлено, что отдельные папулы, а также псориатические бляшки не всегда обладают повышенной теплопродукцией по сравнению с окружающим кожным покровом. При наличии выраженной инфильтрации и гиперемии в бляшках отмечается повышение температуры. Постепенное снижение температуры до уровня окружающих участков в большинстве случаев коррелирует с клинической картиной заболевания, свидетельствующей о регрессии процесса на коже.

Теплообмен человека и среды

Во многих медико-реабилитационных мероприятиях необходимо учитывать теплообмен человека и среды. Организм человека поддерживает постоянную температуру тела, которая отличается от температуры внешней среды. Вследствие этого между телом человека и окружающей средой возникает теплообмен.

Задача организма состоит в обеспечении равенства между теплотой, выделяющейся в организме (Q_выд) и теплотой, отдаваемой в окружающую среду (Q_отд)- Если по каким либо причинам поддержка баланса между выделяемой и отдаваемой теплотами становится невозможной, организм погибает от переохлаждения или от перегрева. Выделение теплоты в организме происходит за счет энергии метаболических процессов и характеризуется удельной теплопродукцией – количеством теплоты, выделяемой единицей массы тела за 1 с. Передача теплоты в окружающую среду осуществляется за счет процессов теплообмена, указанных ниже.

Тепловое воздействие на организм человека могут оказывать внешняя среда и процессы, протекающие в самом организме.

Теплообмен за счет теплопроводности. Теплопроводность – процесс передачи теплоты от более нагретых частей системы к менее нагретым, происходящий без переноса массы вещества и без излучения электромагнитных волн. Теплопроводность обусловлена тем, что частицы вещества, обладающие большей кинетической энергией, передают ее менее быстрым частицам. Передача теплоты путем теплопроводности может происходить между любыми телами при непосредственном контакте или через промежуточную среду (кроме вакуума).

Передачу теплоты путем теплопроводности в однородной среде описывают законом Фурье:

Тепловой поток (Р), переносимый через поверхность S, перпендикулярно направлению оси X, вдоль которой убывает температура, пропорционален площади этой поверхности и градиенту температуры: P_K = .

При расчете по этой формуле теплообмена между телом и окружающей средой, осуществляемого посредством теплопроводности через одежду, величины, входящие в формулу имеют следующий смысл:

S – площадь поверхности одежды (м²);

– коэффициент теплопроводности материала одежды.

Знак минус указывает на то, что энергия переносится в направлении убывания температуры.

Значения коэффициента теплопроводности для некоторых веществ приведены в таблице.

Вещество	Коэффициент теплопроводности , Вт/м2К
Сухой воздух	0,024
Ткань шерстяная сухая	0,025
Вода	0,585
Жировая клетчатка	0,17-0,21
Эпидермис человека	0,25
Мышечная ткань	0,58
Кость черепа	0,38
Серое вещество мозга	0,56
Ангиома (сосудистая опухоль)	0,56
Кровь	0,70
Кожа при слабом кровотоке	0,314
Кожа при сильном кровотоке	1,456
Снег свежевыпавший уплотненный тающий	0,105 0,35 0,640
Глицерин	0,286
Парафин	0,127
Спирт метиловый этиловый	0,223 0,189
Бумага	0,006
Вата хлопковая	0,003
Лед(-5°С)	0,22

Отметим, что коэффициент теплопроводности воздуха сравнительно мал, поэтому потери тепла тела за счет теплопроводности воздуха невелики. Коэффициент теплопроводности воды превышает коэффициент теплопроводности воздуха более чем в 20 раз, поэтому в холодной воде человек начинает мерзнуть довольно быстро.

В живом организме ткани имеют различные теплопроводности, и это различие весьма существенно для поддержания теплового режима организма. Значительная теплопроводность мышечной ткани, в которой находится много кровеносных сосудов, позволяет быстро переносить тепло от внутренних органов к внешним, предохраняя внутренние органы от перегрева. Напротив, при низких температурах внешней среды слой жировой ткани препятствует быстрой утечке тепла. Аналогичную роль играет волосяной покров и слой воздуха между волосами.

Теплообмен за счет конвекции. В тех случаях, когда в теплообмене участвуют жидкости или газы, обычно возникают явления конвекции: одновременно с потоком тепла возникают потоки вещества – более нагретые слои всплывают кверху, а менее нагретые опускаются. Такое перемешивание в громадной степени ускоряет процесс теплообмена. В случае, когда твердое тело находится в обтекающем его потоке жидкости или газа, теплообмен также носит конвекционный характер и происходит значительно быстрее, чем в покоящейся среде. Поэтому даже небольшой ветер (сквозняк) приводит к увеличению потерь тепла с поверхности тела.

Теплообмен посредством конвекции описывается законом Ньютона , где S – площадь поверхности тела; Т_п и Т_в – соответственно, температуры поверхности тела (внешней стороны одежды) и воздуха; _c – коэффициент теплопередачи конвекцией.

Для открытых участков конвекционные процессы значительно интенсивнее теплопередачи путем теплопроводности и в воздухе играют основную роль. Напротив, для участков тела, укрытых одеждой, конвекционные процессы могут быть сведены к нулю. Например, температура верхней поверхности зимней одежды обычно равна температуре окружающего воздуха и Р_с = 0.

Тепловой удар. Теплопередача путем теплопроводности и конвекции происходит в направлении уменьшения температуры. Если температура окружающей среды выше температуры тела, то теплопроводность и конвекция создают тепловой поток, направленный внутрь тела, что при определенной длительности приводит к перегреву (тепловой удар). Живой организм не в состоянии функционировать без отдачи тепла наружу.

Теплообмен за счет испарения. Еще один механизм, посредством которого организм отдает теплоту в окружающую среду, связан с испарением жидкости. Количество теплоты, расходуемой на парообразование, определяется формулой Q = rт,

где т – масса испарившейся жидкости, r – удельная теплота парообразования.

При комнатной температуре и нормальной влажности человек выводит из организма около 0,35 кг влаги в сутки вместе с выдыхаемым воздухом и примерно 0,5 кг влаги в виде пота. Удельная теплота парообразования воды велика и равна 2,52·10⁶ Дж/кг. Поэтому тепловые потери организма на испарение могут достигать 0,85·2,52·10⁶ 2·10⁶ Дж в сутки, что составляет 25-30% всей теплопродукции организма.

Потоотделение зависит как от температуры внешней среды, так и от ее относительной влажности, так как она в значительной мере обусловливает скорость испарения влаги с поверхности организма. Нормальная относительная влажность среды составляет 40-60%. При высокой влажности процесс испарения с поверхности тела замедляется, а при 100% прекращается полностью. При высокой температуре окружающей среды это ведет к перегреву организма. По этой причине человеку трудно выполнять физическую работу при повышенной влажности. Влажность менее 40% приводит к усилению потери влаги организмом, к его обезвоживанию. Это также затрудняет выполнение работы.

Для протекания некоторых процессов важна не относительная, а абсолютная влажность. Так, испарение воды с поверхности альвеол в легких зависит от абсолютной влажности воздуха, так как из легких выдыхается воздух почти полностью насыщенный паром при температуре примерно 30°С. Количество пара, которым воздух насыщается в легких, очевидно, зависит от абсолютной влажности вдыхаемого воздуха.

Особенности теплового излучения человека. Доля теплового излучения в теплообмене человека с окружающей средой достигает 45%. Инфракрасное излучение различных участков поверхности тела определяется тремя факторами:

1) особенностями васкуляризации (плотности снабжения органов и тканей ссудами) поверхностей тканей;

2) уровнем метаболических процессов (обмена веществ) в них;

3) различиями в теплопроводности (связанными с развитием жировой клетчатки).

При соблюдении стандартных условий регистрируемая топография излучения характерна для данного человека. Изменения топографии излучения могут наблюдаться в следующих случаях.

Нарушения	Механизм нарушения
Нарушение структурных соотношений сосудистой сети	Врожденные аномалии, сосудистые опухоли (например, различные гемангиомы)
Изменения тонуса сосудов	Нарушение вегетативной иннервации, рефлекторное изменение тонуса
Местные расстройства кровообращения	Травмы, тромбоз, склероз сосудов
Нарушение венозного кровотока	Застой, обратный ток крови при недостаточности клапанов вен
Локальные изменения теплопродукции	Воспалительные очаги, опухоли, ревматические артриты
Изменения теплопроводности тканей	Отек, уплотнение тканей, изменение содержания жира

Вследствие сильной температурной зависимости мощности излучения (четвертая степень термодинамической температуры) даже небольшое повышение температуры поверхности может вызвать сильное изменение излучаемой мощности. Так, если, температура поверхности тела человека изменится на 3 К, то есть приблизительно на 1 %, то мощность изменится на 4%. Такое изменение надежно фиксируется соответствующими приборами (тепловизорами, датчиками на жидких кристаллах и т. п.). У здоровых людей распределение температуры по различным точкам поверхности тела достаточно характерно. Различные процессы (воспаление; изменение кровообращения в венах, например, при охлаждении или нагревании; опухоль) могут изменять местную температуру. Таким образом, регистрация излучения разных участков поверхности тела человека и определение их температуры является надежным неинвазивным диагностическим методом.

Воздействие низких температур. Холод – лечебное средство. Под воздействием холода (лед, снег) происходит спазм мелких сосудов, понижается нервная возбудимость, замедляется кровоток, снижается проницаемость мелких сосудов, предотвращается возникновение отеков. Криокомпресс, (гр. kryos – холод, мороз, лед) уменьшает боль при ушибах мягких тканей, суставов, растяжениях связок и других травм. С лечебной целью на кожу воздействуют процедурой криомассажа, которая осуществляется с использованием жидкого азота. Воздействие на кожу осуществляется при этом с помощью заполненного жидким азотом криодеструктора, на котором имеется тефлоновая насадка с температурой (–50 – –60)°С. Для криогенных методов создают специальную криогенную аппаратуру.

Защита от тепловых воздействий. Важным вопросом, связанным с работой человека в экстремальных температурных условиях, является организация защиты организма от тепловых воздействий. Защита от воздействия высоких температур – сложная задача, требующая комплексного решения. Кроме теплоизоляционных материалов для такой защиты используются металлизированные пленки, хорошо отражающие тепловое излучение, а в ряде случаев и специальный обдув тела охлажденным воздухом. Эффективность использования металлизированных покрытий (например, мелинекса) демонстрирует следующий пример. Испытуемые выполняли работу в помещении с t = 50°С. При этом интенсивность облучения составляла 1487 Вт/м². У одетых в хлопчатобумажный комбинезон температура тела повышалась в среднем до 39°С, а при использовании одежды с покрытием из мелинекса – до 38°С. При этом применение одежды с покрытием увеличивало время переносимости данных условий на 50-70 %.

Для защиты от радиационного нагрева космонавтов, выходивших на поверхность Луны, применялся специальный комбинезон, надеваемый на скафандр. Он состоял из нескольких слоев ткани с блестящей металлической поверхностью (до 14 слоев). Внутри скафандра располагались трубки, по которым циркулировала охлаждающая жидкость. При разработки конструкции скафандра пришлось учитывать, что теплопродукция различных, частей организма неодинакова. Поэтому охлаждающие трубки в защитном костюме располагают так, чтобы 50% их приходилось на ноги, 23 % – на руки, 19 % – на туловище, 8 % – на голову и шею.

Одежда, предназначенная для защиты от низких температур окружающей среды, должна обеспечивать адекватную вентиляцию, чтобы под одеждой не конденсировалась влага, создавать изолирующую прослойку неподвижного воздуха вокруг тела. Теплоизоляционные свойства одежды снижаются при ветре и при движении. Для защиты от переохлаждения применяют, в частности, одежду с локальным подогревом (на спине, пояснице, стопах, предплечье, шее, лице) до 46-51°С и суммарной мощностью энергопитания 100 Вт. Электрообогреваемая одежда должна не нагревать поверхность тела человека, а лишь способствовать уменьшению теплопотерь и поддерживать нормальную температуру тела независимо от изменений температуры и скорости движения окружающего воздуха, а также интенсивности физической работы. Используют и комбинезоны с водяным подогревом, в которых по системе трубок движется нагретая жидкость, как в отдельных элементах защитного костюма космонавта.

С ветолечение. Широкое лечебно-реабилитационное применение имеет светолечение – использование инфракрасного и видимого излучения в лечебных целях.

Источником инфракрасного излучения является любое нагретое тело. Интенсивность и спектральный состав такого излучения определяется температурой нагретого тела. Проникая в ткани, инфракрасные лучи (как и видимые) на месте своего поглощения вызывают образование тепла. Различные слои кожи неодинаково поглощают оптическое излучение разной длины волны (см. рис ).

В реабилитационно-лечебной практике в качестве искусственных источников инфракрасного излучения используются различные облучатели, рис. 30.7.

Л ампа Минина представляет собой обычную лампу накаливания (в которой также сочетаются видимое и инфракрасное излучение) с рефлектором, локализующим излучение в необходимом направлении (рис. а). Источником излучения служат лампа накаливания мощностью 20-60 Вт из бесцветного или синего стекла.

Светотепловые ванны представляет собой непроводящий полуцилиндрический каркас, состоящий из двух половин, соединенных подвижно между собой (рис. 6). На внутренней поверхности каркаса, обращенной к пациенту, укреплены лампы накаливания мощностью 40 Вт (количество их и включение различно). В таких ваннах на биологический объект действует инфракрасное и видимое излучение, а также нагретый воздух, температура которого может достигать 70°С.

Лампа Соллюкс представляет собой мощную лампу накаливания в которой сочетаются видимое и инфракрасное излучение), помещенную в специальный рефлектор на штативе (рис. в). Источником излучения служит лампа накаливания мощностью более 500 Вт (температура вольфрамовой нити 2800°С, максимум излучения приходится на 2 мкм).