Министерство образования и науки Российской Федерации

______________________

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕТРА ВЕЛИКОГО

_____________________________________________________________

О.Л. Власова, Н.С. Линькова

Медицинская биофизика: основы лазерных медицинских технологий, примеры применения КВЧ-излучений в практической медицине

Учебное пособие

Санкт-Петербург

Издательство Политехнического университета

2015

Министерство образования и науки Российской Федерации

__________

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕТРА ВЕЛИКОГО

_____________________________________________________________

О.Л. Власова, Н.С. Линькова

Медицинская биофизика: основы лазерных медицинских технологий, примеры применения КВЧ-излучений в практической медицине

Учебное пособие

Санкт-Петербург

Издательство Политехнического университета

2015

УДК 577.343

Власова О.Л., Линькова Н.С.  Медицинская биофизика: основы лазерных медицинских технологий, примеры применения КВЧ-излучений в практической медицине: Учеб.пособие. СПб.: Изд-во СПбПУ, 2016. 100 с.

 Пособие соответствует государственному образовательному стандарту дисциплин «Медицинская биофизика», раздел «Взаимодействие электромагнитных полей и излучений с биообъектами» и «Лазерные технологии в медицине»,разделы «Физические основы применения лазеров в биологии и медицине», «Применение технологий НИЛИ в медицине» направления подготовки бакалавров 16.03.01 «Техническая физика».

В пособии рассмотрены основы взаимодействия электромагнитного излучения (ЭМИ) различных диапазонов с биологическими объектами, перспективы применения лазеров в медицине и биологии, а также, приведены примеры применения различных видов излучений для моделирования ускоренного старения органов и тканей, оценки влияния низкоинтенсивного излучения на систему кровообращения, обсуждены вопросы молекулярных механизмов взаимодействия КВЧ-излучения с биологическими объектами и границы его применимости в терапевтических целях.

Предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки бакалавров 16.03.01 «Техническая физика» по дисциплинам «Медицинская биофизика» и «Лазерные технологии в медицине». Оно может быть использовано для обучения студентов бакалавриата и магистратуры кафедры «Медицинская физика»Института физики, нанотехнологий и телекоммуникаций ФГБОУ ВПО «СПбПУ» и студентов медицинских ВУЗов.

Табл. 6, Ил. 47, Библиогр.: назв. 7

Печатается по решению редакционно-издательского совета Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого.

Оглавление

Введение………………………………………………………………………. 5

Глава 1. Биофизические аспекты взаимодействия эми с биообъектами. Основные понятия………………………………………..5

1. Основные понятия об ЭМИ…………………………………………… 5

2. Основы взаимодействия электромагнитных излучений с биологическими объектами ……………………………………………..10

   1. Взаимодействие КВЧ-излучения с биообъектами……………………11

1.2.2.Взаимодейсвтие лазерного излучения с биообъектами………………..17

Глава 2. Физические основы работы лазера……………………………….22

2.1. Конструкция лазера………………………………………………………..22

2.2. Лазерное излучение………………………………………………………..29

2.3. Механизмы воздействия лазерного излучения на биоткань…...………...34

2.4. Биостимуляция……………………………………………………………..42

2.5. Фотодинамическая терапия……………………………………..…………44

2.6. «Тепловые» и «нетепловые» воздействия на ткань…………………..…..45

2.7. Нелинейные процессы………………………………………….………….50

2.8. Лазерная система на основе Nd:YAG с регулировкой дозы воздействия для рассечения ткани…………………………………………….52

Глава 3. Биофизические аспекты взаимодействия эми с биообъектами: примеры применения в практической медицине……55

3.1. Перспективы применения низкоинтенсивного лазерного излучения и гамма-излучения для моделирования ускоренного

старения органов и тканей…………………………………………………….55

3.2. Влияние низкоинтенсивного лазерного излучения на сердечно-сосудистую систему……………………………………………….64

3.2.1. Влияние He-Ne-лазерного излучения низкой мощности на адренореактивностьпиальных артериальных сосудов и деформируемость эритроцитов у мышей………………………………………..64

3.2.2. Влияние низкоинтенсивного лазерного излучения красного спектра на некоторые свойства эритроцитов крыс Вистар………………..…73

3.3. КВЧ-излучение: от молекулярно-клеточных механизмов воздействия к применению в клинической практике…………………………..76

3.3.1. Применение электромагнитного излучения миллиметрового диапазона для лечения сердечно-сосудистой патологии……………………76

3.3.2. Биологические эффекты электромагнитного излучения миллиметрового диапазона……………………………………………………..78

Введение

Электромагнитные излучения (ЭМИ) представлены спектром частот, который охватывает очень широкий диапазон. В биологии и медицине для фундаментальных научных исследований, при разработке новых физических методов изучения биообъектов, диагностики различных заболеваний и их лечения используется практически весь диапазон ЭМИ. С точки зрения взаимодействия с биологическими объектами очень важно учитывать, как особенности излучения данного диапазона ЭМИ, так и соответствующие характеристики биообъектов. В данном учебном пособии авторы сконцентрировали внимание на двух диапазонах — оптическом и КВЧ, подкрепив фундаментальные аспекты примерами из практической медицины. Такое построение материала связано с желанием авторов помочь студентам в понимании теоретического материала на конкретных примерах научных и практических работ.

Глава 1. Биофизические аспекты взаимодействия эми с биобъектами. Основные понятия

1. Основные понятия об эми

Общей чертой для всех ЭМИ является их квантовая природа, определяющая характер их распространения и взаимодействия с веществом. Энергия кванта прямо пропорциональна частоте и обратно пропорциональна длине волны. При высоких частотах энергия достаточна для ионизации молекул или атомов вещества, а при более низких значительно снижается. В соответствии с этим, в зависимости от энергии кванта, ЭМИ подразделяются на два типа — ионизирующих и неионизирующих излучений, а условной границей между ними принята энергия кванта в 12 эВ, соответствующая длине волны 100 нм. Эта граница находится в ультрафиолетовой области электромагнитного спектра. К ионизирующим ЭМИ относят гамма- и рентгеновское излучения, а к неионизирующим ЭМИ — более низкочастотные (и, соответственно, более длинноволновые): ультрафиолетовое (УФ); оптическое (видимый свет); инфракрасное (ИК); гипервысокочастотное (ГВЧ); сверхвысокочастотное (СВЧ) или микро- волновое (МКВ) и радиочастотное (РЧ) излучения (табл. 1).

Границы диапазонов по частотам (длинам волн) и энергиям квантов приняты условно, так как упомянутые диапазоны перекрываются друг с другом и фактически не имеют четких границ. В зависимости от длины волны (частоты) излучения, а следовательно, и энергии кванта, существенно меняется проникающая способность и характер взаимодействия ЭМИ с биологическими объектами. Интерес специалистов физических, биологических и медицинских специальностей к ЭМИ оформился в виде таких научных разделов как радиационная биология ионизирующих излучений, фотобиология, которая изучает воздействие излучений УФ-, оптического и ИК-диапазонов, и радиационная биология и биофизика неионизирующих ЭМИ. Радиочастотные (РЧ) (в диапазоне 300 кГц–300МГц) и сверхвысокочастотные или микроволновые (МКВ) (в диапазоне 300МГц–30 ГГц) неионизирующие ЭМИ наиболее широко используются в различных областях деятельности человека и их биологические эффекты изучены в большей степени.

Таблица 1.

Общая классификация неионизирующих электромагнитных излучений

Распространение ЭМИ осуществляется в виде электромагнитных волн, основными параметрами которых являются частота f , длина волны λ и скорость распространения с, связанные соотношением:

f=c/ λ,

которое справедливо для свободного, не заполненного веществомпространства, где распространение волны происходит со скоростью света с =3*10⁸ м/с. Если скорость света выражена в м/с, частотав МГц, то длина волны в метрах будет равна

λ=300/f.

В заполненном веществом пространстве скорость распространения определяется относительными диэлектрической ε и магнитнойμ проницаемостями вещества

.

Электромагнитная волна может быть представлена в видевекторов, характеризующих напряженность электрической Е имагнитной Н-составляющих и вектора Умова–ПойнтингаК , в направлении которого происходит распространение волны.Вместо термина напряженность электрической E- и магнитной H-составляющих электромагнитной волны также используются понятия напряженностей электрического (вектор Е) и магнитного (вектор Н) поля (рис. 1).

Рис. 1. Расположение векторов Е, Н иК электромагнитной волны при ее распространении в свободном пространстве.

ЭлектрическаяE- и магнитнаяH-составляющие в распространяющейся электромагнитной волне перпендикулярны друг другу и направлению распространения (рис. 2).

Рис. 2. Электромагнитная волна, распространяющаяся в свободном пространстве.

Ориентация вектора электромагнитной волныЕ в пространстве определяет вид поляризации электромагитной волны. Плоскость, проходящая через направления поляризации и распространения электромагнитнойволны, носит название плоскости поляризации. Поляризация электромагнитной волны может быть линейной (плоской), круговой и эллиптической.В случае линейной поляризации вектор Е, периодически изменяясь повеличине в процессе распространения, остается параллельным самомусебе, перпендикулярным вектору Н и направлению распространения волны (рис. 2). При круговой поляризации вектор Е вращается с частотой волны, оставаясь при этом неизменным по абсолютной величине, описывая в пространстве круг,причем в зависимости от направления вращения, поляризация электромагнитной волны будет левая (рис. 3а) или правая (рис. 3б). Направление поляризации удобнее всего определятьпо направлению вращения винта: левое - для совпадающего слевосторонним винтом и правое - для совпадающего с правосторонним.

Рис. 3. Электромагнитная волна с круговой поляризацией (показана для вектора Е): а - левая поляризация, б - правая поляризация.

В случае эллиптической поляризации амплитуда вектора Е при его вращении не остается постоянной, а сам вектор впространстве описывает эллипс. Помимо этого, горизонтальное или вертикальное расположение вектораЕ определяет электромагнитную волну, котораясоответственно при этом будет вертикально (рис. 4) или горизонтально (рис. 5) поляризованной.

Рис. 4. Электромагнитная волна с вертикальной поляризацией.

Рис. 5. Электромагнитная волна с горизонтальной поляризацией.

Векторы Н и Е электромагнитной волны в свободномпространстве лежат в плоскости, перпендикулярной направлениюраспространения волны. Такая волна получила названиепоперечно-поляризованной (или плоской поперечной или простоплоской волны) и обозначается как ТЕМ-волна (по первымбуквам английских слов тransverse, еlectric, magnetic). Фронтом электромагнитной волны является поверхность, всеточки которой имеют одинаковую фазу, т. е. поверхность, в каждую точку которой волны от источника излучения (антенны)приходят в одно и тоже время. Фронт электромагнитной волныбудет сферическим, если часть пространства, которую достигаетволна при распространении за определенный промежуток времени, может быть ограничена сферической поверхностью, в любойточке которой фаза волны одинакова. На очень большом расстоянии от источника излучения фронт волны теряет сферичность исчитается плоским.