книги / СВЧ-энергетика. Применение энергии сверхвысоких частот в медицине, науке и технике
.pdfпроникает на небольшую глубину и, следовательно, мо жет создавать лишь поверхностный нагрев тела. Вместе с тем на частотах менее 1000 Мгц глубина проникновения
Фи г . 1. Глубина проникновения в мышечную и жировую ткани в зависимости от частоты.
Кривые типичны для тканей с большим и малым содержанием йоды соответственно. Значения этого параметра для тканей со средним содержанием воды попадают в заштрихованную область.
может быть больше 2—3 см и излучение будет вызывать значительный нагрев, так как непосредственное охлажде ние нагреваемых слоев затруднено.
Б. Выделение тепла в различных тканях. Излучение, попадающее на тело человека, частично поглощается в нем. Поглощаемая часть излучения проходит через кожу, подкожный жировой слой и более глубоко распо ложенные мышечные и другие ткани с большим содержа-
нием воды. Существенные различия электрических свойств кожи, подкожного жирового слоя и мышечной ткани обус ловливают довольно сложную картину отражений на гра-
3000 Мги. |
10000 Мгц |
Ф и г. 2. Количество тепла, выделяющегося в коже (К), жи ровом слое (Ж) и мышцах (М), выраженное в процентах от всего выделяющегося тепла, в зависимости от толщины & подкожного жирового слоя.
Толщина кожи предполагается рапной 2 мм (сплошные крипые) и 4 мм (штриховые). Так, например, в случае й = 2 см при толщине кожи 2 мм
ичастоте 3000 Мгц около 35% поглощенной энергии преобразуется в теп ло в мышечной ткани, около 35% в жировом слое и 30% в коже.
ницах между разными тканями. Подробно эти явления рассмотрены в работе [3]. На фиг. 2 представлены обоб щенные графики типичных результатов. Поскольку тол щина подкожного жирового слоя различна у разных лк?-
дей в разных частях тела, точный расчет распределения тепловой энергии, выделяемой при облучении СВЧ, практически невозможен. Тем не менее можно сделать следующие выводы: 1) на низких частотах большая часть поглощенной телом лучистой энергии превращается в теплоту в более глубоких тканях; 2) на частотах свыше 3000 Мгц большая часть энергии, поглощенной телом, превращается в теплоту в коже; 3) на частотах от 900 до 3000 Мгц картина обычно получается более сложной (в этом диапазоне относительное распределение тепла между кожей, подкожным жировым слоем и мышечной тканью может изменяться в широких пределах и сильно зависит от толщины кожи, подкожного жирового слоя и рабочей частоты).
В. Отражательная способность. В работе [3] иссле довалась также доля лучистой энергии, которая не отра жалась, а поглощалась телом человека и поступала в кожную, жировую и мышечные ткани. Предполагалось, что энергия приходит к поверхности тела в виде плоских волн, а само тело считалось состоящим из параллельных слоев кожи, подкожного жира и более глубоко располо женных тканей с высоким содержанием воды. Типичные значения поглощенной (т. е. неотраженной) энергии, вы раженной в процентах от полной подводимой энергии, приведены на фиг. 3. Из рассмотрения этих данных сле дует, что на частотах ниже 400 и выше 3000 Мгц величи ны поглощенной и отраженной энергии мало зависят от изменений в конфигурации модели тканей. На частотах между 400 и 3000 Мгц доля поглощенной энергии ме няется от 20 до 90% в зависимости от особенностей моде ли тканей. Но при малых значениях толщины й подкож ного жирового слоя, как правило, ситуация бывает более простой. Доля поглощенной энергии медленно растет с частотой от ~ 3 0 % при 150 Мгц до 50% при 10 000 Мгц.
Г. Рассеяние. Сложная поверхность тела не позво ляет точно оценить результаты воздействия электромаг нитного излучения на организм человека. Приведенные выше описания процессов генерации тепла в тканях и отражения излучения справедливы при условии частич ного облучения, т. е. когда плоская волна излучения по падает лишь на часть, поверхности тела. Это условие ти
пично для процесса СВЧ-терапии. Но когда люди слу чайно подвергаются облучению от более удаленных источ ников электромагнитной энергии, приходится учитывать сложный криволинейный характер поверхности чеЛове--
Фиг . 3. Энергия/ поглощенная телом, выраженная в про центах от всей падающей энергии, в функции толщины й под
кожного жирового слоя.
Сплошные кривые получены для толщины кожи 2 мм, а штриховые — для толщины 4 мм. Промежуточным значениям толщины кожи соответствует заштрихованная область.
ческого тела. Если облучению подвергается все тело, то в некоторых пределах можно считать, что благодаря кровообращению тепло, генерируемое локально, будет распределяться по всему телу.
Таким образом, чтобы оценить среднее повышение температуры тела, вызываемое облучением, нужно опре делить полное количество поглощенной энергии. Для этого важно знать величину «сечения относительного поглощения». Эта величина определяется здесь как от ношение полной поглощенной мощности к мощности, па дающей на тело до его введения в поле. Зная величину сечения относительного поглощения, можно найти коли чество поглощенной энергии и по измерению падающего потока энергии определить потенциальную вредность такого облучения для человека. В настоящее время имеет ся много данных о величине сечения относительного по глощения. Эти данные получены в результате теоретиче ских и экспериментальных исследований, проводившихся на сферических и цилиндрических моделях тела, а также
врезультате экспериментальных исследований, выпол ненных на более точных профилированных моделях [4, 51. Ниже приводится краткая сводка результатов этих ис следований.
а.Сечение относительного поглощения зависит от размеров облучаемого объекта и частоты так, как пока зано на фиг. 4. Если размеры объекта меньше 0,1 длины волны (в воздухе), то сечение относительного поглоще ния увеличивается с повышением частоты. При таких размерах изменение исследуемого параметра происходит
всоответствии с известным законом четвертой степени, сформулированным Релеем. При размерах объекта более одной длины волны сечение почти не зависит от размеров и частоты и сравнимо по величине с выраженной в про центах поглощенной энергией (см. предыдущий раздел). Если же отношение размера объекта к длине волны на ходится в пределах 0,1 — 1, то сечение изменяется сильно из-за того, что в облучаемом объекте могут возбуждаться
всевозможные резонансы.
б. В диапазоне частот, использующемся в радиолока ции, т. е. на частотах выше 300 Мгц, и для объектов, имеющих размеры тела человека, сечение относительного
поглощения почти не зависит от размеров и частоты. При этих условиях работа происходит в правой пологой части кривых фиг. 4. Сказанное означает, что тонкая структура
поверхности объекта не имеет большого значения и что в тех случаях, когда нас интересует полная поглощенная энергия, тело человека можно аппроксимировать моде лями с более простыми формами.
Были проведены также измерения на моделях, форма которых повторяла форму тела человека. Эти модели заполнялись материалами, электрические свойства ко торых соответствовали электрическим свойствам тканей на СВЧ [4].
Величины сечения относительного поглощения, полу ченные в этих измерениях, согласуются с результатами теоретических исследований, выполненных на моделях более простой формы.
Модели, использовавшиеся в этих теоретических и экспериментальных исследованиях, заполнялись мате риалом, свойства которого близко соответствовали электри-
Ф и г. 5. Сечение относительного поглощения сферы, диэлек трические свойства которой соответствуют свойствам мышеч ной ткани, покрытой жировой оболочкой.
Кривизна поверхностей |
тела (й1 |
> 1 |
см, |
> 0,6, где осж= 2л’а,Д ) |
соответствует сечению в |
пределах |
0 ,5 — 1,75. |
Подобные результаты по |
|
лучаются |
на частотах |
400 и 10 000 Л1гц. |
ческим характеристикам мышечной ткани. Влияние под кожного жирового слоя иллюстрируется кривыми фиг. 5 и 6. Эти кривые построены по результатам расчетов сферической модели, выполненной из материала со свой ствами мышечной ткани и окруженной оболочкой из жировой ткани. Закономерности, выявленные на кри вых фиг. 4 и сформулированные в п. «а» и «б», все еще про должают действовать, хотя действительные значения се чения оказываются другими. Все это, а также дополни тельные данные работы [4] подтверждают вывод, что сече
ние относительного поглощения обычно имеет величину 0,5— 1. Если предположить, что вся поверхность модели покрыта достаточно толстым слоем жира, что только в
Фиг . 6. Зависимость сечения относительного поглощения сферы, диэлектрические свойства которой соответствуют свой ствам мышечной ткани, покрытой жировой оболочкой.
Отметим близость результатов о случае большой кривизны (6 1 = 1 ,5 см.
СИ=10) н в случае плоской волны (а=оо). Подобные результаты получаются на частотах 400 и 10 000 Мгц.
редких случаях можно считать эквивалентной моделью тела человека, то сечение будет достигать 1,7. Таким об разом, будет правильным сделать вывод, что сечение от носительного поглощения, равное 1, является наиболее разумным значением для всех применений, где не тре буется очень высокой точности (допустима ошибка в пре делах ±50% ). Такой выбор означает, что предполагается приближенное равенстро падающей и поглощенной мощ ностей.
III. Нетепловые эффекты, вызываемые облучением
Изучению нетепловых эффектов, вызываемых облуче нием электромагнитными волнами в биологических сре дах, посвящена значительная часть работ. К сожалению, большинство из них либо носят качественный характер, либо давали невоспроизводимые результаты. Табл. 3 и 4 помогают ввести некоторые определения, связанные с
классификацией нетепловых |
эффектов. |
на две |
Тепловые эффекты (табл. 3) можно разделить |
||
|
Таблица 3 |
|
Классификация тепловых и нетепловых эффектов |
|
|
Тепловые |
Нетепловые |
|
Нагрев всего объема |
Сильные взаимодействия1 |
|
Специфический (локальный) нагрев |
Слабые взаимодействия |
|
1 Сюда же включаются эффекты, связанные с насыщением, ориентацией отно |
||
сительно поля и т. п. |
____ ____ |
______ |
группы — эффекты, связанные с общим повышением тем пературы и обусловленные поглощением энергии в объеме (объемный нагрев), и эффекты, связанные со специфическим повышением температуры некоторой части объема отно сительно окружающей среды. К специфическим эффектам нагрева, о которых упоминалось в литературе, авторы относят селективное повышение температуры некоторых насекомых и микроорганизмов в средах с отличающимися комплексными диэлектрическими проницаемостями, а так же селективный нагрев некоторых тканей тела при соот ветствующем выборе частоты. Но существование специ фических эффектов нагрева в большинстве случаев можно подвергнуть сомнению. Как было показано, специфиче ское повышение температуры очень малых объемов диа метром менее 1 мм практически невозможно [6] и раз личный нагрев тканей тела также недостижим [7].
Среди нетепловых эффектов различают сильные и слабые взаимодействия поля с облучаемой средой (табл. 4).
Таблица 4
Классификация сильных и слабых нетепловых взаимодействий электромагнитных полей с биологической средой1
1 |
|
1 |
Тепловые и |
|
Сильные |
нетепловые |
|
взаимодействия |
Предельно допустимый уровень облучения |
||
Т С 0,1 час: 1 Мет-час}см- |
Т>0,1 |
час: 10 Мвт-час/см2 |
Нетепловые |
|
Слабые |
|
взаимодействия |
|
I |
|
|
|
I |
|
1 Сильные взаимодействия происходят |
при напряженностях поля, значительно |
|
превышающих уровень, оговоренный американским |
стандартом, и поэтому сопро |
|
вождаются значительным повышением температуры (тепловыми эффектами). |
Эффекты насыщения диэлектрика [8], явления, связанные с ориентацией поля [9], и т. п. следует классифицировать как сильные взаимодействия, поскольку для наблюдения их обычно требуются большие напряженности поля (выше 100 в/см). Слабыми взаимодействиями нетеплового харак тера мы будем считать такие, которые наблюдаются при напряженностях поля и интенсивностях потока, не вы зывающих, как правило, сколько-нибудь значительного нагрева и заметного повышения температуры. Наличие слабых взаимодействий еще не доказано, а их возможный физический механизм имеет в высшей степени гипотети ческую окраску.
Ниже описаны некоторые нетепловые эффекты, отно сящиеся к группе слабых взаимодействий и упоминавшие ся в литературе.
А. Резонансы макромолекул, или биологических струк тур микроскопических размеров. По мнению автора, та кого рода резонансы маловероятны, так как диэлектриче ские свойства макромолекул и клеток хорошо объясни-