Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Взаимодействие полей и излучений с биологическими объектами. Учебное пособие
.pdf
Окончание табл. 1.3
1 2 3 4 5
6 7 8
9
Инфранизкие
частоты
105-106 В/м
(для частот
10-0,1 Гц)
Человек
Кролик,
собака
Кролик,
собака
Укорочение циркадного ритма физиологических процессов
Замедление ритма
сердца, снижение вольтажа ЭКГ
Изменение электрической активности коры
головного мозга
10
8
2
2,5
0,5
0,4
Короткопериодные
колебания геомагнитного поля и резонансные колебания
полости «ионо-сфера
– поверх-ность Земли»
(3-6)10-3
(2-3)10-3
10-7
(3-6)10-1
(2-3)10-1
Бактерии
(стафи-
лококки и
др.)
Ускорение размножения и морфологические изменения
0,1-1
10-2
Постоянное
электрическое
поле
106 В/м
Рыбы
Птицы
Локация по изменению
градиента поля
Повышение двигательной активности
–
–
10-6
0,6103
Разность потенциалов
электрического поля
в океанах
Горизонтальная составляющая геомагнитного поля
210-6
310-5
Постоянное
магнитное
поле
106 В/м
Рыбы
Улитки
Ориентация по магнитному полю (без геомагнитного)
Изменение ориентации
относительно стран
света
–
–
0,11103
0,1103
0,3103
0,3
* Теоретические оценки для ЭМ полей по тепловому эффекту, а для постоянных и медленно меняющихся полей – по
эффекту ориентации белковых молекул.
31
Источники ЭМП искусственного происхождения существенно различаются по своим характеристикам в зависимости от целей и условий применения. Искусственные источники ЭМП могут производить общее воздействие на объект либо локализовать его в ограниченном объеме, поддерживать требуемый режим мощности излучения и управлять временем воздействия.
Основными источниками электрических полей промышленной частоты являются высоковольтные линии электропередачи, открытые распределительные устройства, электробытовая техника, аппаратура и различные
приборы.
Источниками электромагнитного поля высоких и сверхвысоких частот, превышающими по мощности излучения естественный электромагнитный фон окружающей среды, являются: наземные радиолокационные
станции (радарные установки), телевизионные и радиостанции, электробытовая аппаратура (микроволновые печи, экраны телевизоров, видеотерминалы персональных компьютеров) и др. [7].
Биотехнические аппараты и системы, применяемые для диагностики
и лечения заболеваний, также создают электроакустические и электромагнитные поля необходимой частоты и мощности излучения.
Примеры использования электромагнитного излучения для решения
диагностических или терапевтических проблем можно найти в любой области электромагнитного спектра от инфранизких частот до ионизирующего
излучения. Широкое применение получили также постоянные электрическое и магнитное поля.
Глубина проникновения электромагнитного излучения в тело человека (расстояние, на котором амплитуда волны уменьшается в е раз) уменьшается с ростом частоты. В дециметровом диапазоне она составляет более
10 см, в сантиметровом – единицы см, в миллиметровом – порядка 1 мм. В
более высокочастотной области спектра тенденция обратная: в инфракрасном и диапазоне видимого света она составляет от долей до нескольких де-
32
сятков мм (с аномально высоким проникновением в области = 950 нм – до
70 мм) и далее продолжает расти с увеличением частоты (диапазон рентге-
новского и -излучения). Поскольку диаметр живых клеток составляет в
среднем 5 мкм, в ультрафиолетовом и видимом световом диапазонах размеры клетки больше длины электромагнитной волны в свободном пространстве [9]. Это учитывается при разработке диагностических и терапевтических методов воздействия на живые организмы.
Современные представления о воздействии электромагнитных волн
на живые организмы включают два основных понятия: энергетическое и
информационное.
Эффективность воздействия, называемого энергетическим, определяется количеством энергии, выделяющимся в области воздействия, а имеющий место биологический эффект прямо зависит от уровня падающей мощности. Энергетическое воздействие часто используют для лечения заболеваний.
При информационном воздействии биоэффект не зависит от мощности облучения, т.е. зависимость носит пороговый характер, где нижний
уровень определяется порогом чувствительности системы, а верхний – появлением побочных, в частности энергетических, эффектов. Информационное воздействие на живые организмы преследует, как правило, диагностические цели.
С лечебной целью применяют различные виды физических полей, передающих энергию пациенту. При этом на организм человека воздействуют
механическим ультразвуковым, электромагнитным, преимущественно электрическим или магнитным полем, постоянным или переменным током различной частоты и напряжения в непрерывном или импульсном режиме. В
табл. 1.4 представлена классификация методов электромагнитной терапии в
соответствии с видом воздействующей энергии, режимом и другими особенностями воздействия. Отметим, что классификация не является полной,
33
Вид
энергии
Режим
действия
Характеристика
Наименование
метода
Постоянное
электрическое
поле
Непрерывный
Высокое напряжение (30-40 кВ)
Франклинизация
Аэроионотерапия
Аэроионофорез
Постоянный
электрический
ток
Непрерывный
Низкое напряжение (30-80 В) и малый постоянный
ток (до 50 мА)
Гальванизация
Лекарственный
электрофорез
Постоянный
электрический
ток
Импульсный
Низкое напряжение (до 50 В), малый импульсный
ток (до 2-3 мА)
низкой или звуковой частоты (1-130
Гц); прямоугольный, экспоненциальный; однонаправленный синусоидальный модулированный ток
(СМТ)
Электросон, электросон-форез, электроанальгезия
Электростимуляция,
диадинамотерапия,
диадинамофорез
Электропунктура
Переменный
электрический ток
Непрерывный
и импульсный
Низкое напряжение (до 50 В), малый ток (30-80 мА)
звуковой частоты
(10-150 Гц)
Интерференцтерапия
Амплипульстерапия
(СМТ)
Амплипульсфорез
Флуктуация
Флуктуофорез
Непрерывный
Высокое напряжение (3-5 кВ), высокая частота (22
кГц)
Ультратонотерапия
Высокое напряже-
ние (до 10 кВ), высокая частота (0,52 МГц)
Диатермия
Диатермохирургия
поскольку в ней, например, отсутствуют ультразвуковая и терапия крайне
высоких частот (КВЧ).
Рассмотрим далее эффекты, сопровождающие действие физических
полей и излучений на живые организмы, а также их применение в целях диагностики и терапии.
Таблица 1.4
Классификация методов электро- и магнитотерапии [11]
34
Импульсный
Высокое напряжение (10-100 кВ),
малый ток (до 1015 мА), высокая
частота (110 кГц)
Дарсонвализация местная
Электромагнитное
поле
Импульсный
Индукционное поле высокой частоты (110 кГц)
Дарсонвализация
Общая
Непрерывный
Индукционное поле высокой (13,56
МГц) или ультравысокой (40,68
МГц) частоты
Индуктотермия
Гальваноиндуктотермия
Электрофорезиндуктотермия
УВЧ-индуктотермия
Непрерывный,
импульсный
Преимущественно
электрическое поле
ультравысокой частоты (39 или 40,68
МГц)
УВЧ-терапия
Импульсная
УВЧ-терапия
Непрерывный
Сверхвысокой частоты:
460 МГц
2375 МГц
Дециметроволновая
терапия
Сантиметроволновая
терапия
35
2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ АКУСТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
С БИОЛОГИЧЕСКИМИ СРЕДАМИ
2.1. Источники акустического излучения живого организма
Акустическое поле организма – это динамическая система акустиче-
ских полей, генерируемых его органами и физиологическими системами в
процессе функционирования, а также при взаимодействии их с внешней
средой. Диапазон собственного акустического излучения ограничен со стороны длинных волн механическими колебаниями поверхности тела человека (0.01 Гц), со стороны коротких волн – ультразвуковым излучением. Низкочастотное излучение создается физиологическими процессами, сопровождающимися колебаниями поверхности человеческого тела, и может
быть зарегистрировано контактными или бесконтактными методами. Однако его практически невозможно зафиксировать с помощью микрофонов,
поскольку акустические волны от источников в глубине тела полностью
отражаются от границы раздела воздух – тело человека.
В организме существуют следующие источники акустических волн (в
основном звукового диапазона).
1. Сердце и сердечно-сосудистая система.
2. Система органов дыхания.
3. Пищеварительный тракт.
4. Суставы опорно-двигательного аппарата.
5. Сердечно-сосудистая система плода.
6. Излучение из уха человека - кохлеарная акустическая эмиссия.
7. Неоднородности структуры, на которых возникают комбинацион-
ные звуки - результат взаимоналожения акустических волн, генерируемых
указанными выше источниками.
Рассмотрим некоторые особенности ряда источников акустического
излучения живого организма.
36
Акустическое давление, развиваемое сердцем на поверхности тела, со-
ставляет 1-10
-1
Па в низкочастотной области звукового диапазона и 10-1-10
-2
Па – в высокочастотной.
Во время работы сердца в результате ритмических движений клапанного аппарата, сокращения сердечных мышц и гидравлических факторов
внутрисердечной динамики возникают колебательные движения, которые
распространяются через окружающие ткани к поверхности грудной клетки.
В процессе распространения через негомогенную среду с разными акустическими свойствами существенно меняются характеристики и параметры исходного звука. Законы распространения звуковых волн от места их
генерации до органа восприятия зависят от свойств источника и окружающей его внешней среды. Одним из существенных источников акустических
колебаний является турбулентное движение кровяной струи. При этом параметры звука зависят как от скорости кровотока, так и от неровностей поверхности и выраженных изменений размеров "камер", через которые кровь
протекает. Последние два фактора считают наиболее важными.
Все звуковые явления, связанные с сердечной деятельностью, с физической точки зрения являются шумами, которые возникают в определенные
моменты времени и различаются продолжительностью. Звуки, характеризующие работу сердца, в норме представляют собой короткие по длительности шумы. Патологические шумы длятся значительно дольше.
Из уха животных и человека могут излучаться звуки – это явление
называют кохлеарной акустической эмиссией (КАЭ), поскольку их источник локализован в улитке органа слуха. Эти звуки можно зарегистрировать
микрофоном, расположенным в ушном канале. Обнаружен ряд видов КАЭ,
среди которых выделяют спонтанную эмиссию и акустическое эхо.
Спонтанная эмиссия – это самопроизвольное непрерывное излучение
звука из уха человека. Уровень интенсивности звукового давления достига-
ет 20 дБ, что в 10 раз выше порогового значения 210-5Па, которое способно
37
воспринимать ухо человека на частоте 1 кГц. Частоты эмиссии у различных
лиц отличаются и лежат в диапазоне 0.5-5 кГц.
Кохлеарная акустическая эмиссия связана с деятельностью волосковых клеток, расположенных в кортиевом органе улитки. В ответ на приходящую звуковую волну они изменяют свои размеры и вызывают во внутреннем ухе механические колебания, которые способны выходить наружу
через среднее ухо. Биофизический механизм изменения геометрии пока не
ясен, его быстродействие в 100 раз выше, чем у мышц. Из всех видов КАЭ в
медицине нашло применение явление акустического эха – излучения звуков из уха спустя некоторое время после подачи в ухо короткого звукового
сигнала. Оно применяется для диагностики слуха новорожденных в первые
несколько дней жизни, когда невозможно использование обычных методов
аудиометрии. Отсутствие эха является тревожным симптомом не только
глухоты, но и зачастую сопряженных с ней поражений других отделов
нервной системы. Ранняя диагностика позволяет уже с первых дней жизни
принять меры и в значительной степени ослабить неблагоприятные последствия этого недуга.
Существование клеточных и молекулярных источников упругих волн
предполагается, но еще не доказано экспериментально. Считают, что хорошо наблюдаемые периодические колебания объемов клеток, митохондрий,
ядер, макромолекул белков могут приводить к генерации акустических волн
в среде. Предварительная теоретическая оценка дает следующие диапазоны
излучений: для ферментов – от 10-3 до 3106 Гц, для эритроцитов человека –
от 0,2 до 30 Гц.
На клеточном уровне обнаружено существование упругих волн в
нервном волокне. Процесс распространения нервного импульса сопровождается пульсацией поверхности нервного волокна до 30 нм по амплитуде
при частоте следования импульсов 4 Гц. При прохождении нервного импульса по аксону краба наблюдаются поперечные упругие волны. Скорость
проведения нервных импульсов (1-100 мс-1) сопоставима со скоростью
38
упругих поперечных волн (1-20мс-1) частотой 2 кГц, распространяющихся
в агаровых стержнях.
2.2. Влияние акустического излучения на свойства живых тканей
Ультразвуковыми колебаниями называются неслышимые человече-
ским ухом высокочастотные (20 кГц - 1 ГГц) механические колебания
упругой среды, распространяющиеся в ней в виде переменных сжатий
(уплотнений) и разрежения вещества. Колебания частиц вещества происходят в тех же направлениях, что и распространение волн. Высокая частота и
малая длина ультразвуковой волны определяют специфические особенности ультразвука: возможность распространения направленными пучками,
называемыми ультразвуковыми, а также генерации мощных волн, переносящих значительную механическую энергию.
Скорость распространения ультразвука зависит от коэффициента
сжимаемости, плотности вещества, температуры, структуры молекул, то
есть от акустического сопротивления среды. Скорость распространения
ультразвука в твердых телах выше, чем в жидкостях, а в жидкостях выше,
чем в газах.
В ультразвуковых аппаратах получение ультразвука основано на
принципе обратного пьезоэлектрического эффекта. Для диагностических и
лечебных целей применяют аппараты, в которых электрический сигнал подается на пластину излучателя – сегнетоэлектрика. Под действием переменного электрического поля излучатель изменяет свой объем – сжимается
или расширяется. Движение пластины через контактную среду передается
на подлежащие воздействию ткани. Обычно в качестве контактных веществ
используют стерилизуемые жидкости с подходящим акустическим импедансом, такие как минеральные или парафиновые масла и пасты на их основе. Используются и тиксотропные вещества типа гелей. Могут также использоваться акустически прозрачные мешки с водой.
39
В тканях человеческого организма скорость распространения ультра-
звука в среднем близка к скорости его распространения в воде (1540 м/с).
Однако скорость его распространения в костной ткани почти в два раза выше и составляет около 3400 м/с.
Ультразвуковые волны распространяются почти прямолинейно, легко
фокусируются, отражаются от границ разнородных сред. Ультразвуковым
волнам свойственны явления дифракции и интерференции. Отражение ультразвуковых волн в основном определяется акустическим сопротивлением
среды, углом падения, а также частотой колебаний.
Акустический импеданс отражает изменение амплитуды звукового
давления при прохождении волны через среду. Величина характеристического акустического импеданса (волнового сопротивления) z определяется
произведением скорости ультразвука v на плотность (удельную массу )
среды z= v .
С повышением частоты ультразвуковых колебаний увеличивается их
поглощение средой и уменьшается глубина проникновения в ткани организма. Поглощение – это явление преобразования энергии акустических
волн в тепловую и другие виды энергии, происходящее при распространении волн в среде. Поглощение характеризуют толщиной полупоглощающего слоя, т.е. расстоянием, на котором интенсивность энергии падающего излучения уменьшается в 2,3 раза. Живые ткани неравномерно поглощают
ультразвуковую энергию: больше всего – костная ткань, затем – нервная,
меньше – мышечная и совсем мало – жировая.
Так, при частоте ультразвука 800 кГц толщина полупоглощающего
слоя жировой ткани составляет 6,8 см; мышечной – 3,6 см; печени – 5,0 см;
почки – 3,7 см; сердца – 2,6 см; а при частоте 2,4 МГц толщина слоя полупоглощения становится примерно в три раза меньше [11].
Интенсивность (удельная мощность) колебаний определяется количеством энергии, проходящей за одну секунду через один квадратный сантиметр площади, расположенной перпендикулярно к направлению распро-
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]