7. Нетепловое ("специфическое") воздействие электромагнитных волн

Практика широкого использования радиоизлучения (в первую очередь в Вооружённых силах) показала, что даже при интенсивностях, не вызывающих никакого теплового эффекта, облучение радиоволнами может неблагоприятно влиять на здоровье людей. В принципе, неблагоприятные последствия могут вызвать ЭВМ всех диапазонов, но практически наиболее актуально в этом смысле излучение промышленных частот, сверхвысоких (СВЧ) и крайне высоких (КВЧ) частот.

Основными источниками сильных полей промышленных частот (50 Гц – в большинстве стран мира, 60 Гц – в основном, в странах Северной Америки), действующих на широкий круг людей, являются высоковольтные линии электропередач (ЛЭП). Непосредственно у проводов у линий сверхвысокого напряжения (более 300 кВ) напряженности полей могут быть порядка 2^.10³ кВ/м. Эти поля могут действовать на ремонтных рабочих, если они будут работать на проводах действующих линий без соответствующей защиты. (Напряженность пробоя воздуха ~ 3^.10³ кВ/м).

Электрические и магнитные поля являются очень сильными факторами влияния на состояние всех биологических объектов, попадающих в зону их воздействия.

а)Например, в районе действия ЭП поля ЛЭП у насекомых проявляются изменения в поведении: так у пчел фиксируется повышенная агрессивность, беспокойство, снижение работоспособности и продуктивности, склонность к потере маток; у жуков, комаров, бабочек и других летающих насекомых наблюдается изменение поведенческих реакций, в том числе изменение направления движения в сторону с меньшим уровнем поля.

б) У растений распространены аномалии развития - часто меняются формы и размеры цветков, листьев, стеблей, появляются лишние лепестки.

в) Здоровый человек страдает от относительно длительного пребывания в поле ЛЭП. Кратковременное облучение (минуты) способно привести к негативной реакцией только у гиперчувствительных людей или у больных некоторыми видами аллергии. Например, хорошо известны работы английских ученых в начале 90-х годов показавших, что у ряда аллергиков по действием поля ЛЭП развивается реакция по типу эпилептической.

г) При продолжительном пребывании (месяцы - годы) людей в электромагнитном поле ЛЭП могут развиваться заболевания преимущественно сердечно-сосудистой и нервной систем организма человека. В последние годы в числе отдаленных последствий часто называются онкологические заболевания. Дети, живущие вблизи некоторых видов ЛЭП, имеют более высокий уровень заболеваемости лейкемией.

Основной принцип защиты здоровья населения от электромагнитного поля ЛЭП состоит в установлении санитарно-защитных зон для линий электропередачи и снижением напряженности электрического поля в жилых зданиях и в местах возможного продолжительного пребывания людей путем применения защитных экранов. Границы санитарно-защитных зон для ЛЭП которых на действующих линиях определяются по критерию напряженности электрического поля - 1 кВ/м.

В случае однофазного тока, используемого как на производстве, так и в быту напряженности ЭП резко снижены по сравнению с ЛЭП в связи с уменьшением напряжения на проводах (220 В – в большинстве стран мира и 115 – в странах Северной Америки). На расстоянии порядка 10 см от электроприборов эти величины не превышают нескольких сотен В/м. По мере удаления от бытовых приборов и осветительной аппаратуры напряженность падает и в центре жилых помещений составляет всего 1-10 В/м. Несмотря на относительно низкие значения, эти величины все же существенно выше напряженностей атмосферных полей тех же частот (вдали от зданий и технических устройств – порядка 10^-4-10^-2 В/м). При этом ПДУ равны 500 В/м для напряженности ЭП, 0,2 мкТл – для магнитной индукции.

При использовании бытовой техники с малыми уровнями поля и/или кратковременно ЭМП бытовой техники не оказывает влияния на здоровье основной части населения. Потенциальная опасность может грозить лишь людям с повышенной чувствительностью к ЭМП и аллергикам, также зачастую обладающим повышенной чувствительностью к ЭМП.

Кроме того, согласно современным представлениям, магнитное поле промышленной частоты может быть опасным для здоровья человека, если происходит продолжительное облучение ( регулярно, не менее 8 часов в сутки, в течение нескольких лет) с уровнем выше 0,2 мкТл.

Эпидемиологические данные – Рабочие-электротехники имеют более высокий уровень заболеваемости лейкемией, раком лимфатических сосудов, раком мозга. Лица, подвергающиеся воздействию некоторых химических соединений, например, дыма при пайке, в сочетании с высоким уровнем неионизирующих излучений, имеют в 10 раз более высокую вероятность заболевания определенными видами рака. Все это - нетепловые эффекты.

Рекомендации

• приобретая бытовую технику, проверяйте в Гигиеническом заключении (сертификате) отметку о соответствии изделия требованиям "Межгосударственных санитарных норм допустимых уровней физических факторов при применении товаров народного потребления в бытовых условиях", МСанПиН 001-96;

• используйте технику с меньшей потребляемой мощностью: магнитные поля промышленной частоты будут меньше при прочих равных условиях;

• к потенциально неблагоприятным источникам магнитного поля промышленной частоты в квартире относятся холодильники с системой «без инея», некоторые типы «теплых полов», нагреватели, телевизоры, некоторые системы сигнализации, различного рода зарядные устройства, выпрямители и преобразователи тока – спальное место должно быть на расстоянии не менее 2-х метров от этих предметов, если они работают во время вашего ночного отдыха.

Исследования биологических эффектов электромагнитных излучений СВЧ-диапазона были начаты в послевоенные годы, в связи с началом широкого использования радаров, прежде всего – в военных целях.

В 1956 г. в США было выполнено крупномасштабное исследование в рамках Министерства обороны (объем финансирования составил 13 млн. долларов). Были обнаружены разнообразные биологические эффекты, но их объясняли только тепловыми эффектами, и идею о нетепловых эффектах отвергли.

В 60-е годы в СССР были проведены широкие исследования по изучению здоровья людей, имеющих контакт с ЭМП на производстве. Результаты клинических исследований показали, что длительный контакт с ЭМП СВЧ-диапазона может привести к развитию заболевания, клиническую картину которого определяют, прежде всего, изменения функционального состояния нервной и сердечно-сосудистой систем. Было предложено выделить самостоятельное заболевание - радиоволновая болезнь. Это заболевание, по мнению авторов, может иметь три синдрома по мере усиления тяжести заболевания:

- астенический синдром;

- астено-вегетативный синдром;

- гипоталамический синдром.

Наиболее ранними клиническими проявлениями последствий воздействия СВЧ-излучения на человека являются функциональные нарушения со стороны нервной системы, проявляющиеся прежде всего в виде вегетативных дисфункций неврастенического и астенического синдрома. Лица, длительное время находившиеся в зоне СВЧ-излучения, предъявляют жалобы на слабость, раздражительность, быструю утомляемость, ослабление памяти, нарушение сна. Нередко к этим симптомам присоединяются расстройства вегетативных функций. Нарушения со стороны сердечно-сосудистой системы проявляются, как правило, нейроциркуляторной дистонией: лабильность пульса и артериального давления, наклонность к гипотонии, боли в области сердца и др. Отмечаются также фазовые изменения состава периферической крови с последующим развитием умеренной лейкопении, нейтропении, эритроцитопении. Изменения костного мозга носят характер реактивного компенсаторного напряжения регенерации. Обычно эти изменения возникают у лиц по роду своей работы постоянно находившихся под действием СВЧ-излучения с достаточно большой интенсивностью. Учитывая важную роль коры больших полушарий и гипоталамуса в осуществлении психических функций человека, можно ожидать, что длительное повторное воздействие предельно допустимых доз СВЧ-излучения (особенно в дециметровом диапазоне волн) может привести к психическим расстройствам.

Результаты работ по исследованию биологических эффектов ЭМП СВЧ-диапазона, проведенных в 60-е годы, были использованы при разработке нормативных документов в России. В результате нормативы в России были установлены очень жесткими и отличались от американских и европейских в несколько тысяч раз (например, в России ПДУ для профессионалов 0,01 мВт/см²; в США - 10 мВт/см²).

В последующем из ученых СССР и Америки была сформирована Советско-Американская группа, которая действовала с 1975 по 1985 гг. Эта группа организовала совместные биологические исследования, которые подтвердили правильность концепции советских ученых, и в результате нормативы в США были снижены.

В настоящее время изучение биологических эффектов ЭМП различных диапазонов продолжается

Накоплено достаточно данных, указывающих на отрицательное влияние ЭМП на иммунологическую реактивность организма. Результаты исследований ученых России дают основание считать, что при воздействии ЭМП нарушаются процессы иммуногенеза, чаще в сторону их угнетения. Установлено также, что у животных, облученных ЭМП, изменяется характер инфекционного процесса - течение инфекционного процесса отягощается. ЭМП могут способствовать неспецифическому угнетению иммуногенеза, усилению образования антител к тканям плода и стимуляции аутоиммунной реакции в организме беременной самки.

Нарушения половой функции обычно связаны с изменением ее регуляции со стороны нервной и нейроэндокринной систем. С этим связаны результаты работ по изучению состояния гонадотропной активности гипофиза при воздействии ЭМП. Многократное облучение ЭМП вызывает понижение активности гипофиза

Любой фактор окружающей среды, воздействующий на женский организм во время беременности и оказывающий влияние на эмбриональное развитие, считается тератогенным. Многие ученые относят ЭМП к этой группе факторов. Первостепенное значение в исследованиях тератогенеза имеет стадия беременности, во время которой воздействует ЭМП. Принято считать, что ЭМП могут, например, вызывать уродства, воздействуя в различные стадии беременности. Наиболее уязвимыми периодами являются обычно ранние стадии развития зародыша, соответствующие периодам имплантации и раннего органогенеза.

Лабораторные исследования, выполненные на молекулярном уровне, показали, что: а) Некоторые типы ЭМП могут вызывать нарушения генетической структуры организма, в том числе – нарушения хромосом; б) Под действием ЭМП изменяется передача химических и электрических сигналов между клетками; в) Нарушается деятельность иммунной системы при борьбе с некоторыми видами рака – Т-клетки не могут распознавать раковые клетки из-за нарушения межклеточной сигнализации под действием ЭМП; г) Снижается активность ряда ферментов, в частности - протеинкиназ, отсюда – нарушения размножения клеток, ими регулируемого; д) Исследователи нескольких стран показали, что ЭМП усиливают эффекты некоторых веществ, способствующих возникновению рака; е) Снижается скорость продукции гормонов, в частности мелатонина, причем влиянием на продукцию мелатонина многие ученые объясняют большинство эффектов ЭМП на состояние здоровья людей.

Хотя сам факт вредного воздействия электромагнитных волн невысокой интенсивности на человека не вызывает сомнений, механизм их действия до сих пор остаётся неясным. Среди вероятных механизмов нетеплового действия ЭМП называются следующие:

1) Образование “жемчужных” цепочек – выстраивание суспензированных частиц, микроорганизмов, лейкоцитов, эритроцитов вдоль электрических силовых линий ЭМП и их переориентация, следствием чего является изменение структуры и функции тканей;

2) Поляризация боковых цепей макромолекул и ориентация их вдоль силовых линий, приводящая к разрыву внутри- и межмолекулярных связей, коагуляции молекул, изменению их свойств;

3) Действие сил Лоренца на положительные и отрицательные ионы, ведущее к изменению их подвижности, способности проникать через мембрану, а поэтому к изменению возбудимости возбудимых тканей и изменению чувствительности рецепторов;

4) Резонансное поглощение ЭМП белковыми молекулами – при совпадении характеристических частот возможно химическое преобразование молекул, каталитические процессы, мутагенез.

5) Влияние на собственные частоты электромагнитного обмена клеток.

8. Действие излучений оптического диапазона. Принцип устройства и действия лазеров. Особенности излучения лазеров. Применение лазеров в медицине.

Термин «лазер» представляет собой аббревиатуру начальных букв английских слов Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (усиление света с помощью индуцированного излучения).

Впервые возможность усиления света квантовой системой, находящейся в возбужденном состоянии, была обоснована в 1940 г. советским ученым В.А.Фабрикантом. В 50-е годы эта идея нашла блестящее подтверждение в исследованиях советских и американских ученых Басова, Прохорова и Таунса, которые в 1964 г. были удостоены Нобелевской премии.

Свет излучают валентные электроны при переходах с вышележащих энергетических уровней на ниже лежащие. В зависимости от причины, вызывающей квантовый переход, различают спонтанное и вынужденное излучения. Вынужденное (или индуцированное) излучение возникает при взаимодействии фотона с возбужденным электроном, если энергия фотона равна разности энергетических уровней. В результате вынужденного квантового перехода от электрона в одном направлении будут распространяться два одинаковых фотона: первичный (вынуждающий) и вторичный (испущенный).

Число переходов, совершаемых в единицу времени, зависит от числа фотонов, попадающих в вещество за это же время (т.е. от интенсивности света) и от заселенности соответствующих возбужденных энергетических уровней. Для усиления электромагнитных уровней необходима активная среда (среда с так называемыми метастабильными энергетическими уровнями, спонтанный переход с которых на нижележащие заторможен). Обычно это триплетные уровни, при переходе на которые электрон меняет спин. При сообщении активной среде энергии (накачке) происходит инверсная заселенность энергетических уровней. При попадании фотона в активную среду происходит сброс электронов с триплетных уровней (лавинообразное размножение фотонов), причем все фотоны обладают строго одинаковой энергией.

Таким образом, основные структурные элементы лазера – это активная среда (рабочее тело), система возбуждения (накачки) и оптический резонатор (система зеркал, обеспечивающая многократное прохождение фотонов через вещество).

По типу активного вещества лазеры делятся на: а) твердотельные (неодимовое стекло, гранат, рубин); б) газовые (гелий-неоновые, аргоновые, углекислотные), в) жидкостные (растворы органических и неорганических веществ).

По режиму работы лазеры делятся на импульсного типа (длительность импульса менее 0,15 с; режим модулированной добротности – длительность импульса – 1 мкс и меньше, режим свободной генерации 1-100 мс) и непрерывного излучения (более 0,15 с).

Свойства лазерного излучения: а) монохроматичность (одна длина волны;  ~ 0,01 нм); б) когерентность (колебания строго согласованы по фазе); в) узкая направленность (расхождение пучка – несколько минут); 4) высокая мощность.

По длинам волн – видимый, инфракрасный, СВЧ-диапазон (МАЗЕР).

Биологические эффекты лазерного излучения:

1. Острые первичные эффекты:

а) термические (коагуляция белков, «испарение жидкости»);

б) нетермические (ударный эффект, световое давление, временное

ослепление);

2. Хронические эффекты (кумулятивное действие).

Термический эффект более характерен для лазеров, работающих в непрерывном режиме (при небольших мощностях – коагуляция белка, при больших – испарение воды).

Для импульсных – нетепловые эффекты: при работе в режиме модулированной добротности – мгновенный нагрев до высоких температур, подобие взрыва облученных тканей = ударный эффект; разрыв и отслойка сетчатки, кровотечение; кусочки пигментов сетчатки разлетаются во все стороны и глубоко внедряются в стекловидное тело. Временное ослепление = зрительная дезадаптация (важна для наблюдателей, операторов, водителей машин, танков, летчиков) – от нескольких секунд до нескольких часов.

Хронические эффекты – изучены плохо. Считается, что образуются высокоактивные химические соединения (в т.ч. свободные радикалы).

Высокая чувствительность глаз к лазерному излучению – фокусирование излучение = возрастание плотности потока энергии на сетчатке в 104-106 раз по сравнению с роговицей и кожей. Преимущественное повреждение сетчатки – видимый свет; УФ и ИК-лучи – поглощаются в основном роговой оболочкой (кератиты, конъюнктивиты). Повышение температуры сред глаза под воздействием ИК – способствует образованию катаракты.

ПДУ – в видимом диапазоне и ближнем ИК = 1-2 Дж/см² (одиночный импульс) и 0,1 Вт/см² (непрерывное излучение).

Защита: соблюдение техники безопасности; ограничение допуска людей в рабочие помещения; знаки лазерной опасности и сигнальные устройства, извещающие о генерации излучения; исключение зеркальных поверхностей; противолазерные очки (диэлектрические пленки, отражающие до 90% падающей энергии + поглощение; ослабление до 100 раз). Щитки, маски, халаты, перчатки. Т.е. проблема скорее организационно-техническая.

Использование лазеров в медицине:

А) Лазерная хирургия – разрушение биологических тканей совместно с коагуляцией белка = бескровные рассечения.

Офтальмокоагулятор = лечение отслойки сетчатки; лечение глаукомы = прокалывание отверстий размером 50-100 мкм для оттока внутриглазной жидкости; разрушение раковых опухолей; разрушение дентина при лечении зубов.

Лазерно-эндоскопическая техника обеспечивает непрерывное наблюдение за эффектом воздействия, возможность биопсии и т.п. В качестве примера можно привести подход исследователей из Национальной лаборатории им. Лоуренса (Ливермор, США) к решению задачи диагностики и лечения инсульта. При этом заболевании снижается кровоснабжение головного мозга в связи с полной или частичной закупоркой (ишемический инсульт) или разрывом (геморрагический инсульт) снабжающих мозг кровеносных сосудов. Ежегодно в мире инсульт становится причиной смерти около 4,5 млн человек. Заболевание характеризуется очень коротким критическим периодом (от 2 до 4 часов), в течение которого необходимо восстановить кровоснабжение мозга, прежде чем в нем произойдут необратимые изменения. Закупорка сосудов может быть устранена с применением тромболитических препаратов, растворяющих тромбы. В значительном количестве случаев применение этих препаратов противопоказано по причинам либо низкой эффективности для конкретного вида заболевания, либо высокого риска серьезных осложнений. Исследователями лаборатории предложен новый минимально инвазивный метод восстановления кровотока с использованием лазерного излучения. Катетер со световодом внутри вводится в артерию и подводится к месту расположения тромба. При взаимодействии с лазерным излучением в крови возникают акустические волны, которые и разрушают тромб. Предклинические испытания продемонстрировали высокую эффективность методики, а также отсутствие осложнений, связанных с возможной закупоркой более мелких сосудов по направлению кровотока частицами разрушенного тромба.

Разработка в Научно-исследовательском центре по технологическим лазерам РАН надежного моноимпульсного СО₂-лазера с энергией до 100 Дж для лазерной реваскуляризации - перспективного метода эффективного лечения ишемической болезни сердца, суть которого заключается в создании с помощью лазерного излучения сквозных каналов в сердечной мышце левого желудочка, способствующих восстановлению ее кровоснабжения.

До последнего времени ликвидация очагов аритмий в тканях миокарда в критических ситуациях требовала проведения тяжелой хирургической операции на открытом сердце (с применением дорогостоящих систем искусственного дыхания и кровоснабжения) и последующей долгой реабилитации. Поиски путей более щадящего метода лечения аритмий привело к развитию лазерных методов лечения этого заболевания путем коагуляции аритмогенных зон миокарда при их нагреве лазерным излучением с помощью вводимого через артерию катетера, внутри которого размещается волоконный световод. В настоящее время задача лазерной коагуляции тканей миокарда, являющейся, по свидетельству специалистов, весьма перспективным направлением в лазерной хирургии, далека от завершения и находится на стадии экспериментальных исследований, в том числе клинических, которые ведутся в ряде медицинских центров. Так, в Институте кардиологии им. Бакулева проведено более ста операций по указанной методике.

Б) Использование лазеров для диагностики

1. Развитие для диагностических целей традиционных методов спектроскопии конденсированных сред, включая спектрофотометрию, фурье-спектроскопию, калориметрическую, флуоресцентную, фотоионизационную спектроскопию, спектроскопию комбинационного рассеяния, которые являются надежными методами анализа компонентов биотканей и их визуализации на клеточном, субклеточном и молекулярном уровне.

2. Значительные перспективы с точки зрения возможностей расширения круга задач функциональной диагностики, безопасности, простоты и надежности устройств имеют методы оптической визуализации структуры биологических тканей и оптической томографии.

В) Профилактическое и лечебное действие

Лазерный свет обладает широким спектром профилактического и лечебного действия. Он вызывает выраженный противовоспалительный, противоотечный эффект, нормализует микроциркуляцию крови, понижает проницаемость сосудистых стенок, обладает фибрино- и тромболитическими свойствами, стимулирует обмен веществ, регенерацию тканей и повышает содержание кислорода в них, ускоряет заживление ран, предотвращает образование рубцов после операций и травм, оказывает нейротропное, анальгезирующее, миорелаксирующее, десенсибилизирующее, бактериостатическое и бактерицидное действия, стимулирует систему иммунной защиты, снижает патогенность микрофлоры, повышает ее чувствительность к антибиотикам.

Выводы и заключение

Таким образом, в ходе сегодняшней лекции вы познакомились с основными представлениями об ЭМВ и особенностями биологических эффектов ЭМВ различных диапазонов. Естественно, что в ходе одной лекции невозможно осветить все аспекты этой обширной темы. Полученные вами знания будут углублены и дополнены на практическом занятии, посвященном этой теме, а в дальнейшем - на кафедрах физиологии, физиотерапии, гигиены, военно-морской и радиационной гигиены и многих других, где вы познакомитесь с конкретными примерами физиотерапевтического и диагностического оборудования, а также более глубоко изучите вопросы нормирования ЭМВ и защиты от них.

Разработала заведующая кафедрой биологической и медицинской физики кандидат физико-математических наук доцент Новикова Н.Г.

«___» __________ 20__ г.