Воздействие микроволнового излучения на многослойные биологические ткани (стр. 2 )
 |
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5 6 7 |
В биологических тканях можно полагать, что они имеют следующие значения действительной и мнимой части абсолютной магнитной проницаемости: . В этом случае третье слагаемое в (1.6) равно нулю.
С макроскопической точки зрения выделение тепла в среде за счет токов проводимости и поляризации неотличимо друг от друга. Математически этот факт можно выразить, записав относительную диэлектрическую проницаемость среды с учетом ее проводимости в виде [6, 7]:
Здесь: — действительная и мнимая части относительной диэлектрической проницаемости с учетом проводимости биологической среды.
С учетом (1.9) выражение (1.6) приобретает вид:
где: f — частота колебаний электромагнитного поля в Гц;
— напряженность электромагнитного поля в В/м;
— удельная мощность тепловых потерь в .
Из уравнения (1.11) следует, что чем выше частота электромагнитного поля, тем больше удельная мощность тепловых потерь. У многих диэлектрических материалов максимум величины приходится на диапазон сверхвысоких частот.
Сверхвысокочастотные установки для промышленных и научных применений работают в определенных выделенных диапазонах частот, установленных международными соглашениями [1]. Эти соглашения были достигнуты на международной конференции по радио и телевидению и отражены в актах Чрезвычайной административной конференции по установлению частотных диапазонов для космической связи.
В России для медицины и биологии материалов наиболее часто используются электромагнитные колебания на частотах 915 МГц и 2450 МГц.
При выборе длины волны источника СВЧ энергии надо учитывать то обстоятельство, что с увеличением частоты уменьшается глубина проникновения электромагнитной волны в диэлектрик с потерями [6, 7].
Величина мнимой части относительной диэлектрической проницаемости среды зависит не только от частоты колебаний электромагнитного поля, но и от влажности и температуры [1, 6].
Величина мощности бегущей волны, которая распространяется в диэлектрическом материале с потерями (вдоль оси “z”) описывается выражением [1]:
где: — мощность электромагнитного поля, вошедшая в диэлектрический материал;
— мощность электромагнитного поля на расстоянии “z” от поверхности материала;
— величина постоянной затухания, которая определяется соотношением [1]:
где: — длина волны в свободном пространстве;
Глубина проникновения электромагнитной волны, т. е. расстояние от поверхности материала, на котором мощность электромагнитного поля уменьшается в “е” раз определяется соотношением [1, 6]:
Структура организма человека является многослойной и от каждого слоя происходит отражение микроволновой энергии.
Пусть величина СВЧ – мощности распространяется по среде, которая характеризуется действительной частью относительной диэлектрической проницаемости (величина волнового сопротивления ) и входит в другую среду, являющейся нагрузкой, которая характеризуется (величина волнового сопротивления ).
В этом случае коэффициент отражения Г может быть рассчитан по формуле:
Если предположить, что в биологической среде , то:
Тогда величина отраженной мощности на границе двух сред определяется соотношением:
1.6 Механизм взаимодействие микроволнового излучения
с биологическими объектами на атомно-молекулярном уровне
Если изменить кинетику биохимических реакций под воздействием электромагнитного поля сверхвысоких частот, то мы получим ярко выраженные эффекты воздействия поля на биологические объекты.
Для изменения кинетики реакций нужно либо создать некоторый температурный градиент, либо перевести некоторые ионы из потенциальных ям (активация молекул и как следствие изменение кинетики) на другие энергетические уровни, что приводит к конформационным изменениям (повороту дипольных молекул).
Энергию, выделяемую в единице объема биологического объекта, облучаемого электромагнитным полем, можно вычислить с помощью выражения (1.11).
Количество тепла , выделяемое в биологической среде на площади (примерная площадь поверхности клетки) при воздействии поля, можно оценить с помощью эмпирического выражения [8]:
где: — количество выделяемого в биологическом объекте тепла, ;
— удельная проводимость биологического объекта, ;
— частота электромагнитного поля, ;
— напряженность электрического поля, ;
Это тепло идет на изменение температуры биологического объекта:
где: количество тепла, выделяемое в биологическом объекте, ;
— масса биологического объекта, ;
— удельная теплоемкость биологического объекта, ;
С учетом выражений (1.18) и (1.19) можно определить напряженность поля и удельную мощность излучения , приводящие к нагреву биологического объекта за время на величину:
Читайте также: Как шить из кусочков ткани
где: — волновое сопротивление свободного пространства, .
Для биологической клетки справедливы следующие параметры:
— площадь поверхности клетки;
— удельная теплоемкость биологического объекта;
— удельная проводимость биологического объекта на сверхвысоких частотах.
Если такая клетка будет помещена, например, в электромагнитное поле частотой 3000 МГц, то за время она нагревается на при удельной мощности поля .
Примерно такой уровень высокочастотного электромагнитного поля можно считать граничным для теплового и нетеплового воздействия на биологическую клетку.
При более низких, нетепловых уровнях энергии электромагнитного поля, возможно его влияние на конформационные изменения молекул, что, в свою очередь, может привести к изменению кинетики биохимических реакций в биологических объектах. Эти изменения имеют смысл применительно к длинным белковым молекулам или различным цепочкам комплексных соединений молекул. Под воздействием электрической составляющей электромагнитного поля может произойти деформация таких молекул. Можно ожидать, что при воздействии электромагнитных излучений с частотой, близкой к собственной частоте вращения или колебаний какой-либо дипольной группы, произойдет избирательный нагрев именно этой группы молекул. Если такая группа молекул находится, например, в активном центре фермента, то даже небольшая ее раскачка может сильно повлиять на структуру активного центра. Подобное резонансное воздействие имеет место, если, являясь единственным в активном центре, резонирующая группа имеет большой дипольный момент.
Глава 2 СОВРЕМЕННЫЕ МИКРОВОЛНОВЫЕ МЕТОДЫ В МЕДИЦИНЕ И ДИАГНОСТИКЕ
2.1 Применение микроволновой радиометрии в медицине
Основными сферами практического применения микроволновой радиометрии в настоящее время представляются диагностика злокачественных опухолей различных органов: молочной железы, мозга, легких; метастазов, а также функционального состояния коры головного мозга. При этом используют так называемые функциональные пробы: воздействия, вызывающие известный отклик организма. В этом качестве применяется, например, глюкозная проба – пациент принимает несколько граммов раствора глюкозы, после чего начинают измерения внутренней температуры антеннами, установленными в нескольких точках на поверхности тела около исследуемого органа. Если есть злокачественные опухоли или метастазы, то после глюкозной пробы видно увеличение глубинной температуры тела в этих областях.
Возможный биофизический механизм повышения температуры связан с тем, что глюкоза активно усваивается клетками. Эффективность преобразования глюкозы в АТФ в раковых клетках значительно ниже, чем у здоровых. Из одной молекулы глюкозы в раковых клетках синтезируется — 2 молекулы АТФ, а в здоровых клетках – 38. Поэтому, раковым клеткам необходимо переработать гораздо большее количество глюкозы. Поскольку коэффициент полезного действия этого процесса не превышает 50%, раковые клетки сильно разогреваются. Этот разогрев в силу физиологических механизмов индуцирует повышение температуры и близлежащих нормальных тканей. Суммарный подъем температуры регистрируется СВЧ – радиометром.
Механизм действия микроволнового излучения на организм складывается из двух процессов: первичного (непосредственного влияния СВЧ – волн на ткани организма) и вторичного – возникающего в ответ на него нейрорефлекторных и нейрогуморальных реакций целостного организма.
Первичное влияние микроволновой энергии проявляется в зоне локального воздействия и состоит из теплового и нетеплового воздействия. Тепловое воздействие происходит за счет нагрева тканей в результате трения, возникающего при движении свободных ионов электролитов тканей и колебаний дипольных молекул вокруг своей оси в процессе ориентировки их по направлению силовых линий электромагнитного поля, а также за счет выделения тепла молекулами воды при поглощении ими микроволновой энергии. Частота колебаний поля молекул воды совпадает с частотой СВЧ — колебаний, поэтому наибольшее образование тепла происходит в тканях, содержащих значительное количество воды, — в крови, лимфе, мышцах. Нетепловое воздействие микроволн заключается в различных внутримолекулярных физико-химических и электрохимических изменениях и в структурных перестройках, возникающих под влиянием энергии микроволн в сложных биоколлоидных системах (изменение осмотического давления, проницаемости клеточных мембран, коллоидного состояния цитоплазмы и межклеточной жидкости, ориентирование элементов крови в направлении силовых линий электромагнитного поля, резонансное поглощение энергии колебаний отдельными макромолекулами и др.) Соотношение теплового и нетеплового воздействия микроволнового излучения на биологические ткани определяется дозировкой воздействия – при малой мощности преобладает нетепловой, а при большой мощности — тепловой компонент.
Вторичный процесс воздействия микроволнового излучения состоит из непосредственного влияния поглощенной энергии на рецепторы тканей.
Читайте также: Маркер карандаш для ткани
2.2 Аппарат для микроволновой терапии “Луч-4”
Аппарат для микроволновой терапии “Луч-4” предназначен для действия с лечебной целью на ткани тела человека. Частота сверхвысокочастотного электромагнитного поля 2450 МГц. Общий вид аппарата “Луч — 4” показан на рис. 2.1.
Рисунок 2.1. Общий вид аппарата микроволновой терапии: “Луч — 4”
Величина мощности аппарата регулируется десятью степенями в диапазоне от 0 до 5 Вт и плавно от 0 до 20 Вт.
Аппарат имеет устройства, которые обеспечивают:
— автоматическое включение в режиме сбрасывания мощности при подключении к сети;
— включение выходной мощности только при выведенном в крайнее левое положение регулятора мощности;
— автоматический сброс мощности после окончания времени процедуры с подачей звукового сигнала и световой сигнализации.
Все органы управления расположены на горизонтальной панели. Кнопки имеют подсветку. В комплект аппарата входят 6 видов излучателей, в том числе ректальный, вагинальный, ушной.
Луч — 4 используют для реализации микроволновой терапии в условиях физиотерапевтических кабинетов лечебных учреждений.
Область применения аппарата микроволновой терапии “Луч-4”:
— для лечения центральной и периферийной нервной системы;
— для лечения гнойно-воспалительных заболеваний различной этиологии с помощью наружных излучателей, диаметрами: 20мм, 35мм, 110мм;
— для лечения различных заболеваний в области отоларингологии, урологии и гинекологии с использованием трех внутриполостных излучателей: ректального, вагинального и ушного.
Аппарат Луч-4 создает направленный поток микроволновой энергии, которая локализуется только в пораженном участке тела пациента. Благодаря этому возникает возможность осуществлять щадящее воздействие малой мощностью, не затрагивая окружающие здоровые ткани, что особенно важно в педиатрии.
При использовании аппарата «Луч-4» основное выделение тепла происходит в мышечных тканях, а не в жировых, как это происходит при УВЧ-терапии. Поэтому при лечении данным аппаратом сроки течения заболевания сокращаются в 2 — 2,5 раза по сравнению с применением медикаментозных средств или других физиологических методов лечения. В таблице 2.1 представлены основные технические характеристики аппарата.
Таблица 2.1. Основные технические характеристики аппарата «Луч-4»
Количество микроволновых излучателей, шт.
Частота электромагнитного поля, МГц
Диапазоны регулировки выходной мощности:
1. Ступенчатый диапазон (10 ступеней), Вт
2.3 Аппарат для микроволновой терапии “Луч-11”
Общий вид аппарата “Луч-11” показан на рис. 2.2
Рисунок 2.2 — Общий вид аппарата для микроволновой терапии “Луч — 11”
Аппарат представляет собой магнетронный генератор сантиметрового диапазона 2,45 ГГц (12,24 см) предназначенный для воздействия с лечебными целями на пациентов энергией электромагнитного излучения.
Медико-физиологический принцип лечения основан на способности микроволнового излучения стимулировать функцию центральной нервной системы, расширять кровеносные сосуды микроциркулярного русла, увеличивать кровообращение и уменьшать гипоксию тканей и органов, изменять иммунологическую реактивность организма.
Глубина проникновения сантиметровых волн в среднем в биологические ткани составляет 3…5 см.
Сантиметровые волны малой интенсивности стимулируют эндокринную систему (кору надпочечников, щитовидную и поджелудочную железы).
За счет увеличения скорости кровотока, количество функциональных капилляров и расширения мелких сосудов сантиметровые волны усиливают регионарную гемо — и лимфодинамику (тепловой эффект).
Микроволны оказывают, кроме того, противовоспалительное рассасывающее действие, снижают тонус гладкой мускулатуры бронхов, поперечнополосатых мышц конечностей.
1). Острые и хронические воспалительные заболевания периферической нервной системы (невралгия, невропатия, нефрит);
2).Дегенеративно–дистрофические заболевания суставов и позвоночника в стадии обострения (остеохондроз, артроз, деформирующий спондилез, плексит, миозит, бурсит, периартрит, эпикондилит, разрыв связок);
3). Гнойничковые заболевания кожи (фурункул, карбункул, гидраденит, мастит);
4). Хронические неспецифические заболевания легких (бронхиты, пневмония, синуситы);
5). Воспалительные заболевания женских половых органов, мочевыводящих путей, предстательной железы;
6). Воспалительные и дистрофические заболевания различных отделов глаза, полостей носа, слизистой полости рта.
В комплект поставки входят:
Излучатель облегающий, излучатель прямоугольный 205 х 95 мм, излучатели цилиндрические с диаметрами 90, 110, 140 мм, очки защитные ОРЗ-5 или щиток защитный лицевой НС5-Р, запасные части.
Основные технические характеристики прибора:
Максимальная выходная мощность, Вт ………………………….. 173
Минимальная выходная мощность, Вт ………………………………8
Регулировка мощности ……………………………………ступенчатая
Коэффициент стоячей волны (КСВ) излучателей при работе
Мощность потребляемая из сети, ВА …………………..не более 800
Габаритные размеры, мм ……………………….не более 550х250х530