Поглощение энергии ЭМП в тканях и преобразование ее в тепловую

Механизм преобразования в живых тканях энергии ЭМП в тепловую считали единственно возможной причиной любых биологических эффектов, вызываемых ЭМП от низких частот до сверхвысоких. На этой основе были разработаны и получили широкое распространение методы применения ЭМП высоких, ультравысоких и сверхвысоких частот для лечения различных заболеваний. Исходя из этой концепции, пытались оценивать предельно допустимые интенсивности ЭМП радиочастот при изучении их профессиональной вредности.

Тепловая концепция биологических эффектов ЭМП противоречит результатам ряда исследований, проведенных с ЭМП слабых интенсивностей. Однако в тех случаях, когда биологические объекты подвергаются воздействию ЭМП достаточно высоких интенсивностей (при которых тепловой эффект уже возможен), она представляется полезной. Поэтому мы подробно рассмотрим теоретические и экспериментальные данные о тепловых эффектах ЭМП различных частот.

В низкочастотном и высокочастотном диапазонах преобразование энергии ЭМП в тепловую связано в основном с потерями проводимости, возникающими за счет выделения, в тканях джоулева тепла индуцированными в них ионными токами.

До частот порядка 10 Мгц размеры тела человека и крупных животных (а тем более мелких) малы по сравнению с длиной волны, а ткани тела можно рассматривать как проводящую среду. Поэтому выполняются условия квазистационарности и расчеты можно производить как для статического поля; мощность ЭМП, поглощаемая в единице объема тела, может быть в этом случае вычислена по законам постоянного тока:

Р = i²с втсм³

Величину плотности тока i следует вычислять применительно к форме и электрическим параметрам биологического объекта. Такой расчет для человека, находящегося в переменном электрическом или магнитном поле в диапазоне частот от 100 Кгц до 1 Мгц, сделан при следующих допущениях:

• 1. Тело человека приближенно рассматривается как гомогенный (по электрическим свойствам) проводящий эллипсоид;
• 2. Рассматривается только однородное электрическое или магнитное поле, в котором тело (эллипсоид) расположено так, что его большая ось параллельна силовым линиям.

При этих условиях плотность тока в случае электрического поля равна.

i_e=1,3*10^-13 *f*E а/см²,.

а в случае магнитного поля.

i_н=1,3*10^-11*f*H а/см²

(Е выражено в в/м, Н — в а/м, f —в гц).

Количество тепла, выделяемое при этом в теле человека, будет определяться из соотношений:

QE=2*10−20* сср*f2*E2 кал/мин.

Q_H=2*10^-16 с_ср*f²*H² кал/мин.

(с_ср — среднее удельное сопротивление тканей тела человека).

В диапазонах ультравысоких и сверхвысоких частот преобразование энергии ЭМП в тепловую связано уже не только с потерями проводимости, но и с диэлектрическими потерями. При этом доля диэлектрических потерь в общем поглощении энергии ЭМП в тканях возрастает с частотой. Например, потери, связанные с релаксацией молекул воды в тканях, при частоте 1 Ггц составляют около 50% от общих потерь, при частоте 10 Ггц — около 90% и при частоте 30 Ггц—около 98%.

В этих частотных диапазонах (выше 100 Мгц) размеры тела человека и крупных животных уже сравнимы с л или превышают ее, а ткани тела уже нельзя рассматривать как проводящую среду; наконец, нельзя считать различные ткани гомогенными по электрическим свойствам. Иначе говоря, условие квазистационарвости здесь не выполняется и необходимо рассматривать поток волн, часть которого отражается от поверхности тела, а остальная часть постепенно поглощается в электрически негомогенных тканях.

С учетом отражения мощность ЭМП, поглощаемая на 1 см² поверхности объекта, или действующая мощность (Р_д) будет равна Р_д = Р_о*(1-К),.

где Р_о — плотность потока мощности, падающая на поверхность объекта, К—коэффициент отражения.

Значения коэффициента отражения ЭМП разных частот от различных тканей при разных частотах и глубина проникновения энергии ЭМП в глубь тканей (т. е. глубина, на которой энергия уменьшается в е раз) приведены в таблицах.

Коэффициент отражения от границ раздела между тканями при различных частотах.

Глубина проникновения электромагнитных волн в различные ткани, см.

Зависимость степени поглощения энергии ЭМП в биологическом объекте от размеров последнего можно оценить из расчетов для полупроводящей сферы. Из них вытекает, что при R>л в полупроводящей сфере поглощается примерно 50% мощности, падающей на поперечное сечение, независимо от активной проводимости вещества сферы. Расчеты и эксперименты на моделях показали, что это справедливо для биологических объектов любой формы в диапазоне частот от 300 Мгц до 3 Ггц. Но при R<�л поглощаемая мощность зависит от электрических параметров объекта и при некоторых значениях R/л в нем поглощается больше энергии, чем падает на поперечное сечение.

Зависимость характера поглощения от анатомического расположения тканей определяется главным образом толщиной подкожного жирового слоя и способом приложения ЭМП к объекту. Если воздействие производится путем помещения объекта между пластинами конденсатора, то в подкожном слое, имеющем более низкие значения относительной диэлектрической проницаемости е' и активной проводимости у, чем у глубже расположенных мышечных тканей, напряженность Е будет выше, чем в мышцах. Соответственно распределится и поглощаемая мощность ЭМП. Если производится облучение объекта волнами, то жировой слой может сыграть роль «трансформатора импедансов» между воздушной средой и мышечной тканью, что может привести к той или иной компенсации отражения волн и, следовательно, к соответствующему увеличению доли поглощаемой мощности. Этот эффект зависит от толщины жирового слоя, толщины слоя кожи и от частоты ЭМП.

До сих пор мы не учитывали еще одного физического процесса, от которого может зависеть относительное распределение поглощения энергии ЭМП в тканях живых организмов, а именно возникновения стоячих волн, в результате которого энергия, поглощаемая в том или ином слое тканей, может значительно возрасти по сравнению со случаем распространения волн в этой ткани. Стоячие волны могут возникнуть (в связи с отражениями на границах раздела тканей, имеющих различные электрические параметры) в тех случаях, когда толщина рассматриваемого слоя тканей сравнима с длиной волны (величина которой в свою очередь зависит от электрических параметров ткани). Из таблицы, в которой приведены значения длин волн в различных тканях, видно, что такое соотношение возможно в слоях тканей человека и крупных животных для ЭМП с частотами выше 3 Ггц.

Длина волны в тканях при различных частотах, м.