Тепловой эффект ЭМП в тканях живых организмов

Нагревание тканей тела животных и общее повышение температуры тела под действием ЭМП зависят не только от величины электромагнитной энергии, преобразующейся в тепловую, но в значительной степени от терморегуляторных свойств организма.

У гомойотермных животных (птиц и млекопитающих) при данной температуре тела результирующая теплоотдача равна алгебраической сумме теплообразования за счет обменных процессов и теплопотерь за счет излучения, а также испарения при дыхании (а у человека и при потоотделении), как это показано на рисунке.

В интервале температур, при которых организм еще способен к терморегуляции, — между точками пересечения результирующей кривой с осью абсцисс — преобладают теплопотери, что ведет к восстановлению нормальной температуры тела.

При дальнейшем повышении температуры теплообмен может стать положительным, и температура тела будет возрастать вплоть до гибельной.

Эксперименты, проведенные с фантомами, имитирующими тело животных, показали, что с увеличением объема объекта требуется все большее время для нагревания его до заданной температуры при помощи ЭМП данной мощности. Это объясняется, во-первых, тем, что для нагревания большего объема нужно больше калорий, и, во-вторых, тем, что при одинаковой глубине проникновения энергии ЭМП в ткани доля объема, в которой происходит поглощение, будет тем больше, чем меньше объем. Например, если ЭМП с частотой 300 Мгц проникает на глубину 2,5 см (для мышечных тканей), то это означает, что у крысы (диаметр тела 5−6 см) энергия ЭМП поглощается практически во всем теле, а у собаки (диаметр тела 20−25 см) — только в незначительной поверхности части тела.

Было проведено более детальное теоретическое исследование условий нагревания тканей тела человека и различных животных под действием микроволн. Время, необходимое для повышения температуры тела на 5° (ДФ = 5°), вычислялось из уравнения.

где G — масса тела, С_b — удельная теплоемкость, М — тепло за счет метаболизма, Е-тепло за счет облучения микроволнами, S_b — поверхность тела, б_ab — коэффициент теплопередачи воздух — тело, и_ab— начальная разница температур воздух — тело.

В результате исследователи пришли к выводу, что при очень больших значениях t, соответствующих малой интенсивности облучения, практически нет разницы в скорости нагревания животных разных размеров, но при больших интенсивностях (t мало) тело малых животных нагревается быстрее.

Результаты большинства исследований зависимости теплообразования в тканях животных от интенсивности и времени воздействия ЭМП, а также характера распределения температуры в тканях были противоречивыми: в одних случаях отмечалось более значительное нагревание в глубоких тканях по сравнению с поверхностными, в других — противоположное распределение температуры, в третьих — наличие как положительного, так и отрицательного градиента температуры в зависимости от условий воздействия ЭМП. Основными причинами этих расхождений можно считать несовершенство дозирования поглощаемой мощности и несопоставимость ряда условий экспериментов.

Делались попытки теоретически оценить количество тепла, выделяющегося на заданном расстоянии от облучаемой поверхности, и рассчитать соответствующее повышение температуры. Однако сравнение расчетных данных с экспериментальными показало приближенное соответствие только при малых продолжительностях облучения.

Экспериментальная оценка пороговых интенсивностей ЭМП для теплового эффекта была проведена в различных частотных диапазонах при общем и локальном воздействии ЭМП на человеке и животных. Границу теплового эффекта определяли по минимальному повышению температуры тела или тканей, не превышающему нормальных ее колебаний в организме. В качестве признака появления теплового эффекта у человека использовали также и минимальное теплоощущение. Было установлено, что зависимость между теплоощущением и мощностью ЭМП, поглощаемой в тканях (в диапазоне 20−200 Мгц), выражается соотношением:

H=lg P — a lg P₀

где H — теплоощущение, оцениваемое по 4-балльной системе (едва ощутимое тепло, умеренное тепло, интенсивный нагрев, едва переносимый нагрев), Ро-поглощаемая мощность, при которой ощущается едва заметное тепло, Р-данная поглощаемая мощность, а — постоянная, не зависящая от частоты (хотя Р_о варьирует с частотой).

Из результатов эксперимента следует, что пороговые интенсивности ЭМП уменьшаются с повышением частоты. Это и понятно, так как коэффициент поглощения электромагнитной энергии пропорционален частоте и величине электрических параметров у и е, которые в свою очередь изменяются с частотой.

В заключение следует отметить, что в работах, посвященных тепловому эффекту ЭМП, неоднократно обсуждалась возможность избирательного нагревания микрочастиц в биосредах, не сопровождающегося существенным нагреванием окружающей их среды. Однако теоретический анализ показал, что такое избирательное нагревание возможно только в том случае, если частицы достаточно крупны—не менее 1 мм в диаметре. Поэтому нет оснований рассчитывать на избирательное нагревание микрочастиц (клеток, бактерий) при отсутствии существенного нагревания среды, в которой они суспендированы.