книги / СВЧ-энергетика. Применение энергии сверхвысоких частот в медицине, науке и технике

проникает на небольшую глубину и, следовательно, мо­ жет создавать лишь поверхностный нагрев тела. Вместе с тем на частотах менее 1000 Мгц глубина проникновения

Фи г . 1. Глубина проникновения в мышечную и жировую ткани в зависимости от частоты.

Кривые типичны для тканей с большим и малым содержанием йоды соответственно. Значения этого параметра для тканей со средним содержанием воды попадают в заштрихованную область.

может быть больше 2—3 см и излучение будет вызывать значительный нагрев, так как непосредственное охлажде­ ние нагреваемых слоев затруднено.

Б. Выделение тепла в различных тканях. Излучение, попадающее на тело человека, частично поглощается в нем. Поглощаемая часть излучения проходит через кожу, подкожный жировой слой и более глубоко распо­ ложенные мышечные и другие ткани с большим содержа-

нием воды. Существенные различия электрических свойств кожи, подкожного жирового слоя и мышечной ткани обус­ ловливают довольно сложную картину отражений на гра-

Ф и г. 2. Количество тепла, выделяющегося в коже (К), жи­ ровом слое (Ж) и мышцах (М), выраженное в процентах от всего выделяющегося тепла, в зависимости от толщины & подкожного жирового слоя.

Толщина кожи предполагается рапной 2 мм (сплошные крипые) и 4 мм (штриховые). Так, например, в случае й = 2 см при толщине кожи 2 мм

ичастоте 3000 Мгц около 35% поглощенной энергии преобразуется в теп­ ло в мышечной ткани, около 35% в жировом слое и 30% в коже.

ницах между разными тканями. Подробно эти явления рассмотрены в работе [3]. На фиг. 2 представлены обоб­ щенные графики типичных результатов. Поскольку тол­ щина подкожного жирового слоя различна у разных лк?-

дей в разных частях тела, точный расчет распределения тепловой энергии, выделяемой при облучении СВЧ, практически невозможен. Тем не менее можно сделать следующие выводы: 1) на низких частотах большая часть поглощенной телом лучистой энергии превращается в теплоту в более глубоких тканях; 2) на частотах свыше 3000 Мгц большая часть энергии, поглощенной телом, превращается в теплоту в коже; 3) на частотах от 900 до 3000 Мгц картина обычно получается более сложной (в этом диапазоне относительное распределение тепла между кожей, подкожным жировым слоем и мышечной тканью может изменяться в широких пределах и сильно зависит от толщины кожи, подкожного жирового слоя и рабочей частоты).

В. Отражательная способность. В работе [3] иссле­ довалась также доля лучистой энергии, которая не отра­ жалась, а поглощалась телом человека и поступала в кожную, жировую и мышечные ткани. Предполагалось, что энергия приходит к поверхности тела в виде плоских волн, а само тело считалось состоящим из параллельных слоев кожи, подкожного жира и более глубоко располо­ женных тканей с высоким содержанием воды. Типичные значения поглощенной (т. е. неотраженной) энергии, вы­ раженной в процентах от полной подводимой энергии, приведены на фиг. 3. Из рассмотрения этих данных сле­ дует, что на частотах ниже 400 и выше 3000 Мгц величи­ ны поглощенной и отраженной энергии мало зависят от изменений в конфигурации модели тканей. На частотах между 400 и 3000 Мгц доля поглощенной энергии ме­ няется от 20 до 90% в зависимости от особенностей моде­ ли тканей. Но при малых значениях толщины й подкож­ ного жирового слоя, как правило, ситуация бывает более простой. Доля поглощенной энергии медленно растет с частотой от ~ 3 0 % при 150 Мгц до 50% при 10 000 Мгц.

Г. Рассеяние. Сложная поверхность тела не позво­ ляет точно оценить результаты воздействия электромаг­ нитного излучения на организм человека. Приведенные выше описания процессов генерации тепла в тканях и отражения излучения справедливы при условии частич­ ного облучения, т. е. когда плоская волна излучения по­ падает лишь на часть, поверхности тела. Это условие ти­

ческого тела. Если облучению подвергается все тело, то в некоторых пределах можно считать, что благодаря кровообращению тепло, генерируемое локально, будет распределяться по всему телу.

Таким образом, чтобы оценить среднее повышение температуры тела, вызываемое облучением, нужно опре­ делить полное количество поглощенной энергии. Для этого важно знать величину «сечения относительного поглощения». Эта величина определяется здесь как от­ ношение полной поглощенной мощности к мощности, па­ дающей на тело до его введения в поле. Зная величину сечения относительного поглощения, можно найти коли­ чество поглощенной энергии и по измерению падающего потока энергии определить потенциальную вредность такого облучения для человека. В настоящее время имеет­ ся много данных о величине сечения относительного по­ глощения. Эти данные получены в результате теоретиче­ ских и экспериментальных исследований, проводившихся на сферических и цилиндрических моделях тела, а также

врезультате экспериментальных исследований, выпол­ ненных на более точных профилированных моделях [4, 51. Ниже приводится краткая сводка результатов этих ис­ следований.

а.Сечение относительного поглощения зависит от размеров облучаемого объекта и частоты так, как пока­ зано на фиг. 4. Если размеры объекта меньше 0,1 длины волны (в воздухе), то сечение относительного поглоще­ ния увеличивается с повышением частоты. При таких размерах изменение исследуемого параметра происходит

всоответствии с известным законом четвертой степени, сформулированным Релеем. При размерах объекта более одной длины волны сечение почти не зависит от размеров и частоты и сравнимо по величине с выраженной в про­ центах поглощенной энергией (см. предыдущий раздел). Если же отношение размера объекта к длине волны на­ ходится в пределах 0,1 — 1, то сечение изменяется сильно из-за того, что в облучаемом объекте могут возбуждаться

всевозможные резонансы.

б. В диапазоне частот, использующемся в радиолока­ ции, т. е. на частотах выше 300 Мгц, и для объектов, имеющих размеры тела человека, сечение относительного

поглощения почти не зависит от размеров и частоты. При этих условиях работа происходит в правой пологой части кривых фиг. 4. Сказанное означает, что тонкая структура

поверхности объекта не имеет большого значения и что в тех случаях, когда нас интересует полная поглощенная энергия, тело человека можно аппроксимировать моде­ лями с более простыми формами.

Были проведены также измерения на моделях, форма которых повторяла форму тела человека. Эти модели заполнялись материалами, электрические свойства ко­ торых соответствовали электрическим свойствам тканей на СВЧ [4].

Величины сечения относительного поглощения, полу­ ченные в этих измерениях, согласуются с результатами теоретических исследований, выполненных на моделях более простой формы.

Модели, использовавшиеся в этих теоретических и экспериментальных исследованиях, заполнялись мате­ риалом, свойства которого близко соответствовали электри-

Ф и г. 5. Сечение относительного поглощения сферы, диэлек­ трические свойства которой соответствуют свойствам мышеч­ ной ткани, покрытой жировой оболочкой.

ческим характеристикам мышечной ткани. Влияние под­ кожного жирового слоя иллюстрируется кривыми фиг. 5 и 6. Эти кривые построены по результатам расчетов сферической модели, выполненной из материала со свой­ ствами мышечной ткани и окруженной оболочкой из жировой ткани. Закономерности, выявленные на кри­ вых фиг. 4 и сформулированные в п. «а» и «б», все еще про­ должают действовать, хотя действительные значения се­ чения оказываются другими. Все это, а также дополни­ тельные данные работы [4] подтверждают вывод, что сече­

ние относительного поглощения обычно имеет величину 0,5— 1. Если предположить, что вся поверхность модели покрыта достаточно толстым слоем жира, что только в

Фиг . 6. Зависимость сечения относительного поглощения сферы, диэлектрические свойства которой соответствуют свой­ ствам мышечной ткани, покрытой жировой оболочкой.

Отметим близость результатов о случае большой кривизны (6 1 = 1 ,5 см.

СИ=10) н в случае плоской волны (а=оо). Подобные результаты получаются на частотах 400 и 10 000 Мгц.

редких случаях можно считать эквивалентной моделью тела человека, то сечение будет достигать 1,7. Таким об­ разом, будет правильным сделать вывод, что сечение от­ носительного поглощения, равное 1, является наиболее разумным значением для всех применений, где не тре­ буется очень высокой точности (допустима ошибка в пре­ делах ±50% ). Такой выбор означает, что предполагается приближенное равенстро падающей и поглощенной мощ­ ностей.

III. Нетепловые эффекты, вызываемые облучением

Изучению нетепловых эффектов, вызываемых облуче­ нием электромагнитными волнами в биологических сре­ дах, посвящена значительная часть работ. К сожалению, большинство из них либо носят качественный характер, либо давали невоспроизводимые результаты. Табл. 3 и 4 помогают ввести некоторые определения, связанные с

группы — эффекты, связанные с общим повышением тем­ пературы и обусловленные поглощением энергии в объеме (объемный нагрев), и эффекты, связанные со специфическим повышением температуры некоторой части объема отно­ сительно окружающей среды. К специфическим эффектам нагрева, о которых упоминалось в литературе, авторы относят селективное повышение температуры некоторых насекомых и микроорганизмов в средах с отличающимися комплексными диэлектрическими проницаемостями, а так­ же селективный нагрев некоторых тканей тела при соот­ ветствующем выборе частоты. Но существование специ­ фических эффектов нагрева в большинстве случаев можно подвергнуть сомнению. Как было показано, специфиче­ ское повышение температуры очень малых объемов диа­ метром менее 1 мм практически невозможно [6] и раз­ личный нагрев тканей тела также недостижим [7].

Среди нетепловых эффектов различают сильные и слабые взаимодействия поля с облучаемой средой (табл. 4).

Таблица 4

Классификация сильных и слабых нетепловых взаимодействий электромагнитных полей с биологической средой1

Эффекты насыщения диэлектрика [8], явления, связанные с ориентацией поля [9], и т. п. следует классифицировать как сильные взаимодействия, поскольку для наблюдения их обычно требуются большие напряженности поля (выше 100 в/см). Слабыми взаимодействиями нетеплового харак­ тера мы будем считать такие, которые наблюдаются при напряженностях поля и интенсивностях потока, не вы­ зывающих, как правило, сколько-нибудь значительного нагрева и заметного повышения температуры. Наличие слабых взаимодействий еще не доказано, а их возможный физический механизм имеет в высшей степени гипотети­ ческую окраску.

Ниже описаны некоторые нетепловые эффекты, отно­ сящиеся к группе слабых взаимодействий и упоминавшие­ ся в литературе.

А. Резонансы макромолекул, или биологических струк­ тур микроскопических размеров. По мнению автора, та­ кого рода резонансы маловероятны, так как диэлектриче­ ские свойства макромолекул и клеток хорошо объясни-