книги / СВЧ-энергетика. Применение энергии сверхвысоких частот в медицине, науке и технике
.pdfются с помощью релаксационных моделей1 [2]. В данном случае высокая вязкость, обусловленная наличием взвеси (жидкости тканей и клеток), вызывает сильное затухание, вследствие чего теоретически возможные резонансы вы рождаются в сглаженную характеристику релаксационно го типа.
Фиг . 7.
Электрическое поле Е 0 направлено перпендикулярно оси поэбуждаемой клетки, которая имеет форму цилиндра радиусом Я, внутреннее удель
ное сопротивление р., емкость мембраны |
С н окружена слоем с удель- |
1 |
м |
ным сопротивлением ра . При этом поле Е 0возбуждает на мембране р аз ность потенциалов ДУ = 2 # Е 0/{ 1 + [оэС Я(р + Р
Б. «Прослушивание» высокой и сверхвысокой частот. Это явление выражается в непосредственном восприятии на слух звука в том случае, если облучение производится модулированным высокочастотным или сверхвысокоча стотным сигналом. Существование этого нетеплового эф фекта, по-видимому, не вызывает сомнений [10, 111, и в работе [12] ему было дано разумное объяснение. И все же еще остается недоказанным, что этот эффект может наблюдаться при уровнях излучения, незначительных
втепловом отношении.
1Релаксационная характеристика в данном случае — характе ристика вырожденного резонанса. Такая характеристика получает ся, если система, реагирующая на внешнее возбуждение, настолько сцльно демпфирована, что избирательный ВЧ-резонанс не возникает.
В. Выпрямление ВЧ-полей мембранами нервных кле ток и последующие нервные реакции. Несмотря на то что этот эффект часто упоминается в литературе, он не был рассмотрен аналитически. Поэтому ниже проводится его краткий анализ. Пусть клетка имеет цилиндрическую форму (фиг. 7). Тогда потенциал клеточной мембраны
М о — ы0СмЯ(р{ +ра)=1
Ф и г. 8. Зависимость ЛК от частоты.
ЛК, возбуждаемый внешним полем Е 0, можно найти из
уравнения Лапласа. |
Зависимость выражения для ДК |
|
от |
частоты построена на фиг. 8. В области частот до /0 ^ |
|
^ |
500/7? потенциал |
АК не зависит от частоты. Здесь /? |
выражается в сантиметрах, а /0 — в герцах и взяты ти пичные значения параметров См = 1 мкф/см2, рд = = 100 ом-см и р* = 200 ом-см. Отсюда следует, что для типичных размеров нервных клеток частота /0 составляет около 1 Мгц или меньше. На более высоких частотах ДК быстро уменьшается с частотой. Так, на частотах выше 10 Мгц величина ЛК меньше 1 мв при потоке 10 мвт/см2, т. е. при потоке, который попадает в область между силь ными и слабыми взаимодействиями (табл. 4). Любое на пряжение, возникающее в результате выпрямления этого ВЧ-напряжения, должно быть еще меньше. Следователь но, выпрямленные напряжения, которые возбуждаются
на мембранах электромагнитными полями, слабыми с точ ки зрения тепловых эффектов, будут по крайней мере на два порядка величины меньше, чем потенциал покоя мемб раны (около 70 мв). Такие небольшие изменения потен циала не раздражают клетку. Это означает, что любое выпрямление, осуществляемое биологическими мембра нами (если оно вообще происходит), не должно привести
ккакому-либо значительному биологическому эффекту.
Ивсе же одна группа нетепловых эффектов наблюда лась с достоверностью. Мы будем называть эту группу эффектов механическими эффектами, индуцированными полем. Эти эффекты впервые наблюдались Мутом 113], который отметил упорядочение расположения коллоид ных частиц в виде нитки бус под влиянием ВЧ-поля. На блюдавшееся Мутом явление было подтверждено другими исследователями, в частности, опытами, проведенными на биологических клетках. Теоретически этот эффект был рассмотрен до некоторой степени и ранее [141, но в осно
ву рассмотрения была положена неподходящая модель. В последующих, более глубоких работах [15] было установлено, что существо эффекта определяется ди- поль-дипольным взаимодействием. Результаты экспе риментов [16] количественно подтверждают предсказания теории [15].
Родственный характер имеет ориентация одноклеточ ных организмов под влиянием ВЧ-поля [17]. Такая ориен тация происходит из-за изменений потенциальной элек трической энергии при вращении несферической частицы относительно внешнего приложенного поля. Частица за нимает устойчивое положение, когда ее потенциальная энергия минимальна. Следовательно, она будет ориенти роваться во внешнем поле так, чтобы эта ее энергия была минимальной. Подробный анализ данного явления про веден в работе [18], а в работе [9] он рассмотрен для слу чая живых клеток. Эффекты образования цепочек и ориен тации под влиянием ВЧ-полей наблюдаются в том случае, если происходящим при этом изменением потенциальной энергии нельзя пренебречь по сравнению с тепловой энер гией рассматриваемых частиц. К сожалению, расчеты по казывают, что для частиц микронных размеров, какими являются живые клетки, для получения «механических
эффектов» требуются поля с напряженностью несколько сотен вольт на сантиметр. Эти расчеты хорошо согласуются и с результатами экспериментов. Но когда в установившемся режиме напряженность поля достигает или превышает 100 в!см, тепловые эффекты в биологических системах оказываются настолько значительными, что на их фоне нельзя обнаружить какие-либо индуцированные полем механические эффекты, имеющие биологическое значе ние.
Таким образом, мы приходим к выводу, что механиче ские эффекты, индуцированные установившимися ВЧ-по- лями, следует классифицировать как нетепловые сильные взаимодействия. Механические эффекты, возбуждаемые импульсными полями, почти не исследовались. Расчеты, выполненные Сэйто и Шваном [15], показывают, что при импульсных режимах, типичных для радиолокационного оборудования, слабые взаимодействия нетеплового харак тера просто невозможны. Однако в других импульсных режимах слабые взаимодействия в настоящее время не учитывать нельзя.
Еще ряд экспериментальных результатов можно клас сифицировать как слабые нетепловые взаимодействия. Заслуживают упоминания наблюдения аберрации хромо сом в ВЧ-поле [19] и исследования частотной зависимости индуцированных ВЧ-полем изменений электрофоретиче ской подвижности и поверхностного заряда некоторых коллоидов [20]. Однако в первом из этих исследований нет полной уверенности в том, что тепловые эффекты были исключены. Существует также возможность, что поле с выбранными параметрами вызывает биологически значи тельные механические эффекты. Каких-либо попыток объяснить интересные результаты, полученные во вто ром из этих исследований, не делалось.
IV. Медицинские применения (диатермия и диагностика)
Диатермию можно определить как способ физиотера пии, позволяющий создавать глубокий нагрев, т. е. позво ляющий генерировать тепло в тканях, расположенных под кожей и подкожным жировым слоем. Повышение темпе
ратуры увеличивает обменную деятельность и расширяет кровеносные сосуды, увеличивая тем самым циркуляцию крови. Считают, что при этом ускоряется заживление и усиливаются защитные реакции организма. Как показала практика, диатермия оказалась особенно полезной при лечении ревматизма и других заболеваний суставов. Более подробное обсуждение тепловых эффектов при те рапии содержится в работе [21]. Распространение полу чили три вида диатермии: ультразвуковая, коротковолно вая, для которой используется частота 27 М гц, и СВЧдиатермия, которая проводится на частоте 2450 Мгц. В этой книге мы интересуемся только СВЧ-диатермией. Более полное освещение вопросов СВЧ-диатермии чита тель найдет в работах [22—24].
В установке для СВЧ-диатермии лучистая энергия создается генератором мощностью 100 вт и при помощи соответствующей антенны направляется на облучаемую часть тела. Выбор частоты 2450 Мгц первоначально был связан с тем, что имелся прочный и надежный магнетрон, работавший на этой частоте, а биофизические факторы, связанные с распространением электромагнитных волн через ткани, не учитывались. Используемая в настоя щее время техника работает в диапазоне частот, где количество энергии, поглощенной телом, пространствен ное распределение генерируемого в теле тепла и эффектив ная глубина проникновения меняются в широких преде лах по определенному закону (см. раздел «Распростране ние электромагнитной волны в тканях»). Кроме того, поскольку размеры антенны нельзя сделать много больше размеров облучаемой поверхности тела, они оказываются сравнимыми с длиной волны в воздухе (12,5 см). В таких условиях излучение нельзя сфокусировать достаточно хорошо. Мы уже отмечали, что создание оборудования, работающего на частоте 900 Мгц или меньше, позволило бы получить более воспроизводимые характеристики [1]. Проблему уменьшения рабочей частоты (без увеличения размеров антенны. — Ред.) можно было бы в этом случае решить путем заполнения пространства между антенной и поверхностью тела каким-либо веществом с большой ди электрической проницаемостью и малыми потерями, по скольку длина волны колебаний, распространяющихся в
27
таком веществе, эффективно уменьшается1. Недавно наше предложение привлекло к себе повышенное внимание, и подробно были исследованы факторы, способствующие достижению наилучшей связи [25].
Несмотря на указанные выше трудности, СВЧ-диатер- мия нашла широкое и успешное применение. Более обосно ванный выбор частоты, без сомнения, мог бы еще повысить полезность этого способа лечения.
Идеи диагностического применения СВЧ, по-видимому, до сих пор были сформулированы только в работах Моска ленко [26, 27]. Это вызывает удивление, так как процесс взаимодействия СВЧ с организмом человека достаточно хорошо изучен, чтобы предположить такие применения. Москаленко рассмотрел изменения в коэффициентах от ражения и пропускания на СВЧ и коротких волнах, вы зываемые изменениями таких важных физиологических па раметров, как состав крови или объем дыхания. По су ществу он предложил импедаисный плетизмограф, рабо тающий в СВЧ-диапазоне или на коротких волнах. Бо лее сложная картина отражения и поглощения падающей энергии может вызвать определенные трудности, но соот ветствующие методы регистрации любых изменений коэф фициентов отражения и поглощения позволят связать эти изменения с изменениями в крови или в объеме дыха ния. Среди преимуществ ВЧ-плетизмографа отметим исключение высокого сопротивления кожи, которое часто служит причиной искажений на низких частотах, обычно используемых в импедансной плетизмографии, и отсут ствие контактов электродов и связанных с ними ошибок [28].
V. Опасности СВЧ-облучения
Облучение сильными источниками электромагнитной энергии может нанести ущерб здоровью. Если темпера тура тела повышается более чем на 5— 10 °С, то происхо дят процессы денатурации макромолекул и возможны не
1 Длина волны в диэлектрике с диэлектрической |
проницаемо |
|
стью е меньше длины волны в свободном пространстве |
в |
раз.— |
Прим. ред. |
|
|
обратимые изменения. Было проведено много работ по исследованию воздействия СВЧ-облучения на животных. Более подробный обзор этих работ читатель найдет в публикации [29].
Особенно заслуживают внимания результаты, касаю щиеся воздействия на глаза и тотального облучения тела. При потоках интенсивностью выше 100 мет/см* хрусталик глаза может поражаться катарактой вследствие тепловых изменений белков [30, 31]. Повторяющееся ежедневно облучение потоком интенсивностью 80 мет/см1 также вызывало катаракту [311. Исследовались также потери веса, изменения в составе крови и другие физиологиче ские эффекты, связанные с облучением [32, 33]; эти эффек ты наблюдаются обычно при облучении потоком интен сивностью выше 100 мет/см*, но иногда и при потоках интенсивностью 50 мет!см*. Есть основания считать, что изменения в семенных протоках происходят уже при уров нях выше 10 мвт/см2 [34]. Эти изменения могут быть как обратимыми, так и необратимыми в зависимости от мно гих факторов: уровня излучения, частоты, времени облу чения, температуры и влажности окружающей среды. Изучение случаев образования катаракты показало, что зависимость от времени облучения имеет вид, изображен ный на фиг. 9. При малой продолжительности облучения катаракта возникает при определенной величине произве дения мощности потока на экспозицию. Однако при боль ших экспозициях оказывается, что интенсивность потока, вызывающего катаракту, не зависит от времени облуче ния. Дополнительным фактором, имеющим, по всей ве роятности, определенное значение в случаях неоднократ ного облучения, является «биологическое восстановле ние», рассмотренное в работе [31].
Если для полного решения всех вопросов, связанных с опасностями СВЧ-облучения, надо собрать еще много материалов, то для введения предельно допустимых норм достаточно знаний, имеющихся на данном этапе. Первые предложения о введении таких норм были опубликованы в 1956 г. [3, 35]. Предлагалось считать допустимым при длительном воздействии уровень 10 мет!см*. Впоследст вии было установлено, что этот предел можно несколько понизить, так как при кратковременном воздействии
допускаются более интенсивные потоки (фиг. 9). Недавно Национальный институт стандартов США принял стан дарт на предельно допустимый уровень СВЧ-облучения. Ниже приводится выдержка из этого стандарта:
Фиг . 9. Пороговые значения плотности потока, при кото рых наблюдалось образование катаракты, в зависимости от
времени облучения.
1 — результаты работы [31]; 2 — результаты работы |34].
«При нормальных условиях внешней среды удельный поток падающей электромагнитной энергии на частотах от 10 Мгц до 100 Г гц должен быть равен 10 мвт/см2 в среднем за любой интервал времени длительностью 6 мин. Это означает, что допускается удельная мощность 10 мвт/см2 для интервала 6 мин и более и удельная энер гия 1 мет•час/см2 в течение любого интервала длитель ностью 6 мин. Указанный стандарт распространяется как на непрерывное, так и на импульсное излучение».
В СССР в ряде работ рассматривались эффекты, вызы ваемые излучением со значительно меньшей интенсив ностью [36—39]. При этом отмечались функциональные изменения в сердечно-сосудистой и нервной системах.
В одной из работ исследовались изменения условных реф лексов, вызываемые у животных облучением. Насколько известно автору этого раздела, каких-либо дополнитель ных или подтверждающих публикаций на эту тему не было. Наиболее подробные сведения о некоторых из этих работ имеются в работах [40, 41]. Последняя из них пред ставляет особый интерес. В ней сообщается об исследо вании 525 человек, подвергнувшихся СВЧ-облучению. Этот материал послужил основой для принятия в СССР
предельно допустимых уровней облучения 0,01 мет!см2 при облучении в течение всего рабочего дня, 0,1 мвт/см2 при облучении в течение 2 час и 1 мвт/см3 при облучении в течение не более 20 мин за весь рабочий день. Многие описанные здесь медицинские результаты не вызывают каких-либо сомнений, однако их причинные связи с СВЧ-облучениембыли раскрыты не во всех слу чаях.
|
|
|
|
|
|
Л И Т Е Р А Т У Р А |
|
|
|
||||
1 . 5 с Ь \ у а п |
Н. Р ., |
В1оркуз1С5 о! <Иа1Ьегту, 1п ТЬегареиНс |
|||||||||||
|
Неа! апй СоМ (5. ЫсЫ, ей.), ВаШшоге, Магу1апй, 1Уауег1у |
||||||||||||
2. |
Ргезз, |
1965. |
|
Е1ес1пса1 ргорегИез о! Иззиез апй се118, |
|||||||||
5 с Ь |
|
а п |
Н. Р ., |
||||||||||
3. |
Абиап. В ю 1 . Мей. |
Ркуз., 5, рр. 147—209 |
(1957). |
1Гга(На- |
|||||||||
3 сЬ V а п |
Н. Р., |
Ь 1 К. |
Нагагйз йие 1о 1о1а1 Ьойу |
||||||||||
4. |
Иоп Ьу гайаг, |
Ргос. Щ Е, 44, р. 1572 (1956). |
|
|
|||||||||
А п п е |
А., |
5 |
а 1 1 о М., |
5 |
а 1 а 1 1 О. М., |
3 с Н\у а п Н. Р ., |
|||||||
|
Репе{гаИоп апё ТЬегша1 01351раиоп о! М1сго\уауез т |
Т135иез, |
|||||||||||
|
Рер1. № 62-13, Соп1г. АР |
30(602)-2344, Е1ес1гошесПса1 |
01у ., |
||||||||||
5. |
Иш у. о! Реппзу1уаша, РЫ1айе1рЫа, |
Реппзу1уаша, |
1962. |
||||||||||
5 а 1 а 1 1 О. М., А п п е |
А. , |
З с Ь ш а п Н . Р ч КасНо 1^и еп - |
|||||||||||
6. |
су гасИаНоп |
Ьагагйз, Е1ес1гоп |
1пй., (Ыоу. |
1962). |
|
|
|||||||
З с Ь |
а е ! ег' Н., |
5 с Ь \у а п |
Н. Р ., |
ТЬе |
^ие51^оп о! зе1есИуе |
||||||||
|
ЬеаНп^ о! зта11 рагИс1ез т |
|
иИгазЬог! угауе сопйепзог Пе1й, |
||||||||||
|
Апп. Ркуык, |
43, |
р. 99 (1943); см. также |
5 с Ь а е 1 е г |
Н ., |
||||||||
|
5 с Ь V а п Н. Р., |
ТЬе ^иезИопз о! зе1есНуе ЬеаИпд о! з1пе1е |
|||||||||||
|
сеНз 1п Ыо1о§рса1 Иззие |
уйШ иНгазЬог! \уауез, ЗЬЫйепИгегарье, |
|||||||||||
7. |
77, |
р. |
123 |
(1947). |
|
|
|
|
|
|
|
||
З с Ь а е Г е г |
Н., |
ИНтазЬснТ \уауез, ш «ЯезиИв о! В1орЬуз1са1 |
|||||||||||
|
ЦезеагсЬ» (В. Ка^ешзку, ей.), Ье1р21‘б, ТЫеше, 1938, СЬар. 1; |
||||||||||||
8. |
см. также ЗсЬ\уап [1, рр. 82, 88]. |
|
|
|
|
||||||||
5 с Ь иг а п Н. Р ., |
Мо1еси1аг Кезропзе СЬагас1епзис5 1о Ш1га- |
||||||||||||
|
|
Ргеяиепсу Р1е1с1з, ТесЬ. Кер1. № 24, ОШсе о! Ыауа! Цез., |
|||||||||||
|
Е1ес1гогпе(11саГ Б1у., 1)шу. оГ Реппзу1уаша, |
РЬПайефЫа, |
Репп- |
||||||||||
|
зу1уаша, |
1958. |
|
|
|
|
|
|
|
|
9. |
5 а I 1 о М., |
5 с Ь |
а п |
Н. Р., |
5 с Ь XVа г г О., Кезропзе о! |
|||
|
попзрЬепса1 Ыо1о§1са1 раг11с1е$ 1о аИегпаИпе е1ес!пс Пе1(1з, |
|||||||
10. |
Вюркуз. |
6, |
р. |
313 |
(1966). |
|
|
|
Р г е у |
А. Н., |
Нигпап аисШогу зуз1ет гезропзе 1о гпос1и1а1е(] |
||||||
|
е1ес1гошабпе11с |
епег^у, |
Арр1. РкузШ., |
17, р. 689 (1962). |
||||
И. Р г е у |
А. Н ., |
АисШогу зуз1еш гезропзе |
1о гасЬ'о Ггеяиепсу |
|||||
|
епег^у, Аегозрасе Мей., 32, р. 1140 (1961). |
Неаппб зепзаНопз |
||||||
12. 5 ош ш ег |
Н. С., |
V о п О 1 е г к е Н. Е ., |
||||||
13. |
1п е!ес1пс ПеМз, Аегозрасе Мей., 35, р. 834 (1964). |
|||||||
М и I Ь |
Е., |
Арреагапсе |
о! реагЬсЬаш ГогшаНоп о! рагИс1ез |
|||||
|
ш етиЫоп саизе<1 Ьу аНегпаИп^ Пе16з, Ко1Шй-2., 41, р. 97 |
|||||||
|
(1927). |
|
|
|
|
|
|
|
14. |
К г а $ п у-Е г § е п |
ЧУ., |
Ыоп1Ьегша1 еНес1з о! е1ес!пса1 озсП- |
|||||
|
1аНопз оп соИоЫз, Носк[геаиепг1еск. Е1еЫгоакиз1., 48, р. 126 |
|||||||
15. |
(1936). |
|
3 с Ь XVа п |
Н. Р., |
ТЬе Нте |
сопз1ап1з о! реаг1- |
||
5 а I 1 о М., |
||||||||
|
сЬат ГогтаИоп, ш В1о1о§1*са1 Е!1ес1з о! ЛИсгохуауе КасПаНоп, |
|||||||
|
№ ху Уогк, Р1епиш |
Ргезз, 1960, |
уо1. 1, рр. |
85—97; см. также |
||||
|
5аКо, М., ЗЬег Ь. Э., ЗсЬхуап Н. Р., КР Пе1(1 тс1исес1 !огсез |
|||||||
|
оп пп'сгозсоргс раг1!с1ез, |
О^ез! |
1п(егп. Соп?. Мес1. Е1ес., 1961, |
р.154.
16.3 Ь ег Ь. Э., МесЬатса1 Е1Гес1з о! АС Р1е1с15 оп Рагис1ез 01-
|
зрегзес1 |
т |
а |
Ычшс1: |
В1о1о^1са1 |
ГгпрПсаНопз, РЫ1ас1е1рЫа, |
||||||||
|
11п!У. о! Реппзу1уап1а, 1963 (РЬ. О. ТЬе51з, Е1ес1готе(Иса1 |
|||||||||||||
|
01у., Оер1. Е1ес1:. Еп§.). |
|
|
|
Пе1д оп ишсе!- |
|||||||||
17. ]Н е 1 I е г Л. Н., |
|
ТЬе еНесЕ о! е1ес1готабпеИс |
||||||||||||
|
1и1аг оегашзтз (Соп1. оп Е1ес. ТесЬ. |
ш МеЛ. ап<1В1о1.), |
1РЕ- |
|||||||||||
|
А1ЕЕ-15А, |
1959, |
у01. 7. |
|
|
|
|
|
|
|||||
18. |
5 с Ь ху а г 2 О., |
8 а 1 I о М., 3 с Ь XV а п |
Н. Р., |
Оп 1Ье опеп- |
||||||||||
|
1аИоп о! попзрЬепса! раг11с1ез ш |
ап |
аНегпаНпб е1ес!пса1 |
|||||||||||
19. |
Пе1Л, |
Скет. Ркуз., |
43, р. 3562 |
(1965). |
|
|
|
|
||||||
Н е 1 1 е г Л. Н., |
|
А пе\у рпуз1са1 те№оа о! сгеаИпб сЬготозо- |
||||||||||||
20. |
ша1 аЪеггаНопз, |
ЫаЫге, 183, рр. |
905—906 (1959). |
|
||||||||||
ЧУ 1 1 к 1 п з О. Л., |
Е11ес1 о? га<По-!геяиепсу ПеЫз оп 1Ье е!ес1- |
|||||||||||||
|
горЬогеИс гпоЬПйу оГ зоше соИоМз, ^. Скет. Ркуз., 39, рр. 3401 |
|||||||||||||
|
(1963). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 1 . 3 с кто ап |
Н. |
Р., |
ВюрЬузкз о! |
<Иа1Ьегту, |
1п |
ТЬегареиНс |
||||||||
|
Неа1 ап<1 СоМ (5. ЫсЫ, ес!.), ВаШшоге, Магу1апЛ, ЧУауег1у |
|||||||||||||
|
Ргезз, |
1963, |
рр. |
|
63—125. |
|
|
|
|
|
|
|||
22. |
5 с к ху а п Н. Р., |
Р 1 е г з о 1 О. М., |
ТЬе аЪзогрНоп оГ е1ес1- |
|||||||||||
|
гота&пеИс епег§у |
т |
ЪоЛу Иззиез, |
Ат. I . Ркуз. |
Мей., |
33, |
рр.371—404 (1954).
23\ |
5 с Ь \у а п |
Н. Р., |
Р 1 е г з о 1 О. М., |
ТЬе аЪзогрИоп оГ е1ес1- |
|||
|
гота^пеИс |
епег§у |
т ЪоЛу |
Иззиез, Ат. |
Ркуз. Мей., 34, |
||
|
рр. 425—448 |
(1955). |
|
|
|
||
24. |
Мо о г Р. В., |
АИсготоауе сИа1Ьегту, |
т |
ТЬегареиИс Неа1 апс! |
|||
|
СоЫ (8. ЫсЬ{, еЛ.), ВаШтоге, Магу1апЛ, ЧУауег1у Ргезз, 1965, |
||||||
25. |
рр. 310—320. |
Ь е Ь ш а п п |
Л. Р., |
Оп |
1Ье-йекегштаНоп о! |
||
О и у А. ЧУ., |
|||||||
|
ап орИшига ш!сго^ауе сИакЬегту Ггедиепсу 1ог а сИгес! соп!ас1 |