Дія електромагнітного поля на біооб’єкти. УВЧ-терапія, НВЧ-терапія, мікрохвильова резонансна терапія тощо

Зі спектра ЕМ хвилі радіочастотного діапазону відокремлюють дециметровий або ультрависокочастотний (УВЧ) діапазон (λ = 1…0,1 м, ν = 3·10⁸….3·10⁹ Гц), й сантиметровий або надвисокочастотний (НВЧ) діапазон (λ = 10^-1…10^-2 м, ν = 3·10⁹…3·10¹⁰ Гц), які мають найбільш виражений вплив на біологічні об’єкти.

Мірою інтенсивності І мікрохвильового випромінювання є модуль вектора Пойтинга або щільність потоку енергії випромінювання:

, (5)

де Е – напруженість електричного поля, Н – напруженість магнітного поля. Щільність потоку енергії вимірюється в Вт/м².

Іноді під час дослідження впливу випромінювання на речовину використовують питомі значення потужності, яка поглинається одиницею об’єму або одиницею маси речовини, яка поглинає, вимірюються відповідно в Вт/м³ або Вт/кг.

Дозою опромінення називається кількість енергії, яка поглинається одиницею маси об’єкта (Дж/кг).

Дозиметрія мікрохвильового опромінення є досить складною, так як жива тканина негомогенна, від межі розділу (наприклад, шкіра-жирова тканина, жирова тканина – м’язова тканина)відбувається відображення випромінення, що призводить до виникнення стоячих хвиль в середовищі.

ЕМ випромінення, особливо в НВЧ-діапазоні, підвищує температуру тканин на деяку величину Δ Т, причому Δ Т прямо пропорційна питомій потужності, яка поглинається, Р. Це дозволяє визначити потужність НВЧ-випромінення, яка поглинається, в залежності від нагрівання тканини:

, (6)

де Р – питома потужність, яка поглинається, ΔТ – зміна температури тканини, С – питома теплоємність речовини, t – час опромінення.

Енергії мікрохвильового випромінення (1,24·10^-6…1,21·10^-4 еВ) недостатньо для виникнення електронно-збуджених станів. Тому вплив мікрохвильового випромінення на живі організми викликає теплові та нетеплові ефекти.

Тепловий ефект ЕМ поля визначається його впливом як на іони, так і на нейтральні частинки. В першому випадку змінні поля викликають змінні струми провідності в тканинах, що супроводжується виділенням тепла Джоуля. В другому випадку електричне поле викликає поляризацію нейтральних молекул й виникнення струмів зсуву.

Коливання частинок в змінному полі супроводжується тертям, і як наслідок, виділення теплової енергії. Зі зменшення частоти зовнішнього поля відповідно зменшується частота коливань частинок й теплові втрати зменшуються. З іншого боку, під час збільшення частоти електрони (у випадку деформаційної поляризації) або молекули (у випадку орієнтаційної поляризації)не встигають змінювати своє розташування в просторі, що також зменшує теплові втрати. Тобто при деякому значення частоти коливань тепловий ефект буде максимальним (резонанс поглинання). Це спостерігається коли співпадають частоти зовнішнього поля з власною частотою коливання частинок. Наприклад, у випадку орієнтаційної поляризації молекул води максимум поглинання знаходиться на частоті 10¹⁰ Гц, тобто в ПВЧ-діапазоні. Орієнтаційна поляризація молекул води є основним внеском в поглинання ЕМ випромінювання живими організмами. Тому тканини, в яких міститься багато води (м’язи, кров) нагріваються сильніше у порівняні з тими тканинами в яких води мало (кісткова та жирова тканини).

Зміна енергії ЕМ поля в одиниці об’єму речовини за одиницю часу (питома потужність) складає:

, (7)

де σ – провідність, Е – напруженість електричного поля, ω – частота змінного електричного струму, ε – діелектрична проникність, tgδ – тангенс кута діелектричних втрат.

В гомогенному просторі потужність випромінення зменшується в залежності від відстані за експоненціальним законом. Якщо в деякій точці простору з координатою х = 0 середнє значення потужності випромінення складає Р₀, то в точці з координатою х воно складає:

, (8)

де α – коефіцієнт згасання.

Однією з важливих характеристик ЕМ випромінювання є глибина його проникнення в тканини, тобто відстань, на якій потужність падаючої енергії зменшується в е раз. Глибина проникнення зворотно пропорційна коефіцієнту згасання:

. (9)

Зі збільшенням частоти випромінення й діелектричної проникності тканини глибина проникнення зменшиться. Чим більший вміст води в тканинах, тим менше d. Глибина проникнення УВЧ-хвиль (v = 3·10⁸….3·10⁹ Гц) в м’язовій тканині й шкірі складає 4 см, а в жировій й кістковій тканинах – близько 20 см.

Нагрів тканин традиційними способами й нагрів, викликаний впливом ПВЧ-випромінювання, суттєво відрізняються. В першому випадку відбувається нагрів поверхневих шарів, й проникнення тепла в більш глибокі шари залежить від теплопровідності тканини, в той час як УВЧ- та НВЧ-опромінення викликають нагрів всього об’єму об’єкта, який опромінюється. Саме цей об’ємний тепловий ефект використовують в медицині.

Нагрів, викликаний УВЧ- та НВЧ-випроміненням, неоднорідний внаслідок неоднорідності самого організму. Найбільш чутливими органами є ті, які мають хорошу теплоізоляцію й/або недостатнє кровозабеспечення, наприклад, внутрішні органи, кришталик й скловидне тіло ока.

Пухлини погано забезпечуються кров’ю, що зменшую розсіювання тепла. Тому при НВЧ-опромінюванні пухлина нагрівається сильніше, ніж здорові тканини. На цьому основується лікування онкологічних захворювань НВЧ-прогріванням.

В останній час виявлений вплив на організм випромінення малої інтенсивності, який не призводить до суттєвого підвищення температури тканин. Наприклад, зміна проникності мембран еритроцитів спостерігалось при інтенсивності опромінення 10^-1 Вт/м², тобто в умовах які виключають значний нагрів тканин.

Дата добавления: 2014-01-07