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 Мгцразмеры 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 постоян­ноготока:

Р = i²ρ вт\см³

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:

Q_E=2*10^-20* ρ_ср*f²*E² кал/мин

Q_H=2*10^-16 ρ_ср*f²*H² кал/мин

(ρ_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 λ 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 см²поверхности 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.