Розрахунок біологічних ефектів при дії електромагнітних хвиль

Всі біологічні тканини з точки зору їх магнітних властивостей є дуже слабкими, діа- чи пара- магнетиками [5]. Отже, їх практично дорівнює одиниці. Біологічні тканини можна розділити на дві групи. До першої групи належать тканини, що містять воду більше 80% (шкіра, кров, м’язи , органи, печінка, серце та ін.) Інші групи з малим вмістом води (жирові і кісткові тканини і деякі інші). Такий поділ обумовлено тим, що вода характеризується високою діелектричною проникністю і провідністю, що призводить до різних електричних властивостей.

Електричні властивості будь-якої речовини, включаючи біологічні тканини, на даній частоті можуть бути охарактеризовані однієї з декількох пар параметрів:

- Відносна діелектрична проникність ( ) і провідністю ( );
- Комплексна діелектрична проникність:

(1.2.3)

де - відповідно дійсна і уявна частини. Це величини наступним чином зв’язані з попередніми :

(1.2.4)

де - кругова частота електромагнітного поля;

- частота електромагнітного поля ;

- електрична константа;

- відносна діелектрична провідність і тангенс кута втрат ( ) :

(1.2.5)

Величина електричного поля всередині типу Е вн в загальному випадку залежить від електричних властивостей тканини і геометричної форми тіла:
(1.2.6)

де - модуль комплексної діелектричної проникності;

Е0 - зовнішнє електричне поле;

Кф - коефіцієнт, що залежить від форми та орiєнтацiї тіла, щодо векторів поля (для сфери Кф = 3).

Питома щільність потужності, поглинута в тканини в результаті протікання струму і коливань дипольних молекул, Рпогл, визначається формулою:
(1.2.7)
де Е - напруженість електричного поля в тканині,

- ефективна провідність середовища, обумовлена як струмами t провідності, так і діелектричними втратами. У найпростішому випадку - плоского шару, перпендикулярного Е полю, Кф = 1 і Евн залежить тільки від електричних властивостей тканини. Поле всередині тканини буде частково екрануватися завдяки поляризації пов'язаних і вільних зарядів речовини.

Для того щоб кількісно охарактеризувати ступінь зменшення поля всередині речовини зручно ввести параметр екранування (Кекр) : .
(1.2.8)

Поглинання енергії ЕМП повинно призводити до поступового зниження амплітуди електричного поля й потоку енергії в міру проникнення в тканину. Кількісно це можна охарактеризувати, ввівши параметр d - глибину проникнення, котрий визначається як відстань, на якому амплітуда електричного поля зменшується в е раз, а щільність потужності в разів. Для випадку падіння ЕМ хвилі на плоский шар тканини глибина проникнення може бути розрахована за формулою (1.2.6):
(1.2.9)

З аналізу отриманих даних випливає, що в міліметровому діапазоні Гц глибина проникнення електромагнітного поля складає 0,343 - 0,043 см для тканин з високим вмістом води і для тканин з низьким вмістом води 3,39 см. Посередником між зовнішнім середовищем і внутрішнім є ​​спеціалізовані клітини в організмі людини, які мають високу виборчу чутливістю до впливів певних агентів зовнішнього середовища - рецептори розташування на шкірній поверхні людини.

Таблиця 1.2.1 Основні біофізичні характеристики тканин на частоті 27 МГц

Біологічна тканина	Відносна діелектрична проникність	Питома електропровідність См/м	Об’ємна щільність ,кг/см
Мозок	135.234741	0.318581	1030.0
Скальп	31.914989	0.096692	1850.0
М’язи	93.852036	0.680334	1040.0

При тепловій інтенсивності УВЧ-випромінювання теплова енергія всіх молекул в області дії підвищується приблизно на 1% від кТ (до 3 ° С), але енергія окремого кванта радіовипромінювання частотою 40 МГц незначна, всього 0,00000016 еВ. Таким чином, тепловий вплив при УВЧ-опроміненні досягається поглинанням кожною молекулою багатьох тисяч квантів радіовипромінювання. Кількісною мірою енергії впливу фізичного
фактора на організм служить поглинена доза. Для електромагнітного випромінювання доза визначається добутком інтенсивності, або щільності потоку енергії, на опромінену площа і час експозиції фактора:

D = I * S * t,

де I -інтенсивність, вимірювана в Вт/ , S - площа, вимірювана в , t - час у секундах. Доза вимірюється в одиницях СІ - джоулях (Дж). При локальному впливі зручно користуватися не величиною інтенсивності, а просто потужністю випромінювання :

W = I * S, вимірюваної в ватах (Вт).

Розрахунок дози випромінювання проводиться відповідно до закону Бунзена, відповідно до якого ступінь поглинання енергії пропорційно добутку потужності випромінювання на час дії:

D = W * t.

При розташуванні хворого між електродами лінії поля в зв'язку з негомогенною структурою не йдуть рівномірно, вони викривляються і в середній зоні так, що найбільша напруженість поля є під електродами. У зв'язку з цим при відсутності або малих повітряних зазорах найбільше виділення тепла має місце на поверхні тіла і різко спадає з глибиною (рис. а). Для забезпечення більш рівномірного розподілу тепла між поверхневими і глибоко розташованими тканинами збільшують величину зазорів до декількох сантиметрів. При цьому, як уже зазначалося, найбільш неоднорідна частина поля близько електродів виявляється поза тілом і рівномірність впливу по глибині значно поліпшується (рис.б, в). Для того щоб при значних зазорах забезпечити достатньо ефективний нагрів тканин, апарат для

УВЧ-терапії повинен забезпечити можливість збільшення напруги на електродах, так як при збільшенні зазорів збільшується частка напруги, яка припадає на них.

Рис. Графіки розподілу температури в однорідному діелектрику (м'язова тканина) при впливі електричним полем УВЧ

Поиск по сайту: