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

ются 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