Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Основы взаимодействия физических полей с биологическими объектами. Воздействие ионизирующего и оптического излучения

.pdf
Скачиваний:
5
Добавлен:
12.11.2023
Размер:
9.63 Mб
Скачать

Л.В. Жорина, Г.Н. Змиевской

Основы

взаимодействия физических полей с биологическими объектами

Воздействие ионизирующего и оптического излучения

Под редакцией доктора технических наук, профессора С.И. Щукина

Рекомендовано УМО по образованию в области радиотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации

в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся

по направлению подготовки дипломированных специалистов «Биомедицинская техника» и направлению подготовки бакалавров и магистров «Биомедицинская инженерия»

Москва Издательство М ГТУ имени Н.Э. Баумана

2006

Биомедицинская инженерия в техническом университете

Биомедицинская инженерия в техническом университете

Серия основана в 2005 году

РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ:

чл.-кор. РАН И.Б. Федоров - главный редактор д-р техн. наук С.И. Щукин - зам. главного редактора д-р техн. наук И.Н. Спиридонов д-р мед. наук О.В. Рутковский

д-р техн. наук В.Б. Парашин д-р техн. наук О.С. Нарайкин

Москва Издательство МГТУ имени Н.Э. Баумана

2006

УДК 577.3(075.8) ББК 28.071

Ж812

Рецензенты:

д-р физ.-мат. наук, проф. Э.М. Трухан (зав. кафедрой биофизики и экологии Московского

физико-технического института); д-р физ.-мат. наук, проф. Х.Б. Хоконов

(зав. кафедрой физики твердого тела Кабардино-Балкарского государственного университета);

д-р физ.-мат. наук, проф. М.И. Киселев (зав. кафедрой «Метрология и взаимозаменяемость»

МГТУ им. Н.Э. Баумана)

Ж орина Л.В., Змиевской Г.Н.

Ж812 Основы взаимодействия физических полей с биологически­ ми объектами: Воздействие ионизирующего и оптического излучения: Учеб, пособие / Под ред. С.И. Щукина. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. - 240 с.: ил. (Биомедицинская инженерия в техническом университете).

ISBN 5-7038-2764-7

Рассмотрены механизмы взаимодействия излучений ионизирующего и оптического диапазонов с биологическими структурами на различных уровнях организации применительно к задачам медицинской диагностики, терапии и хирургии. Описаны принципы построения источников излуче­ ния и средств измерения доз воздействия на биологические объекты.

Содержание учебного пособия соответствует курсу лекций, который авто­ ры читают в МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Для студентов технических университетов, обучающихся по направ­ лению подготовки специалистов «Биомедицинская техника», бакалавров и магистров, обучающихся по направлению «Биомедицинская инженерия», а также для студентов высших медицинских учебных заведений и медико­ биологических факультетов университетов.

 

УДК 577.3(075.8)

 

ББК 28.071

 

© Л.В. Жорина, Г.Н. Змиевской, 2006

 

© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006

ISBN 5-7038-2764-7

© Оформление. Издательство МГТУ

им. Н.Э. Баумана, 2006

ПРЕДИСЛОВИЕ

Изучение дисциплины «Основы взаимодействия физических полей с биологическими объектами» характеризуется разнообразием факторов, влияющих на биообъекты, механизмов их взаимодействия с биоструктура­ ми, а также источников и средств измерения параметров воздействия, по­ этому основной методической проблемой является классификация большо­ го объема изучаемого материала.

Учебное пособие «Основы взаимодействия физических полей с био­ логическими объектами» написано на основе общепринятой классифика­ ции электромагнитных полей по длинам волн (или эквивалентной энер­ гии квантов излучения).

Пособие и его главы имеют единую структуру. Основному изложе­ нию предшествует вводная часть, представляющая собой обзор вопросов, рассмотренных в последующих главах более обстоятельно. Главы по­ строены по традиционной схеме: классификация взаимодействий, их первичные физические механизмы, системная иерархия, краткое описа­ ние рассмотренных взаимодействий применительно к диагностике, тера­ пии и хирургии.

Учебное пособие в целом посвящено воздействию на биологические объекты ионизирующего и оптического излучения; радиочастотного излу­ чения КВЧ-, СВЧ- и ВЧ-диапазонов и низкочастотных электромагнитных полей.

Специфика материала предполагает участие различных по составу авторских коллективов.

В этой книге подробно изложены вопросы дозиметрии излучений. Менее детально описаны технические средства генерации воздействий и измерения их параметров, так как они являются объектом изучения в курсах «Технические методы диагностических исследований и лечебных воздействий», «Медицинские приборы, аппараты, системы и комплексы» и др.

Выпускаемое учебное пособие по основам взаимодействия физичес­ ких полей с биологическими объектами предназначено для студентов, аспирантов и преподавателей технических университетов, высших меди­ цинских учебных заведений и медико-биологических факультетов в уни­ верситетах.

Редсовет выражает благодарность доктору технических наук, про­ фессору И.Н. Спиридонову за значительный вклад в подготовку пособия

к изданию.

 

Доктор технических наук, профессор

С.И. Щукин

 

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

v

- частота

Е

- веюгор напряженности электрического поля

Н

- вектор напряженности магнитного поля

£

- диэлектрическая проницаемость

£0

- электрическая постоянная

р

- магнитная проницаемость, коэффициент экстинкции,

 

коэффициент затухания звука

РО

~ магнитная постоянная

t- время

х, у , z - декартовы координаты

г- радиус-вектор

со

- циклическая частота, содержание воды в ткани

к- волновой вектор

X - длина волны

с- скорость света в вакууме, скорость звука

V - фазовая скорость, скорость фотосинтеза, скорость колебания F - сила

е- заряд электрона

В- вектор магнитной индукции

1- интенсивность, средний потенциал ионизации

£- энергия

Р - степень поляризации

h- постоянная Планка

р- импульс, давление

Аых ~ Работа выхода электрона из металла

т- масса

те - масса электрона

ХК - длина волны Комптона

у- волновая функция

W - вероятность нахождения частицы

^пот

~ потенциальная энергия

- полный квантово-механический гамильтониан

Рпт

~ интеграл переходного момента

- оператор электрического дипольного момента

Ф- электронная часть волновой функции, плотность потока

6

X- ядерная часть волновой функции, линейный коэффициент эффекта образования пар

S- спиновая часть волновой функции, вектор волновых колебаний, площадь поверхности, сечение образца

р- плотность

L - уровень звука

U- напряжение

Ф- поток

J - сила тока

Z - порядковый номер вещества

Dn - поглощенная доза (доза облучения ИИ)

£>о6 - доза облучения в оптическом диапазоне

Dl10 - поглощенная доза образцового облучения

D - фотодинамическая доза

X - экспозиционная доза q - заряд

Q- коэффициент качества ИИ

Э- эквивалентная доза

г)

- квантовый выход (квантовая эффективность), вязкость среды

т- время протекания процесса, время жизни молекулы в данном состоянии, время жизни флуоресценции, время термической релаксации, время теплопотерь

-энергия ионизации 0 - угол рассеяния

-линейный коэффициент ослабления потока излучения средой

рког

- линейный коэффициент когерентного рассеяния

Тф/Э

- линейный коэффициент фотоэффекта

а- линейный коэффициент комптоновского взаимодействия,

 

площадь сечения мишени, сечение поглощения молекулы

 

- массовый коэффициент ослабления потока излучения средой

Ng

- число событий с передачей энергии £;

Щп)

- вероятность п попаданий в мишень

V

- объем

N

- число объектов, число квантов (фотонов)

^- среднее число попаданий в мишень

<М> ~ среднее число частиц, пролетающих через единичную площадку

7

y(Dn) - выход повреждений биообъекта под действием ИИ z - событие энергопоглощения

с- концентрация вещества

т*

- коэффициент пропускания

D- оптическая плотность

к- коэффициент поглощения

-молярный коэффициент поглощения

а п

- натуральный показатель поглощения

- характерная глубина проникновения

р*

- коэффициент отражения

т

- натуральный показатель рассеяния

*

 

S- показатель степени в зависимости интенсивности рассеяния от длины волны падаюшего излучения

п- концентрация

KXViM

- константа химической реакции

 

- мощность излучения лазера

Т£

- время воздействия лазерного излучения на биоткань

^тах

“ коэффициент экстинкции в максимуме полосы поглощения

AVJ/2

- ширина полосы частот на половине высоты

£з, g)

- факторы вырождения триплетного и синглетного состояния

 

молекулы соответственно

г

- степень анизотропии флуоресценции, радиус зрачка

kL

- константы скоростей перехода с уровня на уровень

уик

- квантовый выход интерконверсии

NK

- скорость приращения количества кислорода

£ф

- константа скорости ферментативной реакции

Сф

- концентрация фермента

Км

- константа Михаэлиса

td

- среднее время превращения одной молекулы субстрата

Кх(X)

- кривая видности (спектральная световая эффективность)

Фе

- светотехнический поток

У(Х)

- относительная кривая видности

^шах

-значение Кх(Х) в максимуме зрительного ощущения

L

- яркость

8

а ф - коэффициент пересчета световых величин в энергетические (рДЯ,) - спектральная плотность потока ос_Б - постоянная Стефана - Больцмана

Т- температура

Rэ - интегральная плотность мощности (энергетическая светимость), интегральная испускательная способность

Фсол„ - солнечная постоянная

60- угловое расстояние

/- фокусное расстояние глаза

М- молекулярная масса

rx, rv

- испускательная способность

av

- поглощательная способность

£- спектральный коэффициент излучения (коэффициент серости)

rx, rl

- испускательная способность абсолютно черного тела

UX,U V- средняя спектральная плотность энергии излучения

Р„

- поглощенная мощность

Лол

- излученная мощность

р

- момент электрического диполя

- постоянная Больцмана

Amn *Втп “ вероятность перехода между уровнями пит

b

- постоянная Вина

Q

- телесный угол

q(rf t)

- плотность потока энергии источника тепла

L \r9/)

- общая плотность потока энергии облучения

Q

- теплота

С

- удельная теплоемкость

d

- глубина прогрева ткани

£фс

- концентрация фотосенсибилизатора

с*

~ тепловой контраст

К- адиабатический объемный модуль упругости среды

Р - коэффициент проникновения звуковой волны из среды в среду спр, си - скорости приемника и источника волн

с0

- скорость объекта

vr

-

частота генератора

vnp

-

частота приемника

9

 

-

доплеровский сдвиг частоты

рп

- коэффициент затухания звука в результате поглощения

Ирасс

- коэффициент затухания звука в результате рассеяния

Х£

- удельная тепловая энергия разрушения ткани

/*

- частота повторения импульсов

in vitro - образцы, изолированные от организма

in situ

-

в живом организме