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

СВЧ-ЭНЕРГЕТИКА

Под редакцией

Э. ОКРЕССА

ТОМ 3

ПРИМЕНЕНИЕ ЭНЕРГИИ

СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ

ВМЕДИЦИНЕ, НАУКЕ

ИТЕХНИКЕ

Перевод с английского

В. Г, ЛЛЫВИНЛ. Л. А. МУЗЕУС » 3 . Я. ПАСТРОНА

Под редакцией Э. Д. Ш Л И Ф Е Р А

ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР»

МОСКВА 1971

Рассмотрены взаимодействие СВЧ-колебаний с био­ логическими субстанциями, в частности с тканями ор­ ганизма, и вопросы СВЧ-терапии и диагностики. Описа­ ны наряду с применениями в военной технике при­ менения СВЧ-энергии в ядерной физике, в области синтеза веществ и ускорения химических реакций,

врешении проблем управления термоядерной реакцией

исоздания устройств непосредственного преобразова­ ния СВЧ-энергии в механическую энергию.

Редакция литературы

Инд. 3-3-12

СВЧ-ЭИЕРГЕТИКА

ТОМ 3

Редактор Я . В. Серёгина

Художественный редактор В. М. Варлаишн

Технический редактор Ф. X. Третьякова, Г. Б. Алюлина

Сдано в набор 27/У 1971 г. Подписано к печати 13/1Х 1971 г.

Бум. ки. жури. 84ХЮ8,/м*3.88 бум. 13,02 уел. печ. л..

Уч.мнзд. л. 11,97. Изд. .А® 20/6245. Цена 1 р. 50 к. Зак. 677.

ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР» Москва, 1-й Рижский пер., 2

Московская типография № 11 Главлолнграфпрома Комитета по печати при Совете Министров СССР, Москва, 88, Угрешская. 12.

Глава 5

ПРИМЕНЕНИЯ

5.2. СВЧ-БИОФИЗИКА

5.2.1. ВВЕДЕНИЕ Ш в а н

За последние два десятилетия появилось множество различных применении техники СВЧ в медицине и био­ логии. Все эти применения можно классифицировать следующим образом:

А. Проблемы СВЧ-медицины. 1. СВЧ-диатермия. Энергию СВЧ эффективно используют для лечения не­ которых заболеваний проникающим теплом.

2.Опасность излучения радиолокационных систем. По результатам обширных исследований разработаны пре­ дельно допустимые уровни облучения для обслуживаю­ щего персонала.

3.Применение в диагностике. Применение энергии СВЧ в диагностических целях пока еще исследовано не­ достаточно. Однако эффект затухания СВЧ-энергии в ор­

ганизме человека использовали для выявления некото­ рых физиологических характеристик организма.

Б. Проблемы СВЧ-биологии. 1. Электрические свой­ ства. Определяемые на сверхвысоких частотах электри­ ческие свойства биологически важных соединений связа­ ны с некоторыми общими характеристиками биологиче­ ских систем, такими, как содержание воды, макромоле^ кул, липидов ит. п. Таким образом, по измерениям ди­ электрической проницаемости и проводимости на СВЧ часто молено определять некоторые свойства тканей. Зна­ ние электрических свойств тканей является обязательной предпосылкой для решения многих задач медицины, и п частности тех. которые сформулированы в п. Л. Кром^

того, важно понимать, как эти свойства связаны со струк­ турой и функциями исследуемой биологической системы.

2. СВЧ-методы исследования «связанной» воды. Ди­ электрические проницаемости суспензий, содержащих макромолекулы, на СВЧ зависят от состояния воды, свя­ занной с поверхностью макромолекулярных структур в растворе. СВЧ-мётоды исследования связанной воды спо­ собствуют изучению структуры нормальной и связанной воды и лучшему пониманию взаимодействия макромоле­ кулярных компонентов, таких, как ферменты и белки, с окружающей их средой.

На сегодняшний день опубликовано много экспери­ ментальных данных по диэлектрической проницаемости и проводимости. Они характеризуют поведение тканей и суспензий, содержащих клетки и макромолекулы, во всем СВЧ-диапазоне. При этом оказывается возможным также связать эти параметры со структурой и составом биологических систем. Таким образом, в настоящее вре­ мя в большинстве случаев известны биофизические пара­ метры, которые управляют основными процессами взаимо­ действия и поглощения сверхвысоких частот в тканях. Знание этих параметров — необходимое условие для пол­ ного понимания биологического воздействия СВЧ и, кроме того, может оказаться полезным для разработки некоторых диагностических методов.

И все же полная цепочка явлений, которые опреде­ ляют положительный эффект СВЧ-терапии, пока остается неясной. Представляется вероятным, что терапевтиче­ ское действие обусловлено в первую очередь физиологиче­ скими процессами, стимулируемыми тепловой энергией СВЧ. Однако подробная картина изменений в кровоснаб­ жении и процессах метаболизма, вызываемых СВЧ-облу- ^ением, далеко не ясна. Поэтому об эффективности СВЧдиатермии в основном все еще судят на основании кли­ нического опыта. Относительно вредного действия СВЧ и источников опасности такого облучения наши знания более обширны. Многочисленные экспериментальные и теоретические работы в данной области хорошо дополняют друг друга, в результате чего оказалось возможным сфор­ мулировать предельно допустимые нормы СВЧ-облуче- ния.

5.2.2. РАДИАЦИОННАЯ БИОЛОГИЯ,

ПРИМЕНЕНИЯ В МЕДИЦИНЕ И ОПАСНОСТИ, СВЯЗАННЫЕ С ОБЛУЧЕНИЕМ

Шв а н

1.Электрические свойства тканей

на СВЧ

Для полного понимания процессов взаимодействия электромагнитного излучения с тканями тела человека надо знать электрические свойства этих тканей. Если такие свойства известны, то легко определить коэффи­ циенты поглощения, коэффициенты отражения на гра­ ницах между различными тканями, величину нагрева тканей, суммарное количество энергии, поглощаемой телом, и характеристики рассеяния.

электрической проницаемости е и удельного сопротив­ ления р, выраженного в единицах ом-см, для различных тканей. На основании этих данных можно сделать сле­ дующие выводы:

1. По своим электрическим свойствам все ткани можно разделить на две большие группы:

а. Ткани, обладающие в диапазоне от 100 до 1000 Мгц диэлектрической проницаемостью 50—70 и удельным сопротивлением около-100 ом •см. Сюда относится мышеч­ ная ткань и ткани таких органов, как печень, почки и сердце. Эти ткани содержат большое количество воды (около 70%), а на долю макромолекул приходится около

25вес. %.

б.Ткани с меньшим содержанием воды имеют значи­ тельно меньшие диэлектрические проницаемости и более высокие удельные сопротивления. Сюда относятся жиро­ вая ткань, костная ткань и желтый костный мозг.

2.Диэлектрическая проницаемость и удельное со­ противление постепенно уменьшаются с ростом частоты от 100 до 1000 М гц. При дальнейшем повышении частоты

спад происходит более быстро [1, 2].

В настоящее время имеется сравнительно полное по­ нимание этих зависимостей. Электрические свойства на СВЧ не зависят от биологической структуры, в образо­ вании которой участвуют клетки и клеточные мембра­ ны [1, 2]. Клеточные мембраны имеют очень малую тол­

щину и поэтому оказывают небольшое влияние на состав клетки. Вследствие этого емкость мембраны велика и со­ ставляет около 1 мкф/см2, а ее реактивное сопротивление на частотах выше 100 Мгц настолько мало, что величина тока не зависит от наличия или отсутствия этих мембран.- Таким образом, для наших целей можно считать, что биологическая ткань состоит просто из электролитов, содержащих макромолекулярные компоненты и липиды. Формулы, выведенные для таких электролитов, позво­ ляют удовлетворительно объяснить результаты измере­ ний [2]. Резкое уменьшение удельного сопротивления с частотой, особенно на частотах выше 1000 Мгц, и более слабое уменьшение диэлектрической проницаемости от­ ражают аналогичное поведение воды. Подробный анализ этого вопроса читатель найдет в работе [2].

II. Распространение электромагнитной волны в тканях

А. Коэффициент поглощения. Коэффициент погло­ щения по определению равен действительной части ком­ плексной постоянной распространения

где у определяется выражением

Здесь е * — комплексная диэлектрическая проницаемость

и X — длина волны излучения в вакууме. Коэффициент поглощения обратно пропорционален глубине проник­ новения Б

В свою очередь величина!) равна расстоянию, на кото* ром поток лучистой энергии уменьшается в е = 2,7 раза. Данные, приведенные на фиг. 1, показывают, что излуче­ ние на частоте, значительно превышающей 3000 Мгц,