Воздействие микроволнового излучения на многослойные биологические ткани (стр. 2 )

В биологических тканях можно полагать, что они имеют следующие значения действительной и мнимой части абсолютной магнитной проницаемости: . В этом случае третье слагаемое в (1.6) равно нулю.

С макроскопической точки зрения выделение тепла в среде за счет токов проводимости и поляризации неотличимо друг от друга. Математически этот факт можно выразить, записав относительную диэлектрическую проницаемость среды с учетом ее проводимости в виде [6, 7]:

, (1.7)

где:

. (1.8)

. (1.9)

Здесь: - действительная и мнимая части относительной диэлектрической проницаемости с учетом проводимости биологической среды.

С учетом (1.9) выражение (1.6) приобретает вид:

(1.10)

или

, (1.11)

где: f - частота колебаний электромагнитного поля в Гц;

- напряженность электромагнитного поля в В/м;

- удельная мощность тепловых потерь в .

Из уравнения (1.11) следует, что чем выше частота электромагнитного поля, тем больше удельная мощность тепловых потерь. У многих диэлектрических материалов максимум величины приходится на диапазон сверхвысоких частот.

Сверхвысокочастотные установки для промышленных и научных применений работают в определенных выделенных диапазонах частот, установленных международными соглашениями [1]. Эти соглашения были достигнуты на международной конференции по радио и телевидению и отражены в актах Чрезвычайной административной конференции по установлению частотных диапазонов для космической связи.

В России для медицины и биологии материалов наиболее часто используются электромагнитные колебания на частотах 915 МГц и 2450 МГц.

При выборе длины волны источника СВЧ энергии надо учитывать то обстоятельство, что с увеличением частоты уменьшается глубина проникновения электромагнитной волны в диэлектрик с потерями [6, 7].

Величина мнимой части относительной диэлектрической проницаемости среды зависит не только от частоты колебаний электромагнитного поля, но и от влажности и температуры [1, 6].

Величина мощности бегущей волны, которая распространяется в диэлектрическом материале с потерями (вдоль оси “z”) описывается выражением [1]:

, (1.12)

где: - мощность электромагнитного поля, вошедшая в диэлектрический материал;

- мощность электромагнитного поля на расстоянии “z” от поверхности материала;

- величина постоянной затухания, которая определяется соотношением [1]:

(1.13)

где: - длина волны в свободном пространстве;

Глубина проникновения электромагнитной волны, т. е. расстояние от поверхности материала, на котором мощность электромагнитного поля уменьшается в “е” раз определяется соотношением [1, 6]:

. (1.14)

Структура организма человека является многослойной и от каждого слоя происходит отражение микроволновой энергии.

Пусть величина СВЧ – мощности распространяется по среде, которая характеризуется действительной частью относительной диэлектрической проницаемости (величина волнового сопротивления ) и входит в другую среду, являющейся нагрузкой, которая характеризуется (величина волнового сопротивления ).

В этом случае коэффициент отражения Г может быть рассчитан по формуле:

. (1.15)

Если предположить, что в биологической среде , то:

. (1.16)

Тогда величина отраженной мощности на границе двух сред определяется соотношением:

. (1.17)

1.6 Механизм взаимодействие микроволнового излучения

с биологическими объектами на атомно-молекулярном уровне

Если изменить кинетику биохимических реакций под воздействием электромагнитного поля сверхвысоких частот, то мы получим ярко выраженные эффекты воздействия поля на биологические объекты.

Для изменения кинетики реакций нужно либо создать некоторый температурный градиент, либо перевести некоторые ионы из потенциальных ям (активация молекул и как следствие изменение кинетики) на другие энергетические уровни, что приводит к конформационным изменениям (повороту дипольных молекул).

Энергию, выделяемую в единице объема биологического объекта, облучаемого электромагнитным полем, можно вычислить с помощью выражения (1.11).

Количество тепла , выделяемое в биологической среде на площади (примерная площадь поверхности клетки) при воздействии поля, можно оценить с помощью эмпирического выражения [8]:

, (1.18)

где: - количество выделяемого в биологическом объекте тепла, ;

- удельная проводимость биологического объекта, ;

- частота электромагнитного поля, ;

- напряженность электрического поля, ;

- время, .

Это тепло идет на изменение температуры биологического объекта:

, (1.19)

где: количество тепла, выделяемое в биологическом объекте, ;

- масса биологического объекта, ;

- удельная теплоемкость биологического объекта, ;

- изменение температуры, .

С учетом выражений (1.18) и (1.19) можно определить напряженность поля и удельную мощность излучения , приводящие к нагреву биологического объекта за время на величину:

. (1.20)

, (1.21)

где: - волновое сопротивление свободного пространства, .

Для биологической клетки справедливы следующие параметры:

- площадь поверхности клетки;

- масса клетки;

- удельная теплоемкость биологического объекта;

- удельная проводимость биологического объекта на сверхвысоких частотах.

Если такая клетка будет помещена, например, в электромагнитное поле частотой 3000 МГц, то за время она нагревается на при удельной мощности поля .

Примерно такой уровень высокочастотного электромагнитного поля можно считать граничным для теплового и нетеплового воздействия на биологическую клетку.

При более низких, нетепловых уровнях энергии электромагнитного поля, возможно его влияние на конформационные изменения молекул, что, в свою очередь, может привести к изменению кинетики биохимических реакций в биологических объектах. Эти изменения имеют смысл применительно к длинным белковым молекулам или различным цепочкам комплексных соединений молекул. Под воздействием электрической составляющей электромагнитного поля может произойти деформация таких молекул. Можно ожидать, что при воздействии электромагнитных излучений с частотой, близкой к собственной частоте вращения или колебаний какой-либо дипольной группы, произойдет избирательный нагрев именно этой группы молекул. Если такая группа молекул находится, например, в активном центре фермента, то даже небольшая ее раскачка может сильно повлиять на структуру активного центра. Подобное резонансное воздействие имеет место, если, являясь единственным в активном центре, резонирующая группа имеет большой дипольный момент.

Глава 2 СОВРЕМЕННЫЕ МИКРОВОЛНОВЫЕ МЕТОДЫ В МЕДИЦИНЕ И ДИАГНОСТИКЕ

2.1 Применение микроволновой радиометрии в медицине

Основными сферами практического применения микроволновой радиометрии в настоящее время представляются диагностика злокачественных опухолей различных органов: молочной железы, мозга, легких; метастазов, а также функционального состояния коры головного мозга. При этом используют так называемые функциональные пробы: воздействия, вызывающие известный отклик организма. В этом качестве применяется, например, глюкозная проба – пациент принимает несколько граммов раствора глюкозы, после чего начинают измерения внутренней температуры антеннами, установленными в нескольких точках на поверхности тела около исследуемого органа. Если есть злокачественные опухоли или метастазы, то после глюкозной пробы видно увеличение глубинной температуры тела в этих областях.

Возможный биофизический механизм повышения температуры связан с тем, что глюкоза активно усваивается клетками. Эффективность преобразования глюкозы в АТФ в раковых клетках значительно ниже, чем у здоровых. Из одной молекулы глюкозы в раковых клетках синтезируется - 2 молекулы АТФ, а в здоровых клетках – 38. Поэтому, раковым клеткам необходимо переработать гораздо большее количество глюкозы. Поскольку коэффициент полезного действия этого процесса не превышает 50%, раковые клетки сильно разогреваются. Этот разогрев в силу физиологических механизмов индуцирует повышение температуры и близлежащих нормальных тканей. Суммарный подъем температуры регистрируется СВЧ – радиометром.

Механизм действия микроволнового излучения на организм складывается из двух процессов: первичного (непосредственного влияния СВЧ – волн на ткани организма) и вторичного – возникающего в ответ на него нейрорефлекторных и нейрогуморальных реакций целостного организма.

Первичное влияние микроволновой энергии проявляется в зоне локального воздействия и состоит из теплового и нетеплового воздействия. Тепловое воздействие происходит за счет нагрева тканей в результате трения, возникающего при движении свободных ионов электролитов тканей и колебаний дипольных молекул вокруг своей оси в процессе ориентировки их по направлению силовых линий электромагнитного поля, а также за счет выделения тепла молекулами воды при поглощении ими микроволновой энергии. Частота колебаний поля молекул воды совпадает с частотой СВЧ - колебаний, поэтому наибольшее образование тепла происходит в тканях, содержащих значительное количество воды, - в крови, лимфе, мышцах. Нетепловое воздействие микроволн заключается в различных внутримолекулярных физико-химических и электрохимических изменениях и в структурных перестройках, возникающих под влиянием энергии микроволн в сложных биоколлоидных системах (изменение осмотического давления, проницаемости клеточных мембран, коллоидного состояния цитоплазмы и межклеточной жидкости, ориентирование элементов крови в направлении силовых линий электромагнитного поля, резонансное поглощение энергии колебаний отдельными макромолекулами и др.) Соотношение теплового и нетеплового воздействия микроволнового излучения на биологические ткани определяется дозировкой воздействия – при малой мощности преобладает нетепловой, а при большой мощности - тепловой компонент.

Вторичный процесс воздействия микроволнового излучения состоит из непосредственного влияния поглощенной энергии на рецепторы тканей.

2.2 Аппарат для микроволновой терапии “Луч-4”

Аппарат для микроволновой терапии “Луч-4” предназначен для действия с лечебной целью на ткани тела человека. Частота сверхвысокочастотного электромагнитного поля 2450 МГц. Общий вид аппарата “Луч - 4” показан на рис. 2.1.

Рисунок 2.1. Общий вид аппарата микроволновой терапии: “Луч - 4”

Величина мощности аппарата регулируется десятью степенями в диапазоне от 0 до 5 Вт и плавно от 0 до 20 Вт.

Аппарат имеет устройства, которые обеспечивают:

- автоматическое включение в режиме сбрасывания мощности при подключении к сети;

- включение выходной мощности только при выведенном в крайнее левое положение регулятора мощности;

- автоматический сброс мощности после окончания времени процедуры с подачей звукового сигнала и световой сигнализации.

Все органы управления расположены на горизонтальной панели. Кнопки имеют подсветку. В комплект аппарата входят 6 видов излучателей, в том числе ректальный, вагинальный, ушной.

Луч - 4 используют для реализации микроволновой терапии в условиях физиотерапевтических кабинетов лечебных учреждений.

Область применения аппарата микроволновой терапии “Луч-4”:

- для лечения центральной и периферийной нервной системы;

- для лечения гнойно-воспалительных заболеваний различной этиологии с помощью наружных излучателей, диаметрами: 20мм, 35мм, 110мм;

- для лечения различных заболеваний в области отоларингологии, урологии и гинекологии с использованием трех внутриполостных излучателей: ректального, вагинального и ушного.

Аппарат Луч-4 создает направленный поток микроволновой энергии, которая локализуется только в пораженном участке тела пациента. Благодаря этому возникает возможность осуществлять щадящее воздействие малой мощностью, не затрагивая окружающие здоровые ткани, что особенно важно в педиатрии.

При использовании аппарата "Луч-4" основное выделение тепла происходит в мышечных тканях, а не в жировых, как это происходит при УВЧ-терапии. Поэтому при лечении данным аппаратом сроки течения заболевания сокращаются в 2 - 2,5 раза по сравнению с применением медикаментозных средств или других физиологических методов лечения. В таблице 2.1 представлены основные технические характеристики аппарата.

Таблица 2.1. Основные технические характеристики аппарата «Луч-4»

1	Количество микроволновых излучателей, шт.	6
2	Частота электромагнитного поля, МГц	2450
3	Диапазоны регулировки выходной мощности: 1. Ступенчатый диапазон (10 ступеней), Вт 2. Плавный диапазон, Вт	0…….5 0……20
4	Потребляемая мощность, ВА	170
5	Габаритные размеры, мм	400х360х160
6	Масса, кг	12,5

2.3  Аппарат для микроволновой терапии “Луч-11”

Общий вид аппарата “Луч-11” показан на рис. 2.2

Рисунок 2.2 - Общий вид аппарата для микроволновой терапии “Луч - 11”

Аппарат представляет собой магнетронный генератор сантиметрового диапазона 2,45 ГГц (12,24 см) предназначенный для воздействия с лечебными целями на пациентов энергией электромагнитного излучения.

Медико-физиологический принцип лечения основан на способности микроволнового излучения стимулировать функцию центральной нервной системы, расширять кровеносные сосуды микроциркулярного русла, увеличивать кровообращение и уменьшать гипоксию тканей и органов, изменять иммунологическую реактивность организма.

Глубина проникновения сантиметровых волн в среднем в биологические ткани составляет 3…5 см.

Сантиметровые волны малой интенсивности стимулируют эндокринную систему (кору надпочечников, щитовидную и поджелудочную железы).

За счет увеличения скорости кровотока, количество функциональных капилляров и расширения мелких сосудов сантиметровые волны усиливают регионарную гемо - и лимфодинамику (тепловой эффект).

Микроволны оказывают, кроме того, противовоспалительное рассасывающее действие, снижают тонус гладкой мускулатуры бронхов, поперечнополосатых мышц конечностей.

Показания:

1). Острые и хронические воспалительные заболевания периферической нервной системы (невралгия, невропатия, нефрит);

2).Дегенеративно–дистрофические заболевания суставов и позвоночника в стадии обострения (остеохондроз, артроз, деформирующий спондилез, плексит, миозит, бурсит, периартрит, эпикондилит, разрыв связок);

3). Гнойничковые заболевания кожи (фурункул, карбункул, гидраденит, мастит);

4). Хронические неспецифические заболевания легких (бронхиты, пневмония, синуситы);

5). Воспалительные заболевания женских половых органов, мочевыводящих путей, предстательной железы;

6). Воспалительные и дистрофические заболевания различных отделов глаза, полостей носа, слизистой полости рта.

В комплект поставки входят:

Излучатель облегающий, излучатель прямоугольный 205 х 95 мм, излучатели цилиндрические с диаметрами 90, 110, 140 мм, очки защитные ОРЗ-5 или щиток защитный лицевой НС5-Р, запасные части.

Основные технические характеристики прибора:

Напряжение питания, В ……………………………………………. 220

Рабочая частота, ГГц ………………………………………………..2,45

Максимальная выходная мощность, Вт ………………………….. 173

Минимальная выходная мощность, Вт ………………………………8

Регулировка мощности ……………………………………ступенчатая

Число ступеней ……………………………………………….…..…....7

Коэффициент стоячей волны (КСВ) излучателей при работе

на воздух …………………………………………………….не более 2,5

Мощность потребляемая из сети, ВА …………………..не более 800

Габаритные размеры, мм ……………………….не более 550х250х530

Масса аппарата без комплекта, кг ……………..………...не более 25

Глава 3 СВЧ - УСТАНОВКА ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА МНОГОСЛОЙНЫЕ БИОЛОГИЧЕСКИЕ ТКАНИ

3.1 Микроволновая установка для проведения экспериментальных исследований по нагреву биологических тканей

В настоящее время наблюдается повышенный интерес к использованию гипертермии для лечения раковых заболеваний. Известно, что раковые клетки более чувствительны к тепловому воздействию по сравнению с нормальными клетками.

В работе [1] показано, что для уничтожения раковых клеток при повышении температуры на каждый градус свыше 42,5С их количество уменьшается примерно в два раза, а при температуре выше 46С раковые клетки полностью уничтожаются, при этом время воздействия температуры составляет несколько минут. Если быстро нагреть опухоль до температуры 50С и точно локализовать эту температуру непосредственно в опухоли, то раковые клетки быстро погибают, а здоровые ткани, окружающие опухоль, практически не повреждаются.

Разработаны методы расчета распределения температуры в биологических тканях, которые показывают, что именно микроволновое излучение способно уничтожить злокачественные клетки, не повреждая окружающие здоровые ткани организма. Это связано с тем, что в отличие от других видов воздействия, микроволновое излучение можно сфокусировать в заданной области организма, например в опухоли.

Значение мощности удельных тепловых потерь в биологических тканях на сверхвысоких частотах, определяется выражением [2]:

, (3.1)

где: f - частота колебаний электромагнитного поля в Гц;

- напряженность электромагнитного поля в В/cм;

- удельная мощность тепловых потерь в ;

- мнимая часть относительной диэлектрической проницаемости биологической ткани (фактор потерь).

Мнимая часть относительной диэлектрической проницаемости (фактор потерь) определяется с учетом проводимости биологической ткани [2]:

, (3.2)

где: – мнимая части абсолютной диэлектрической проницаемости среды;

– абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума;

– проводимость среды;

– круговая частота колебаний электромагнитного поля.

В работе [3] приведены ссылки на результаты исследований зарубежных специалистов, а также научных публикаций, в которых утверждается, что многие виды опухолевых тканей содержат значительно больше воды, чем нормальные виды биологических тканей того же типа.

Следовательно, доброкачественные и злокачественные опухоли имеют диэлектрические параметры близкие к обычной воде. Вода обладает более высоким значением мнимой части относительной диэлектрической проницаемости (фактора потерь) по сравнению с окружающими их здоровыми биологическими тканями того же типа. Таким образом, клетки опухоли поглощают значительно больше энергии микроволнового излучения, чем здоровые ткани, и значение температуры в опухолях значительно выше, чем в окружающих здоровых биологических тканях. Это свойство в научных публикациях получило название «избирательности микроволнового нагрева» [4].

В настоящей дипломной работе приведены результаты экспериментальных исследований распределения температуры в многослойных биологических мягких тканях с различными диэлектрическими параметрами. Температура мягких биологических тканей изменяется в результате воздействия на эти ткани микроволнового излучения из раскрыва прямоугольного волновода на основном типе волны Н10, на частоте колебаний электромагнитного поля 2450 МГц.

В качестве модели, имитирующей тело человека, использована многослойная структура биологических тканей животных (кожа – жировая ткань, мышечная ткань, между слоями которой имеется слой воды, параметры которой характеризуют опухоль). Между слоями ткани расположен радиопрозрачный материал – полиэтилен, для того, чтобы не учитывать теплопроводность между различными слоями биологических тканей.

Энергия электромагнитного поля сверхвысоких частот подводится к многослойной структуре биологических тканей с помощью антенны в виде раскрыва волноводного излучателя, расположенного на определенном расстоянии от её поверхности. Значение мощности электромагнитного поля, излучаемой из раскрыва прямоугольного волновода, работающего на основном типе волны , неравномерно распределена в пространстве и рассчитывается методом Гюйгенса-Кирхгофа [5].

На рис. 3.1.1 показано схематическое изображение излучения из раскрыва прямоугольного волновода и многослойная структура, состоящая из различных слоев биологической ткани.

Рисунок 3.1.1. Схематическое изображение микроволнового излучения из раскрыва прямоугольного волновода и многослойная структура, состоящая из различных слоев биологических мягких тканей. L – расстояние от излучающего волновода до поверхности облучаемой биологической ткани.

Усредненные параметры биологических тканей при температуре и частоте электромагнитного поля 2450 МГц представлены в таблице 3. 1.1

Таблица 3.1.1. Усредненные параметры биологических тканей животных (свиньи) при 36°С на частоте колебаний электромагнитного поля 2450 МГц

Биологическая ткань			Плотность	Теплопроводность	Теплоемкость
Кожа	38	6	0,3	0,15	3,2
Жир внутренний	5	1,5	0,93	0,2	2,3
Мышечная ткань	50	9	1,03	0,48	3,36
Вода	78	10	1,0	0,6	4,18

Измерение температуры различных слоев биологических тканей проводилось по центральной линии излучающего волновода, вдоль оси “z”, соответствующей максимальному значению выходной мощности источника микроволнового излучения , удовлетворяющему условию , времени облучения и расстоянию излучающей антенны от поверхности многослойной биологической ткани .