Воздействие микроволнового излучения на многослойные биологические ткани (стр. 1 )

Правительство Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский университет
«Высшая школа экономики»

Московский институт электроники и математики Национального

исследовательского университета "Высшая школа экономики"

Факультет электроники и телекоммуникаций

Кафедра “Радиоэлектроники и телекоммуникаций”

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

На тему: “Воздействие микроволнового излучения на многослойные биологические ткани”

Студент группы № ЭП-91

Рагимов Элнур Алирза оглы

Руководитель ВКР

д. т.н., профессор

Консультант

к. н.т.

Москва, 2013

Правительство Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования
"Национальный исследовательский университет
"Высшая школа экономики"

Московский институт электроники и математики Национального

исследовательского университета "Высшая школа экономики"

Факультет электроники и телекоммуникаций

 

Кафедра радиоэлектроники и телекоммуникаций

УТВЕРЖДАЮ

Заведующий кафедрой

______________ //

«___» ____________ 2013 г.

ЗАДАНИЕ

НА ВЫПУСКНУЮ КВАЛИФИКАЦИОННУЮ РАБОТУ (ВКР)

студенту 5 курса группы ЭП-91 Рагимову Элнуру Алирза оглы

1 .Тема “ Воздействие микроволнового излучения на многослойные биологические ткани ”

(Утверждена приказом от 2013 № _____________)

2.  Срок сдачи ВКР руководи

Срок сдачи ВКР на выпускающую кафедру: 10.06.2013

3. Техническое задание: Выбор конструкции макета и проведение экспериментальных исследований по воздействию микроволновой энергии на биологические ткани. Описание принципа действия микроволновой установки на частоте 2450 МГц, мощностью до 600 Вт, её конструкции. Обоснование выбора многослойной структуры биологической ткани и ее основных параметров. Распределение температуры в многослойных тканях и области применения полученных результатов.

4. Содержание расчетно-пояснительной записки.

A. Специальная часть.

1. Постановка задачи и выбор конструкции микроволнового устройства.

2. Теоретическое обоснование выбора экспериментального макета и многослойной структуры биологической ткани и их параметров.

3. Расчет нагрева биологической многослойной ткани человека.

4. Анализ полученных экспериментальных результатов.

Б. Конструкторско-технологическая часть.

1. Общий вид микроволновой установки .

2. Общий вид экспериментального макета и многослойной структуры исследуемого объекта – биологической ткани.

3. Вид отдельных узлов и элементов микроволновой установки.

4. Конструкция устройства защиты обслуживающего персонала от микроволнового излучения.

B. Охрана труда.

1. Оценка возможных опасных и вредных производственных факторов.

2. Охрана труда при проведении исследований.

3. Расчет защитного устройства микроволновой установки.

Г. Экологическая часть.

1. Воздействие электромагнитного излучения на человека.

Д. Решение задач на ЭВМ.

1. Расчет зависимости истечения мощности излучения из раскрыва прямоугольного волновода, сечением 72х34 мм, в плоскостях Е и Н, параллельно узкой и широкой стенкам волновода.

2. Расчет распределения микроволнового излучения в многослойных биологических тканях.

5.Перечень графического материала.

1. Основные уравнения для расчета параметров микроволновой установки.

2. Графики распределения температурного поля в многослойных биологических объектах.

3. Общий вид микроволновой установки.

4. Экспериментальные зависимости распределения температурного поля в многослойных биологических структурах.

6. Консультанты по ВКР.

Консультант / /

(подпись)

Консультант //

(подпись)

7. Дата выдачи задания «___» ______________ 2013 г.

Руководитель ВКР //

(подпись)

Задание принято к исполнению //

(подпись)

«___» ______________ 2013 г.

СОДЕРЖАНИЕ

АННОТАЦИЯ …………………………………………………………………….……6

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………….…....7

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ

МИКРОВОЛНОВОЙ МЕДИЦИНЫ И БИОЛОГИИ……...……………………….….9

1.1 Основные направления исследования воздействия

микроволнового излучения на биологические объекты…………………….……9

1.2 Электрические свойства биологических тканей

в диапазоне сверхвысоких частот ………………………………………….……..11

1.3 Диатермия и диагностика биологических объектов…………………….…….....14

1.4 Исследование биологических систем в диапазоне

сверхвысоких частот……………………………………………………………….15

1.5 Особенности микроволнового нагрева биологических объектов…………...…16

1.6 Механизм взаимодействия микроволнового излучения

с биологическими объектами на атомно-молекулярном уровне………….….22

ГЛАВА 2 СОВРЕМЕННЫЕ МИКРОВОЛНОВЫЕ МЕТОДЫ

В МЕДИЦИНЕ И ДИАГНОСТИКЕ…………………………………..…………25

2.1 Применение микроволновой радиометрии в медицине……………………..…..25

2.2 Аппарат для микроволновой терапии “Луч-4”… ………………………………..27

2.3 Аппарат для микроволновой терапии “Луч-11”……………………………….....29

ГЛАВА3 СВЧ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА

МНОГОСЛОЙНЫЕ БИОЛОГИЧЕСКИЕ ТКАНИ…………………………………. 31

3.1 Микроволновая установка для проведения экспериментальных исследований

по нагреву биологических тканей ………………………………………………...31

3.2 Выбор конструкции излучающей антенны ………………..……………………..46

3.3 Выбор конструкции источника СВЧ энергии ……………………………………54

3.4 Экспериментальные исследования………………………....................................56

Выводы к главе 3 ………………………………………………………………………63

ГЛАВА 4 БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ…………………….……..65

4.1. Электробезопасность…………………...…………………………………………65

4.2. Пожаробезопасность………………………………………………………………67

4.3. Оценка возможности опасных и вредных производственных факторов…………………………………………………………...……….…………...70

4.4. Охрана труда при проведении исследований……………………………...….…75

4.5 Инженерный расчет экранировки экспериментальной установки.................... 84

4.6. Основные требования к помещению для СВЧ - установки………………...…...86

ГЛАВА 5 ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ……………………………………………...87

5.1 Воздействие электромагнитного излучения на человека………………………..87

ГЛАВА 6 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ…………………………..………………....92

6.1 Оценка стоимости разработки микроволнового устройства лучевого типа…...92

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………..………………………………………………………...94

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ……………………………….….96

АННОТАЦИЯ

В дипломной работе сформулированы основные проблемы развития микроволновой медицины и биологии, а также определены направления исследований воздействия микроволнового излучения на биологические объекты. Проведен анализ экспериментальных результатов по исследованию биологических систем в различных диапазонах сверхвысоких частот и особенности их нагрева. Рассмотрены современные микроволновые методы и аппаратные средства в области терапии и диагностики. Разработана многослойная модель биологических тканей человека и проведены экспериментальные исследования по воздействию на эти ткани микроволнового излучения. Результаты экспериментальных исследований подтвердили возможность локального нагрева области, где расположена опухоль, не повреждая окружающие биологические ткани. Представлены результаты теоретического расчета мощности поглощения микроволнового излучения многослойными биологическими тканями.

В результате проведенных экспериментальных и теоретических исследований по воздействию микроволнового излучения на биологические ткани, подтверждена перспективность данного направления, а также возможность эффективного лечения злокачественных опухолей.

ВВЕДЕНИЕ

Многочисленные экспериментальные исследования показали, что в основе применения микроволнового излучения в различных спектральных областях лежит эффект нагрева тканей биологических объектов. При этом интенсивность нагрева биологических объектов определяется мощностью излучения и диэлектрическими свойствами тканей.

Локальное нагревание тканей дает широкий спектр изменений от денатурации и коагуляции до испарения воды и расплавления структурных белков, при этом становятся возможным основные хирургические манипуляции, включающие коагуляцию крови в сосудах и локальный гемостаз, сварку тканей, полное удаление локального участка ткани.

В настоящее время все более широкое распространение получает микроволновое излучение, как в области медицины, так и в области биологии. Одним из новых перспективных направлений является микроволновая терапия. Под влиянием микроволновой терапии происходит расширение кровеносных сосудов, усиливается кровоток, уменьшается спазм гладкой мускулатуры, нормализуются процессы торможения и возбуждения нервной системы, ускоряется прохождение импульсов по нервному волокну, изменяется белковый, липидный, углеводный обмен.

Микроволновая терапия оказывает противовоспалительное и обезболивающее действие. Микроволновые волны благоприятно влияют на состояние сердечнососудистой системы – улучшается сократительная функция миокарда, активизируются обменные процессы в сердечной мышце, снижается тонус периферических кровеносных сосудов.

В отличие от других видов воздействия, микроволновое излучение можно сфокусировать в четко заданной точке организма, например в опухоли. Благодаря особенностям метаболизма раковые клетки поглощают электромагнитную энергию в несколько раз активнее, чем здоровые ткани. Это предположение было подтверждено клиническими испытаниями в США. Полученный эффект показал, что злокачественные опухоли растут значительно медленнее, чем без лечения, а вокруг них не повреждена даже кожа. Эти исследования в настоящее время активно проводятся в различных международных центрах по исследованию рака молочных желез. Все ученые онкологи признают, что это новый шаг в развитии онкологии.

В настоящее время основные проблемы ученых связаны с исследованием механизмов воздействия микроволновой энергии на различные биологические объекты, а также с созданием новых аппаратных средств воздействия на человеческий организм, как в области микроволновой терапии и диагностики, так и в области биологии.

В Московском институте электроники и математики Национального исследовательского университета “Высшая школа экономики”, на кафедре: “Радиоэлектроники и телекоммуникаций” проводятся научные исследования в области воздействия микроволнового излучения на биологические объекты и именно этому направлению посвящена настоящая дипломная работа.

В настоящей дипломной работе проведены экспериментальные исследования по воздействию микроволнового излучения на многослойные биологические ткани. При этом в качестве имитирующей модели выбраны ткани животного – свиньи. Эксперименты проведены на СВЧ установке лучевого типа на частоте колебаний электромагнитного поля 2450 МГц.

Глава 1 ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ МИКРОВОЛНОВОЙ

МЕДИЦИНЫ И БИОЛОГИИ

1.1 Основные направления исследования воздействия

микроволнового излучения на биологические объекты

За последние десять лет появилось множество различных направлений в области применения микроволновой техники, как в медицине, так и биологии. Эти направления тесно связаны между собой. С точки зрения классификации в области медицины эти применения можно представить следующим образом:

1.  Микроволновая терапия, которая характеризуется тем, что энергию микроволнового излучения используют для лечения некоторых заболеваний проникающим теплом.

2.  Микроволновая диагностика. Применение энергии сверхвысоких частот в диагностике основано на эффекте затухания микроволновой энергии в организме человека и выявления некоторых физиологических характеристик организма.

При исследовании воздействия микроволновой энергии на различные биологические объекты ученых интересуют два основных направления:

1. Электрические свойства биологических систем на сверхвысоких частотах. По измерениям диэлектрической проницаемости на сверхвысоких частотах можно определить характеристики биологических тканей. Знание электрических свойств биологических тканей является обязательным условием для решения многих задач медицины, в частности, терапии и диагностики.

2. Микроволновые методы исследования “связанной” воды. Диэлектрическая проницаемость суспензий, содержащих макромолекулы, на сверхвысоких частотах зависят от состояния воды, связанной с поверхностью макромолекулярных структур в растворе.

Микроволновые методы исследований связанной воды способствуют изучению структуры нормальной и связанной воды и лучшему пониманию взаимодействия макромолекулярных компонентов, таких, как ферменты и белки, с окружающей средой.

В настоящее время опубликованы экспериментальные работы по изучению и измерению диэлектрической проницаемости различных биологических тканей и суспензий. Эти исследования характеризуют поведение тканей и суспензий, содержащих клетки и макромолекулы во всем диапазоне сверхвысоких частот. При этом основные диэлектрические параметры, как следует из анализа научных публикаций, можно связать со структурой и составом биологических систем.

Таким образом, в настоящее время в большинстве случаев известны биофизические параметры, которые управляют основными процессами взаимодействия и поглощения сверхвысокочастотного электромагнитного поля в биологических тканях, что является необходимым для разработки диагностических систем.

Вопрос о том, какие процессы определяют положительный эффект микроволновой терапии в настоящее время остается пока до конца неясным. Представляется вероятным, что терапевтическое воздействие обусловлено в первую очередь физиологическими процессами, стимулируемыми тепловой энергией микроволнового излучения. Однако подробная картина изменений в кровоснабжении и процессах метаболизма, вызываемых микроволновым облучением, до конца не исследована. В этой связи об эффективности микроволновой терапии в основном судят на основании клинических исследований.

1.2 Электрические свойства биологических тканей в диапазоне

сверхвысоких частот

Для исследований процессов взаимодействия микроволнового излучения с тканями тела человека необходимо знать диэлектрические параметры тканей. Если диэлектрические параметры тканей известны, то можно определить коэффициенты поглощения, коэффициенты отражения на границах раздела между тканями, а также степень нагрева биологических тканей.

В многочисленных научных публикациях показано, что диэлектрическая проницаемость тканей тела человека при заданной температуре, например , с ростом частоты колебаний электромагнитного поля уменьшается. Например, диэлектрическая проницаемость мышц в диапазоне частот (100…3000) МГц изменяется (75…45), а диэлектрическая проницаемость кожи в том же диапазоне частот изменяется в пределах (65…40).

Диэлектрическая проницаемость тканей (жировая ткань, костная ткань и желтый костный мозг) с меньшим содержанием воды меньше, чем диэлектрическая проницаемость тканей (мышечная ткань, печень, почки, сердце) с большим содержанием воды.

Установлено, что диэлектрические параметры биологических тканей на сверхвысоких частотах не зависят от биологической структуры и можно считать, что биологическая ткань состоит из электролитов, содержащих макромолекулярные компоненты и липиды. Тогда формулы, выведенные для таких электролитов, позволяют объяснить результаты измерений, в частности, зависимость относительной диэлектрической проницаемости биологических тканей от частоты полностью отражают аналогичное поведение воды.

Диэлектрические характеристики биологических тканей различного вида при приведены в таблице 1.1

Таблица 1.1. Диэлектрические характеристики биологических тканей

Вид продукта
Мышечная ткань	50	19	0,38	1,020
Жир внутренний	5	0,5	0,1	0,930
Печень	47	14	0,30	1,050
Почки	50	19	0,38	1,014
Кожа	38	12	0,34	0,300
Свиной жир	3,2	0,23	0,09	0,940

Основные характерные зависимости:

1.  Диэлектрические параметры мясных продуктов с ростом влажности (влагосодержания) возрастают.

2.  Диэлектрические параметры мясных продуктов с ростом температуры падают (это следует из зависимости диэлектрических параметров от нагрева воды).

3.  Диэлектрические параметры с ростом содержания жира также падают.

Диэлектрические характеристики тканей человеческого организма измеряются различными методами:

- метод волноводной измерительной линии, который основан на том, что при наличии биологического продукта, длина волны и волновое сопротивление изменяются. Величины этих изменений зависят от диэлектрических параметров продукта;

- метод коаксиальной измерительной линии основан на том, что при наличии образца продукта определяется входное сопротивление конденсатора. Метод пригоден для диэлектриков с большим значением ;

- метод цилиндрического стерженька удобен при определении параметров диэлектрика с большими потерями. Метод сводится к определению нормированной комплексной проводимости неоднородности, вносимой исследуемым образцом, выполненным в форме цилиндрического стерженька и помещенным в центре широкой стенки прямоугольного волновода параллельно вектору напряженности электрического поля волны типа , распространяющейся в волноводе;

- аналитическим расчетом диэлектрических характеристик биологических продуктов на основе уравнений дисперсии Дебая можно определить диэлектрические параметры продукта, учитывая количественное содержание компонентов продуктов (вода связанная и свободная, белок, соль, жир и т. д.), времени релаксации и удельной проводимости этих компонент;

- метод сравнения (экспресс – метод) позволяет определять диэлектрические характеристики биологических продуктов с достаточной точностью для практического использования. Все измерения в этом методе сводятся к сравнению скорости нагрева исследуемого образца и эталона за одинаковый промежуток времени с учетом массы и теплоемкости образца, а также величины микроволновой мощности, вводимой в рабочую камеру. Величина определяется по формуле:

,

где: c – средняя весовая теплоемкость продукта в интервале температур ,

Микроволновое излучение вызывает, как тепловые эффекты в тканях биологических объектов, так и нетепловые.

Тепловые эффекты делят на две группы:

1. Эффекты, связанные с общим повышением температуры и обусловленные поглощением микроволновой энергии в объеме (объемный нагрев);

2. Эффекты, связанные со специфическим повышением температуры некоторой части объема относительно окружающей среды.

К нетепловым эффектам относят сильные и слабые взаимодействия электромагнитного поля сверхвысоких частот с облучаемой средой.

1.3 Диатермия и диагностика биологических объектов

Диатермию можно определить как способ физиотерапии, позволяющий генерировать тепло в биологических тканях, расположенных под кожей и подкожным жировым слоем. Повышение температуры увеличивает обменную деятельность и расширяет кровеносные сосуды, увеличивая тем самым циркуляцию крови. Специалисты, работающие в области медицины, на основе многочисленных экспериментальных исследований считают, что при этом ускоряется заживление и усиливаются защитные реакции организма.

В настоящее время все более широкое распространение получает диатермия, которая проводится на частоте 2450 МГц. Выбор частоты связан с тем, что размеры антенны оказываются сравнимы с длиной волны в воздухе (12,24 см), и, кроме того, в этом диапазоне имеется целый спектр разработанных источников микроволновой энергии.

Основы применения микроволновой энергии для диагностики биологических объектов впервые были сформулированы в работе [1]. В работе рассмотрены изменения в коэффициентах отражения и пропускания в микроволновом диапазоне частот, которые вызваны изменениями таких важных физиологических параметров, как состав крови или объем дыхания. По существу в этой работе автор предложил плетизмограф, работающий в микроволновом диапазоне длин волн. Микроволновые методы регистрации любых изменений коэффициентов отражения и поглощения позволяют связать эти изменения с изменениями в крови или в объеме дыхания. Основным преимуществом микроволнового плетизмографа состоит в том, что отсутствуют контакты электродов и связанные с ними ошибки [1].

1.4 Исследование биологических систем в диапазоне

сверхвысоких частот

Вопросы взаимодействия микроволновой энергии с биологическими системами в настоящее время еще не исследованы в той мере, в какой это необходимо для создания средств диагностики и терапии. Диэлектрические свойства биологических систем в микроволновом диапазоне частот отражают их структуру и могут стать основой для создания новых методов изучения состава биологических систем. В работе [1] представлена экспериментальная зависимость диэлектрической проницаемости жировой ткани на частоте 2450 МГц и температуре 25°С в зависимости от количества содержащейся в ней воды. Таким образом, по измерениям диэлектрической проницаемости можно определить содержание воды в жировой ткани – характеристику, которая представляет интерес в диагностике и которую практически невозможно или очень сложно получить каким – либо другим способом.

Диэлектрические свойства белков можно определить по результатам измерений свойств белков, взвешенных в электролите.

Белки в электролите обычно окружены слоем связанной воды, которая в структурном отношении и в электрическом отличается от обычной воды. Для анализа этого явления вводят понятие о комплексной проницаемости гидратированного белка. Исследования показали, что комплексная проницаемость гидратированного белка гемоглобина сильно меняется с частотой, а именно, с увеличением частоты поля диэлектрическая проницаемость падает. Объяснить падение диэлектрической проницаемости можно либо поведением связанной воды, диэлектрические свойства которой сильно меняются с частотой сверхвысокочастотного поля, либо полярные цепи белковых молекул участвуют по-разному в процессе поляризации на различных частотах.

1.5 Особенности микроволнового нагрева биологических тканей

Электромагнитное поле, проникая в биологический материал, взаимодействует с заряженными частицами, вызывая их колебания.

Биологический материал можно рассматривать в макроскопической теории, как диэлектрическую среду. Молекулы диэлектрической среды могут быть неполярными и полярными [2…5]. При наложении внешнего электрического поля неполярные молекулы поляризуются, то есть симметрия расположения их зарядов нарушается, и молекула приобретает некоторый электрический момент. Под действием внешнего электрического поля у полярных молекул не только меняется величина электрического момента, но и происходит поворот оси молекулы по направлению поля. На сверхвысоких частотах выделение тепла, возможно, даже в отсутствии тока проводимости [6, 7].

В этом случае диэлектрическая среда представляется состоящей из осцилляторов, каждый из которых взаимодействует с электрическим полем, в силу чего совершает вынужденные колебания [6, 7].

Известно [6], что под действием внешнего магнитного поля электронная оболочка атома начинает прецессировать вокруг направления поля с определенной угловой скоростью. В переменных магнитных полях к тому же происходит переориентация магнитной оси атома. Эти явления аналогичны “внутреннему трению”, и приводят к выделению тепла в среде.

Будем считать, что подвергаемая нагреву среда является изотропной и материальные уравнения среды можно записать в виде:

, (1.1)

где:

- абсолютная диэлектрическая и магнитная проницаемость вакуума;

- плотность тока проводимости;

- вектора напряженности электрического и магнитного поля;

- вектора диэлектрической и магнитной индукции;

- относительная диэлектрическая проницаемость среды;

- относительная магнитная проницаемость среды;

- проводимость среды.

Пусть электромагнитное поле изменяется во времени по гармоническому закону:

(1.2)

где - круговая частота колебаний.

Запишем величину относительной диэлектрической проницаемости среды в виде [6, 7]:

(1.3)

где и - действительная и мнимая части абсолютной диэлектрической проницаемости среды.

Запишем величину относительной магнитной проницаемости среды в виде [6]:

(1.4)

где и - действительная и мнимая части абсолютной магнитной проницаемости среды.

При гармонических колебаниях мощность тепловых потерь равна [6, 7]:

, (1.5)

где и - комплексно сопряженные значения амплитуд векторов напряженности электрического и магнитного полей.

Удельную мощность тепловых потерь из (1.5) можно представить в виде:

. (1.6)

Первое слагаемое выражает объемную плотность мощности, выделяющуюся в среде при протекании в ней тока проводимости согласно закону Джоуля-Ленца.

Второе и третье слагаемые в (1.6) определяют объемную плотность мощности, выделяющейся в среде за счет смещения по фазе векторов диэлектрической и магнитной индукции и векторов и .