Методы и средства взаимодействия СВЧ-поля с биологическими объектами
Покупка
Тематика:
Приборостроение. Биомедицинская техника
Год издания: 2020
Кол-во страниц: 120
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Специалитет
ISBN: 978-5-7038-5378-8
Артикул: 805328.01.99
Доступ онлайн
800 ₽
В корзину
Изложены основы взаимодействия электромагнитных излучений с биологическими объектами. Рассмотрены особенности биологического действия электромагнитных излучений, механизмы их действия на биологические объекты и влияние на человека. Приведены сведения о дозиметрии электромагнитных излучений, их гигиеническом нормировании. Описаны средства защиты от электромагнитных излучений, а также СВЧ-установки, используемые в медицине.
Для студентов специальности 11.05.01 «Радиоэлектронные системы и комплексы», изучающих дисциплину «Методы и средства взаимодействия СВЧ-поля с биологическими объектами».
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
В.Н. Митрохин, В.Л. Хандамиров Методы и средства взаимодействия СВЧ-поля с биологическими объектами Учебное пособие Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)»
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020 © Оформление. Издательство ISBN 978-5-7038-5378-8 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020 УДК 537.87 ББК 22.336 М66 Издание доступно в электронном виде по адресу http://bmstu.press/catalog/item/6897/ Факультет «Радиоэлектроника и лазерная техника» Кафедра «Радиоэлектронные системы и устройства» Рекомендовано Научно-методическим советом МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия Митрохин, В. Н. М66 Методы и средства взаимодействия СВЧ-поля с биологическими объектами : учебное пособие / В. Н. Митрохин, В. Л. Хандамиров. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2020. — 119, [1] с. : ил. ISBN 978-5-7038-5378-8 Изложены основы взаимодействия электромагнитных излучений с биологическими объектами. Рассмотрены особенности биологического действия электромагнитных излучений, механизмы их действия на биологические объекты и влияние на человека. Приведены сведения о дозиметрии электромагнитных излучений, их гигиеническом нормировании. Описаны средства защиты от электромагнитных излучений, а также СВЧ-установки, используемые в медицине. Для студентов специальности 11.05.01 «Радиоэлектронные системы и комплексы», изучающих дисциплину «Методы и средства взаимодействия СВЧ-поля с биологическими объектами». УДК 537.87 ББК 22.336
Предисловие В настоящее время в связи с бурным развитием профессиональных и бытовых радиоэлектронных устройств актуальными задачами являются изучение влияния электромагнитных полей на организм человека и использование электромагнитных излучений для диагностики и лечения. Данное издание представляет собой учебное пособие по дисциплине «Методы и средства взаимодействия СВЧ-поля с биологическими объектами» для специалистов, обучающихся по специальности 11.05.01 «Радиоэлектронные системы и комплексы». Целью изучения дисциплины является приобретение навыков в обработке и представлении экспериментальных данных, разработке структурных, функциональных и принципиальных схем медицинских установок, применении современных САПР и пакетов приклад- ных программ. В результате усвоения материала студенты приобретут способ- ность представлять адекватную современному уровню знаний научную кар- тину мира, опираясь на основные положения, законы и методы естественных наук и математики, рассчитывать геометрические параметры и электрические характеристики антенн и микроволновых устройств для медицинских уста- новок, оценивать влияние электромагнитных полей на организм человека. В пособии рассмотрены основы взаимодействия электромагнитных излучений с биологическими объектами, особенности и механизм биоло- гического действия электромагнитных излучений, их влияние на человека, дозиметрия и гигиеническое нормирование электромагнитных излучений и защита от этих излучений, а также описаны СВЧ-установки, используемые в медицине.
Список основных сокращений АТФ — аденозинтрифосфорная кислота ГВЧ — гипервысокочастотный ДН — диаграмма направленности ДО — дважды отрицательный ДП — дважды положительный ИК — инфракрасный КНД — коэффициент направленного действия МКВ — микроволновый МО — мю-отрицательный МПА — микрополосковая антенна ПДУ — предельно допустимый уровень ППЭ — плотность потока энергии РЛС — радиолокационная система РЧ — радиочастотный СанПиН — санитарные правила и нормативы СВЧ — сверхвысокочастотный УБЛ — уровень боковых лепестков УПМ — удельная поглощенная мощность УПЭ — удельное поглощение энергии УФ — ультрафиолетовый ЭМВ — электромагнитная волна ЭМИ — электромагнитное излучение ЭО — эпсилон-отрицательный ЭЭ — энергетическая экспозиция ЭЭГ — электроэнцефалограмма ЯМР — ядерно-магниторезонансный
Введение В современных условиях в связи с повсеместным распространением ра- диоэлектронных средств невозможно избежать влияния электромагнитных излучений (ЭМИ) на всех представителей биосферы Земли и особенно на человека. Поэтому насущными современными задачами являются значитель- ное снижение неблагоприятного действия ЭМИ и жесткий контроль всех источников излучений. Специалисту в области радиоэлектроники крайне важно понять и оценить те последствия для человечества, которые связаны с присутствием в окружающей среде ЭМИ, создаваемых различными искусственными источниками. Электромагнитные излучения нашли применение и в медицине. Из всего спектра ЭМИ радиоволнового диапазона выраженным биологическим действием обладают СВЧ-электромагнитные поля, к которым относят практически весь диапазон длин волн, занимающий промежуточное значение между ультравысокочастотным и оптическим диапазонами. Наиболее хорошо изучен тепловой эффект СВЧ-полей, связанный с повышением температуры облучаемой ткани. В частности, большой интерес проявляется к разработкам СВЧ-аппаратуры для диагностики злокачественных опухолей, пороков сердца, отека легких, утолщения стенок артерий. СВЧ-технику применяют в терапевтической практике для нагрева опухолевых тканей до температуры, при которой наступает их разрушение (гипертермия), а также для глубокого прогрева подкожных тканей и внутренних органов с целью снять болевые ощущения и ускорить процесс заживления патологически измененных тканей (диатермия). Использование СВЧ-техники для медицинских целей дает следующие преимущества: • меньшую опасность вредного воздействия облучения на организм па- циента по сравнению с любыми видами радиоактивного и рентгеновского облучения; • получение пропорционального температуре тканей высокого радио- яркостного контраста при обследовании подкожных тканей благодаря срав- нительно большой интенсивности собственного излучения тела пациента в СВЧ-диапазоне; • лучшую фокусировку излучения и возможность селективного прогрева тканей. СВЧ-излучение вызывает в биологических объектах не только тепло- вые, но и нетепловые эффекты, которые также рассматриваются в данном пособии.
1. Электродинамические характеристики электромагнитных излучений 1.1. Основные характеристики и классификация электромагнитных излучений Электромагнитные излучения (ЭМИ) характеризуются широким спек- тром частот. Все ЭМИ имеют квантовую природу, определяющую характер их распространения и взаимодействия с веществом. В зависимости от энергии кванта излученного поля выделяют два типа ЭМИ — ионизирующие и неионизирующие. Условной границей между ними принята энергия кванта 12 эВ, соответствующая длине волны в 100 нм. Она находится в ультрафиолетовой области электромагнитного спектра. К ионизирующим относятся гамма- и рентгеновское излучения, а к неионизирующим — более низкочастотные и, соответственно, более длинноволновые излучения — ультрафиолетовое, оптическое и инфракрасное, а также менее высокочастотные излучения — гипервысокочастотное, сверхвысокочастотное (или микроволновое) и радиочастотное (табл. 1.1). Таблица 1.1 Общая классификация неионизирующих ЭМИ Вид излучения Диапазон Энергия кванта длин волн частот УФ 100–400 нм 3000–750 ТГц 12,4–3,11 эВ Оптическое 400–780 нм 750–385 ТГц 3,11–1,58 эВ ИК 780 нм–0,1 мм 385–3 ТГц 1,58 эВ–1,24 мэВ ГВЧ 0,1–1 мм 3000–300 ГГц 1,24 мэВ–1240 мкэВ СВЧ, или МКВ 1 мм–1 м 300–0,3 ГГц 1240 мкэВ–1240 нэВ РЧ 1 м–1 км 300–0,3 МГц 1240 нэВ–1240 пэВ НЧ 1–10 км 300 кГц–3 Гц 1240 пэВ–12,4 фэВ Примечание. УФ — ультрафиолетовое; ИК — инфракрасное; ГВЧ — гипервысокочас- тотное; СВЧ — сверхвысокочастотное; МКВ — микроволновое; РЧ — радиочастотное; НЧ — низкочастотное. Ориентация вектора напряженности электрического поля Е в простран- стве определяет вид поляризации электромагнитных волн (ЭМВ): линейную, круговую или эллиптическую. Кроме того, горизонтальное или вертикальное
1.1. Основные характеристики и классификация электромагнитных излучений расположение вектора Е определяет горизонтально или вертикально поляризованную волну. Фронтом ЭМВ является поверхность, все точки которой имеют одинаковую фазу. Различают сферический, цилиндрический и плоский фронт ЭМВ. Частота f электромагнитных колебаний, Гц, фазовая скорость волны v, м/с, и длина волны l, м, определяются формулами f c = /λ; v c = εµ ; λ = v f/ , (1.1) где с — скорость света в свободном пространстве; e — относительная диэлектрическая проницаемость среды; m — относительная магнитная проницаемость среды. В зависимости от расстояния r от источника излучения различают три зоны: 1) ближнюю — при r l < 0 62 3 , ; /λ 2) промежуточную — при 0 62 2 3 2 , ; l r l / / λ λ << << 3) дальнюю — при r l >> 2 2/λ. Здесь l — максимальный линейный размер источника излучения, м. В дальней зоне векторы напряженности электрического Е и магнитного Н поля совпадают по фазе и связаны между собой соотношением Z = E^ /H^, где Z — волновое сопротивление среды, Ом; E^, H^ — компоненты соответственно электрического и магнитного поля, ортогональные направлению распространения электромагнитных колебаний. В условиях неограниченной среды Z = Z0 µ ε / , где Z0 = 120π Ом ≈ 377 Ом — волновое сопротивление вакуума. В условиях свободного пространства, где распространяется сформированная, или бегущая, волна (рис. 1.1), энергетические характеристики ЭМИ определяются соотношением W Z Z = = = = П [ ] , EH E H 2 0 2 0 / (1.2) где W — плотность потока энергии (ППЭ) электромагнитной волны, проходящей через нормально расположенную единицу площади в единицу времени, Вт/м2; П — вектор Пойнтинга. Иногда вместо ППЭ используется понятие «интенсивность». Рис. 1.1. Расположение векторов Е, Н и П электромагнитной волны при ее распространении в свободном пространстве
Таблица 1.2 Классификация ЭМИ по диапазонам значений частот и длин волн Номер диапазона Диапазон частот Наименование и обозначение частот Диапазон длин волн Наименование и обозначение длин волн междуна родное используемое в медикобиологи ческой практике международное используемое в медикобиологической практике I 3–30 Гц КНЧ НЧ 105–104 км Декаметровые Не используются II 30–300 Гц СНЧ 104–103 км Мегаметровые III 0,3–3 кГц ИНЧ 103–102 км Гектокилометровые IV 3–30 кГц ОНЧ 100–10 км Мириаметровые V 30–300 кГц НЧ 10–1 км Километровые ДВ VI 0,3–3 МГц СЧ РЧ 1–0,1 км Гектометровые СВ VII 3–30 МГц ВЧ 100–10 м Декаметровые КВ VIII 30–300 МГц ОВЧ 10–1 м Метровые УКВ IX 0,3–3 ГГц УВЧ СВЧ 1–0,1 м Дециметровые МКВ X 3–30 ГГц СВЧ 10–1 см Сантиметровые XI 30–300 ГГц КВЧ 10–1 мм Миллиметровые XII 300–3000 ГГц ГВЧ 1–0,1 мм Децимиллиметровые Не используются Примечание. КНЧ — крайне низкие часто ты; СНЧ — сверхнизкие частоты; ИНЧ — инфранизкие частоты; ОНЧ — очень низкие частоты; НЧ — низкие частоты; СЧ — средние частоты; ВЧ — высокие частоты; ОВЧ — очень высокие частоты; УВЧ — ультравысокие частоты; СВЧ — сверхвысокие частоты; КВЧ — крайне высокие частоты; ГВЧ — гипервысокие частоты; РЧ — радиочастоты; ДВ — длинные волны; СВ — средние волны; КВ — короткие волны; УКВ — ультракороткие волны; МКВ — микроволны.
1.2. Природные и техногенные источники электромагнитных излучений Для энергетической характеристики импульсномодулированного ЭМИ используются понятия средней и импульсной мощности импульса. Средняя мощность импульса ЭМИ, приходящаяся на единицу площади (ППЭср), отнесена к периоду Ти повторения импульсов и усредняется за один или более периодов. Импульсная мощность, приходящаяся на единицу площади (ППЭимп), связана с длительностью tи импульса ЭМИ и представляет собой среднее значение мощности за tи при огибающей, близкой к прямоугольной. В некоторых случаях используется понятие пиковой мощности импульса ЭМИ (ППЭпик), она эквивалентна мощности импульса, усредненной за период несущей частоты, на который приходится максимальная энергия. Пиковая и средняя мощности импульса ЭМИ связаны соотношениями ППЭпик = Kф Qи · ППЭср = Kф · ППЭср /( f tи), (1.3) где Kф — коэффициент формы — отношение максимального уровня мощности (ППЭпик) реального импульса к уровню мощности эквивалентного прямоугольного импульса той же ширины и площади; Qи = Ти /tи — скважность импульсов. Для пря моугол ь ного импульса Kф = 1, т. е. ППЭпик = ППЭимп = ППЭср /( f tи). (1.4) Классификация участка электромагнитного спектра неионизирующих ЭМИ по диапазонам значений частот и длин волн в соответствии с международным регламентом радиосвязи и с учетом наиболее часто используемых в медикобиологической практике обозначений диапазонов частот приведена в табл. 1.2. Диапазоны частот и длин волн ЭМИ, относящиеся к радиочастотам (0,3…300 МГц) и к микроволнам (0,3…300 ГГц) выделены полужирным. Энергетическими характеристиками ЭМИ в МКВдиапазоне являются ППЭ для дальней зоны излучения, единицей измерения служит ватт (милливатт или микроватт) на квадратный метр или сантиметр (Вт/м2, мВт/см2 или мкВт/см2). В РЧдиапазонах на частотах менее 300 МГц (воздействие осуществляется преимущественно в ближней зоне) ЭМИ измеряются по электрической составляющей Е в вольтах на метр (В/м) и по магнитной составляющей Н в амперах на метр (А/м). 1.2. Природные и техногенные источники электромагнитных излучений Согласно сложившейся классификации, источники ЭМИ подразделяют на природные — естественные и на техногенные — искусственные, или антропогенные (рис. 1.2). Природные источники. К внеземным источникам относятся Солнце, Галактика и планеты Солнечной системы. Атмосфера пропускает относительно узкую часть спектра, достигающего поверхности Земли. Электромагнитное излучение Солнца с длиной волны более 290 нм — это УФ, оптическое и ИКизлучение, а с длиной волны от 37 ГГц до 10 МГц — это
1. Электродинамические характеристики электромагнитных излучений МКВ- и РЧ-излучение. Электромагнитные излучения внеземных источников в РЧ- и МКВ-диапазонах измеряются в единицах ППЭ, приходящихся на 1 Гц полосы частот регистрируемых излучений (Вт/(м2 · Гц)). Интенсивность ЭМИ Солнца не является постоянной, различают «спо- койное Солнце» (минимум солнечной активности) и эпизодические вспыш- ки. Во время вспышек интенсивность ЭМИ Солнца в РЧ- и МКВ-диапазонах в отдельный период может достигать 10–17 Вт/(м2 · Гц), тогда как при миниму- ме солнечной активности она составляет 10–24…10–20 Вт/(м2 · Гц). Интенсив- ность излучения галактики (Кассиопея А, Телец А) и планет (Луна, Юпитер), так называемого вторичного космического шума, в РЧ- и МКВ-диапазонах не превышает интенсивности ЭМИ, характерного для «спокойного Солнца». Внегалактические источники ЭМИ, такие как радиогалактики (Лебедь А, Дева А), квазары и пульсары также характеризуются низкой интенсивностью излучения, не превышающей 10–26 Вт/(м2 · Гц). Техногенные источники. Искусственные источники неионизирующих ЭМИ появились в конце XIX в. благодаря работам Г. Герца, А.С. Попова и Г. Маркони. Это способствовало росту общего электромагнитного фона Земли, что стало причиной появления таких новых понятий, как «электро- магнитный смог» или «электромагнитное загрязнение» окружающей среды. Обоснованность введения этих понятий следует из сравнения уровней ЭМИ, создаваемых естественными и искусственными источниками. В настоящее время в промышленности, медицине, науке и быту широко применяются Рис. 1.2. Источники ЭМИ
Доступ онлайн
800 ₽
В корзину