Основы взаимодействия физических полей с биообъектами. Использование излучений в биологии и медицине

Биомедицинская инженерия  
в техническом университете 

Биомедицинская инженерия  
в техническом университете 
 
 
Серия основана в 2005 году 
 
 
 
РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ: 
 
академик 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 
чл.-корр. РАН О.С. Нарайкин 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
  

Л.В. Жорина, Г.Н. Змиевской 
 
 
 
 
 
 
 
Основы взаимодействия  
физических полей с биообъектами  
 
Использование излучений  
в биологии и медицине 
 
 
Под редакцией доктора технических наук, профессора С.И. Щукина 
 
 
 
 
 
Рекомендовано Федеральным государственным бюджетным 
образовательным учреждением высшего профессионального  
образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический 
университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)» в качестве учебника 
 для бакалавров высших учебных заведений, обучающихся по направлению 
 201000 «Биотехнические системы и технологии» 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
Москва 
2014 

УДК 577.3(075.8) 
ББК  28.071 
         Ж81 
Р е ц е н з е н т ы: 
д-р физ.-мат. наук, проф. МГУ им. М.В. Ломоносова Ю.М. Романовский, 
д-р физ.-мат. наук, проф. Физического института  
им. П.Н. Лебедева РАН О.В. Манько 
 
  
Жорина Л. В.  
Ж81   
Основы взаимодействия физических полей с биообъектами. 
Использование излучений в биологии и медицине : учебник / 
Л. В. Жорина, Г. Н. Змиевской; под ред. С. И. Щукина. — М. : 
Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014. — 374, [2] с.: ил. — 
(Биомедицинская инженерия в техническом университете).  
ISBN 5-7038-3937-9 

Изложены механизмы взаимодействия ионизирующих и неионизирующих 
излучений оптического диапазона с биообъектами применительно к 
задачам медицинской диагностики, терапии и хирургии. Описаны производимые 
ими эффекты на различных системных уровнях (от элементарных 
взаимодействий до организменного): физические, физико-химические и 
биологические; области клинического применения этих эффектов и принципы 
работы основанных на них приборов и аппаратов; схемы построения 
источников излучения и средств измерения доз воздействия на биообъек-
ты. Большое внимание уделено дозиметрии ионизирующих и неионизирующих 
излучений. 
Для студентов технических университетов, обучающихся по направлению «
Биотехнические системы и технологии». Может быть полезен сту-
дентам высших медицинских учебных заведений и медико-биологических 
факультетов университетов. 
 
УДК 577.3(075.8)  
ББК 28.071 
 
 
 
 
 
 

 

 
 
  
© Жорина Л.В., Змиевской Г.Н., 2014 
  
© Оформление. Издательство МГТУ 
ISBN 5-7038-3937-9 
 
им. Н.Э. Баумана, 2014 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Курс «Основы взаимодействия физических полей с биообъек-
тами», читаемый на факультете биомедицинской техники МГТУ 
им. Н.Э. Баумана более 10 лет, является развитием дисциплин, 
изучаемых на младших курсах, таких как общая физика, биофи-
зика, биохимия. В то же время он предваряет изучение специаль-
ных дисциплин. Для бакалавров этот курс является частью разде-
ла «Биофизические основы живых систем». В связи с переходом 
вузовского образования на систему бакалавр — магистр возникла 
необходимость написания учебника для бакалавров факультета 
биомедицинской техники. На факультете ведется разработка ап-
паратов и методик для электромагнитного воздействия с лечеб-
ными и диагностическими целями, разработка моделей, критери-
ев и алгоритмов для оптимизации электромагнитного воздей-
ствия с использованием каналов обратной связи. Выпускникам 
факультета необходимы знания и навыки, позволяющие оценить 
информативность методов и алгоритмов диагностики и монито-
ринга, создать новые технические методы и средства для диагно-
стики и лечения.  

Знания о взаимодействии внешних физических полей с систе-

мами организма позволяют корректно ставить задачи создания но-
вого поколения интеллектуальной медицинской аппаратуры для 
индивидуальной терапии и активной диагностики. На основе по-
лученных фундаментальных биофизических и медико-биологи-
ческих знаний инженеры могут предложить также методики кли-
нического применения медицинской техники.  
В учебнике рассмотрены основы биомедицинских систем, 
ионизирующие излучения, оптическое излучение и акустические 
волны. При рассмотрении воздействий упомянутых полей на 
биологические объекты (далее биообъекты) делается упор на 
происходящие физические процессы, рассматриваются сопут-
ствующие химические реакции и отклик биообъекта на воздей-
ствие в целом. Отдельно выделена тема об использовании рас-
смотренного электромагнитного излучения и звука в диагности-
ке, терапии и хирургии.  
Материал учебника разбит на шесть глав. Главы 1 и 2 посвя-
щены взаимодействию ионизирующего излучения с биообъекта-
ми. Дается классификация ионизирующего излучения, сформу-

лированы основы дозиметрии ионизирующего излучения, рас-
смотрены физические и физико-химические механизмы действия 
ионизирующего излучения на биообъекты и реакция биообъектов 
на воздействие ионизирующего излучения на различных систем-
ных уровнях (от первичных взаимодействий до организменного 
отклика).  
На основании изложенного сформулированы принципы радио-
биологии и применение ионизирующего излучения в медицине, 
которому посвящена глава 3. 
В главе 4 рассмотрен оптический диапазон. Подробно представ-
лены физические основы взаимодействия, поскольку наиболее ин-
тересная информация о состоянии биомолекул может быть извлече-
на именно в оптическом диапазоне. Описаны люминесцентные  
явления, имеющие особое значение для фотобиологии в ультрафио-
летовом диапазоне, излагаются механизмы фоторегуляторных си-
стем и зрения, фотосинтеза, фотодинамического воздействия, теп-
ловизионной диагностики. Сделана попытка построения основ до-
зиметрии 
неионизирующих 
излучений, 
представляющей 
на 
сегодняшний день предмет особого интереса со стороны разработ-
чиков и пользователей медицинской аппаратуры. Рассмотрены 
принципы разработки и построения оптических биочипов и биосен-
соров как одного из последних достижений науки в оптической об-
ласти, тесно переплетающиеся с проблемами нанотехнологий. Опи-
саны захватывающие перспективы развития этого направления, по-
лучившего в последние годы название биофотоники. 
Глава 5 посвящена применению оптического излучения в ме-
дицине.  
В главе 6 изложены основные сведения о взаимодействии аку-
стических волн (включая слышимый звук, инфразвук и ультра-
звук) с биообъектами и дается краткий обзор применений акусти-
ки в медицинской практике — в хирургии, терапии и диагностике. 
Особенностями учебника являются обширный библиографиче-
ский материал, примеры по ходу изложения, включая решения за-
дач, вопросы и задачи для проверки усвоения материала. 
Представляемая часть курса читается в течение одного семест-
ра. Для более глубокого понимания изложенного материала сту-
денты выполняют домашние задания по решению задач на тему 
курса, несколько лабораторных работ, таких как «Исследование 
фотодинамического действия света на клеточные структуры», 

«Исследование тепловых полей биообъектов с помощью инфракрасного 
тепловизора», «Исследование рассеивающих свойств 
биосред в оптическом диапазоне». Для каждой лабораторной работы 
имеются методические разработки. Для контроля усвоения 
материала проводятся рубежные контроли в течение семестра и 
зачет (экзамен) в конце семестра.  
Существующие учебные пособия в основном посвящены рассмотрению 
одного из видов полей (Кудряшов Ю.Б. Радиационная 
биофизика (ионизирующие излучения) / Под ред. В.К. Мазурика, 
М.Ф. Ломанова. М.: Физматлит, 2004; Калантаров К.Д., Калашников 
С.Д., Костылев В.А. и др. Аппаратура и методы радионуклидной 
диагностики в медицине. М.: ЗАО «ВНИИМП-ВИТА», 2002; 
Акопян Б.В., Ершов Ю.А. Основы взаимодействия ультразвука с 
биологическими объектами: Ультразвук в медицине, ветеринарии 
и экспериментальной биологии: Учеб. пособие / Под ред. 
С.И. Щукина. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005) или одной 
из тем курса (Ершов Ю.А., Щукин С.И. Основы анализа био-
технических систем. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011; 
Рубин А.Б. Биофизика: Учеб. для вузов: В 2 т. Т. 2: Биофизика клеточных 
процессов. 2-е изд. М.: Книжный дом «Ун-т», 2000; Гладкова 
Н.Д. Оптическая когерентная томография в ряду методов медицинской 
визуализации: Курс лекций. Н. Новгород: ИПФ РАН, 
2005), т. е. являются узкоспециализированными, хотя и, несомненно, 
более полными.  
Более универсальными являются замечательные учебники для 
медицинских вузов. Однако они не вполне подходят для инженерных 
специальностей (например, Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая 
физика. М.: Высшая школа, 1999; Антонов В.Ф., Кор-
жуев А.В. Физика и биофизика. Курс лекций для студентов медицинских 
вузов. М.: ГЭОТАР-МЕД, 2004). 
Авторы считают своим долгом выразить благодарность профессорам 
С.И. Щукину, Ю.А. Ершову, В.С. Зарубину, И.Н. Спиридонову, 
доценту Е.В. Смирнову, главному редактору Издательства 
МГТУ им. Н.Э. Баумана М.К. Петросян за внимательное изучение 
рукописи и полезные обсуждения, в ходе которых было 
внесено много замечаний и предложений. Ценные рекомендации 
были даны профессорами В.Б. Парашиным и С.Е. Квашниным. 
Предложения и замечания по книге присылайте по адресам: 
larisa7777@li.ru, zmievskoy@mail.ru. 

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 

 
– частота  
Е  
– напряженность электрического поля 
Н  
– напряженность магнитного поля 
  
– диэлектрическая проницаемость 
0  
– электрическая постоянная 
  
– магнитная проницаемость; коэффициент экстинкции; 
коэффициент затухания звука; коэффициент квантового 
усиления 
0  
– магнитная постоянная 
t  
– время 
x, y, z  
– декартовы координаты 
r 
– радиус-вектор 
  
– циклическая частота; содержание воды в ткани 
k 
– волновой вектор 
  
– длина волны; постоянная радиоактивного распада 
с  
– скорость света в вакууме 
сз 
– скорость звука 
v  
– фазовая скорость; скорость фотосинтеза; скорость колебаний 

F  
– сила 
е  
– заряд электрона 
В  
– магнитная индукция 
I  
– интенсивность световой волны; средний потенциал 
ионизации 
  
– энергия 
w 
– объемная плотность энергии 
Р  
– степень поляризации; вектор Умова — Пойнтинга 
h  
– постоянная Планка 
р  
– импульс; давление 
Авых 
– работа выхода электрона из металла 
m  
– масса 

e
m  
– масса электрона 
К 
– длина волны Комптона 
  
– волновая функция 
W 
– вероятность нахождения частицы 

Uпот 
– потенциальная энергия 
 
– электронная часть волновой функции; плотность потока 
χ  
– ядерная часть волновой функции; линейный коэффициент 
эффекта образования пар 
S  
– спиновая часть волновой функции; вектор волновых  
колебаний; площадь поверхности; сечение образца 
  
– плотность среды 
L  
– уровень звука 
U  
– напряжение 
  
– поток 
  
– сила тока 

п
D  
– поглощенная доза (доза ионизирующего излучения) 

об
D
 
– доза облучения в оптическом диапазоне 
X  
– экспозиционная доза 
q  
– заряд 
Q 
– коэффициент качества ионизирующего излучения 
Э  
– эквивалентная доза 
  
– квантовый выход (квантовая эффективность); вязкость 
среды 
  
– время протекания процесса 

и
А  
– энергия (работа) ионизации 
  
– угол рассеяния 
  
– линейный коэффициент ослабления потока излучения 
средой 
 
– линейный коэффициент комптоновского взаимодействия; 
эффективное сечение процесса; сечение реакции; 
площадь сечения мишени; сечение поглощения молекулы 


m
  
– массовый коэффициент ослабления потока излучения 
средой 
N  
– число событий с передачей энергии   
W(n)  
– вероятность n попаданий в мишень 
V  
– объем 
  
– среднее число попаданий в мишень 
z  
– событие энергопоглощения 

 
– коэффициент нерезонансных потерь энергии 
Г 
– спектральная ширина перехода (линии) 
 
– коэффициент ветвления; коэффициент проникновения 
звуковой волны из одной среды в другую 
 
– коэффициент внутренней конверсии 
Т1/2 
– период полураспада;  
Т 
– абсолютная температура 
 
– пространственный период структуры 
c  
– концентрация вещества 
*
  
– коэффициент пропускания 
D   
– оптическая плотность 
k  
– коэффициент поглощения 


  
– молярный коэффициент поглощения 

п
  
– натуральный показатель поглощения 

l   
– характерная глубина проникновения 

*
  
– коэффициент отражения 

*
m  
– натуральный показатель рассеяния 
n 
– концентрация 
Kхим 
– константа химической реакции 
P  
– мощность излучения лазера 

max

 
– коэффициент экстинкции в максимуме полосы поглощения 


1/ 2
v

 
– ширина полосы частот на половине высоты 

3
1
,
g
g   
– факторы вырождения триплетного и синглетного со- 
стояний молекулы соответственно 
r  
– степень анизотропии флуоресценции; радиус зрачка; 
расстояние 

ik   
– константы скоростей перехода с уровня на уровень 

ик

 
– квантовый выход интерконверсии 

к
N  
– скорость приращения количества кислорода 

М
K
  
– константа Михаэлиса 

dt  
– среднее время превращения одной молекулы субстрата 

( )
 
K
  – кривая видности (спектральная световая эффектив-
ность)