Свойства некоторых радионуклидов

Радиоактивный изотоп	Период полураспада	Вид излучения
^131I	8 дней	(0,7 МэВ)
^90Sr	28 лет	- (0,2 МэВ)
^137Cs	27 лет	- (0,3 МэВ) и (0,6 МэВ)

 

При авариях на АЭС или при ядерных взрывах в атмосферу могут выбрасываться различные радионуклиды, свойства не­которых из них приведены в табл. 11.4.

Эти изотопы могут накапливаться в организме, вызывая в нем нарушение деятельности как отдельных органов, так и организма в целом.

Так, ¹³¹I накапливается в щитовидной железе, и уже 0,35 мг ра­диоактивного йода опасны для человека (при ежесуточной потреб­ности около 150 мг). Изотоп ⁹⁰Sr накапливается в костной ткани, а изотоп ¹³⁷Cs равномерно распределяется в клетках организма.

Особую опасность представляют повышенные дозы радиоак­тивных излучений для кроветворной системы, пищеваритель­ного тракта и желез внутренней секреции человека. Люди, ра­ботающие с излучением: в больницах, на АЭС, в лабораториях - могут получать дозу до 0,5 бэр в год.

Предельно допустимой биологической дозой для человека при профессиональном облучении считается 5 бэр в год. Мини­мальная летальная доза от «прямого -луча» условно принята 600 бэр при облучении всего тела.

Эквивалентная доза (Н). Для оценки возможного ущерба здоровью человека в условиях хронического облучения в области радиационной безопасности введено понятие эквивалентной дозы Н, равной произведению поглощенной дозы D_r, созданной облучением - r и усредненной по анализируемому органу или по всему организму, на весовой множитель w_r (называемый еще - коэффициент качества излучения).

Единицей измерения эквивалентной дозы в СИ является зиверт (Зв). Величина 1 Зв равна эквивалентной дозе любого вида излучения, поглощенной в 1 кг биологической ткани и создающей такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 Гр фотонного излучения. Внесистемной единицей измерения эквивалентной дозы является бэр (до 1963 года - биологический эквивалент рентгена, после 1963 года - биологический эквивалент рада 1 Зв = 100 бэр

11. Электромагнитные излучения в медицине.

Понятие «физические поля окружающего мира», очевидно, является широким и может включать в себя многие явления в зависимости от целей и контекста рассмотрения. Если употреб­лять его в строго физическом смысле, то есть как вид материи, то следует иметь в виду прежде всего электрическое, магнит­ное, электромагнитное, гравитационное поля и поле внутри­ядерных сил. В экологическом контексте в это понятие могут быть включены потоки ионизирующих частиц, акустические и вибрационные поля, атмосферные изменения и ряд других.

Задача данной главы сознательно сужена, и в ней рассмат­риваются лишь вопросы воздействия на человека электромаг­нитных полей и потоков ионизирующих излучений.

Вся биосфера Земли: простейшие, обширные царства растений и животных и человек - находится в окружении единого матери­ального мира, составляющего ее среду обитания. Сфера обитания является неотъемлемым условием развития жизни и одновремен­но суммой факторов, влияющих на живые организмы и опреде­ляющих эволюцию живой природы. Одним из существенных фак­торов сферы обитания являются потоки излучений, действию которых подвергается все живое на Земле. Это электромагнитные волны, в безбрежном океане которых находится Земля, межзвез­дное и галактическое пространство, и ионизирующие излучения.

Совокупность ЭМ волн различных длин от тысяч метров до 10 ^-12 м и короче, распространяющихся во Вселенной (в том числе и в условиях Земли), можно представить в виде шкалы ЭМ волн. Самый длинноволновый диапазон составляют радиоволны, затем по мере укорочения длины волны следуют: инфракрасное, види­мое, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучения.

Необходимо иметь в виду, что границы диапазонов указан­ные по длинам волн, частотам или энергиям фотонов, приняты условно. Указанные диапазоны перекрываются друг с другом и в природе не имеют четких границ. Физическая природа всех излучений, составляющих шкалу, едина: все эти излучения -электромагнитные волны. В зависимости от частоты v, а следо­вательно, и энергии фотона hv, существенно меняются свойства распространения и характер взаимодействия ЭМ волн с биоло­гическими объектами.

Рис. 11.1. Шкала электромагнитных волн

 

В табл. 11.1 представлены основные характеристики, механиз­мы излучения, виды взаимодействия с биологическими объек­тами и применение в медицине ЭМ волн указанных диапазонов.

Основным источником естественного (природного) фона ра­диоволн на Земле являются атмосферные электрические явле­ния (грозы, зарницы, шаровые молнии), радиоизлучение Сол­нца и звезд. Интенсивность фона составляет в среднем примерно 10^-7Вт/м².

Основным естественным источником излучения в ИК, види­мом и УФ-диапазонах является Солнце, а в рентгеновском и гамма-диапазонах также межзвездные и галактические собы­тия (образование сверхновых звезд, квазары, пульсары и др.). Фоновая интенсивность в этих диапазонах зависит от многих факторов, в частности от состояния атмосферы и ионосферы, магнитного поля Земли, солнечной активности и др. и может изменяться в довольно широких пределах.

ЭМ волны, идущие от Солнца, человек ощущает в виде сол­нечного тепла (ИК-диапазон), дневного света (видимый диапа­зон). УФ-диапазон солнечного излучения проявляется в виде пигментации кожного покрова (загар). Рентгеновское и гамма-излучения человек непосредственно не ощущает.

Плотность потока энергии ЭМ излучения от Солнца на гра­нице атмосферы составляет 1350 Вт/м². Эту величину называ­ют солнечной постоянной. Атмосфера поглощает солнечную энергию, поэтому у поверхности Земли на широте Москвы ин­тенсивность падает до 930 Вт/м².

На рис. 11.2 представлен спектр солнечного излучения на верхней границе атмосферы (1) и на поверхности Земли (2).

Рис. 11.2. Спектр солнечного излучения (1 - спектр на верхней границе атмосферы, 2 - на поверхности Земли, - спектральная плотность энергетической светимости)

Электромагнитные волны

Таблица 11.1

	Радиоволны длинные, средние, короткие, УВЧ, СВЧ	Инфракрас­ное излучение	Видимый свет	Ультрафиолетовое излучение	Рентгеновское излучение	Гамма-излучение
Ионизирующее излучение
Длина волны	10^3м -1 мм	1мм - 0,76 мкм	760 - 380нм	380 - 10 нм	80 - 10 ^4 нм	0,1нм и менее
Энергия кванта [эВ]	l,2*10"^9- 1,2*10-"	1,2*10"- 1,6	1,6 - 3,3	3,3 - 120	10 - 0,5*10^6	0,2*10^6 и более
Источники излучений	Движение зарядов с ускорением	излучение молекул и атомов	излучение атомов	излучение возбужденного ядра
Действие на вещество	Поляризация диэлектриков, возникновение токов проводимости в биологических жидкостях	Фотобиологические процессы	Когерентное рассеяние иониЗАЦИЯ Фото-и комптон-эффекты образование пары
активация терморецепто­ров	активация зрительных рецепторов	Фотохимические реакции на поверхности кожи
Применение в медицине	УВЧ-терапия СВЧ-терапия Эндорадиозонды	тепловое лечение	светолечение лазерная терапия	Светолечение УФ-терапия Синтез витамина Д	Рентгено­терапия	Гамма-терапия
Диагностика с помощью картирова­ния тепловых полей организма	Люминесцентные методы диагностики	Рентгено­диагностика	Радионуклеидная диагностика

 

Как следует из рисунка, максимум энергии излучения при­ходится на = 470 нм, а на поверхности Земли - на длину вол­ны около 555 нм. УФ-излучение короче 290 нм поглощается озоновым слоем около верхней границы атмосферы, а часть длинноволнового ИК-излучения - водяным паром.

Биосфера Земли, в том числе и человек, развивались в усло­виях относительного постоянства солнечной радиации, поэто­му изменение энергии, падающей на Землю в диапазонах ИК, видимом и УФ, определяемое состоянием атмосферы и ионо­сферы (например, появлением озоновых дыр), может отрица­тельно влиять на существование жизни.

Наряду с указанными естественными объектами, излучаю­щими ЭМ волны, существуют и другие природные источники. В частности, источником ЭМ излучения является организм че­ловека. Понимание физических механизмов возникновения ЭМ волн открывает возможности изучать процессы рецепции, элек-трогенеза, распространение нервных импульсов в активных средах и целый ряд других жизненно важных функций.

Современная наука рассматривает два подхода к объяснению механизмов ЭМ излучения. Первый базируется на законах классической электродинамики в основе которой лежит теория Максвелла. Второй использует законы квантовой механики. Оба подхода объясняют возникновение ЭМ волн в различных диапазонах и взаимно дополняют друг друга.

При прохождении ЭМ волны через слой вещества толщиной х интенсивность волны I уменьшается вследствие взаимодей­ствия ЭМ поля с атомами и молекулами вещества. Эффекты вза­имодействия могут быть различными в разных веществах и для разных длин волн. Но общий закон ослабления интенсивности волны будет одинаковым:

, (11.9)

где I ₀ - интенсивность падающего излучения.

Это выражение носит название закон Бугера, , называет­ся коэффициентом ослабления. В общем виде ослабление оп­ределяется поглощением и рассеянием энергии ЭМ волны ве­ществом. Величина I зависит от природы вещества и длины волны.

Радиоволны. К радиодиапазону относятся самые длинные ЭМ волны: А, = 3 • 10³ до 1 м (частота 10⁵ до 3 • 10⁸ Гц) - длин­ные, средние, короткие и УКВ-диапазоны, и от 1 до 10³ м (частота 3 • 10⁸ - 3 • 10¹¹ Гц) - микроволновый диапазон. Ра­диоволны, взаимодействуя с биологическими структурами, могут терять часть энергии переменного электрического поля, превращающейся в теплоту, за счет генерации токов прово­димости в электролитах (крови, лимфе, цитоплазме клеток) и за счет поляризации диэлектриков тканей организма. Осо­бенности распространения электромагнитных волн в живых тканях:

1. Характерной особенностью живых тканей является силь­ная зависимость их электрических свойств: диэлектрической проницаемости е и проводимости а от частоты радиоволн.

2. С ростом частоты v длина волны X электромагнитных волн становится соизмеримой с размерами тела. Как известно, дли­на волны X в веществе с диэлектрической проницаемостью е оп­ределяется выражением: , где с = 3 • 10⁸м/с - ско­рость света. Например, на частоте 460 МГц, применяемой в физиотерапии, длина волны в свободном пространстве () составляет около 0,7 м, а в мягких тканях тела человека толь­ко около 0,1 м.

3. На высоких и сверхвысоких частотах вследствие высокой проводимости тканей энергия электромагнитной волны быст­ро диссипирует в тепло и волны очень быстро затухают по мере прохождения по тканям тела: затухание по мощности в е = 2,72 раза происходит на пути в 1,525 см. Это важно знать при ана­лизе медицинских приложений.

Радиоволны от искусственных источников могут иметь боль­шую интенсивность и оказывать отрицательное влияние на жизненно важные процессы.

Искусственными источниками радиоволн являются радио­вещательные и телевизионные станции, радиолокаторы и спут­никовые системы связи. Они могут давать до 30 • 10⁹ Вт в им­пульсе на частотах около 10¹⁰ Гц. Для человека, находящегося в постоянном поле, интенсивность радиоволн 0,1Вт/м² счита­ется безопасной. На расстояниях более 0,5 км от радиовеща­тельных станций радиоволны длинного, среднего, короткого и УКВ-диапазонов не вызывают в биологических объектах зна­чительных биофизических эффектов. В зонах, где интенсив­ность радиоволн достигает 100Вт/м², пребывание человека за­прещено нормами Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ). Эффекты нагрева биологических тканей радиоволнами используются в медицине при проведении физиотерапевтичес­ких процедур с помощью аппаратов УВЧ, СВЧ-терапии, а так­же индуктотермии.

ИК, видимое и УФ-излучения могут вызывать фотобиологи­ческие процессы в биоструктурах.

Видимый свет вызывает в растениях реакции фотосинтеза.

При действии дальнего УФ-излучения > 12 эВ может про­исходить образование свободных радикалов ароматических и серосодержащих белков и пиримидиновых оснований нуклеи­новых кислот.

ИК и видимые волны активируют термо- и зрительные ре­цепторы соответственно. Действие ИК-излучения на организм связано, прежде всего, с тепловым эффектом в поверхностных тканях. Для прогрева используют коротковолновую часть ИК-диапазона.

УФ-излучение проникает в ткани организма на глубину до 1 мм. Поглощение УФ-излучения связано с фотохимическими реакциями и может привести к появлению эритемы (покрас­нение и загар). Выделяют три зоны действия УФ на организм: А - антирахитная (400-315нм) - идет синтез витамина Д; В - эритемная (315-280 нм) возникает эритема, ожоги; С - бак­терицидная (280-200 нм) - может вызывать канцерогенез, му­тации, бактерицидный эффект. Последний используется в опе­рационных и перевязочных отделениях клиник для дезинфек­ции помещений.

Рентгеновское и гамма-излучения обладают высокими энер­гиями квантов, что определяет их специфическое взаимодей­ствие с веществом, - эти излучения являются ионизирующими.

Рентгеновское излучение при взаимодействии с веществом может когерентно рассеиваться (при взаимодействии фотонов невысоких энергий с электронами внутренних оболочек). Рент­геновское и гамма-излучения могут вызывать фотоэффект, а при больших энергиях фотонов - комптон-эффект.

Образующееся вторичное излучение при комптон-эффекте лежит всегда в более длинноволновой области, чем первичное излучение. Это объясняется тем, что часть энергии исходного рентгеновского или гамма-фотонов расходуется на совершение работы выхода и сообщение электрону кинетической энергии.

Вторичное излучение также может быть ионизирующим, на­пример, при взаимодействии гамма-фотона с веществом может возникать вторичное излучение в рентгеновском диапазоне.

При взаимодействии гамма-фотонов высокой энергии с веще­ством могут образовываться пары: электрон-позитрон (11.8). Рассмотренные эффекты взаимодействия рентгеновского и гам­ма-излучений с веществом могут идти независимо и одновре­менно. Доля того или иного эффекта в общей картине взаимо­действия зависит от энергии фотона (длины волны излучения) и порядкового номера вещества.

Особенно сложным является проявление этих свойств при взаимодействии рентгеновского и -излучения с биологически­ми объектами. Это связано с тем, что поглощение различных тканей организма может сильно отличаться.

Одной из важных характеристик ЭМ-излучения, определя­ющей характер его взаимодействия с биологическими объек­тами, является энергия фотона е. Мы говорили ранее, что ЭМ-излучение обладает одновременно как свойствами волны, так и свойствами частицы (проявление корпускулярно-волнового дуализма). Выраженность каждого из этих свойств зависит от длины волны. Так, в радиодиапазоне и в ИК-излучении про­являются волновые свойства (дифракция волн, интерферен­ция), в видимом диапазоне и те и другие свойства выражены примерно одинаково (дифракция - волновые, фотоэффект -корпускулярные). С уменьшением длины волны сильнее про­являются корпускулярные свойства ЭМ-излучения. Начиная с энергии кванта, примерно равной 12 эВ (1 эВ = 1,6 • 10 ^-19 Дж), что соответствует дальнему УФ, и далее в диапазоне рентге­новского и тем более гамма-излучения, ЭМ волна ведет себя как поток частиц. С этой условной границы ЭМ-излучения могут ионизировать вещество, и поэтому, начиная с дальнего УФ, рентгеновское и гамма-излучения относят к ионизирующим.

 

12. Радиоактивное излучение в медицине.

В природе наблюдается явление радиоактивного распада - са­мопроизвольное превращение ядер определенных элементов в ядра других элементов с испусканием радиоактивных альфа-, бета- и гамма-излучений. По­токи альфа-частиц, электронов и позитронов, а также гамма- из­лучение возникают при радиоактивном распаде:

1) -частицы образуются в результате распада тяжелых ядер:

,

-частицы состоит из 4-х нуклонов: двух нейтронов и двух протонов;

2) потоки электронов и позитронов возникают в результате -распада:

,

,

где - электрон, - позитрон, и - нейтрино и антиней­трино соответственно;

3) - и - распады могут сопровождаться -излучением (кван­ты электромагнитного поля с высокой энергией). Возможны и другие процессы, приводящие к гамма-излучению.

К основным свойствам радиоактивных излучений относятся их проникающая и ионизирующая способности.

Характеристики радиоактивных излучений

Вид излучения	Заряд Z ед. элем. заряд	Атом­ная масса А, а.е.м	Средняя энергия, 10^6 эВ	Линейная плотность ионизации (воздух), пар/см	Средний линейный пробег, м ( -излучения )
					воздух	ткани организма
Альфа			4-8,8	~3*10^4	(2-8)*10^-2
Бета			0,01-10	50 -250		1,5*10^-2
Гамма			0,2-3,0			около 1

Ионизирующая способность излучения оценивается линей­ной плотностью ионизации i:

,

где dn - число ионов одного знака, образованных ионизирующей частицей на элементарном пути dl. На практике эта величина оце­нивается количеством пар ионов, образованных частицей на 1см пробега. Проникающая способность излучения оценивается дли­ной свободного пробега или средним линейным пробегом — сред­нее расстояние, которое проходит частица в данном веществе, пока она способна ионизировать. Ионизирующая и проникающая спо­собности частиц зависят от их заряда и массы, а также от плотно­сти вещества, в котором идет процесс ионизации. Чем больше за­ряд и масса частицы, тем больше ее способность ионизировать вещество и тем меньше ее средний линейный пробег. Средние зна­чения энергий, линейной плотности ионизации, линейного про­бега для радиоактивных излучений приведены в табл.

Вследствие различных ионизирующих и проникающих спо­собностей радиоактивных излучений способы защиты от них различны: для защиты от -частиц достаточно слоя бумаги, одежды и т.п.; от -излучения можно защититься сантиметро­вым слоем дерева, стекла или любого легкого металла; для за­щиты от -излучения применяются толстые (до метров) слои воды, бетона, кирпичные стены, а также пластины из свинца толщиной до 10 см.

Действие ионизирующих (рентгеновское и -излучение, потоки -частиц, электронов, позитронов, а так­же потоки нейтронов и протонов)излучений на вещество оценивают дозой D.

При облучении организма ионизирующими излучениями, например при процедурах лучевой терапии, в участках тканей, находящихся на разных глубинах, поглощается разная вели­чина энергии, а следовательно, и поглощенная доза для этих глубин будет разная.

Для излучений с малой энергией фотона распределение D_п по глубине будет определяться экспоненци­альным законом ослабления интенсивности излучения

 

. (1)

Дозы и их единицы измерения

доза     система единиц	Поглощенная доза Dn	Экспозиционная доза Dэ	Биологическая доза (эквивалентная) Dб
СИ   внесистемные	Дж/ кг Грей (Гр)     1рад=10^-2 Гр	Кл/кг     рентген (Р)	Зиверт (Зв)   бэр (биологический эквивалент рада) 1бэр = 10^-2 Зв

 

Жесткое излучение вызывает эффекты вторичной иониза­ции, а это, в свою очередь, повышает локальное выделение энер­гии на глубинах, где возникает вторичная ионизация.

Этот эффект используется при лечении опухолей: подбором жесткости излучения дости­гают выделение максимума энергии в месте очага.

Потоки протонов и нейтронов с большой энергией имеют ма­лые коэффициенты ослабления и отдают большую часть энер­гии (максимум D_n) в конце пробега и их кинетическая энергия становится сравнимой с тепловой (рис. 11.3, в).

Биологическая доза (эквивалентная) зависит от вида излу­чения и связана с поглощенной соотношением

D₆ = K*D_п, (2)

где К - коэффициент качества, зависящий от вида излучения:

Для рентгеновского и гамма-излучение К =1, нейтроны, протоны К =10,альфа-излучение К =20.

 

Из выражения (2)следует, что эффект действия на орга­низм человека радиоактивных излучений существенно зависит не только от величины поглощенной энергии D_п на 1 кг, но и от вида действующего излучения.

При действии на организм потока нейтронов могут проис­ходить: упругое соударение с ядром и вторичная ионизация; неупругое соударение с ядром с испусканием -кванта; захват нейтрона ядром с образованием радиоактивного изотопа. По­следний эффект может быть причиной образования в организ­ме радиоактивных изотопов:

а также может идти ряд других реакций.

При взаимодействии ионизирующих излучений с водой про­исходит радиолиз воды, в результате которого возможно обра­зование возбужденных молекул (Н₂О*), ионов (например, Н₂О⁺), радикалов (например ^.Н, ^.ОН), перекиси водорода (Н₂О₂). Эти высокоактивные в химическом отношении соединения могут взаимодействовать с остальными молекулами биологической системы, что может привести к нарушению нормального фун­кционирования мембран, клеток и органов.

Кроме того, действие радиоактивных излучений может вы­зывать в организме образование свободных радикалов нуклеи­новых кислот, липидов и др.

Мощность дозы определяется по формуле:

.

Для внесистемных единиц измеряется в рад/с, Р/час, бэр/год и др.

 

Важно отметить, что природный радиоактивный фон, ока­зывая влияние на развитие жизни на Земле, является неотъем­лемой частью сферы обитания человека. В условиях радиоак­тивного фона происходят такие процессы, как деление одноклеточных организмов и клеток, развитие эмбрионов на­секомых, рост и развитие высших растений и животных.

. Свойства некоторых радионуклидов

Радиоактивный изотоп	Период полураспада	Вид излучения
^131I	8 дней	(0,7 МэВ)
^90Sr	28 лет	- (0,2 МэВ)
^137Cs	27 лет	- (0,3 МэВ) и (0,6 МэВ)

 

При авариях на АЭС или при ядерных взрывах в атмосферу могут выбрасываться различные радионуклиды, свойства не­которых из них приведены в табл.

Эти изотопы могут накапливаться в организме, вызывая в нем нарушение деятельности как отдельных органов, так и организма в целом.

Так, ¹³¹I накапливается в щитовидной железе, и уже 0,35 мг ра­диоактивного йода опасны для человека (при ежесуточной потреб­ности около 150 мг). Изотоп ⁹⁰Sr накапливается в костной ткани, а изотоп ¹³⁷Cs равномерно распределяется в клетках организма.

Особую опасность представляют повышенные дозы радиоак­тивных излучений для кроветворной системы, пищеваритель­ного тракта и желез внутренней секреции человека. Люди, ра­ботающие с излучением: в больницах, на АЭС, в лабораториях - могут получать дозу до 0,5 бэр в год.

Предельно допустимой биологической дозой для человека при профессиональном облучении считается 5 бэр в год.Мини­мальная летальная доза от «прямого -луча» условно принята 600 бэр при облучении всего тела.

Радиоактивные излучения широко используются в диагно­стике и в терапии заболеваний. Радионуклидная диагности­ка или, как его называют, метод меченых атомов использует­ся для определения заболеваний щитовидной железы (с использованием радиоизотопа ¹³¹I). Этот метод; также позво­ляет изучать распределения крови и других биологических жидкостей, диагностировать заболевания сердца и ряда дру­гих органов.

Гамма-терапия — это метод лечения онкологических заболе­ваний с помощью -излучения. Для этого применяют чаще все­го специальные установки, называемые кобальтовыми пушка­ми, в которых в качестве излучающего изотопа используют ⁶⁶Со. Применяется также радоновая терапия: минеральные воды, содержащие ²²²Rn и его продукты, используются для воздей­ствия на кожу (радоновые ванны), органы пищеварения (пи­тье), органы дыхания (ингаляция).

Для лечения онкологических заболеваний применяются -частицы в комбинации с потоками нейтронов. В опухоль вво­дят элементы, ядра которых под воздействием потока нейтро­нов вызывают ядерную реакцию с образованием -излучения:

или

Таким образом, -частицы и ядра отдачи образуются в том месте органа, которое необходимо подвергать воздействию.

Доказано, что изменение радиоактивного фона, состояние магнитосферы и ионосферы Земли непосредственно влияют на экологию и состояние биосферы. Техногенные источники элек­тромагнитных излучений, все шире используемые человеком, вносят свой отрицательный вклад в экологическое состояние нашей планеты.

13. Виды физических полей тела человека. Их источники и характеристики.

Физические поля, которые генерирует организм в процессе функциониро­вания, называют собственными физическими полями организ­ма человека.

Многочисленные физические методы исследования организ­ма человека, использующие регистрацию собственных физи­ческих полей человека, позволяют получить информацию о процессах в организме, которую нельзя получить иными спо­собами. Электрокардиография - типичный тому пример.

Вокруг человека существуют электромагнитные и акустичес­кие поля.

Рис. 12.1. Схема электромагнитных (справа) и акустических (слева) собственных полей человека. Электромагнитные поля: Е - электри­ческое поле, В - магнитное, СВЧ — сверхвысокочастотные электро­магнитные волны дециметрового диапазона, ИК - электромагнитные волны инфракрасного диапазона, видимое - оптический диапазон излучений. Акустические поля: НЧ - низкочастотные колебания, КАЭ - кохлеарная акустическая эмиссия, УЗ - ультразвуковое излу­чение. Цифры - характерные частоты излучений (в герцах). Зашт­рихованы области тепловых излучений. Справа и слева указаны на­звания датчиков и приборов для регистрации соответствующих полей. СКВИД - сверхпроводящий квантовый интерферометр, ФЭУ — фотоэлектрический умножитель.

 

Электромагнитные поля.

1) низкочастотное электрическое (Е) и магнитное (В) поле (частоты ниже 10³ Гц);

2) радиоволны сверхвысоких частот (СВЧ) (частоты 10⁹- 10¹⁰ Гц и длина волны вне тела 3-60 см);

3) инфракрасное (ИК) излучение (частота 10¹⁴ Гц, длина вол­ны 3-10 мкм);

4) оптическое излучение (частота 10¹⁵ Гц, длина волны по­рядка 0,5 мкм).

Низкочастотные поля создаются главным об­разом при протекании физиологических процессов, сопровож­дающихся электрической активностью органов: кишечником (~1 мин), сердцем (характерное время процессов порядка 1 с), мозгом (-0,1 с), нервными волокнами (~10 мс). Спектр частот, соответствующих этим процессам, ограничен сверху значени­ями, не превосходящими ~1кГц.

В СВЧ и ИК-диапазонах источником физических полей яв­ляется тепловое электромагнитное излучение.

Таблица. Характеристики электромагнитных полей, создаваемых телом человека

	Электри­ческое	Магнит­ное	Электромагнитное излучение СВЧ диапазона	Инфра­красное ИК	Видимое
Частота, Гц	0 - 10^3	10^9	10^14	10^15
Длина волны	—	—	3 - 60 см	3-14 мкм	500 нм
Датчики	электроды	сквид	антенны-аппликаторы	тепло­визоры	ФЭУ
Способ регист­рации	контакт­ный и бесконтактный	бескон­такт­ный	контактный	дистан­ционный	дистан­ционный
Источни­ки полей	биопотен­циалы	биотоки	тепловое излучение	хемилюминесценция

Акустические поля. Диапазон собственного акустического из­лучения ограничен со стороны длинных волн механическими колебаниями поверхности тела человека (0,01 Гц), со стороны коротких волн ультразвуковым излучением, в частности, от тела человека регистрировали сигналы с частотой порядка 10 МГц.

Существуют три диа­пазона акустического поля

1) низкочастотные колебания (частоты ниже 10³ Гц);

2) кохлеарную акустическую эмиссию (КАЭ) - излучение из уха человека (v ~10³ Гц);

3) ульт­развуковое излучение (v ~ 1-10 МГц).

Низкочастотное излучение созда­ется физиологическими процессами: дыхательными движени­ями, биением сердца, током крови в кровеносных сосудах и некоторыми другими процессами, сопровождающимися коле­баниями поверхности человеческого тела в диапазоне прибли­зительно 0,01- 10³ Гц. Это излучение в виде колебаний по­верхности можно зарегистрировать контактными, либо бес­контактными методами, однако его практически невозможно измерить дистанционно с помощью микрофонов. Это связано с тем, что идущие из глубины тела акустические волны прак­тически полностью отражаются обратно от границы раздела «воздух-тело человека» и не выходят наружу в воздух из тела человека. Коэффициент отражения звуковых волн близок к единице из-за того, что плотность тканей тела человека близ­ка к плотности воды, которая на три порядка выше плотности воздуха.

Источником акустического изучения мегагерцового диапа­зона является тепловое акустическое излучение - полный ана­лог соответствующего электромагнитного излучения. Оно воз­никает вследствие хаотического теплового движения атомов и молекул человеческого тела. Интенсивность этих акустических волн, как и электромагнитных, определяется абсолютной тем­пературой тела.

Акустические поля человека

Поверхность человеческого тела непрерывно колеблется. Эти колебания несут информацию о многих процессах внутри орга­низма: дыхательных движениях, биениях сердца и температу­ре внутренних органов.

Низкочастотные механические колебания с частотой ниже нескольких килогерц дают информацию о работе легких, серд­ца, нервной системы. Регистрировать движения поверхности тела человека можно дистанционными или контактными датчиками в зависимости от решаемой задачи.

Например, в фонокардиографии для измерения акустических шумов, создаваемых сердцем, используют микрофоны, устанавливаемые на поверхности тела. Электрические сигналы с датчиков усиливают и подают на регис­трирующее устройство либо ЭВМ и по их форме и величине дела­ют заключения о движениях тех или иных участков тела.

Кохлеарная акустическая эмиссия. Из уха животных и чело­века могут излучаться звуки - это явление называют кохлеарной акустической эмиссией, поскольку их источник локализован в улитке (cochlea) органа слуха. Эти звуки можно зарегистрировать микрофоном, расположенным в ушном канале. Обнаружен ряд видов кохлеарной акустической эмиссии, среди которых выделя­ется так называемая спонтанная эмиссия и акустическое эхо.

Спонтанная эмиссия - это самопроизвольное непрерывное излучение звука из ушей человека. Уровень звукового дав­ления достигает 20 дБ, т.е. в 10 раз выше порогового значе­ния 2 • 10 ⁵ Па, которое способно воспринимать ухо человека на частоте 1 кГц. Частоты эмиссии у разных лиц отличаются и лежат в диапазоне 0,5-5 кГц, излучение обладает высо­кой монохроматичностью. Эмиссия наблюдается в среднем у 25% мужчин и у 50% женщин. Спонтанная эмиссия не име­ет никакого отношения к «звону в ушах» - субъективному ощущению чисто нервного происхождения.

Кохлеарная акустическая эмиссия связана с деятельностью так называемых наружных волосковых клеток, расположен­ных в кортиевом органе улитки. В ответ на приходящую зву­ковую волну они изменяют свои размеры и вызывают во внут­реннем ухе механические колебания, которые способны, распространяясь в обратном направлении, выходить наружу через среднее ухо. Биофизический механизм быстрых изме­нений геометрии клеток пока неясен, его быстродействие в сто раз выше, чем у мышц.