Электромагнитные волны СВЧ-диапазона

Эти волны в теле человека затухают слабее, чем инфракрас­ное излучение. Поэтому с помощью приборов для измерения слабых электромагнитных полей этого диапазона частот, так называемых СВЧ-радиометров, можно измерить температуру в глубине тела человека. Волны из тела человека принимают посредством контактной антенны - аппликатора. Дистанционные измерения в этом ди­апазоне, к сожалению, практически невозможны, так как вол­ны, выходящие из тела, сильно отражаются обратно от грани­цы тело-воздух.

Главная трудность при анализе измерений глубинной темпе­ратуры по радиотепловому излучению на его поверхности состо­ит в том, что трудно локализовать глубину источника температу­ры. Для ИК-излучения эта проблема не возникает: излучение поглощается на глубине 100 мкм, так что его источником одно­значно является поверхность кожи. Радиоволны СВЧ-диапазона поглощаются на расстоянии, которое составляет несколько см.

Средняя глубина, с которой измеряется температура, опре­деляется глубиной проникновения d. Она зависит от длины вол­ны и типа ткани. Чем больше в ткани воды (электролита), тем с меньшей глубины можно измерить температу­ру: в жировой ткани с низким содержанием воды d = 4 - 8 см, а в мышечной ткани (с высоким содержанием воды) эта величи­на уменьшается до значений d = 1,5 - 2 см.

 

Оптимальными для измерения глубинной температуры яв­ляются радиометры с длиной волны в свободном пространстве = 20 - 40 см: у более коротковолновых устройств глубина про­никновения снижается до нескольких миллиметров, то есть они фактически, так же как и ИК-тепловизоры, измеряют темпера­туру кожи, а у более длинноволновых радиометров ( = 60 см) слишком велик размер антенны и мала пространственная раз­решающая способность.

Хотя метод СВЧ-радиометрии измеряет среднюю по глубине тем­пературу в теле человека, сейчас известно, какие органы могут ме­нять температуру, и поэтому можно однозначно связать изменения температуры с этими органами. Например, изменение температу­ры во время мышечной работы, очевидно, связано именно с мы­шечной тканью, изменения глубинной температуры головного моз­га, которые достигают 1-2 К, определяются его корой.

Механизмы изменения температуры в теле человека. Теп­ловой баланс каждого участка тела поддерживается за счет трех факторов: 1) генерации тепла вследствие метаболизма; 2) об­мена теплом с соседними участками тела из-за термодиффузии; 3) конвективного теплообмена посредством кровотока, то есть за счет притока и оттока тепла с кровью. За счет конвективно­го теплообмена одни ткани могут нагреваться, а другие охлаждаться. Температура крови, притекающей по артериям в раз­личные органы, определяется температурой «теплового ядра» тела (фактически грудной клетки) и составляет около 37 °С.

Кровь, притекающая в покоящиеся мышцы (их температура около 35,5 °С), вызывает их нагрев. Напротив, температура мозга из-за активной работы нейронов ближе к 38 °С, т.е. при­текающая кровь его охлаждает. В силу этого различия времен­ное прекращение кровотока приводит к охлаждению мышцы и, наоборот, к нагреву мозга.

В качестве примера физиологических исследований приве­дем временную зависимость глубинной температуры мышцы под действием мышечной работы. Глубинная температура би­цепса человека в покое составляет около 35,5 °С, после начала совершения мышечной работы рост температуры (кривая 1, рис. 12.4) начинается не сразу, а после некоторой задержки -латентного периода, равного 20 - 30 с. Подъем температуры связан с увеличением кровотока и метаболизма в мышце и про­должается после окончания работы.

Существенно, что этот подъем температуры не прекращает­ся в момент окончания работы, он длится еще некоторое время, а лишь потом наступает медленный спад. Если на руку пред­варительно наложить жгут и остановить кровообращение, то и в этом случае при работе температура бицепса растет, однако медленнее (кривая 2). Из этих данных вытекает ряд важных данных о работе мышц человека. Во-первых, собственно сокра­тительная система мышцы - миофибриллы - имеет высокий коэффициент полезного действия, об этом говорит отсутствие роста температуры во время латентного периода, когда мышца использует готовый запас макроэргов: АТФ и креатинфосфата. Во-вторых, главное повышение температуры связано не с совершением работы, а с теплопродукцией, обусловленной энергетическим обеспечением синтеза АТФ в работающей мыш­це и после окончания работы; равным образом ответственно за рост температуры и увеличение кровотока.

 

Рис. 12.4. Зависимость глубинной температуры Т бицепса человека пос­ле начала совершения работы по периодическому подъему груза массой в несколько кг с частотой около 1 раза в секунду (кривая 1) (время, в течение которого совершалась работа, показано внизу чертой). Кривая 2 - то же, но при наложенном жгуте и остановленном кровотоке

 

Применение СВЧ-радиометрии в медицине. Основными сфе­рами практического применения СВЧ-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 - 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.

В таблице IV на форзаце приведены результаты обследования больного с заболеванием головного мозга. Температура измеря­лась 12-ю антеннами - их положения схематично показаны слева. Динамика изменения температуры в одной из точек показа­на справа. Спустя 4 мин после начала измерения (цифра 2 в квад­ратике справа) началась гипервентиляционная проба - по коман­де больной начал часто и глубоко дышать. Спустя 1,5 мин проба была окончена (цифра 3). Как видно из таблицы, во время про­бы слева в теменной области (антенна № 6) наблюдался рост тем­пературы на 2 К - после окончания пробы он сменился резким спадом. Слева в таблице приведена температурная карта, пост­роенная в момент окончания пробы, - очевидна резкая неодно­родность температуры коры. Подобные сильные изменения тем­пературы у здоровых испытуемых не наблюдаются. Таким образом СВЧ-радиометрия выявляет тонкие изменения функци­ональных особенностей головного мозга.

Оптическое излучение тела человека надежно регистрирует­ся с помощью современной техники счета фотонов. В этих уст­ройствах используют высокочувствительные фотоэлектронные умножители (ФЭУ), способные регистрировать одиночные кванты света и выдавать на выходе кратковременные импуль­сы тока, которые затем считаются с помощью специальных электронных счетчиков.

Измерения, проведенные в ряде лабораторий, показали, что 1 см² кожи человека за 1 с спонтанно излучает во все стороны 6 - 60 квантов, главным образом, в сине-зеленой области спект­ра. Светимости различных участков кожи отличаются - наи­более сильное излучение исходит от кончиков пальцев, гораз­до слабее, например, от живота или предплечья. Это свечение не связано с наличием загрязнений на коже и зависит от функ­ционального состояния пациента, снижаясь в покое и повыша­ясь с ростом его активности.

Можно индуцировать свечение кожи, например, с помощью обработки ее перекисью водорода или воздействия на кожу предварительной засветкой. Сильное последействие - фосфо­ресценцию - вызывает излучение на длине волны 254 нм, соот­ветствующее пику поглощения ДНК. Предварительная засвет­ка вызывает рост свечения в тысячи раз, которое затем спадает во времени по сложной кинетической кривой с несколькими постоянными времени от единиц до десятков минут.

Оптическое излучение кожи не является тепловым. Интен­сивность теплового излучения в оптическом диапазоне ничтож­на - с 1см² поверхности тела один квант в среднем может излу­чаться лишь за много секунд.

Наиболее вероятный механизм спонтанного свечения - это хемилюминесценция, вызванная перекисным окислением липидов, которое сопровождается появлением радикалов, т.е. моле­кул в возбужденном электронном состоянии. При взаимодей­ствии таких молекул в определенном (малом) проценте случаев происходит излучение света. При индуцированном свечении возможны и другие механизмы, например, измерено излучение при активации определенных клеток крови - нейтрофилов, свя­занное с генерацией активных форм кислорода.