Глава 2. Определение взаимосвязи между
параметрами электромагнитного излучения
миллиметрового диапазона длин волн, дозовыми нагрузками и эффективностью
воздействия
на биологические объекты
2.1. Экспериментальные данные о биологическом действии миллиметровых волн
Основные феноменологические аспекты задачи взаимодействия электромагнитного
излучения миллиметрового диапазона с биологическими объектами, связанные с
параметрами излучения сводятся, к тому, что биологический эффект наблюдается в
узких интервалах частот миллиметрового диапазона при использовании нетепловых
уровней интенсивностей.
Эти частотные диапазоны зависят от объектов воздействия. Для наглядности
приведена таблица соответствия длин волн, выраженных в миллиметрах и
биологические объекты, наиболее эффективно реагирующие на соответствующее
излучение [41, 42].
Длина волны, мм
Биологические объекты
0,9
Эритроциты
1,65
Человек
2,5
Бактерии
4,11–4,41
Микроорганизмы, человек
5,6
Человек
5,7
Эритроциты
5,8
Микроорганизмы
5,85
Бактерии
6,0
Микроорганизмы
6,5
Липосомы, микроорганизмы, человек
7,1
Гемоглобин, эритроциты, микроорганизмы, мыши
7,2
Микроорганизмы, мыши, дрозофилы
8,2
Микроорганизмы
В лечебной практике используются так называемые «терапевтические частоты»,
соответствующие длинам волн 7,2; 5,6; 4,9; 4,2 мм [43]. При этом вне
зависимости от частотного диапазона и мощности излучения, которая обычно
колеблется от десятков до единиц милливатт на квадратный сантиметр поверхности
облучения, воздействующая доза или время облучения определяются сугубо
эмпирически. На начальном периоде развития КВЧ-терапии эти времена облучения
составляли от 40 до 70 минут, в последующем времена облучения уменьшились до
15ё20 минут. При этом проводились попытки найти какие-то физиологические
параметры: артериальное давление, частота пульса, изменение потенциалов мозга
для определения оптимальной дозы облучения, которая могла бы служить критерием
управления обратной связью для генератора КВЧ-излучения. Однако предлагаемые
критерии не имели общности, то есть менялись в зависимости от пола, возраста,
состояния пациента.
Уже в первых работах по воздействию КВЧ-излучений на биологические объекты было
показано, что имеется некоторый порог мощности, выше которого появляется эффект
воздействия, при дальнейшем увеличении поглощенной мощности эффект воздействия
сначала увеличивается, а потом достигает насыщения (см. пункт второй
зависимости параметров излучения). Эта качественная картина биоэффекта
действительно имела место для различных обводненных биологических объектов,
однако величины порога и насыщения у различных авторов имеют сильно не
совпадающие значения [44]. Эти различия пытались объяснить наличием
неучитываемых величин жирового покрова, который служит своеобразным
трансформатором импедансом, определяющих различную отражательную способность
кожи.
Таким образом, можно сделать заключение, что, несмотря на многолетний опыт
использования СВЧ и КВЧ-излучений и обширный эмпирический материал, в настоящее
время нет единого мнения ни обо всем спектре эффектов, вызываемых этими
излучениями, ни обо всех механизмах воздействия, ни о режимах и параметрах его
применения, особенно при ожоговых поражениях.
Поэтому в работе необходимо было определить основные характеристики
СВЧ-излучения, определяющие оптимальное воздействие на биологические объекты,
помещенные в водную среду или содержащие в своем составе достаточное количество
воды. Эти характеристики могут быть использованы как для разработки
физиотерапевтической аппаратуры, так и при применении уже имеющейся в лечебных
учреждениях.
2.2. Методика исследований влияния излучений на биологические объекты
Исследования проводились в миллиметровом и сантиметровом диапазонах длин волн,
что соответствовало диапазону частот 6ё70 ГГц. Для проведения измерений в столь
большом диапазоне использовались как стандартные, так и специально
разработанные генераторы, а вся схема измерений должна иметь возможность точно
воспроизводить условия измерений на каждой из частот. Поэтому в схеме измерений
предусматривались дополнительные элементы настройки мощности, КВСН и частоты, а
также идентичные антенны.
На рис. 2.1 приведена схема эксперимента, где: 1 – генератор соответствующего
диапазона; 2 – аттенюатор; 3 – измерительная линия; 4 – измеритель КСВН; 5 –
p-i-n-аттенюатор; 6 – рупорная антенна; 7 – облучаемый объект; 8 – блок
питания; 9 – частотомер; 10 – трансформатор импедансов.
Рис. 2.1. Схема эксперимента
Мощность задающего генератора (1) грубо регулировалась аттенюатором (2), то
есть этим аттенюатором выбирался динамический диапазон мощностей. С помощью
измерительной линии (3) и измерителя КСВН измерялись не только КСВН нагрузки,
но и длина волны. В том случае, когда согласование было проведено с помощью
трансформатора импедансов (10) предварительно, и не было необходимости измерять
КСВН, то для измерения частоты использовался частотомер. P-i-n-аттенюатор (5),
управляемый током с помощью блока питания (8), совмещался с входом рупорной
антенны (6), которая облучала биологический объект (7) [45].
Стандартные генераторы Г4-141 и Г4-142, перекрывающие коротковолновую часть
изучаемого диапазона использовались с гибким переходным диэлектрическим
волноводом, который позволял канализировать электромагнитную энергию от
источника к излучателю. Излучатель представлял собой рупорную антенну
соответствующего диапазона длин волн, на вход которой помещался электрически
управляемый p-i-n-аттенюатор [46], необходимость которого определяется тем, что
выходная мощность гене