Шпоры по Щукину (Шпаргалки к экзамену по ОВФПсБО), страница 4

Так как в частотный диапазон СВЧ излучений попадает частота релаксации воды (вспомнить график альфа, бета, гамма -дисперсии), то именно водные среды организма поглощают энергию в наибольшей степени. СВЧ слабо взаимодействуют с кожей, жиром, костью, а в мышечных тканях и внутренних органах интенсивно поглощаются. Поэтому мышцы и внутренности претерпевают наибольшее нагревание при микроволновой терапии. Много тепла выделяется в жидкостях, заполняющих различные полости.

Под действием СВЧ излучений может активироваться иммунная система. Экспериментально установлено, что при длинах волн порядка несколько миллиметров происходит стимуляция активности лейкоцитов и их выход из костного мозга. Механизмы подобных реакций активно изучаются. Кроме того, известны длины волн, на которых происходит угнетение лейкоцитарной активности.

- экспериментальный, при котором измеряют локальное изменение температуры в области воздействия, и если изменение температуры более 0.1-0.5⁰С, то говорят, что характер взаимодействия при данной интенсивности, скорее всего, является энергетическим;

- теоретический - оценочный. Если интенсивность внешнего воздействия сопоставима, или выше, интесивности основного обмена тканей (обычно говорят о нейро-мышечной ткани), то характер взаимодействия внешнего поля с сенсо-регуляторными системами организма - энергетический.

В состоянии покоя в единице объема мышечной ткани выделяется около 0,1-0,5мВт./мл^-1 тепла. Или иными словами, через поверхность излучается порядка 0,1 мВт/см².. Поэтому, если в результате поглощения энергии внешнего поля в единице объёма поглощается более чем 1 мВт/мл, или плотность потока мощности более 1 мВт/см², то мы имеем дело с энергетическим типом взаимодействия. На сегодняшний день, для большинства изученных сенсорных систем, и что крайне важно активированных (т.е. в максимальной степени чувтвительных), установлено, что для ширина ОИВД для плотности потока мощности находится в диапазоне 100-140 дБ (в амплитудах 5-7 порядков соответственно). Вторым экспериментальным фактом является то, что примерно в середине ОИВД находится зона наилучшего сенсорного восприятия- зона оптимального взаимодействия. Понятно, что максимальная степень активации на практике соответствует случаям уже развитого патофизиологического процесса, т.е. это главным образом, пациенты стационаров, или состояние после хирургического вмешательства. Получается, что, для них исходя из знания положения границы зон энергетического и информационного взаимодействия можно оценить плотности потока мощности, которая будет соответствовать зоне наилучшего сенсорного восприятия. А как быть, если стадия заболевания еще не дошла до стадии максимальной активации, или в наших терминах ширина зоны информационного взаимодействия меньше, чем 100- 140 Дб. В этом случае можно рекомендовать два способа оценки ширины индивидуальной зоны информационного взаимодействия: либо надо экспериментально оценить порог чувствительности к данному виду воздействия; либо менять интенсивность воздействия (уменьшать его интенсивность, начиная с уровней соответствующих уровню нормального функционирования) до тех пор, пока не будет определены значения соответствующие наиболее выраженной реакции сенсо-регуляторных систем. Однако в обоих случаях, необходимо иметь канал обратной связи по информации которого оперативно и внятно можно судить о эффективности воздействия (в последнем случае тестового воздействия).

В клинической практике ситуация не выглядит столь трудоёмко, поскольку в процессе медико-биологических исследований в зависимости от степени и тяжести конкретного заболевания уже определены примерные значения интенсивности, экспозиции и других технических параметров воздействия. Но при исследованиях новых адекватных воздействий все эти этапы необходимо реализовывать в той, или иной степени.

Диэлектрические свойства биологических тканей.

Диэлектрические свойства биотканей определяются присутствием в них воды, растворенных в воде макромолекул, а также компартментализацией клеточных и макроскопических структур.

Компартментализация способствует оптимальному протеканию биохимических реакций, но с другой стороны, приводит к тому, что биоткани приобретают сегнетоэлектрические (электретоподобные) свойства. Вследствие наличия заряженных компартментов биоткани обладают высоким значением , особенно на НЧ. Заряженные слои ведут себя во внешнем поле как домены с высоким значением электрического дипольного момента и низкой характеристической частотой релаксации f_x. Применительно к диполям f_x соответствует максимальной частоте внешнего ЭМП, которую они способны воспроизводить своим поворотом в нем. В результате подобных поворотов достигается высокая степень экранирования внешнего ЭМП. Диапазон частот f_x для различных внутриклеточных компартментов простирается от долей герца до 1-10кГц.

На границе раздела электролита и белкового матрикса биоткани образуется двойной электрический слой с большим значением электрического дипольного момента. Причём характерный размер разделённых зарядов в диэлектрике существенно больше, чем в электролите. Наличие регулярно расположенных границ раздела приводит к тому, что в объёме ткани возникает макроскопический дипольный момент (рис.1.3).

Рис. 1.3. Образование дипольной структыры на границе раздела. Слева электролит, справа белковый матрикс, стрелки указывают направление перехода электронов, L - характерная длина эквивалентного диполя р.

Н а более высоких частотах диэлектрические свойства определяются полярными макромолекулами, сосредоточенными как во внутри и внеклеточной жидкости, так и в двойном слое мембраны клеток.

У разных белковых молекул f_x охватывает диапазон от 10 кГц до 100 МГц и зависит от размеров молекулы и вязкости среды. Существует формула для оценки характеристической f_x в жидких средах заполненных диполями:

где r- характерный размер диполей; - вязкость среды; T- температура.

Т.е. частота релаксации одной и той же молекулы в цитоплазме и в плазме крови отличаются, т.к. вязкости разные.

Н а СВЧ частотах основной вклад в диэлектрические свойства вносит вода, частота релаксации которой составляет 20 ГГц. Именно в воде происходят основные диэлектрические потери при действии СВЧ излучения (f_x воды попадает в диапазон сантиметровых волн).

Все эти явления приводят к дисперсии – зависимости диэлектрической проницаемости от частоты. Типичный вид дисперсии приведён на рис.1.4.

Рис. 1.4. Дисперсия диэлектрической проницаемости скелетной мышцы.

Для биотканей принято выделять три частотные области дисперсии. -дисперсия: её диапазон простирается до ~ 10 кГц.

Электрическая проводимость крови.

Эти свойства важны для широкого спектра задач биоинженерии, среди которых диагностические методы исследования: кондуктометрия (измерение расхода крови, измеряемое по изменению сопротивления); импедансные методы диагностики, а также большое количество терапевтических методов, в которых на кровеносные сосуды осуществляется электромагнитное воздействие, спектр которого простирается от инфранизких частот до оптического диапазона.

Спектры диэлектрической проницаемости  и проводимости  крови с хаотически ориентированными эритроцитами и в отсутствие потока (без движения) представлены на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Зависимости диэлектрической проницаемости и проводимости крови и плазмы от частоты.

Если, пользуясь этими данными, оценить максвелловское время релаксации для крови, то получим, что вплоть до частот порядка 10⁶ Гц кровь является проводником, а при частотах более 10²-10³ Мгц - диэлектриком. График отражает тот факт, что измерение проводимости крови часто проводят на переменном токе в частотном диапазоне от 10² до 10⁵-10⁶ Гц.

На практике различают две области практических интересов: электрофизические свойства покоящейся и движущейся крови. Рассмотрим первую из областей.

Основные результаты исследований

На рисунке 1.13 приведены результаты синхронных измерений средней по сечению трубки скорости и процентного изменения продольного удельного электрического сопротивления крови в процентах.

Рис. 1.13. Графики средней скорости и продольного удельного сопротивления потока крови в измерительной ячейке.

Из представленных данных видно, что при ускорении потока крови происходит резкое уменьшение продольного сопротивления с малыми временами релаксации. Когда поток установился, сопротивление практически постоянно и монотонно релаксирует к значению для покоящейся крови с существенным характерным временем. Абсолютные значения изменения удельного сопротивления зависят от показателя гематокрита и скорости сдвига. Видно, что ускоряющийся поток крови практически не имеет задержки ­<0,05 с, в то время как при торможении потока имеется существенное время задержки ~0,21..0,30 с. Экспериментальные результаты были обработаны в терминах средней по сечению скорости потока, средней скорости сдвига, и среднего показателя гематокрита.

; ;

По результатам факторного анализа и применения методов параметрической оптимизации аппроксимация экспериментальных данных представлена в виде:

Вид зависимостей полученных таким образом, представлен на рис. 1.14.

Р ис. 1.14. Изменение продольного удельного электрического сопротивления движущейся крови от средней скорости сдвига при различных показателях гематокрита.

Установлено, что в процессе ориентации эритроциты располагаются своей плоскостью преимущественно вдоль потока.

С увеличением частоты пульсации ориентационные эффекты не успевают проявиться, и амплитуда изменения сопротивления уменьшается. При частоте больше 5-6 Гц эффект проявляется не более, чем на 10% по отношению к частоте 1 Гц.

Таким образом, если рассматривать пульсирующий кровеносный сосуд, то изменение его продольного электрического сопротивления происходит по следующим причинам: (1) с увеличением диаметра сосуда его электрическое сопротивление уменьшается (т.к. увеличивается площадь поперечного сечения); (2) - за счет ориентационных эффектов эритроцитов в пульсирующем потоке крови удельное сопротивление также уменьшается. Оценка относительных вкладов этих двух процессов даёт следующие цифры: если радиус сосуда увеличился на 10 %, то площадь сечения увеличится почти на 20% , т.е. первая причина дает вклад порядка 20 % уменьшения сопротивления сосуда. Вторая причина, как видно из всего вышесказанного, дает 15-30 % изменения сопротивления кровеносного сосуда, т.е. обе причины сопоставимы по своим вкладам.

Следует иметь в виду, что поперечное электрическое сопротивление текущей крови наоборот увеличивается при ориентации эритроцитов (на столько, на сколько уменьшается продольное).

Импульсные магнитные поля.

Если за время напряженность магнитного поля меняется на , то напряжённость вихревого электрического поля можно оценить как: (2.8)

Аналогично предыдущим расчетам находится напряженность магнитного поля в теле и плотность потока энергии.

	(2.9)

Распределение токов в неоднородных биотканях.

Рассмотренные в предыдущем разделе математические соотношения параметров внешних и внутренних полей предполагали физическую однородность биообъекта и не учитывали различие проводимостей биологических тканей. На практике неоднородность свойств присутствует на любом иерархическом уровне организации биообъекта.