Жорина Л.В., Змиевской Г.Н. Основы взаимодействия физических полей с биологическими объектами (2006) (1095846), страница 30
Текст из файла (страница 30)
У человека на излучение приходится около 50 % общей теплоотдачи. Конвекция — передача теплоты от организма окружающей среде через воздух. Скорость передачи теплоты этим способом зависит от скорости движения воздуха около поверхности тела. Она может быть снижена за счет материалов, покрывающих кожу (волосы, одежда, а у птиц и млекопитающих перья, мех).
В условиях умеренного климата конвекция составляет 15...20 % теплоотдачи. Теплопроводность — передача теплоты при физическом контакте между телами (организм — земля и др.). Испарение — потеря теплоты с поверхности тела в процессе превращения воды в водяной пар.
Испарение идет через кожу и в легких с выдыхаемым воздухом, Скорость теплоотдачи зависит от разности температур между внутренними областями тела и его поверхностью и между кожей и окружающей средой; от скорости образования тепла н от внешней температуры. Факторами, ограничивающими теплоотдачу, являются; скорость кровотока в коже, потоотделение и испарение через кожу. Тепловой баланс любого тела определяется соотношением между теплом, которое оно получает, и теплом, которое оно отдает. У теплокровных животных равенство прихода и расхода тепла всегда сохраняется, Система терморегуляции включает рецепторы, эффекторы и регуляторный центр в гипоталамусе.
Эффектор — это дифференцированная структура (клетка, ткань, орган или система органов), осуществляющая специфическую реакцию в ответ на стимулы, поступающие из нервной системы. Центр в гипоталамусе следит за температурой крови, отражающей температуру тех !60 161 6 — 0062 органов, через которые она протекает. Он также получает через терморецепторы информацию о температуре окружающей среды. Тепловой баланс каждого участка тела поддерживается путем теплорегуляции за счет генерации тепла вследствие метаболизма; обмена теплом с соседними участками тела из-за термодиффузии; конвективного теплообмена посредством кровотока, т.
е, за счет притока и оттока тепла с кровью. Вычислим теплопотери человека в результате ИК-излучения. Для этого сделаем два допущения: излучающие тела (кожа человека, ткань одежды) примем за серые; применим закон Стефана— Больцмана к неравновесному излучению, каковым является излучение тела человека. Пусть раздетый человек, поверхность тела которого имеет температуру Т1, находится в комнате с температурой воздуха То. Тогда, согласно закону Стефана — Больцмана, мощность излучения человека со всей открытой поверхности тела площади 5 составит Р1 -- Яас ьТ1, где 8 — коэффициент серости тела.
Одновременно человек поглощает часть излучения, падающего от предметов комнаты, стен, потолка и т. д. Если бы поверхность тела человека имела температуру, равную температуре воздуха в комнате, то мощности излучения и поглощения были бы одинаковы и равны 4 Ро = 5еос пТо . Такая же мощность будет поглощаться телом че- ловека и при других температурах поверхности тела, следовательно, мощность излучения, теряемая человеком при взаимодействии с окружающей средой, Воздействие высоких температур на биотквни. При излишнем нагревании биоткани могут происходить денатурация, коагуляция белка, деструкция биоткани (табл.
3.1). Денатурация белка заключается в утрате трехмерной конформации данной молекулы, однако аминокислотная последовательность при этом сохраняется. Молекула белка теряет способность выполнять свою обычную биофункцию. При дальнейшем повышении температуры кинетическая энергия, сообщаемая белку, вызывает сильную вибрацию его атомов, вследствие чего слабые водородные и ионные связи разрываются. Белок свертывается (коагулирует). Воздействие высоких температур может привести к деструкции биоткани. Таблица 3.1 Температура,'С 37 40-45 60 80 100 150 и более 300 и более Эффект на 6иоткани Нет необратимых повреждений Активация ферментов, образование отеков, изменение мембран и, в зависимости от времени воздействия, смерть клеток Денатурация протеина, начало коагуляции и неврозы Деиатурация колагеиа, дефекты мембраны Обезвоживание Обугливание Выпаривание, газообразование => разрезание тканей 2 1 РО ~еоС-Б% 70 ).
(3.26) Если необходимо посчитать мощность, излучаемую в некоторый угол й, то формула (3.26) примет вид Р~ 1й) = $еос ь(Т1 — То )(й/2п). При температуре окружающей среды 18 'С (То = 291 К) раздетый человек, температура кожи которого 33 'С (Т1 = 306 К), теря- 2 ет в 1 с вследствие излучения с площади 1,5 м энергию 122 Дж, а в хлопчатобумажной одежде, температура поверхности которой 24 'С (Т1 — — 297 К),— 37 Дж. !62 Такие тепловые биологические эффекты при нагревании биоткани применяют в медицине при гипертермии и в лазерной хирургии (в основном, испарение (резание) и коагуляция биоткани).
Для этого используют различные лазеры с плотностью мощности 7 2 -3 от 1 до 10 Вт!см и с продолжительностью облучения от 10 до нескольких секунд. В зависимости от оптических свойств биоткани необходимые температуры в ткани на применяемой длине волны могут быть достигнуты при различных уровнях мощности излучения и длительностях облучения.
Так, например, при кратковременном нагревании (1 с) до 70 'С биоткань разрушается точно так же, как при нагревании в течение 10 с до 58 'С. Преобразование энергии оптического излучения, в том числе и лазерного, в теплоту может произойти, если она поглощается спе- 163 цифическими хромофорами ткани, причем необязательно хромо- форами пигментов (например, для СО2-лазера с Х = 10,6 мкм таким хромофором является вода). Плотность потока энергии источ- 3 ника теплоты д(г,/) (Втlм ) в облучаемом объеме ткани является функцией коэффициента поглощения й и общей плотности потока энергии облучения /,'(г,/), которая состоит из непосредственно падающей части коллнмированного лазерного пучка (Ц(г, /)) и нз доли Ь,'(г, /), привходящей при рассеянии из окружающей ткани: д(«, /) =/г(/.,'(г, /) 4.
ь,'(г, г)~, где г — радиус-вектор точки наблюдения; / — время. Превращенная в теплоту энергия приводит к локальному повышению температуры; если при этом нет фазовых переходов, то температура растет пропорционально плотности потока энергии источника д(г,/). Часть теплоты отводится за счет теплопроводности и локальным кровотоком в более холодный участок. Из-за этого ограничивается максимально достижимая температура прн данной интенсивности излучения. Кроме того, для каждой ткани существует специфический порог интенсивности, который необходим для достижения определенной температуры.
Тепловой поток в тканях Ю 75(Т, -Т) где у — коэффициент пропорциональности, в зависимости от содержания воды у = 0,3...0,5: у = 0,06~-0,57 — Вт/(м.К), оз — со- 3 3 держание воды в ткани, кг!м, р — плотность ткани, кг/м; Т, > Тз., ! — длина образца с поперечным сечением Я. Способность ткани накапливать теплоту описывается через удельную теплоемкость С = 1,55+ 2,8 — 4кДж/(кг. К).
В табл. 3.2 даны значения коэффициента пропорциональности у прн нормальных условиях (н.у.) и теплоемкости С для различных тканей. Общая пространственная и временная характеристики температурного распределения в облученном объеме ткани определяют- ЙТ а(г,/) уУ Т ся уравнением теплопроводности: — = †' + †, где з/ !! рС рС ' оператор Лапласа. Для практического расчета распространения локального нагревания характерным параметром является время !'рс термической релаксации т = . Если на поверхность ткани у подается короткий импульс теплоты, то проходит время т, пока на глубине Ы = — не наступит заметное нагревание. 1!' рс Таблица 3 2 В облучаемом объеме нельзя пренебрегать влиянием кровотока по сосудам на температурное распределение, если время облучения порядка или больше времени перфузии (время, за которое заменяется вся кровь в единице объема).
Это особенно важно при непрерывном облучении. 164 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА В ТЕРАПИИ И ДИАГНОСТИКЕ В четвертой главе кратко описаны методы оптической диагностики, терапии и хирургии с исполеоованием некогерентных излучателей и лазерных источников С4ормулированы основные положения дозиметрии в оптическом диапазоне Уделено внимание принципам разработки оптических биоЭВМ, биосенсоров и биочипов 4.1.
ГЕЛИОТЕРАПИЯ. ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ спектр. Также в качестве источников УФ-излучения используют эритемную люминесцентную лампу ЭУВ, излучающую в диапазоне 280...400 нм, загарную люминесцентную пампу ЗУВ с излучением 300...450 нм. Стекло не пропускает УФ-излучение с длиной волны ) < 280 нм; кварц — с ). < 220 нм, поэтому в УФ-лампах используется кварцевое стекло. Ксеноновые лампы высокого давления применяются для обеззараживания. Спектр, богатый УФ- излучением, дает электрическая дуга в воздухе; наиболее эффективными источниками в плане изучения фотохимических превращений являются, безусловно, УФ-лазеры. П и воздействии любого излучения на ткань начинается ее р нагрев.
Температура 42 'С является пограничной температурой: при этой температуре еще возможны обратимые изменения. При температуре 42...45 'С наступает гипертермия (перегрев). При 60...70 'С происходит коагуляция белка, при 100 'С вЂ” испарение воды (см. табл. 3.1). Такие изменения в биоткани при воздействии излучения необходимо учитывать в исследовательской работе и медицинской практике. 2 Поток солнечной радиации, приходящийся на 1 м площади границы земной атмосферы, составляет 1350 Вт и называется солнечной постоянной. В июле в Москве при наивысшем стоянии 2 Солнца поток солнечной радиации на 1 м составляет 930 Вт.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
