Жорина Л.В., Змиевской Г.Н. Основы взаимодействия физических полей с биологическими объектами (2006)

Биомедицинская инженерия в техническом университете УДК 577.3(075. 8) ББК 28.071 Ж812 Рецензенты: д-р физ.-мат. наук, проф. Э.М. Трухан (зав. кафедрой биофизики и экологии Московского физико-технического института); д-р физ.-мат. наук, проф.

Х.Б. Хоконов (зав. кафедрой физики твердого тела Кабардино-Балкарского государственного университета); д-р физ.-мат. наук, проф. М.И. Киселев (зав. кафедрой «Метрология и взаимозаменяемость» МГТУ им. Н.Э. Баумана) Жорниа Л.В., Змиевской Г.И. Ж812 Основы взаимодействия физических полей с биологическими объектами: Воздействие ионизирующего и оптического излучения: Учеб. пособие 7 Под ред. С.И. Щукина. — Мз Изд-во МГТУ им, Н.Э.

Баумана, 200б. — 240 сз ил. (Биомедицииская инженерия в техническом университете). 1БВ)Ч 5-7038-2764-7 Рассмотрены механизмы взаимодействия излучений ионизирующего н оптического диапазонов с биологическими структурами на различных уровнях организации применительно к задачам медицинской диагностики, терапии и хирургии. Описаны принципы построения источников излучения и средств измерения доз воздействия на биологические объекты.

Содержание учебного пособия соответствует курсу лекций, который авторы читают в МГТУ им. Н.Э. Баумана. Для студентов технических университетов, обучающихся по направлению подготовки специалистов «Бномедицннсквя техника», бакалавров н магистров, обучающихся по направлению «Бномедицннская инженерия», а также для студентов высших медицинских учебных завеленнй н медико- биологических факультетов университетов. УДК 577.3(075.8) ББК 28.071 ПРЕДИСЛОВИЕ Изучение дисциплины «Основы взаимодействия физических полей с биологическими объектами» характеризуется разнообразием факторов, влияющих на биообьекты,механизмов их взаимодействия с биострукгурами, а также источников и средств измерения параметров воздействия, поэтому основной методической проблемой является классификация большого объема изучаемого материала.

Учебное пособие «Основы взаимодействия физических полей с биологическими объектами» написано на основе общепринятой классификации электромагнитных полей по длинам волн (или эквивалентной энергии квантов излучения). Пособие и его главы имеют единую структуру. Основному изложению предшествует вводная часть, представляющая собой обзор вопросов, рассмотренных в последующих главах более обстоятельно. Главы построены по традиционной схеме: классификация взаимодействий, их первичные физические механизмы, системная иерархия, краткое описание рассмотренных взаимодействий применительно к диагностике, терапии и хирургии.

Учебное пособие в целом посвящено воздействию на биологические объекты ионизирующего и оптического излучения; радиочастотного излучения КВЧ-, СВЧ- и ВЧ-диапазонов и низкочастотных электромагнитных полей. Специфика материала предполагает участие различных по составу авторских коллективов. В этой книге подробно изложены вопросы дозиметрии излучений.

Менее детально описаны технические средства генерации воздействий и измерения их параметров, так как они являются объектом изучения в курсах «Технические методы диагностических исследований и лечебных воздействий», «Медицинские приборы, аппараты, системы и комплексы» и др. Выпускаемое учебное пособие по основам взаимодействия физических полей с биологическими объектами предназначено для студентов, аспирантов и преподавателей технических университетов, высших медицинских учебных заведений и медико-биологических факультетов в университетах. Редсовет выражает благодарность доктору технических наук, профессору И.Н. Спиридонову за значительный вклад в подготовку пособия к изданию.

С.И. Щукин 18ВГЧ 5-7038-2764-7 О ГьВ. Жорнна, Г.Н. Змневской, 2006 СЗ МГТУ нм. Н.Э. Баумана, 2006 © Оформление. Издательство МГГУ им. Н.Э. Баумана, 2006 Доктор технических наук, профессор Р Е Ф 2 уровень звука Е Н вЂ” напряжение поток сила тока ):г„ ~об ) Зо о ):) Х вЂ” экспозиционная доза — заряд — коэффициент качества ИИ Ч е В у Е Р л НЕ Р Аоых н тфоо о ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ вЂ” частота — вектор напряженности электрического поля — вектор напряженности магнитного поля 6 — диэлектрическая проницаемость ас — электрическая постоянная р — магнитная проницаемость, коэффициент экстинкции, коэффициент затухания звука ро — магнитная постоянная 1 — время х,у,з — лекартовы координаты г — радиус-вектор сз — циклическая частота, содержание воды в ткани й — волновой вектор "г.

— ллина волны — скорость света в вакууме, скорость звука — фазовая скорость, скорость фотосинтеза, скорость колебания — сила — заряд электрона — вектор магнитной индукции — интенсивность, средний потенциал ионизации — энергия — степень поляризации — постоянная Планка — импульс, давление — работа выхода электрона из металла ядерная часть волновой функции, линейный коэффициент эффекта образования пар спиновая часть волновой функции, вектор волновых колебаний, площадь поверхности, сечение образца плотность порялковый номер вещества поглощенная лоза (доза облучения ИИ) лоза облучения в оптическом диапазоне поглощенная доза образцового облучения фотодинамическая доза — эквивалентная доза — квантовый выход (квантовая эффективность), вязкость среды — время протекания процесса, время жизни молекулы в данном состоянии, время жизни флуоресценции, время термической релаксации, время теплопотерь — энергия ионизацни — угол рассеяния — линейный коэффициент ослабления потока излучения средой — линейный коэффициент когерентного рассеяния — линейный коэффициент фотоэффекта — линейный коэффициент комптоновского взаимодействия, масса электрона длина волны Комптона лзе интеграл переходного момента плошадку ~у й' и,„„ 71 д волновая функция вероятность нахождения частицы потенциальная энергия полный квантово-механический гамильтониан оператор электрического дипольного момента элок'речная часть волновой функции, плотность потока ро Фг И'(л) и М <М> плошаль сечения мишени, сечение поглощения молекулы — массовый коэффициент ослабления потока излучения средой — число событий с передачей энергии Е; — вероятность п попаданий в мишень — объем — число объектов, число квантов (фотонов) — среднее число попаданий в мишень — среднее число частиц, пролетающих через единичную — событие энергопоглощения — концентрация вещества — коэффициент пропускания — оптическая плотность гли 1хх — концентрация — константа химической реакции и Кхим Ре Те )Лихах аз г! — постоянная Вина — квантовый выход интерконверсии Уии )зр, (рф теплота удельная теплоемкость глубина прогрева ткани концентрация фотосенсибилизатора концентрация фермента константа Михаэлиса сф Кьз СФи 1,1 Кл ()') Ф, )х().) Киаах Е с и р с и — скорость объекта св частота генератора частота приемника яркость ир у(0 ) — выход повреждений биообъекта под действием ИИ и — коэффициент поглощения — молярный коэффициент поглощения — натуральный показатель поглощения — характерная глубина проникновения — коэффициент отражения — натуральный показатель рассеяния — показатель степени в зависимости интенсивности рассеяния от длины волны падающего излучения мощность излучения лазера время воздействия лазерного излучения на биоткань коэффициент экстинкции в максимуме полосы поглощения ширина полосы частот на половине высоты факторы вырождения триплетного и синглетного состояния молекулы соответственно степень аннзотропии флуоресцеиции, радиус зрачка константы скоростей перехода с уровня на уровень скорость приращения количества кислорода константа скорости ферментативной реакции среднее время превращения одной молекулы субстрата кривая видности (спектральная световая эффективность) светотехнический поток относительная кривая видностн значение Кл(Х) в максимуме зрительного ощущения а — коэффициент пересчета световых величин в энергетические ч рр,()) — спектральная плотность потока ас в — постоянная Стефана — Больцмана Т вЂ” температура — интегральная плотность мощности (энергетическая светимость), интегральная испускательная способность Ф„„и — солнечная постоянная бй — угловое расстояние — фокусное расстояние глаза М вЂ” молекулярная масса гл, ㄠ— испускательная способность а„ вЂ” поглощательная способность а — спектральный коэффициент излучения (коэффициент серости) гл, и„— испускательная способность абсолютно черного тела (1л, У„ — средняя спектральная плотность энергии излучения Р, — поглощенная мощность Є— излученная мощность р — момент электрического диполя — постоянная Больцмана А „, В „— вероятность перехода между уровнями л и ал — телесный угол — плотность потока энергии источника тепла — общая плотность потока энергии облучения тепловой контраст адиабатический объемный модуль упругости среды коэффициент проникновения звуковой волны из среды в среду скорости приемника и источника волн доплеровский сдвиг частоты Нм" х, ги гйго шпш коэффициент затухания звука в результате поглощения коэффициент затухания звука в результате рассеяния удельная тепловая энергия разрушения ткани частота повторения импульсов образцы, изолированные от организма в живом организме ВВОДНАЯЧАСТЬ В1.

БИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ Биотехническая система (БТС) представляет собой совокупность биологических и технических элементов, объединенных в функциональную систему. БТС замкнуты в единый контур управления и основаны на принципах взаимодействия живой и неживой природы посредством информационного, энергетического обмена и обмена веществами [1].

Основное свойство БТС вЂ” адаптивность, обусловленная наличием двух контуров адаптации системы — внешнего и внутреннего. Внешний контур дает БТС возможность выполнять свою целевую функцию в условиях переменных воздействий внешних факторов, внутренний — позволяет элементам БТС взаимно адаптироваться к изменению состояния друг друга, вызванного воздействием внешних и внутренних факторов [1, 2]. Под влиянием воздействий система может выйти из состояния покоя или изменить свое состояние. Совокупность процессов перехода из одного состояния в другое составляет сущность управления. Выполнение функций БТС связано с обменом веществом и энергией, а управление осуществляется за счет получения информации [3, 4]. Далее нас будет интересовать только медицинская БТС, а именно БТС-М.

Различают четыре класса БТС-М: диагностическая, терапевтическая, хирургическая и искусственные органы и аппараты искусственного жизнеобеспечения. Связи (информационная, энергетическая, вещественная) в системе могут быть прямыми, обратными, нейтральными. Прямые предназначены для передачи вещества, энергии, информации или их комбинации от одного элемента к другому в соответствии с последовательностью функций элементов. Обратная связь в БТС-М используется в основном для контроля за процессом воздействия и для управления процессом лечения. Наличие обратных связей характерно для всех адаптивных систем.

БТС может включать источник поля (источник ультразвука, лазер, источник электромагнитного поля, рентгеновский источник) для воздействия на биообъект. Реакцию биообъекта на внешнее воздействующее поле следует рассматривать в рамках биотехнической системы, Вся медико-биологическая информация, поступающая от пациента, делится на медленно изменяющиеся процессы (МИП) и на быстро изменяющиеся процессы (БИП).