Ионизирующие и электромагнитные излучения и их воздействие на организм человека, страница 7

В заключение первой главы перечислим еще раз основные параметры, которые необходимо учитывать при оценке воздействия ЭМИ на биообъект:

·  уровень (интенсивность) ЭМИ;

·  спектральный состав ЭМИ;

·  поляризацию ЭМИ;

·  расстояние от источника до исследуемого объекта;

·  геометрические особенности фронта ЭМИ;

·  окружающую обстановку (наличие отражающих поверхностей).

Глава 2.  Распространение электромагнитных волн в биологических тканях

2.1  Пассивные электрофизические свойства биотканей

Электрофизические свойства тканей характеризуются относительной диэлектрической проницаемостью  и удельной проводимостью . Для описания распространения ЭМИ внутри тканей обе величины используются в комбинации, известной как комплексная диэлектрическая проницаемость [2, 10, 11]:

                                    (2.1)

где  и  ─ действительная и мнимая части проницаемости, i ─ мнимая единица, f ─ частота ЭМИ,  ─ электрическая постоянная. Действительная часть  определяет изменение направления распространения фронта волны в веществе. Мнимая часть  определяет поглощение энергии веществом (затраты энергии на движение зарядов). Магнитные проницаемости биотканей практически не отличаются от проницаемости воздуха, .

При проникновении электромагнитной волны в ткань изменяется скорость ее распространения и, следовательно, длина волны в среде:

                                                        (2.2)

где  ─ длина волны в вакууме,  ─ параметр тангенса угла потерь, который определяется по формуле:

                                                              (2.3)

Диэлектрическая проницаемость и проводимость биологических тканей определяются обычно экспериментально. Эти параметры существенно зависят от частоты излучения и типа ткани, в меньшей степени от температуры.

По электрофизическим свойствам условно выделяют ткани с высоким и низким содержанием воды. К первой группе относят кожу, мышцы, большинство внутренних органов. Ко второй ─ жир, кости, хрящевую ткань. Диэлектрические характеристики внутри каждой группы близки по значениям, однако существенно различаются между группами. В справочниках можно найти параметров для конкретной ткани или органа [10, 11].

2.2  Физика воздействия ЭМИ на живой организм

В отличие от ионизирующего излучения, ЭМИ радиочастотного диапазона не обладает достаточной энергией для ионизации молекул и может воздействовать только на уже имеющиеся заряженные частицы.

Поглощение энергии ЭМИ в тканях определяется главным образом двумя процессами. Один из них заключается в колебании свободных зарядов (ионов), другой ─ в колебании дипольных молекул. Первый эффект приводит к возникновению токов проводимости и связанных с электрическим сопротивлением среды потерь энергии, другой процесс приводит к потерям энергии за счет трения дипольных молекул в вязкой среде. Оба процесса в конечном итоге ведут к нагреву тканей.

Как уже было сказано, диэлектрические свойства тканей сильно зависят от частотных характеристик падающего излучения. Эта зависимость обусловлена структурной сложностью живой материи, которая может проявлять себя и как диэлектрик и как хороший проводник. В целом, с ростом частоты диэлектрическая проницаемость падает, а проводимость возрастает. Однако эти параметры изменяются не равномерно. Условно выделяют три области дисперсии α, β, γ , отмеченные на рис. 2.1, где изменения происходят более резко [2].

Как следует из рис. 2.1 характер частотной зависимости электрических свойств тканей с высоким и низким содержанием воды аналогичен, но абсолютные значения диэлектрической проницаемости и проводимости у первых на порядок выше. Содержание воды в жировых тканях может изменяться в широких пределах, поэтому их параметры значительно варьируются.

Рисунок 2.1 Зависимость диэлектрических параметров ткани с высоким ( и ) и низким ( и ) содержанием воды от частоты ЭМИ  [11]

Поясним кратко физические причины изменения электрофизических свойств в указанных трех диапазонах частот.