Ионизирующие и электромагнитные излучения и их воздействие на организм человека, страница 8

1) Диапазон 0 – 100 кГц ( α-дисперсия ). При воздействии на биологическую ткань постоянного поля она поляризуется (рис. 2.2). Проводимость ткани мала и обусловлена только ионными токами в межклеточной жидкости, возможен электрофорез заряженных макромолекул или клеток. Такая ситуация сохраняется и при частотах менее 10 кГц. Мембраны клеток успевают перезаряжаться за счет ионов внутри и вне клетки. Внутриклеточное содержимое надежно изолировано и не участвует в образовании ионного тока. Поэтому ткани даже с высоким содержанием воды обладают сравнительно низкой проводимостью, а основной вклад в поглощение энергии ЭМИ вносят потери связанные с ионной проводимостью межклеточной жидкости.

Рисунок 2.2. Схема поляризации плоского слоя ткани. Е₀ ─ внешнее поле, Е_П ─ поле поляризации, внешнее поле внутри ткани ─ Е_ВН=Е_0м- Е_П

С увеличением частоты падающего излучения мембраны не успевают полностью перезарядиться, вследствие чего емкостное сопротивление мембран падает, внутриклеточное содержимое вовлекается в процесс образования ионных токов, а проводимость клетки возрастает.

2) Диапазон 100 кГц – 1 ГГц ( β-дисперсия ). В этом диапазоне начинается лавинное вовлечение внутриклеточной жидкости в процесс образования ионных токов, что приводит к повышению проводимости биологических тканей. На этих частотах наблюдается также поляризация молекул среды, в особенности воды, что приводит к возникновению токов смещения. Поэтому проводимость возрастает, диэлектрическая проницаемость падает.

3) Диапазон 1 ГГц – 100 ГГц ( γ-дисперсия ). В этом диапазоне наблюдается поглощение ЭМИ молекулами воды, поскольку частота излучения приближается к характеристическим частотам колебаний молекул воды (свободной и белковосвязанной). Молекулы воды, приходя в возбужденное состояние, совершают колебательные движения, передавая свою энергию другим молекулам среды. Эта энергия преобразуется в тепло, химические преобразования и др.

2.3  Основные характеристики процесса поглощения ЭМИ

Важнейшей физической характеристикой взаимодействия ЭМИ с биообъектом является часть энергии поля, поглощаемая единицей объема или массы тела в единицу времени. Эта величина обозначается SAR (specific absorbed rate) и определяется по  формуле [12]:

                                         (2.4)

где dW ─ поглощенная энергия в объеме  с массой  (с плотностью ).

SAR является аналогом мощности дозы для неионизирующих излучений [2]. Единицей измерения SAR в СИ служит Вт/кг.  В литературе можно встретить синонимы SAR: удельное поглощение (УП), поглощенная энергия, удельная поглощенная мощность (УПМ), absorbed power density (APD), absorbed dose rate (ADR), specific absorbed power (SAP).

В случае, когда биологическую ткань можно представить как однородное вещество, для расчетов используется следующее соотношение:

                                                                             (2.5)

где Е ─ значение амплитуды напряженности поля внутри ткани,  ─ плотность ткани.

Поглощенная энергия приводит к изменению температуры T ткани во времени со скоростью нагрева

                                                                            (2.6)

где  ─ теплоемкость биоткани.

Другой важной характеристикой взаимодействия ЭМИ с биологическими объектами является глубина проникновения ЭМИ. Под глубиной проникновения понимается такой слой биоткани, при прохождении через который амплитуда прошедшей волны уменьшается в e раз, а плотность потока энергии, соответственно, в  раз. Для оценки проникающей способности ЭМИ удобно использовать следующее выражение [11]:

,                                                (2.7)

где  ─ длина волны в вакууме,  ─ диэлектрическая проницаемость ткани,  ─ тангенс угла потерь.