Биофизика взаимодействия ЭМИ с биообъектом

Влияние слабых и очень слабых уровней сигналов на биосистемы объясняется следующим образом:

· Совпадение частот колебаний клеточных структур с частотами КВЧ-диапазона (Частота колебаний ДНК- 2×10⁹…9×10⁹ Гц, хромосом- 7,5×1011…1,5×1013 Гц, генома клетки человека- 2,5×1013 Гц), что свидетельствует о их частотном родстве.

· Низким уровнем собственного электромагнитного излучения в миллиметровом диапазоне частот, который составляет 1×10-21…1×10-23 Вт/Гц для шумовых сигналов или 3×10-12…3×10-14 Вт для монохроматических сигналов и обеспечивает биоинформационный обмен между клетками биообъекта.

· Возможностью биосистем высокого уровня организации (людей) реагировать на подпороговые уровни ЭМИ и способностью биосистем накапливать влияние ЭМП.

На основании приведенных данных делается вывод, что реакция клеток организма человека начинается с уровня 1×10-23 Вт/Гц. По уровню собственного ЭМИ человеческий организм находится в пределах 1×10-21…1×10-23 Вт/Гц[56].

Электрофизические свойства тканей животных и людей

Электрофизические свойства биологических тканей в КВЧ диапазоне исследованы в работах Шванна и его сотрудников, которые провели измерение значений ε и σ на примерах разнообразных тканей в широком диапазоне частот.

В табл. 1 представлены обобщенные из разных работ значения диэлектрической проницаемости, электропроводимости, тангенса угла потерь, длина волны в ткани, глубина проникновения энергии для тканей с большим и малым содержанием воды в зависимости от частоты ЭМП.

К тканям с высоким содержанием воды относят мышцы, кожу, печень, почки, сердце; малое содержание воды в жировой, костной ткани, а также в костном мозге. Содержание воды в крови значительно больше, чем в других тканях, и равно в среднем 83%.

Как вывод из данных таблицы 1 можно сказать, что с увеличение частоты диэлектрическая проницаемость тканей значительно уменьшается, а проводимость увеличивается, соответственно с теорией Дебая. При этом необходимо внести поправки, которые отображают присутствие белков и липидов с более низким значением ε и σ и в сравнении с водой, частота релаксации молекул которой выше, частоты релаксации молекул других компонентов ткани (она изменяется от 9 до 25 ГГц при изменении температуры от 0 до 37 ⁰С)

Таблица 1. Электрические свойства тканей человека

На рисунке 4 представлены теоретические частотные зависимости основных составных проводимости биологических тканей с высоким содержанием воды, полученные на предположении, что 75% массы ткани составляет вода с растворенными в ней ионами неорганических солей, 25%-белок, содержание липидов очень небольшое. Как видно из рис.4 в КВЧ-диапазоне проводимость биологических тканей с большим содержанием воды и соответственно интенсивность поглощения ЭМЭ обусловлена проводимостью воды и ионов. На частотах примерно 1 ГГц ионная проводимость превышает проводимость воды, при этом проводимость связанной воды становиться больше, чем свободной.

Рис.4 Относительные вклады проводимости свободной воды 1, связанной воды 2, белков 3, ионов 4 в общую проводимость ткани с высоким содержанием воды в зависимости от частоты.

Таким образом, ткани с малым содержанием воды имеют на порядок меньшие значения диэлектрической проницаемости и проводимости, а их частотные зависимости подобны к частотным зависимостям тканей с высоким содержанием воды.

Рассмотренные данные обобщенных электрофизических свойств тканей с высоким и малым содержанием воды, а также рассчитанные из них, значения глубин проникновения и длины волн в ткани, необходимы для качественных оценок пространственного распределения ЭМП в объеме биологических тканей. Что позволяет приближенно выбрать частоту и интенсивность ЭМП КВЧ диапазона для его использования в медицине.

Более точные измерения незначительных отличий в значениях диэлектрических параметров тканей, а также изменение электрофизических свойств тканей в зависимости от их состояния представляют значительный интерес для оценки перспектив создания диагностических КВЧ- приборов.[46, 57].

Особенности радиотеплового излучения биообъекта

При проведении исследований взаимодействия электромагнитных волн низкой интенсивности с биологическими тканями необходимо учитывать их условия распространения в биообъектах. Одним из основных параметров, определяющих эти условия, является диэлектрическая проницаемость биотканей. Принято использовать этот параметр как комплексную величину: