Проблемы развития микроволновой медицины и биологии

Размещено на http://allbest.ru

СОДЕРЖАНИЕ

АННОТАЦИЯ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ МИКРОВОЛНОВОЙ МЕДИЦИНЫ И БИОЛОГИИ

1.1 Основные направления исследования воздействия микроволнового излучения на биологические объекты

1.2 Электрические свойства биологических тканей в диапазоне сверхвысоких частот

1.3 Диатермия и диагностика биологических объектов

1.4 Исследование биологических систем в диапазоне сверхвысоких частот

1.5 Особенности микроволнового нагрева биологических объектов

1.6 Механизм взаимодействия микроволнового излучения с биологическими объектами на атомно-молекулярном уровне

ГЛАВА 2. СОВРЕМЕННЫЕ МИКРОВОЛНОВЫЕ МЕТОДЫ В МЕДИЦИНЕ И ДИАГНОСТИКЕ

2.1 Применение микроволновой радиометрии в медицине

2.2 Аппарат для микроволновой терапии “Луч-4”

2.3 Аппарат для микроволновой терапии “Луч-11”

ГЛАВА 3. СВЧ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА

МНОГОСЛОЙНЫЕ БИОЛОГИЧЕСКИЕ ТКАНИ

3.1 Микроволновая установка для проведения экспериментальных исследований по нагреву биологических тканей

3.2 Выбор конструкции излучающей антенны

3.3 Выбор конструкции источника СВЧ энергии

3.4 Экспериментальные исследования

Выводы к главе 3

ГЛАВА 4. БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

4.1 Электробезопасность

4.2 Пожаробезопасность

4.3 Оценка возможности опасных и вредных производственных факторов

4.4 Охрана труда при проведении исследований

4.5 Инженерный расчет экранировки экспериментальной установки

4.6 Основные требования к помещению для СВЧ- установки

ГЛАВА 5. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

5.1 Воздействие электромагнитного излучения на человека

ГЛАВА 6. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

6.1 Оценка стоимости разработки микроволнового устройства лучевого типа

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

АННОТАЦИЯ

В дипломной работе сформулированы основные проблемы развития микроволновой медицины и биологии, а также определены направления исследований воздействия микроволнового излучения на биологические объекты. Проведен анализ экспериментальных результатов по исследованию биологических систем в различных диапазонах сверхвысоких частот и особенности их нагрева. Рассмотрены современные микроволновые методы и аппаратные средства в области терапии и диагностики. Разработана многослойная модель биологических тканей человека и проведены экспериментальные исследования по воздействию на эти ткани микроволнового излучения. Результаты экспериментальных исследований подтвердили возможность локального нагрева области, где расположена опухоль, не повреждая окружающие биологические ткани. Представлены результаты теоретического расчета мощности поглощения микроволнового излучения многослойными биологическими тканями.

В результате проведенных экспериментальных и теоретических исследований по воздействию микроволнового излучения на биологические ткани, подтверждена перспективность данного направления, а также возможность эффективного лечения злокачественных опухолей.

ВВЕДЕНИЕ

Многочисленные экспериментальные исследования показали, что в основе применения микроволнового излучения в различных спектральных областях лежит эффект нагрева тканей биологических объектов. При этом интенсивность нагрева биологических объектов определяется мощностью излучения и диэлектрическими свойствами тканей.

Локальное нагревание тканей дает широкий спектр изменений от денатурации и коагуляции до испарения воды и расплавления структурных белков, при этом становятся возможным основные хирургические манипуляции, включающие коагуляцию крови в сосудах и локальный гемостаз, сварку тканей, полное удаление локального участка ткани.

В настоящее время все более широкое распространение получает микроволновое излучение, как в области медицины, так и в области биологии. Одним из новых перспективных направлений является микроволновая терапия. Под влиянием микроволновой терапии происходит расширение кровеносных сосудов, усиливается кровоток, уменьшается спазм гладкой мускулатуры, нормализуются процессы торможения и возбуждения нервной системы, ускоряется прохождение импульсов по нервному волокну, изменяется белковый, липидный, углеводный обмен.

Микроволновая терапия оказывает противовоспалительное и обезболивающее действие. Микроволновые волны благоприятно влияют на состояние сердечнососудистой системы - улучшается сократительная функция миокарда, активизируются обменные процессы в сердечной мышце, снижается тонус периферических кровеносных сосудов.

В отличие от других видов воздействия, микроволновое излучение можно сфокусировать в четко заданной точке организма, например в опухоли. Благодаря особенностям метаболизма раковые клетки поглощают электромагнитную энергию в несколько раз активнее, чем здоровые ткани. Это предположение было подтверждено клиническими испытаниями в США. Полученный эффект показал, что злокачественные опухоли растут значительно медленнее, чем без лечения, а вокруг них не повреждена даже кожа. Эти исследования в настоящее время активно проводятся в различных международных центрах по исследованию рака молочных желез. Все ученые онкологи признают, что это новый шаг в развитии онкологии.

В настоящее время основные проблемы ученых связаны с исследованием механизмов воздействия микроволновой энергии на различные биологические объекты, а также с созданием новых аппаратных средств воздействия на человеческий организм, как в области микроволновой терапии и диагностики, так и в области биологии.

В Московском институте электроники и математики Национального исследовательского университета “Высшая школа экономики”, на кафедре: “Радиоэлектроники и телекоммуникаций” проводятся научные исследования в области воздействия микроволнового излучения на биологические объекты и именно этому направлению посвящена настоящая дипломная работа.

В настоящей дипломной работе проведены экспериментальные исследования по воздействию микроволнового излучения на многослойные биологические ткани. При этом в качестве имитирующей модели выбраны ткани животного - свиньи. Эксперименты проведены на СВЧ установке лучевого типа на частоте колебаний электромагнитного поля 2450 МГц.

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ МИКРОВОЛНОВОЙ МЕДИЦИНЫ И БИОЛОГИИ

1.1 Основные направления исследования воздействия микроволнового излучения на биологические объекты

За последние десять лет появилось множество различных направлений в области применения микроволновой техники, как в медицине, так и биологии. Эти направления тесно связаны между собой. С точки зрения классификации в области медицины эти применения можно представить следующим образом:

1. Микроволновая терапия, которая характеризуется тем, что энергию микроволнового излучения используют для лечения некоторых заболеваний проникающим теплом.

2. Микроволновая диагностика. Применение энергии сверхвысоких частот в диагностике основано на эффекте затухания микроволновой энергии в организме человека и выявления некоторых физиологических характеристик организма.

При исследовании воздействия микроволновой энергии на различные биологические объекты ученых интересуют два основных направления:

1. Электрические свойства биологических систем на сверхвысоких частотах. По измерениям диэлектрической проницаемости на сверхвысоких частотах можно определить характеристики биологических тканей. Знание электрических свойств биологических тканей является обязательным условием для решения многих задач медицины, в частности, терапии и диагностики.

2. Микроволновые методы исследования “связанной” воды. Диэлектрическая проницаемость суспензий, содержащих макромолекулы, на сверхвысоких частотах зависят от состояния воды, связанной с поверхностью макромолекулярных структур в растворе.

Микроволновые методы исследований связанной воды способствуют изучению структуры нормальной и связанной воды и лучшему пониманию взаимодействия макромолекулярных компонентов, таких, как ферменты и белки, с окружающей средой.

В настоящее время опубликованы экспериментальные работы по изучению и измерению диэлектрической проницаемости различных биологических тканей и суспензий.

Эти исследования характеризуют поведение тканей и суспензий, содержащих клетки и макромолекулы во всем диапазоне сверхвысоких частот. При этом основные диэлектрические параметры, как следует из анализа научных публикаций, можно связать со структурой и составом биологических систем.

Таким образом, в настоящее время в большинстве случаев известны биофизические параметры, которые управляют основными процессами взаимодействия и поглощения сверхвысокочастотного электромагнитного поля в биологических тканях, что является необходимым для разработки диагностических систем.

Вопрос о том, какие процессы определяют положительный эффект микроволновой терапии в настоящее время остается пока до конца неясным. Представляется вероятным, что терапевтическое воздействие обусловлено в первую очередь физиологическими процессами, стимулируемыми тепловой энергией микроволнового излучения.

Однако подробная картина изменений в кровоснабжении и процессах метаболизма, вызываемых микроволновым облучением, до конца не исследована. В этой связи об эффективности микроволновой терапии в основном судят на основании клинических исследований.

1.2 Электрические свойства биологических тканей в диапазоне сверхвысоких частот

Для исследований процессов взаимодействия микроволнового излучения с тканями тела человека необходимо знать диэлектрические параметры тканей. Если диэлектрические параметры тканей известны, то можно определить коэффициенты поглощения, коэффициенты отражения на границах раздела между тканями, а также степень нагрева биологических тканей.

В многочисленных научных публикациях показано, что диэлектрическая проницаемость тканей тела человека при заданной температуре, например , с ростом частоты колебаний электромагнитного поля уменьшается. Например, диэлектрическая проницаемость мышц в диапазоне частот (100…3000) МГц изменяется (75…45), а диэлектрическая проницаемость кожи в том же диапазоне частот изменяется в пределах (65…40).

Диэлектрическая проницаемость тканей (жировая ткань, костная ткань и желтый костный мозг) с меньшим содержанием воды меньше, чем диэлектрическая проницаемость тканей (мышечная ткань, печень, почки, сердце) с большим содержанием воды.

Установлено, что диэлектрические параметры биологических тканей на сверхвысоких частотах не зависят от биологической структуры и можно считать, что биологическая ткань состоит из электролитов, содержащих макромолекулярные компоненты и липиды. Тогда формулы, выведенные для таких электролитов, позволяют объяснить результаты измерений, в частности, зависимость относительной диэлектрической проницаемости биологических тканей от частоты полностью отражают аналогичное поведение воды.

Диэлектрические характеристики биологических тканей различного вида при приведены в таблице 1.1

Таблица 1.1. Диэлектрические характеристики биологических тканей

Вид продукта
Мышечная ткань	50	19	0,38	1,020
Жир внутренний	5	0,5	0,1	0,930
Печень	47	14	0,30	1,050
Почки	50	19	0,38	1,014
Кожа	38	12	0,34	0,300
Свиной жир	3,2	0,23	0,09	0,940

Основные характерные зависимости:

1. Диэлектрические параметры мясных продуктов с ростом влажности (влагосодержания) возрастают.

2. Диэлектрические параметры мясных продуктов с ростом температуры падают (это следует из зависимости диэлектрических параметров от нагрева воды).

3. Диэлектрические параметры с ростом содержания жира также падают.

Диэлектрические характеристики тканей человеческого организма измеряются различными методами:

- метод волноводной измерительной линии, который основан на том, что при наличии биологического продукта, длина волны и волновое сопротивление изменяются. Величины этих изменений зависят от диэлектрических параметров продукта;

- метод коаксиальной измерительной линии основан на том, что при наличии образца продукта определяется входное сопротивление конденсатора. Метод пригоден для диэлектриков с большим значением ;

- метод цилиндрического стерженька удобен при определении параметров диэлектрика с большими потерями. Метод сводится к определению нормированной комплексной проводимости неоднородности, вносимой исследуемым образцом, выполненным в форме цилиндрического стерженька и помещенным в центре широкой стенки прямоугольного волновода параллельно вектору напряженности электрического поля волны типа , распространяющейся в волноводе;

- аналитическим расчетом диэлектрических характеристик биологических продуктов на основе уравнений дисперсии Дебая можно определить диэлектрические параметры продукта, учитывая количественное содержание компонентов продуктов (вода связанная и свободная, белок, соль, жир и т.д.), времени релаксации и удельной проводимости этих компонент;

- метод сравнения (экспресс - метод) позволяет определять диэлектрические характеристики биологических продуктов с достаточной точностью для практического использования. Все измерения в этом методе сводятся к сравнению скорости нагрева исследуемого образца и эталона за одинаковый промежуток времени с учетом массы и теплоемкости образца, а также величины микроволновой мощности, вводимой в рабочую камеру. Величина определяется по формуле:

,

где: c - средняя весовая теплоемкость продукта в интервале температур ,

Микроволновое излучение вызывает, как тепловые эффекты в тканях биологических объектов, так и нетепловые.

Тепловые эффекты делят на две группы:

1. Эффекты, связанные с общим повышением температуры и обусловленные поглощением микроволновой энергии в объеме (объемный нагрев);

2. Эффекты, связанные со специфическим повышением температуры некоторой части объема относительно окружающей среды.

К нетепловым эффектам относят сильные и слабые взаимодействия электромагнитного поля сверхвысоких частот с облучаемой средой.

1.3 Диатермия и диагностика биологических объектов

Диатермию можно определить как способ физиотерапии, позволяющий генерировать тепло в биологических тканях, расположенных под кожей и подкожным жировым слоем. Повышение температуры увеличивает обменную деятельность и расширяет кровеносные сосуды, увеличивая тем самым циркуляцию крови. Специалисты, работающие в области медицины, на основе многочисленных экспериментальных исследований считают, что при этом ускоряется заживление и усиливаются защитные реакции организма.

В настоящее время все более широкое распространение получает диатермия, которая проводится на частоте 2450 МГц. Выбор частоты связан с тем, что размеры антенны оказываются сравнимы с длиной волны в воздухе (12,24 см), и, кроме того, в этом диапазоне имеется целый спектр разработанных источников микроволновой энергии.

Основы применения микроволновой энергии для диагностики биологических объектов впервые были сформулированы в работе [1]. В работе рассмотрены изменения в коэффициентах отражения и пропускания в микроволновом диапазоне частот, которые вызваны изменениями таких важных физиологических параметров, как состав крови или объем дыхания.

По существу в этой работе автор предложил плетизмограф, работающий в микроволновом диапазоне длин волн. Микроволновые методы регистрации любых изменений коэффициентов отражения и поглощения позволяют связать эти изменения с изменениями в крови или в объеме дыхания. Основным преимуществом микроволнового плетизмографа состоит в том, что отсутствуют контакты электродов и связанные с ними ошибки [1].

1.4 Исследование биологических систем в диапазоне сверхвысоких частот

Вопросы взаимодействия микроволновой энергии с биологическими системами в настоящее время еще не исследованы в той мере, в какой это необходимо для создания средств диагностики и терапии. Диэлектрические свойства биологических систем в микроволновом диапазоне частот отражают их структуру и могут стать основой для создания новых методов изучения состава биологических систем.

В работе [1] представлена экспериментальная зависимость диэлектрической проницаемости жировой ткани на частоте 2450 МГц и температуре 25°С в зависимости от количества содержащейся в ней воды.

Таким образом, по измерениям диэлектрической проницаемости можно определить содержание воды в жировой ткани - характеристику, которая представляет интерес в диагностике и которую практически невозможно или очень сложно получить каким - либо другим способом.

Диэлектрические свойства белков можно определить по результатам измерений свойств белков, взвешенных в электролите.

Белки в электролите обычно окружены слоем связанной воды, которая в структурном отношении и в электрическом отличается от обычной воды. Для анализа этого явления вводят понятие о комплексной проницаемости гидратированного белка.

Исследования показали, что комплексная проницаемость гидратированного белка гемоглобина сильно меняется с частотой, а именно, с увеличением частоты поля диэлектрическая проницаемость падает. Объяснить падение диэлектрической проницаемости можно либо поведением связанной воды, диэлектрические свойства которой сильно меняются с частотой сверхвысокочастотного поля, либо полярные цепи белковых молекул участвуют по-разному в процессе поляризации на различных частотах.

1.5 Особенности микроволнового нагрева биологических тканей

Электромагнитное поле, проникая в биологический материал, взаимодействует с заряженными частицами, вызывая их колебания.

Биологический материал можно рассматривать в макроскопической теории, как диэлектрическую среду. Молекулы диэлектрической среды могут быть неполярными и полярными [2…5].

При наложении внешнего электрического поля неполярные молекулы поляризуются, то есть симметрия расположения их зарядов нарушается, и молекула приобретает некоторый электрический момент.

Под действием внешнего электрического поля у полярных молекул не только меняется величина электрического момента, но и происходит поворот оси молекулы по направлению поля. На сверхвысоких частотах выделение тепла, возможно, даже в отсутствии тока проводимости [6, 7].

В этом случае диэлектрическая среда представляется состоящей из осцилляторов, каждый из которых взаимодействует с электрическим полем, в силу чего совершает вынужденные колебания [6, 7].

Известно [6], что под действием внешнего магнитного поля электронная оболочка атома начинает прецессировать вокруг направления поля с определенной угловой скоростью.

В переменных магнитных полях к тому же происходит переориентация магнитной оси атома. Эти явления аналогичны “внутреннему трению”, и приводят к выделению тепла в среде.

Будем считать, что подвергаемая нагреву среда является изотропной и материальные уравнения среды можно записать в виде:

, (1.1)

где:

- абсолютная диэлектрическая и магнитная проницаемость вакуума;

- плотность тока проводимости;

- вектора напряженности электрического и магнитного поля;

- вектора диэлектрической и магнитной индукции;

- относительная диэлектрическая проницаемость среды;

- относительная магнитная проницаемость среды;

- проводимость среды.

Пусть электромагнитное поле изменяется во времени по гармоническому закону:

(1.2)

где - круговая частота колебаний.

Запишем величину относительной диэлектрической проницаемости среды в виде [6, 7]:

(1.3)

где и - действительная и мнимая части абсолютной диэлектрической проницаемости среды.

Запишем величину относительной магнитной проницаемости среды в виде [6]:

(1.4)

где и - действительная и мнимая части абсолютной магнитной проницаемости среды.

При гармонических колебаниях мощность тепловых потерь равна [6, 7]:

, (1.5)

где и - комплексно сопряженные значения амплитуд векторов напряженности электрического и магнитного полей.

Удельную мощность тепловых потерь из (1.5) можно представить в виде:

. (1.6)

Первое слагаемое выражает объемную плотность мощности, выделяющуюся в среде при протекании в ней тока проводимости согласно закону Джоуля-Ленца.

Второе и третье слагаемые в (1.6) определяют объемную плотность мощности, выделяющейся в среде за счет смещения по фазе векторов диэлектрической и магнитной индукции и векторов и .

В биологических тканях можно полагать, что они имеют следующие значения действительной и мнимой части абсолютной магнитной проницаемости: . В этом случае третье слагаемое в (1.6) равно нулю. С макроскопической точки зрения выделение тепла в среде за счет токов проводимости и поляризации неотличимо друг от друга. Математически этот факт можно выразить, записав относительную диэлектрическую проницаемость среды с учетом ее проводимости в виде [6, 7]:

, (1.7)

где: . (1.8)

. (1.9)

Здесь: - действительная и мнимая части относительной диэлектрической проницаемости с учетом проводимости биологической среды.

С учетом (1.9) выражение (1.6) приобретает вид:

(1.10)

или , (1.11)

где: f - частота колебаний электромагнитного поля в Гц;

- напряженность электромагнитного поля в В/м;

- удельная мощность тепловых потерь в .

Из уравнения (1.11) следует, что чем выше частота электромагнитного поля, тем больше удельная мощность тепловых потерь. У многих диэлектрических материалов максимум величины приходится на диапазон сверхвысоких частот.

Сверхвысокочастотные установки для промышленных и научных применений работают в определенных выделенных диапазонах частот, установленных международными соглашениями [1]. Эти соглашения были достигнуты на международной конференции по радио и телевидению и отражены в актах Чрезвычайной административной конференции по установлению частотных диапазонов для космической связи.

В России для медицины и биологии материалов наиболее часто используются электромагнитные колебания на частотах 915 МГц и 2450 МГц.

При выборе длины волны источника СВЧ энергии надо учитывать то обстоятельство, что с увеличением частоты уменьшается глубина проникновения электромагнитной волны в диэлектрик с потерями [6, 7].

Величина мнимой части относительной диэлектрической проницаемости среды зависит не только от частоты колебаний электромагнитного поля, но и от влажности и температуры [1, 6].

Величина мощности бегущей волны, которая распространяется в диэлектрическом материале с потерями (вдоль оси “z”) описывается выражением [1]:

, (1.12)

где: - мощность электромагнитного поля, вошедшая в диэлектрический материал;

- мощность электромагнитного поля на расстоянии “z” от поверхности материала;

- величина постоянной затухания, которая определяется соотношением [1]:

(1.13)

где: - длина волны в свободном пространстве;

Глубина проникновения электромагнитной волны, т.е. расстояние от поверхности материала, на котором мощность электромагнитного поля уменьшается в “е” раз определяется соотношением [1, 6]:

. (1.14)

Структура организма человека является многослойной и от каждого слоя происходит отражение микроволновой энергии.

Пусть величина СВЧ - мощности распространяется по среде, которая характеризуется действительной частью относительной диэлектрической проницаемости (величина волнового сопротивления ) и входит в другую среду, являющейся нагрузкой, которая характеризуется (величина волнового сопротивления ).

В этом случае коэффициент отражения Г может быть рассчитан по формуле:

. (1.15)

Если предположить, что в биологической среде , то:

. (1.16)

Тогда величина отраженной мощности на границе двух сред определяется соотношением:

. (1.17)

1.6 Механизм взаимодействие микроволнового излучения с биологическими объектами на атомно-молекулярном уровне

Если изменить кинетику биохимических реакций под воздействием электромагнитного поля сверхвысоких частот, то мы получим ярко выраженные эффекты воздействия поля на биологические объекты.

Для изменения кинетики реакций нужно либо создать некоторый температурный градиент, либо перевести некоторые ионы из потенциальных ям (активация молекул и как следствие изменение кинетики) на другие энергетические уровни, что приводит к конформационным изменениям (повороту дипольных молекул).

Энергию, выделяемую в единице объема биологического объекта, облучаемого электромагнитным полем, можно вычислить с помощью выражения (1.11).

Количество тепла , выделяемое в биологической среде на площади (примерная площадь поверхности клетки) при воздействии поля, можно оценить с помощью эмпирического выражения [8]:

, (1.18)

где: - количество выделяемого в биологическом объекте тепла, ;

- удельная проводимость биологического объекта, ;

- частота электромагнитного поля, ;

- напряженность электрического поля, ;

- время, .

Это тепло идет на изменение температуры биологического объекта:

, (1.19)

где: количество тепла, выделяемое в биологическом объекте, ;

- масса биологического объекта, ;

- удельная теплоемкость биологического объекта, ;

- изменение температуры, .

С учетом выражений (1.18) и (1.19) можно определить напряженность поля и удельную мощность излучения , приводящие к нагреву биологического объекта за время на величину:

. (1.20)

, (1.21)

где: - волновое сопротивление свободного пространства, .

Для биологической клетки справедливы следующие параметры:

- площадь поверхности клетки;

- масса клетки;

- удельная теплоемкость биологического объекта;

- удельная проводимость биологического объекта на сверхвысоких частотах.

Если такая клетка будет помещена, например, в электромагнитное поле частотой 3000 МГц, то за время она нагревается на при удельной мощности поля .

Примерно такой уровень высокочастотного электромагнитного поля можно считать граничным для теплового и нетеплового воздействия на биологическую клетку.

При более низких, нетепловых уровнях энергии электромагнитного поля, возможно его влияние на конформационные изменения молекул, что, в свою очередь, может привести к изменению кинетики биохимических реакций в биологических объектах. Эти изменения имеют смысл применительно к длинным белковым молекулам или различным цепочкам комплексных соединений молекул.

Под воздействием электрической составляющей электромагнитного поля может произойти деформация таких молекул. Можно ожидать, что при воздействии электромагнитных излучений с частотой, близкой к собственной частоте вращения или колебаний какой-либо дипольной группы, произойдет избирательный нагрев именно этой группы молекул. Если такая группа молекул находится, например, в активном центре фермента, то даже небольшая ее раскачка может сильно повлиять на структуру активного центра. Подобное резонансное воздействие имеет место, если, являясь единственным в активном центре, резонирующая группа имеет большой дипольный момент.

ГЛАВА 2. СОВРЕМЕННЫЕ МИКРОВОЛНОВЫЕ МЕТОДЫ В МЕДИЦИНЕ И ДИАГНОСТИКЕ

2.1 Применение микроволновой радиометрии в медицине

Основными сферами практического применения микроволновой радиометрии в настоящее время представляются диагностика злокачественных опухолей различных органов: молочной железы, мозга, легких; метастазов, а также функционального состояния коры головного мозга. При этом используют так называемые функциональные пробы: воздействия, вызывающие известный отклик организма. В этом качестве применяется, например, глюкозная проба - пациент принимает несколько граммов раствора глюкозы, после чего начинают измерения внутренней температуры антеннами, установленными в нескольких точках на поверхности тела около исследуемого органа. Если есть злокачественные опухоли или метастазы, то после глюкозной пробы видно увеличение глубинной температуры тела в этих областях.

Возможный биофизический механизм повышения температуры связан с тем, что глюкоза активно усваивается клетками. Эффективность преобразования глюкозы в АТФ в раковых клетках значительно ниже, чем у здоровых. Из одной молекулы глюкозы в раковых клетках синтезируется - 2 молекулы АТФ, а в здоровых клетках - 38. Поэтому, раковым клеткам необходимо переработать гораздо большее количество глюкозы. Поскольку коэффициент полезного действия этого процесса не превышает 50%, раковые клетки сильно разогреваются. Этот разогрев в силу физиологических механизмов индуцирует повышение температуры и близлежащих нормальных тканей. Суммарный подъем температуры регистрируется СВЧ - радиометром.

Механизм действия микроволнового излучения на организм складывается из двух процессов: первичного (непосредственного влияния СВЧ - волн на ткани организма) и вторичного - возникающего в ответ на него нейрорефлекторных и нейрогуморальных реакций целостного организма.

Первичное влияние микроволновой энергии проявляется в зоне локального воздействия и состоит из теплового и нетеплового воздействия. Тепловое воздействие происходит за счет нагрева тканей в результате трения, возникающего при движении свободных ионов электролитов тканей и колебаний дипольных молекул вокруг своей оси в процессе ориентировки их по направлению силовых линий электромагнитного поля, а также за счет выделения тепла молекулами воды при поглощении ими микроволновой энергии. Частота колебаний поля молекул воды совпадает с частотой СВЧ- колебаний, поэтому наибольшее образование тепла происходит в тканях, содержащих значительное количество воды, - в крови, лимфе, мышцах. Нетепловое воздействие микроволн заключается в различных внутримолекулярных физико-химических и электрохимических изменениях и в структурных перестройках, возникающих под влиянием энергии микроволн в сложных биоколлоидных системах (изменение осмотического давления, проницаемости клеточных мембран, коллоидного состояния цитоплазмы и межклеточной жидкости, ориентирование элементов крови в направлении силовых линий электромагнитного поля, резонансное поглощение энергии колебаний отдельными макромолекулами и др.) Соотношение теплового и нетеплового воздействия микроволнового излучения на биологические ткани определяется дозировкой воздействия - при малой мощности преобладает нетепловой, а при большой мощности - тепловой компонент.

Вторичный процесс воздействия микроволнового излучения состоит из непосредственного влияния поглощенной энергии на рецепторы тканей.

2.2 Аппарат для микроволновой терапии “Луч-4”

Аппарат для микроволновой терапии “Луч-4” предназначен для действия с лечебной целью на ткани тела человека. Частота сверхвысокочастотного электромагнитного поля 2450 МГц.

Величина мощности аппарата регулируется десятью степенями в диапазоне от 0 до 5 Вт и плавно от 0 до 20 Вт.

Аппарат имеет устройства, которые обеспечивают:

- автоматическое включение в режиме сбрасывания мощности при подключении к сети;

- включение выходной мощности только при выведенном в крайнее левое положение регулятора мощности;

- автоматический сброс мощности после окончания времени процедуры с подачей звукового сигнала и световой сигнализации.

Все органы управления расположены на горизонтальной панели. Кнопки имеют подсветку. В комплект аппарата входят 6 видов излучателей, в том числе ректальный, вагинальный, ушной.

Луч - 4 используют для реализации микроволновой терапии в условиях физиотерапевтических кабинетов лечебных учреждений.

Область применения аппарата микроволновой терапии “Луч-4”:

- для лечения центральной и периферийной нервной системы;

- для лечения гнойно-воспалительных заболеваний различной этиологии с помощью наружных излучателей, диаметрами: 20мм, 35мм, 110мм;

- для лечения различных заболеваний в области отоларингологии, урологии и гинекологии с использованием трех внутриполостных излучателей: ректального, вагинального и ушного.

Аппарат Луч-4 создает направленный поток микроволновой энергии, которая локализуется только в пораженном участке тела пациента. Благодаря этому возникает возможность осуществлять щадящее воздействие малой мощностью, не затрагивая окружающие здоровые ткани, что особенно важно в педиатрии.

При использовании аппарата "Луч-4" основное выделение тепла происходит в мышечных тканях, а не в жировых, как это происходит при УВЧ-терапии. Поэтому при лечении данным аппаратом сроки течения заболевания сокращаются в 2 - 2,5 раза по сравнению с применением медикаментозных средств или других физиологических методов лечения. В таблице 2.1 представлены основные технические характеристики аппарата.

Таблица 2.1. Основные технические характеристики аппарата «Луч-4»

1	Количество микроволновых излучателей, шт.	6
2	Частота электромагнитного поля, МГц	2450
3	Диапазоны регулировки выходной мощности: 1. Ступенчатый диапазон (10 ступеней), Вт 2. Плавный диапазон, Вт	0…….5 0……20
4	Потребляемая мощность, ВА	170
5	Габаритные размеры, мм	400х360х160
6	Масса, кг	12,5

2.3 Аппарат для микроволновой терапии “Луч-11”

Аппарат представляет собой магнетронный генератор сантиметрового диапазона 2,45 ГГц (12,24 см) предназначенный для воздействия с лечебными целями на пациентов энергией электромагнитного излучения.

Медико-физиологический принцип лечения основан на способности микроволнового излучения стимулировать функцию центральной нервной системы, расширять кровеносные сосуды микроциркулярного русла, увеличивать кровообращение и уменьшать гипоксию тканей и органов, изменять иммунологическую реактивность организма.

Глубина проникновения сантиметровых волн в среднем в биологические ткани составляет 3…5 см.

Сантиметровые волны малой интенсивности стимулируют эндокринную систему (кору надпочечников, щитовидную и поджелудочную железы).

За счет увеличения скорости кровотока, количество функциональных капилляров и расширения мелких сосудов сантиметровые волны усиливают регионарную гемо- и лимфодинамику (тепловой эффект).

Микроволны оказывают, кроме того, противовоспалительное рассасывающее действие, снижают тонус гладкой мускулатуры бронхов, поперечнополосатых мышц конечностей.

Показания:

1). Острые и хронические воспалительные заболевания периферической нервной системы (невралгия, невропатия, нефрит);

2).Дегенеративно-дистрофические заболевания суставов и позвоночника в стадии обострения (остеохондроз, артроз, деформирующий спондилез, плексит, миозит, бурсит, периартрит, эпикондилит, разрыв связок);

3). Гнойничковые заболевания кожи (фурункул, карбункул, гидраденит, мастит);

4). Хронические неспецифические заболевания легких (бронхиты, пневмония, синуситы);

5). Воспалительные заболевания женских половых органов, мочевыводящих путей, предстательной железы;

6). Воспалительные и дистрофические заболевания различных отделов глаза, полостей носа, слизистой полости рта.

В комплект поставки входят:

Излучатель облегающий, излучатель прямоугольный 205 х 95 мм, излучатели цилиндрические с диаметрами 90, 110, 140 мм, очки защитные ОРЗ-5 или щиток защитный лицевой НС5-Р, запасные части.

Основные технические характеристики прибора:

Напряжение питания, В ……………………………………………. 220

Рабочая частота, ГГц ………………………………………………..2,45

Максимальная выходная мощность, Вт ………………………….. 173

Минимальная выходная мощность, Вт ………………………………8

Регулировка мощности ……………………………………ступенчатая

Число ступеней ……………………………………………….…..…....7

Коэффициент стоячей волны (КСВ) излучателей при работе

на воздух …………………………………………………….не более 2,5

Мощность потребляемая из сети, ВА …………………..не более 800

Габаритные размеры, мм ……………………….не более 550х250х530

Масса аппарата без комплекта, кг ……………..………...не более 25

ГЛАВА 3. СВЧ - УСТАНОВКА ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА МНОГОСЛОЙНЫЕ БИОЛОГИЧЕСКИЕ ТКАНИ

3.1 Микроволновая установка для проведения экспериментальных исследований по нагреву биологических тканей

В настоящее время наблюдается повышенный интерес к использованию гипертермии для лечения раковых заболеваний. Известно, что раковые клетки более чувствительны к тепловому воздействию по сравнению с нормальными клетками.

В работе [1] показано, что для уничтожения раковых клеток при повышении температуры на каждый градус свыше 42,5С их количество уменьшается примерно в два раза, а при температуре выше 46С раковые клетки полностью уничтожаются, при этом время воздействия температуры составляет несколько минут.

Если быстро нагреть опухоль до температуры 50С и точно локализовать эту температуру непосредственно в опухоли, то раковые клетки быстро погибают, а здоровые ткани, окружающие опухоль, практически не повреждаются. Разработаны методы расчета распределения температуры в биологических тканях, которые показывают, что именно микроволновое излучение способно уничтожить злокачественные клетки, не повреждая окружающие здоровые ткани организма.

Это связано с тем, что в отличие от других видов воздействия, микроволновое излучение можно сфокусировать в заданной области организма, например в опухоли.

Значение мощности удельных тепловых потерь в биологических тканях на сверхвысоких частотах, определяется выражением [2]:

, (3.1)

где: f - частота колебаний электромагнитного поля в Гц;

- напряженность электромагнитного поля в В/cм;

- удельная мощность тепловых потерь в ;

- мнимая часть относительной диэлектрической проницаемости биологической ткани (фактор потерь).

Мнимая часть относительной диэлектрической проницаемости (фактор потерь) определяется с учетом проводимости биологической ткани [2]:

, (3.2)

где: - мнимая части абсолютной диэлектрической проницаемости среды;

- абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума;

- проводимость среды;

- круговая частота колебаний электромагнитного поля.

В работе [3] приведены ссылки на результаты исследований зарубежных специалистов, а также научных публикаций, в которых утверждается, что многие виды опухолевых тканей содержат значительно больше воды, чем нормальные виды биологических тканей того же типа.

Следовательно, доброкачественные и злокачественные опухоли имеют диэлектрические параметры близкие к обычной воде. Вода обладает более высоким значением мнимой части относительной диэлектрической проницаемости (фактора потерь) по сравнению с окружающими их здоровыми биологическими тканями того же типа. Таким образом, клетки опухоли поглощают значительно больше энергии микроволнового излучения, чем здоровые ткани, и значение температуры в опухолях значительно выше, чем в окружающих здоровых биологических тканях. Это свойство в научных публикациях получило название «избирательности микроволнового нагрева» [4].

В настоящей дипломной работе приведены результаты экспериментальных исследований распределения температуры в многослойных биологических мягких тканях с различными диэлектрическими параметрами. Температура мягких биологических тканей изменяется в результате воздействия на эти ткани микроволнового излучения из раскрыва прямоугольного волновода на основном типе волны Н₁₀, на частоте колебаний электромагнитного поля 2450 МГц.

В качестве модели, имитирующей тело человека, использована многослойная структура биологических тканей животных (кожа - жировая ткань, мышечная ткань, между слоями которой имеется слой воды, параметры которой характеризуют опухоль). Между слоями ткани расположен радиопрозрачный материал - полиэтилен, для того, чтобы не учитывать теплопроводность между различными слоями биологических тканей.

Энергия электромагнитного поля сверхвысоких частот подводится к многослойной структуре биологических тканей с помощью антенны в виде раскрыва волноводного излучателя, расположенного на определенном расстоянии от её поверхности. Значение мощности электромагнитного поля, излучаемой из раскрыва прямоугольного волновода, работающего на основном типе волны , неравномерно распределена в пространстве и рассчитывается методом Гюйгенса-Кирхгофа [5].

На рис. 3.1.1 показано схематическое изображение излучения из раскрыва прямоугольного волновода и многослойная структура, состоящая из различных слоев биологической ткани.



Рисунок 3.1.1. Схематическое изображение микроволнового излучения из раскрыва прямоугольного волновода и многослойная структура, состоящая из различных слоев биологических мягких тканей. L - расстояние от излучающего волновода до поверхности облучаемой биологической ткани.

Усредненные параметры биологических тканей при температуре и частоте электромагнитного поля 2450 МГц представлены в таблице 3. 1.1

Таблица 3.1.1. Усредненные параметры биологических тканей животных (свиньи) при 36°С на частоте колебаний электромагнитного поля 2450 МГц

Биологическая ткань			Плотность	Теплопроводность	Теплоемкость
Кожа	38	6	0,3	0,15	3,2
Жир внутренний	5	1,5	0,93	0,2	2,3
Мышечная ткань	50	9	1,03	0,48	3,36
Вода	78	10	1,0	0,6	4,18

Измерение температуры различных слоев биологических тканей проводилось по центральной линии излучающего волновода, вдоль оси “z”, соответствующей максимальному значению выходной мощности источника микроволнового излучения , удовлетворяющему условию , времени облучения и расстоянию излучающей антенны от поверхности многослойной биологической ткани .

Экспериментальные исследования распределения температуры в многослойных биологических тканях были проведены в металлической камере, размерами (600600600) мм. Источник СВЧ энергии располагался в центре верхней стенки камеры, как это показано на рис. 3.1. 2. Для чистоты эксперимента на стенках камеры располагался поглощающий материал. Это было сделано, чтобы не учитывать отражения СВЧ энергии от стенок камеры.

Рисунок 3.1.2. Конструкция СВЧ камеры для проведения экспериментальных исследований распределения температуры по объему обрабатываемого материала: 1 - металлическая камера; 2 - поглощающий материал; 3 - подставка из радиопрозрачного материала; 4 - многослойная биологическая ткань; 5 - источник СВЧ энергии

После облучения многослойного материала из биологических тканей, источник СВЧ энергии отключался, и в центре каждого слоя измерялось значение температуры с использованием термометра (термопара) с точность С.

Результаты экспериментальных исследований распределения температуры в различных слоях биологических тканей представлены в таблице 3.1.2 и в таблице 3.1.3.

В таблицах отражена последовательность расположения слоев биологических тканей, а также значения их толщин. Помещая слой воды, имитирующий злокачественную опухоль, на различные расстояния от поверхности многослойной биологической структуры видно, что работает принцип избирательности нагрева и значение температуры слоя воды выше, чем значение температуры окружающих тканей.

В первом эксперименте, слой воды располагался на расстоянии 27 мм от поверхности облучаемой биологической ткани и температура слоя имела значение 48С, а во втором эксперименте слой воды располагался на расстоянии 17 мм от поверхности облучаемой биологической ткани и значение температуры слоя составляло 52С.

Из этих экспериментов видно, что значение температуры слоя воды выше, чем окружающих тканей.

Такой метод облучения может быть использован для высокоэффективного нагрева именно опухолевых тканей. Такие эксперименты в отечественных и зарубежных научных публикациях не приводятся.

Таблица 3.1.2. Экспериментальное распределение температурного поля в многослойной биологической ткани

№ слоя биологической ткани	Название биологической ткани	Толщина слоя биологической ткани (мм)	Начальная температура биологической ткани (°С)	Конечная температура биологической ткани (°С)
1	Кожа	2	20	31
2	Жировая ткань	5	20	27
3	Мышечная ткань	10	20	46
4	Мышечная ткань	10	20	43
5	Вода	10	20	48
6	Мышечная ткань	10	20	36

Таблица 3.1.3. Экспериментальное распределение температурного поля в многослойной биологической ткани

№ слоя биологической ткани	Название биологической ткани	Толщина слоя биологической ткани (мм)	Начальная температура биологической ткани (°С)	Конечная температура биологической ткани (°С)
1	Кожа	2	20	32
2	Жировая ткань	5	20	27
3	Мышечная ткань	10	20	47
4	Вода	10	20	52
5	Мышечная ткань	10	20	40
6	Мышечная ткань	10	20	34

Результаты экспериментальных исследований показали, что значение температуры в слое воды, независимо от положения этого слоя в многослойной модели биологических тканей, существенно выше, чем значение температуры в окружающих тканях.

Расчет температуры внутри обрабатываемой биологической ткани наиболее важен с точки зрения терапии.

Нагреваемая многослойная биологическая ткань представляется в виде полупространства в электромагнитном поле бегущей волны. Каждый слой биологической ткани, толщиной , с учетом коэффициента отражения представляется в виде нагруженной длинной линии.

На рис. 3.1. 4 показана эквивалентная схема нагреваемого слоя биологической ткани с диэлектрическими потерями в режиме бегущей волны.



Рисунок 3.1.4 - Эквивалентная схема источника СВЧ энергии с раскрывом прямоугольного волновода в качестве излучающей антенны и однородного слоя биологической ткани с диэлектрическими потерями

1- источник СВЧ энергии; 2 - согласованная нагрузка; 3 - однородный слой биологической ткани, толщиной .

Каждый слой биологической ткани, как показано в работе [2] можно представить в виде двух однородных слоев, а именно: слоя абсолютно сухого вещества и слоя воды, а затем воспользоваться принципом суперпозиции или эквивалентными параметрами слоя ткани, которые могут быть определены различными методами.

В работе [6] представлена экспериментальная зависимость фактора потерь воды от температуры на частоте электромагнитного поля 2450 МГц, которая имеет линейный характер и падает с ростом температуры.

На рис. 3.1. 5 представлена экспериментальная зависимость фактора потерь воды от изменения температуры на частоте электромагнитного поля 2450 МГц [6].

Рисунок 3.1.5 - Экспериментальная зависимость мнимой части относительной диэлектрической проницаемости от изменения температуры для воды на частоте колебаний электромагнитного поля 2450 МГц

В работе [6] представлены экспериментальные зависимости фактора потерь различных сухих веществ от изменения температуры на частоте колебаний электромагнитного поля 2450 МГц, которые имеют также линейный характер и возрастают с ростом температуры. Величина мощности поглощается биологическим материалом с диэлектрическими потерями по экспоненциальному закону. В первом приближении закон изменения мощности в материале определяется величиной постоянной затухания амплитуды напряженности электрического поля в материале :

. (3.3)

Связь между постоянными распространения в различных направлениях с волновым числом свободного пространства и диэлектрическими параметрами среды можно определить характеристическим уравнением [7]:

, (3.4)

Или . (3.5)

Здесь: - постоянные распространения в различных направлениях; - постоянные затухания в различных направлениях; - фазовые постоянные в различных направлениях;

- действительная часть относительной диэлектрической проницаемости среды [2]:

, (3.6)

- действительная часть абсолютной диэлектрической проницаемости среды;

- волновое число свободного пространства:

, (3.7)

- длина волны источника микроволновой энергии.

Характеристическое уравнение (3.5) можно записать в общем случае в виде двух уравнений, приравнивая действительную и мнимую части:

, (3.8)

. (3.9)

Эти уравнения связывают фазовые постоянные и постоянные затухания с диэлектрическими параметрами обрабатываемого материала и длиной волны источника микроволновой энергии.

Эти уравнения можно использовать для определения постоянной затухания и фазовой постоянной пространства, заполненного диэлектриком с потерями.

Согласно уравнениям (3.8) и (3.9)

, (3.10)

. (3.11)

Из решения этой системы уравнений (3.10) и (3.11) следует:

, (3.12)

Распределения мощности в каждом однородном слое биологической ткани в направлении оси “z” можно представить в виде [7]:

, (3.13)

где - функция, учитывающая зависимость диэлектрических параметров биологической ткани от температуры и координаты.

Экспериментальная зависимость величины поглощенной мощности материалом вдоль оси “z” от величины постоянной затухания амплитуды напряженности электрического поля имеет прямолинейный характер на частоте колебаний электромагнитного поля 2450 МГц

Основное положение при выводе выражения для функции можно записать в виде:

, (3.14)

где А и В - коэффициенты.

Из эквивалентной схемы модели СВЧ устройства с облучаемым материалом можно записать следующие граничные условия:

(3.15)

, (3.16)

где - значение постоянной затухания амплитуды напряженности электрического поля при начальной температуре слоя биологической ткани; - значение постоянной затухания амплитуды напряженности электрического поля при конечной температуре слоя биологической ткани.

Из граничных условий (3.15) и (3.16) и уравнения (3.14) определяются коэффициенты А и В:

. (3.17)

Из теории длинных линий известно соотношение [2]:

. (3.18)

Подставляя (3.17) в (3.18), получаем уравнение:

. (3.19)

Решение уравнения (3.19) имеет вид:

. (3.20)

Следовательно:

. (3.21)

Если исходный слой биологической ткани имел начальную температуру , тогда после облучения энергией микроволнового излучения слой биологической ткани приобретает следующее распределение температуры вдоль оси “z”:

, (3.22)

где: - теплоемкость слоя биологической ткани;

- плотность слоя биологической ткани;

- время облучения биологической ткани энергией микроволнового излучения;

S - площадь поверхности биологической ткани, которая равномерно нагревается с использованием микроволнового излучения.

Если облучается полупространство, то значение постоянной затухания амплитуды напряженности электрического поля можно записать в виде [7]:

, (3.23)

. (3.24)

Излучение микроволновой мощности из раскрыва прямоугольного волновода рассчитывалось по формулам Гюйгенса-Кирхгофа [5]. Постоянное значение распределения микроволновой мощности по площади облучаемой поверхности биологических тканей в расчетах принималась на площади S= 1 см.

Расчет проведен для слоев биологических тканей, представленных в таблице 3.1.2 и электрофизических параметров, представленных в таблице 3.1.4

Таблица 3.1.4 - Рассчитанное распределение температурного поля в многослойной биологической ткани

№ слоя биологической ткани	Название биологической ткани	Толщина слоя биологической ткани (мм)	Начальная температура биологической ткани (°С)	Конечная температура биологической ткани (°С)
1	Кожа	2	20	29
2	Жировая ткань	5	20	25
3	Мышечная ткань	10	20	42
4	Мышечная ткань	10	20	38
5	Вода	10	20	47
6	Мышечная ткань	10	20	32

Результаты экспериментальных исследований подтверждают возможность локального нагрева области, где расположена опухоль, не повреждая окружающие биологические ткани. Предложенный микроволновый метод воздействия на злокачественные образования подтверждается и теоретическими исследованиями.

Расчет распределения температуры в многослойных биологических тканях, проведенный в соответствие с предложенной моделью, подтвердили полученные экспериментальные результаты. Слой воды располагался на расстоянии 27 мм от поверхности биологической ткани и температура слоя, как и в экспериментах, превышает значение температуры окружающих тканей. Если известны параметры различных слоев биологических тканей и где расположена опухоль, то можно расчетным путем получить необходимое значение температуры в интересующей области, близкое к экспериментальным результатам.