Радиоволны в медицине. Эквивалентная электрическая схема клетки

С самого начала появления радио медиков заинтересовали два вопроса: как действуют радиоволны на человека, и если они оказывают вредное действие, то как от него защититься. Над первым вопросом трудятся в содружестве физиологи, биофизики, биохимики, специалисты по профпатологии и др.

Второй — забота врачей — специалистов по гигиене труда и инженеров. Попробуем разобраться в этом сложном вопросе. Сложен он потому, что применяются самые разнообразные радиоволны. По длине они охватывают диапазон от долей сантиметра до нескольких километров. Это, в свою очередь, определяет их распространение в пространстве, они пронизывают человеческое тело, способны отражаться от окружающих предметов.

Все радиоволны условно подразделяются на несколько диапазонов:

Длинные и средние волны распространяются на сравнительно большие расстояния — до 1000—1500 км, огибая земную поверхность. Для них совершенно прозрачны и стены, и человеческое тело. Короткие волны и частично ультракороткие не огибают земную поверхность, а, достигая верхних ионизированных слоев земной атмосферы, отражаются от них, как от зеркала, и возвращаются на Землю.

Вот почему прием КВ и УКВ станций возможен или в зоне прямой видимости, или в зоне появления отраженного сигнала. Короткие волны позволяют осуществлять сверхдальние связи со странами другого полушария. На человеческое тело ВЧ, УВЧ и СВЧ производят наиболее сильный эффект, так как поглощаются тканями гораздо интенсивнее, чем ДВ или СВ.

Волны СВЧ распространяются подобно свету; уходя за линию горизонта, они покидают Землю. Это их свойство используют для проведения радиолокационных исследований Луны и других планет. Зато сверхвысокие частоты значительно сильнее поглощаются и отражаются наземными предметами, стенами, растительностью и человеческим телом. В диапазоне от 50 до 10 см практически из всей падающей на тело человека мощности половина отражается, а другая почти полностью поглощается тканями и органами тела.

Таким образом, биологическая активность радиоволн (как следствие большего поглощения) возрастает с уменьшением длины волны. Правда, следует отметить, что дальнейшее уменьшение длины волны от 10 до 1 см несколько снижает биологический эффект, поскольку излучение поглощают не все ткани организма, а только самые поверхностные (кожа, подкожная клетчатка). Приблизительно можно считать, что микроволны проникают на глубину, равную 1/10 длины волны.

Проследим путь поглощаемой тканями энергии радиоволн. Значительная часть ее превращается в тепло, что объясняется возникновением колебаний ионов и дипольных молекул воды, содержащихся в тканях. Поэтому наибольшей эффективностью поглощения и отмечаются ткани со значительным содержанием воды: кровь, мышцы, легкие, печень и т. д. В этих тканях и был в первую очередь обнаружен так называемый «тепловой эффект облучения». Например, для волн длиной 10 см на тепловыделение расходуется около ½ всей энергии излучения, а для 3 см — 98%.

Такое большое выделение тепла особенно опасно для органов и тканей, имеющих плохую систему кровообращения. Кровеносную систему можно сравнить с механизмом водяного охлаждения в автодвигателе. Протекая через нагреваемый орган, кровь уносит часть тепла, охлаждая ткани. В случае плохого кровоснабжения перегрев может достичь довольно больших размеров. Так, облучение глаза, где имеется малое количество сосудов, длиной волны 10—12 см может повысить температуру в задней части хрусталика на 20°. Это вызывает его помутнение (катаракту).

Как правило, катаракта развивается не сразу, а через несколько недель после облучения и может прогрессировать даже при отсутствии дополнительного облучения. Наблюдения и опыты, поставленные на животных, показали, что минимальная плотность потока, вызывающего гибель животного, зависит от его вида и .размеров. Так, собаки в поле с плотностью потока мощностью 100—150 мвт/см² (длина волны 10— 12 см) гибнут после 6—10 ч непрерывного облучения, а мыши и крысы — через 10—30 мин.

Было установлено, что наиболее активным является дециметровый диапазон колебаний. Метровые и сантиметровые волны оказались наименее опасными. Гибель животных наступала от перегрева организма. Измерение температуры в различных органах и тканях подопытных животных показало, что нагревание происходит не только в поверхностных слоях тканей (кожа, подкожная клетчатка, как это имеет место при инфракрасном облучении), но и в более глубоких слоях организма.

Оказалось, что тепловой эффект поля СВЧ примерно в 7 раз больше, чем инфракрасных лучей. Прерывистое облучение в 6 раз менее эффективно, чем непрерывное. Это можно объяснить тем, что компенсаторные механизмы успевают отнести часть тепла, вследствие чего нарастание гипертермии замедляется. Действие радиоволн на живые организмы не ограничивается тепловым действием. Опыт показал, что при определенных частотах простейшие организмы — амебы, инфузории, бактерии и вирусы — начинают ориентироваться в жидкой среде соответственно силовым линиям поля.

В частности, установлено, что частоты от 5 до 40 Мгц «управляют» поведением амеб, стафилококков и т. д. Частота 6 Мгц заставляет их двигаться вдоль силовых линий, а 15 Мгц — изменять направление движения на 90°. Весьма возможно, что подобное воздействие испытывают и хромосомы клеток, что приводит к изменению генетического кода и, в свою очередь, к изменению наследственных свойств.

Такое влияние на живые и неживые организмы, при котором не наблюдается заметной температурной реакции, называется атермическим, или «специфическим» действием микро волн. Оно было обнаружено и при клиническом обследовании людей, занятых на производстве и связанных с постоянным облучением персонала радиоволнами малой интенсивности. Анализируя полученные результаты, ученые предложили различные возможные механизмы первичного действия радиоволн.

Если рассматривать живые ткани как резисторно-емкостную цепь, то на низких частотах межклеточная жидкость как электролит шунтирует большую емкость клетки в целом (рис. 65). С увеличением частоты емкостное сопротивление уменьшается и ток начинает проходить через клетку. Для ВЧ и СВЧ реактивное сопротивление весьма незначительно, и электрические свойства тканей определяются проводимостью внутриклеточного белка (протеина).

Рис. 65. Эквивалентная электрическая схема клетки

Как только экспериментаторы установили активное действие радиоволн на живой организм, сразу возникла задача применения этого фактора в качестве лечебного средства.

В первую очередь наиболее подробно были изучены и внедрены в клинику радиоволны КВ и УВК диапазонов. Еще в 30-е годы появились многочисленные аппараты (например, «Ультратерм»), где использовалось свойство УВЧ поля вызывать нагрев тканей. При целом ряде заболеваний было невозможно прогреть глубоко лежащие ткани (например, гайморовы и лобные пазухи в костях черепа) только подведением тепла к поверхности тела. С развитием радиоволновой аппаратуры на восстановительные процессы в глубинах суставов и костей, в различных полостях организма, теперь можно было воздействовать извне.

Недостатком этого метода явилось лишь то, что прогрев захватывал иногда слишком широкие участки соседних тканей и органов. Только в 50-е годы бурное развитие микроволновой техники позволило создать аппаратуру, лишенную этого недостатка. СВЧ-терапия с успехом применяется при заболеваниях опорно-двигательного аппарата (например, при воспалениях суставов, заболеваниях мышечного аппарата), нервной системы, внутренних органов (воспаление плевры, мочевого и желчного пузырей), органов малого таза и др.

В последние годы очень часто появляются сообщения о терапевтических возможностях СВЧ-терапии. Так, имеются данные о положительном влиянии радиоволн при язвенной болезни. Особенно благоприятна СВЧ-терапия при острых травмах (ушибах мышц, костей и суставов, разрывах сухожилий, связок, суставных сумок). Эффективна СВЧ-терапия при гайморите и воспалении среднего уха.

Очень интересные данные представляют исследования сверхдлинных радиоволн (λ = 30—300 км), начатые в последние годы. Весьма возможно, что эти радиоволны помогут раскрыть многие особенности нервно-психической деятельности человека. Это дело будущего, залогом его является бурное развитие радиоэлектроники.