20.3. ОБЛУЧЕНИЕ В ИНТЕНСИВНОМ ПОЛЕ

20.3.1. Ткани с кровеносными сосудами

Облучение в сверхвысокочастотном интенсивном поле живых тканей приводит к изменению их свойств. Эксперименты [53] показали, что эти изменения, вероятно, связаны с тепловыми последствиями поглощения излучения. Для изучения этих изменений живые ткани можно разделить на два класса [108]: ткани, содержащие кровеносные сосуды, и ткани, которые их не содержат.

При соответствующем регулировании выходной мощности генератора сверхвысоких частот и продолжительности облучения различные ткани бедра собаки могут быть нагреты практически до любой температуры. Температура тканей начинает расти сразу же при поступлении к ним сверхвысокочастотной энергии. Нарастание продолжается приблизительно 20 мин, после чего температура начинает падать. Измерения потока крови в бедре собаки показывают резкое увеличение потока одновременно с понижением температуры. Это увеличение потока действует как механизм поглощения тепла [80].

Аналогичные эффекты наблюдались [42] в человеческом организме: при увеличении температуры тканей возрастает поток крови, который препятствует развитию слишком высокой температуры. Механизм нагревания человеческих тканей сверхвысокочастотным излучением подробно исследовался [9, 76] при помощи импульсного источника в диапазоне 3 Ггц. Результаты измерений были проанализированы [20] и сопоставлены с соответствующими диэлектрическими проницаемостями и теплопроводностями тканей. Помещение металла в ткани приводит к образованию стоячих волн и вследствие этого [37] к локальному повышению температуры.

В медицинской диатермии [52, 130] используются благотворные последствия управляемых тепловых явлений: оптимальная частота для обычных тканей лежит [97] в ультравысокочастотном диапазоне. Исследовались [91] вариации между измеряемыми и биологически эффективными дозами и сравнивались [77] температуры при сверхвысокочастотном и коротковолновом облучении. Изучались изменения в крови крысы при сверхвысокочастотной диаметрии [56, 57, 120]. Когда температура ткани превышала некоторый предел, то имели место необратимые изменения; простейшим примером является коагуляция альбумина яйца.

Характеристики теплового обмена у животных показаны схематично на рис. 20.3, а. Ось ординат соответствует нормальной температуре, вправо температура растет, выше оси абсцисс отложено количество тепла, выделяющееся при обмене веществ, а ниже оси — потери тепла. Результирующая кривая показывает, что при нормальной температуре механизм обмена устанавливает равновесие, а при высокой температуре количество тепла в организме начинает увеличиваться и животное умирает. Проводилось экспериментальное изучение [33] характеристик обмена тепла у животных на частоте

Рис. 20.3. Характеристики теплового обмена у животных: а — качественные закономерности теплового обмена в произвольных единицах; б - результаты измерений на животных при частоте (См. [33].)

Исследовалось поглощение электромагнитной энергии, способность животных поглощать тепло при повышенной температуре тела и соотношение между напряженностью поля и увеличением температуры тела. Три разновидности животных (крысы, кролики и собаки) облучались импульсным источником через рупорную антенну. Облучение производилось в экранированном помещении, облицованном поглощающим материалом, что соответствовало условиям, близким к свободному пространству.

На рис. 20.3, б приведены усредненные результаты возрастания температуры тела выше нормальной в зависимости от потока мощности сверхвысоких частот, требуемого для поддержания этого возрастания. В этом случае мощность сверхвысоких частот служит дополнительным источником тепла, необходимым для того, чтобы сделать равным нулю общий тепловой баланс, или, другими словами, поддерживать температуру тела постоянной. Поэтому величина мощности сверхвысоких частот характеризует скорость, с которой животное теряло бы тепло без этого источника или способность к рассеянию тепла. Среднее поглощение каждой разновидностью составляло 40% мощности в геометрическом профиле животного, а способность к рассеянию тепла была такой, что при повышении температуры тела на 1° рассеивался поток в

В других экспериментах [63] облучалась мышь потоком мощности с частотой Температура животного увеличивалась со скоростью, пропорциональной потоку мощности, и при достижении температуры 44,1 °С в 50% случаев наступала смерть: эта температура на 6,7° С выше нормальной температуры тела. Приведенные результаты были объяснены калориметрическими соображениями, при которых предполагалось, что животное одновременно согревается и охлаждается.

20.3.2. Ткани без кровеносных сосудов

Отсутствие кровеносных сосудов в некоторых частях тела делает их особенно уязвимыми к облучению сверхвысокими частотами: в этом случае тепло может поглощаться только окружающими сосудистыми тканями, к которым оно поступает за счет теплопроводности. Это в частности справедливо для тканей глаза и таких полых внутренних органов, как желчный пузырь, мочевой пузырь и желудочно-кишечный тракт. В этих органах имеется малое количество кровеносных сосудов и у них почти отсутствует эффективный механизм регулирования температуры.

Было исследовано воздействие облучения сверхвысоких частот на кости и костный мозг собаки и человека [36, 58]. В результате облучения семенников может наступить временное или постоянное бесплодие [59, 115]. Повреждение половых тканей надо рассматривать особо, так как некоторые генетики считают, что небольшие дозы облучения не приводят к каким-либо физиологическим нарушениям, в то же время могут вызвать мутации генов, которые остаются скрытыми в течение нескольких поколений [71]. В табл. 20.5 приведены [53] изменения температуры кролика в различных органах с малым количеством кровеносных сосудов в функции времени от начала облучения на частоте

Таблица 20.5 Температурные изменения

Полученные результаты указывают на ограничение роста температуры полости рта и прямой кишки, которая остается почти

постоянной, что указывает на губительность увеличения температуры в тканях с малым количеством кровеносных сосудов. При облучении головы неизбежно наступала смерть, если температура мозга повышалась на 6° С.

Образование [28, 30, 79] помутнений в глазах животных является важным биологическим эффектом сверхвысокочастотного облучения. Хотя эксперименты проводились [81] на частоте но в большинстве работ использовалось стандартное диатермическое оборудование, рассчитанное на частоту

Рис. 20.4. Влияние сверхвысокочастотного облучения на глаза: а — распределение температуры; б - образование помутнений при частоте (См. [15, 107].)

Было исследовано влияние облучения на температуру тканей глазной впадины, водянистой влаги в камере глаза и стекловидного тела у собак и кроликов [31, 106]. В большинстве случаев температура водянистой влаги и стекловидного тела после облучения была значительно выше, чем у глубоко лежащих тканей глазной впадины. Так как в стекловидном теле и водянистой влаге в камере глаза совсем нет кровеносных сосудов, то было показано, что быстрое охлаждение обусловлено циркуляцией крови в близлежащих сосудистых тканях.

Большинство экспериментов ставилось [2, 13, 51, 83] на кроликах, поскольку их глаза по своим размерам и форме мало отличаются от человеческих. В одном из опытов катаракта (помутнение хрусталика глаза) развилась после 10 мин облучения мощностью в на частоте На рис. 20.4, а показаны результаты измерений температуры внутри глазного яблока при облучении двумя различными частотами диапазона СВЧ. На частоте наибольшая температура возникла около задней поверхности хрусталика, который состоит из протеина, легко повреждаемого при нагревании. Этот рисунок объясняет образование катаракты при облучении на частоте и помутнений роговой оболочки и переднего сегмента хрусталика при частоте

В другой серии опытов [107] продолжительность и поток энергии облучения варьировались в пределах от 3,5 мин при до 90 мин при Главным образом наблюдались повреждения хрусталика, которые можно разделить на три группы: а) минимальные помутнения в виде небольших черных точек, не приносящие ущерба зрению, б) повсеместное помутнение, приводящее к частичной потере зрения и состоящее из расплывчатой дуги с темной границей, по форме напоминающей лучи, и в) значительные помутнения с полной потерей зрения, включающие большие районы периферических полукругов, плотные линейные отростки и вакуоли. Все виды помутнений хрусталика наступали в течение 14 дней после облучения, причем степень повреждения обратно пропорциональна времени их появления. Результаты иллюстрируются на рис. где кривая, проведенная через экспериментальные точки, является пределом, выше которого почти наверное наступает помутнение хрусталика. На чрезвычайно высокую восприимчивость глаза к потоку энергии облучения, большему указывает резкий наклон кривой в этой области. Приведен также уровень облучения, не представляющий опасности для человеческих глаз, а также стандартный [16] уровень, применяемый в глазной диатермии.

Некоторые исследователи [2, 28, 30, 53, 79] обнаружили помутнения, образовавшиеся в течение 2—42 дней при многократном сверхвысокочастотном облучении. Более поздние эксперименты [14], в которых принимались меры, чтобы при каждом облучении доза не превышала предельного значения, позволяют утверждать о наличии кумулятивного эффекта. При импульсном облучении [14, 81], по-видимому, наблюдается более повышенная тенденция к образованию помутнений, чем при непрерывном облучении с такой же средней мощностью; сверхвысокочастотное облучение уменьшает [29] также активность некоторых ферментов в глазу. При частотах ниже никаких помутнений не наблюдалось даже при облучении всего тела дозами, близкими к смертельным. Из всех этих результатов еще нельзя с полной уверенностью заключить, что образование помутнений вызывают только тепловые эффекты.