Правительство Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Правительство Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики» Московский институт электроники и математики Национального исследовательского университета "Высшая школа экономики" Факультет электроники и телекоммуникаций Кафедра “Радиоэлектроники и телекоммуникаций” ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА На тему: “Воздействие микроволнового излучения на многослойные биологические ткани” Студент группы № ЭП-91 Рагимов Элнур Алирза оглы Руководитель ВКР д.т.н., профессор Нефедов Владимир Николаевич Консультант к.н.т. Мамонтов Александр Владимирович Москва, 2013 Правительство Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики" Московский институт электроники и математики Национального исследовательского университета "Высшая школа экономики" Факультет электроники и телекоммуникаций Кафедра радиоэлектроники и телекоммуникаций УТВЕРЖДАЮ Заведующий кафедрой ______________ /С.У. Увайсов/ «___» ____________ 2013 г. ЗАДАНИЕ НА ВЫПУСКНУЮ КВАЛИФИКАЦИОННУЮ РАБОТУ (ВКР) студенту 5 курса группы ЭП-91 Рагимову Элнуру Алирза оглы 1 .Тема “ Воздействие микроволнового излучения на многослойные биологические ткани ” (Утверждена приказом от 2013 № _____________) 2. Срок сдачи ВКР руководителю: 27.05.2013 Срок сдачи ВКР на выпускающую кафедру: 10.06.2013 3. Техническое задание: Выбор конструкции макета и проведение экспериментальных исследований по воздействию микроволновой энергии на биологические ткани. Описание принципа действия микроволновой установки на частоте 2450 МГц, мощностью до 600 Вт, её конструкции. Обоснование выбора многослойной структуры биологической ткани и ее основных параметров. Распределение температуры в многослойных тканях и области применения полученных результатов. 4. Содержание расчетно-пояснительной записки. A. Специальная часть. 1. Постановка задачи и выбор конструкции микроволнового устройства. 2. Теоретическое обоснование выбора экспериментального макета и многослойной структуры биологической ткани и их параметров. 3. Расчет нагрева биологической многослойной ткани человека. 4. Анализ полученных экспериментальных результатов. 2 Б. Конструкторско-технологическая часть. 1. Общий вид микроволновой установки . 2. Общий вид экспериментального макета и многослойной структуры исследуемого объекта – биологической ткани. 3. Вид отдельных узлов и элементов микроволновой установки. 4. Конструкция устройства защиты обслуживающего персонала от микроволнового излучения. B. Охрана труда. 1. Оценка возможных опасных и вредных производственных факторов. 2. Охрана труда при проведении исследований. 3. Расчет защитного устройства микроволновой установки. Г. Экологическая часть. 1. Воздействие электромагнитного излучения на человека. Д. Решение задач на ЭВМ. 1. Расчет зависимости истечения мощности излучения из раскрыва прямоугольного волновода, сечением 72х34 мм, в плоскостях Е и Н, параллельно узкой и широкой стенкам волновода. 2. Расчет распределения микроволнового излучения в многослойных биологических тканях. 5.Перечень графического материала. 1. Основные уравнения для расчета параметров микроволновой установки. 2. Графики распределения температурного поля в многослойных биологических объектах. 3. Общий вид микроволновой установки. 4. Экспериментальные зависимости распределения температурного поля в многослойных биологических структурах. 6. Консультанты по ВКР. Консультант / Мамонтов А.В./ (подпись) Консультант /Михайлов Е.Б./ (подпись) 7. Дата выдачи задания «___» ______________ 2013 г. Руководитель ВКР /Нефедов В.Н./ (подпись) Задание принято к исполнению /Рагимов Э.А./ (подпись) «___» ______________ 2013 г. 3 СОДЕРЖАНИЕ АННОТАЦИЯ …………………………………………………………………….……6 ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………….…....7 ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ МИКРОВОЛНОВОЙ МЕДИЦИНЫ И БИОЛОГИИ……...……………………….….9 1.1 Основные направления исследования воздействия микроволнового излучения на биологические объекты…………………….……9 1.2 Электрические свойства биологических тканей в диапазоне сверхвысоких частот ………………………………………….……..11 1.3 Диатермия и диагностика биологических объектов…………………….…….....14 1.4 Исследование биологических систем в диапазоне сверхвысоких частот……………………………………………………………….15 1.5 Особенности микроволнового нагрева биологических объектов…………...…16 1.6 Механизм взаимодействия микроволнового излучения с биологическими объектами на атомно-молекулярном уровне………….….22 ГЛАВА 2 СОВРЕМЕННЫЕ МИКРОВОЛНОВЫЕ МЕТОДЫ В МЕДИЦИНЕ И ДИАГНОСТИКЕ…………………………………..…………25 2.1 Применение микроволновой радиометрии в медицине……………………..…..25 2.2 Аппарат для микроволновой терапии “Луч-4”… ………………………………..27 2.3 Аппарат для микроволновой терапии “Луч-11”……………………………….....29 ГЛАВА3 СВЧ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА МНОГОСЛОЙНЫЕ БИОЛОГИЧЕСКИЕ ТКАНИ…………………………………. 31 3.1 Микроволновая установка для проведения экспериментальных исследований по нагреву биологических тканей ………………………………………………...31 3.2 Выбор конструкции излучающей антенны ………………..……………………..46 3.3 Выбор конструкции источника СВЧ энергии ……………………………………54 3.4 Экспериментальные исследования………………………....................................56 Выводы к главе 3 ………………………………………………………………………63 ГЛАВА 4 БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ…………………….……..65 4.1. Электробезопасность…………………...…………………………………………65 4.2. Пожаробезопасность………………………………………………………………67 4 4.3. Оценка возможности опасных и вредных производственных факторов…………………………………………………………...……….…………...70 4.4. Охрана труда при проведении исследований……………………………...….…75 4.5 Инженерный расчет экранировки экспериментальной установки.................... 84 4.6. Основные требования к помещению для СВЧ- установки………………...…...86 ГЛАВА 5 ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ……………………………………………...87 5.1 Воздействие электромагнитного излучения на человека………………………..87 ГЛАВА 6 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ…………………………..………………....92 6.1 Оценка стоимости разработки микроволнового устройства лучевого типа…...92 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………..………………………………………………………...94 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ……………………………….….96 5 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. многослойная модель экспериментальные биологических исследования по тканей человека воздействию Разработана и на проведены 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. 6 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. перспективных Одним из новых 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 7 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 исследованием время механизмов основные проблемы воздействия ученых микроволновой связаны энергии с 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. 8 Глава 1 ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ МИКРОВОЛНОВОЙ МЕДИЦИНЫ И БИОЛОГИИ Основные направления исследования воздействия 1.1 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: Микроволновая терапия, которая характеризуется тем, что 1. энергию микроволнового излучения используют для лечения некоторых заболеваний проникающим теплом. Микроволновая 2. 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. 9 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. 10 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 электромагнитного поля 37  С , с уменьшается. проницаемость мышц в диапазоне частот ростом частоты Например, колебаний диэлектрическая (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 f  2450 МГц и при Т  20 С приведены в таблице 1.1 11 Таблица 1.1. Диэлектрические характеристики биологических тканей  Вид продукта tg   г  см 3 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 температуры падают (это параметры следует из мясных продуктов зависимости с ростом 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, 12 вносимой исследуемым образцом, выполненным в форме цилиндрического стерженька и помещенным в центре широкой стенки прямоугольного волновода параллельно вектору напряженности электрического поля волны типа Н10 , 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:    0,76  с  Т , где: c – средняя весовая теплоемкость продукта в интервале температур Т , Т  Т кон  Т нач 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); 13 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]. 14 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 проницаемость белка. Исследования показали, что комплексная 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. 15 1.5 Особенности микроволнового Электромагнитное поле, нагрева биологических проникая в биологический тканей 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:   D   o  E    B    o  H  ,   J    E  (1.1) где: 16  o , o - абсолютная диэлектрическая и магнитная проницаемость вакуума;  J - плотность тока проводимости;   E , H - вектора напряженности электрического и магнитного поля;   D, B - вектора диэлектрической и магнитной индукции;  - относительная диэлектрическая проницаемость среды;  - относительная магнитная проницаемость среды;  - проводимость среды. Пусть электромагнитное поле изменяется во времени по гармоническому закону:   E  E m  e j  t    , H  H m  e j  t  (1.2) где  - круговая частота колебаний. Запишем величину относительной диэлектрической проницаемости среды   в виде [6, 7]:  где  c и  с  с   j c, о o (1.3) - действительная и мнимая части абсолютной диэлектрической проницаемости среды. Запишем величину относительной магнитной проницаемости среды   в виде [6]:   с   j c, о o (1.4) где  c и  с - действительная и мнимая части абсолютной магнитной проницаемости среды. 17 При гармонических колебаниях мощность тепловых потерь равна [6, 7]: PП  1 1 1   E  E  dV      c  E  E  dV     c  H  H dV ,  2V 2V 2V (1.5) где Е  и Н  - комплексно сопряженные значения амплитуд векторов   напряженности электрического Е и магнитного Н полей. Удельную мощность тепловых потерь из (1.5) можно представить в виде: Р уд  Первое    с  2    с  2 2  Е  Е  Н . 2 2 2  слагаемое выражает объемную (1.6) 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 D и магнитной B индукции и векторов E и H . В биологических тканях можно полагать, что они имеют следующие значения действительной и мнимой части абсолютной магнитной проницаемости: c  1; c  0 . В этом случае третье слагаемое в (1.6) равно нулю. С макроскопической точки зрения выделение тепла в среде за счет токов проводимости Математически этот и поляризации факт можно неотличимо выразить, друг записав от друга. относительную диэлектрическую проницаемость среды ~  с учетом ее проводимости в виде [6, 7]: ~     j  , (1.7) где: 18 Здесь:    с . о (1.8)     с  .  о  о (1.9)  ;   - действительная и мнимая части относительной диэлектрической проницаемости с учетом проводимости биологической среды. С учетом (1.9) выражение (1.6) приобретает вид: Р уд     о     2 Е (1.10) 2 или 2 Руд  0,278  1010  f     Е , (1.11) где: f - частота колебаний электромагнитного поля в Гц; Е - напряженность электромагнитного поля в В/м; Р уд - удельная мощность тепловых потерь в Вт / м 3 . 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. 19 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 проницаемости мнимой среды части зависит относительной не только от диэлектрической 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]: Р z   P0  e 2  z , Р 0  - где: мощность электромагнитного (1.12) поля, вошедшая в диэлектрический материал; Р  z  - 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 d  расстояние от поверхности материала, на котором волны, т.е. мощность электромагнитного поля уменьшается в “е” раз определяется соотношением [1, 6]: 20 ~    d . 2      (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  1 (величина волнового сопротивления z1  1   0 ) и  1   0 входит в другую среду, являющейся нагрузкой, которая характеризуется  2 (величина волнового сопротивления z н   2   0 ).  2   0 В этом случае коэффициент отражения Г может быть рассчитан по формуле: Г z н  z1 . z н  z1 (1.15) Если предположить, что в биологической среде 1   2  1 , то: Г   1   2 .  1   2 (1.16) Тогда величина отраженной мощности на границе двух сред определяется соотношением: 2 Ротр  Рпад  Г . (1.17) 21 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 Q , выделяемое в биологической среде на площади 10 8 cм 2 (примерная площадь поверхности клетки) при воздействии поля, можно оценить с помощью эмпирического выражения [8]: Q  8,38  1032   об  f 2    Е 2 , (1.18) где: Q - количество выделяемого в биологическом объекте тепла, Дж ;  об - удельная проводимость биологического объекта, См ; м f - частота электромагнитного поля, Гц ; Е - напряженность электрического поля, В ; м  - время, с . Это тепло идет на изменение температуры Т биологического объекта: Q  m  cоб  Т , (1.19) 22 где: Q количество тепла, выделяемое в биологическом объекте, Дж ; m - масса биологического объекта, кг ; соб - удельная теплоемкость биологического объекта, Т Дж кг  С ; - изменение температуры,  С . С учетом выражений (1.18) и (1.19) можно определить напряженность поля Е Рs , приводящие к нагреву и удельную мощность излучения биологического объекта за время  на величину: m  cоб  Т 106 Е  . 8,38   об   f Рs  1,2  1031  (1.20) m  cоб  Т ,  об  f 2    R0 (1.21) где: R0 - волновое сопротивление свободного пространства, Ом . Для биологической клетки справедливы следующие параметры: S  108 cм 2 - площадь поверхности клетки; m  10 15 кг - масса клетки; cоб  4190 Дж - удельная теплоемкость биологического объекта;  кг  С  об  (5  10 5.... 2  10 4 ) Cм м удельная - проводимость биологического объекта на сверхвысоких частотах. Если такая клетка будет помещена, например, в электромагнитное поле частотой 3000 МГц, то за время   60сек при удельной мощности поля PS  300 она нагревается на T  1 C мкВт . 2 см 23 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 какойлибо 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. 24 Глава 2 СОВРЕМЕННЫЕ МИКРОВОЛНОВЫЕ МЕТОДЫ В МЕДИЦИНЕ И ДИАГНОСТИКЕ 2.1 Применение микроволновой радиометрии в медицине Основными радиометрии в сферами практического настоящее время применения микроволновой 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 25 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 СВЧколебаний, 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. 26 2.2 Аппарат для микроволновой терапии “Луч-4” Аппарат для микроволновой терапии “Луч-4” предназначен для действия с лечебной целью на ткани тела сверхвысокочастотного электромагнитного поля человека. Частота 2450 МГц. Общий вид аппарата “Луч - 4” показан на рис. 2.1. Рисунок 2.1. Общий вид аппарата микроволновой терапии: “Луч - 4” 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; 27 - для лечения гнойно-воспалительных заболеваний различной этиологии с помощью наружных излучателей, диаметрами: 20мм, 35мм, 110мм; урологии для лечения различных заболеваний в области отоларингологии, 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. 2 Частота электромагнитного поля, МГц 3 4 Диапазоны регулировки выходной мощности: 1. Ступенчатый диапазон (10 ступеней), Вт 2. Плавный диапазон, Вт Потребляемая мощность, ВА 0…….5 0……20 170 5 Габаритные размеры, мм 400х360х160 6 Масса, кг 6 2450 12,5 28 2.3 Аппарат для микроволновой терапии “Луч-11” Общий вид аппарата “Луч-11” показан на рис. 2.2 Рисунок 2.2 - Общий вид аппарата 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. 29 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 30 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 42,5  С их количество уменьшается примерно в два раза, а при температуре выше 46  С раковые клетки полностью уничтожаются, при этом время воздействия температуры составляет несколько минут. Если быстро нагреть опухоль до температуры 50  С 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]: Р уд  0,278  10 12  f     Е 2 , (3.1) 31 где: f - частота колебаний электромагнитного поля в Гц; Е - напряженность электромагнитного поля в В/cм; Р уд - удельная мощность тепловых потерь в Вт / см 3 ;   - мнимая часть относительной диэлектрической проницаемости биологической ткани (фактор потерь). Мнимая часть относительной диэлектрической проницаемости (фактор потерь) определяется с учетом проводимости биологической ткани [2]:     с  ,  о   о (3.2) где:  с – мнимая части абсолютной диэлектрической проницаемости среды;  o – 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]. 32 В настоящей экспериментальных многослойных дипломной работе исследований биологических приведены распределения мягких результаты температуры тканях с в 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 Н10 , 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. 33 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 36 С 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   103 кг м3 Теплопроводность Теплоемкость Вт ( м  К ) кДж (кг  К ) 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 34 Измерение температуры различных слоев биологических тканей проводилось по центральной линии излучающего волновода, вдоль оси “z”, соответствующей максимальному значению выходной мощности источника Р  550 Вт  , удовлетворяющему условию   0  , времени облучения   150сек  и расстоянию излучающей антенны от поверхности многослойной биологической ткани L  250 мм . микроволнового излучения Экспериментальные исследования распределения температуры в многослойных биологических тканях были проведены в металлической камере, размерами (600  600  600) 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. 5 2 Е 4 1 3 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 35 На рис. 3.1.3 показана фотография СВЧ установки лучевого типа. Рисунок 3.1.3. Фотография СВЧ установки для проведения экспериментальных исследований распределения температуры по объему материала. 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  1 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 48  С, а во втором эксперименте слой воды располагался на расстоянии 17 мм от поверхности облучаемой биологической ткани и значение температуры слоя составляло 52  С. 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 Название Толщина слоя Начальная Конечная биологической биологической биологической температура температура 36 ткани ткани ткани (мм) биологической ткани (°С) биологической ткани (°С) 1 2 3 Кожа Жировая ткань Мышечная ткань Мышечная ткань Вода Мышечная ткань 2 5 10 20 20 20 31 27 46 10 20 43 10 10 20 20 48 36 4 5 6 Таблица 3.1.3. Экспериментальное распределение температурного поля в многослойной биологической ткани № слоя Название Толщина слоя Начальная Конечная биологической биологической биологической температура температура ткани ткани ткани (мм) биологической биологической ткани (°С) ткани (°С) 1 2 3 4 5 6 Кожа Жировая ткань Мышечная ткань Вода Мышечная ткань Мышечная ткань 2 5 10 20 20 20 32 27 47 10 10 20 20 52 40 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. 37 На рис. 3.1. 4 показана эквивалентная схема нагреваемого слоя биологической ткани с диэлектрическими потерями в режиме бегущей волны. 1 (0) Pâõ ~  l  (z) 2  ( l) z Pâû õ 3 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]. 38    12 10 8 6 4 2 25 35 45 55 65 75 85 Ò, ° Ñ 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  z  : Рz   Рвх  е 2  z  z . (3.3) Связь между постоянными распространения в различных направлениях с волновым числом свободного пространства и диэлектрическими параметрами среды можно определить характеристическим уравнением [7]: Г x2  Г y2  Г z2  k 2     j  , (3.4) или 39  x  j x 2   y  j y 2   z  j z 2  k 2     j  . (3.5) Здесь: Г x , Г y , Г z – постоянные распространения в различных направлениях;  x ,  y ,  z – постоянные затухания в различных направлениях;  x ,  y ,  z – фазовые постоянные в различных направлениях;  – действительная часть относительной диэлектрической проницаемости среды [2]:    с , о (3.6)  с – действительная часть абсолютной диэлектрической проницаемости среды; k – волновое число свободного пространства: k 2  , (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:  x2   y2   z2   x2   y2   z2  k 2    , (3.8) 2   x   x   y   y   z   z   k 2    . (3.9) 40 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)  z2   z2  k 2    , (3.10) 2   z   z  k 2    . (3.11) Из решения этой системы уравнений (3.10) и (3.11) следует: 2  k         z   1     1 ,   2      (3.12) Распределения мощности в каждом однородном слое биологической ткани в направлении оси “z” можно представить в виде [7]: Рz   f z, T   Рвх  е 2н z , где (3.13) f z, T  – 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 41 Основное положение при выводе выражения для функции f z, T  можно записать в виде:  z   A  B  Pвх  P z  , Pвх (3.14) где А и В – коэффициенты. Из эквивалентной схемы модели СВЧ устройства с облучаемым материалом можно записать следующие граничные условия: Р( z ) z  0  Pвх    ( z) z 0   к  (3.15) Р( z ) z   0  ,  ( z ) z   н  (3.16)  н – значение постоянной затухания амплитуды где напряженности электрического поля при начальной температуре Т н слоя биологической ткани; к – значение постоянной затухания амплитуды напряженности электрического поля при конечной температуре Т к слоя биологической ткани. Из граничных условий (3.15) и (3.16) и уравнения (3.14) определяются коэффициенты А и В:  z    к   к   н   Рвх  Р z  . Рвх (3.17) 42 Из теории длинных линий известно соотношение [2]:  dP( z )  2   ( z )  P( z ) . dz (3.18) Подставляя (3.17) в (3.18), получаем уравнение: dP ( z )  2  dz .  Pвх  P ( z )   к  ( к   н )    P( z ) P  вх  (3.19) Решение уравнения (3.19) имеет вид: P ( z )  Pвх  e 2 н z  н .  к   к   н   e 2 н z (3.20) Следовательно: f z, T   н .  к   к   н   е 2 н z (3.21) Если исходный слой биологической ткани имел начальную температуру Т н z  , тогда после облучения энергией микроволнового излучения слой биологической ткани приобретает следующее распределение температуры вдоль оси “z”: Т z   Tн z   2   к  f 2 z, T    S  cд   д  Pвх  e  2 н  z , (3.22) где: сд – теплоемкость слоя биологической ткани; 43  д – 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]: н  k   н 2 2     н      1     1 ,     н    (3.23) 2   k   к   к    к    1     1 . 2     к    (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 2 . 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 Название Толщина слоя Начальная Конечная № слоя биологической биологической температура температура биологической ткани ткани (мм) биологической биологической ткани ткани (°С) ткани (°С) 1 Кожа 2 20 29 44 Жировая ткань Мышечная ткань Мышечная ткань Вода Мышечная ткань 2 3 4 5 6 Результаты 5 10 20 20 25 42 10 20 38 10 10 20 20 47 32 экспериментальных исследований подтверждают возможность локального нагрева области, где расположена опухоль, повреждая окружающие микроволновый метод биологические воздействия на ткани. не Предложенный 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. Полученные микроволновой результаты установки для можно использовать лечения для создания злокачественных опухолей, расположенных внутри биологических тканей. 3.2 Выбор конструкции излучающей антенны Волноводный вывод источника СВЧ энергии имеет прямоугольное сечение и работает на основной волне типа Н 10 . Для этого размеры его поперечного сечения выбираются из условий [1]: 45    a   2 ,    b 2  (3.25) где: а – широкая стенка волновода; b – узкая стенка волновода. Составляющие электромагнитного поля по прямоугольным координатам имеют следующие значения [1]:  E x  Eo  sin e  a    Eo   y  j  z  Hy   sin e ,   o a    Ео   y  j  z  Hz   cos e  j   o  a a  y  j  z (3.26) где:      k  1    2a  2 . (3.27) Здесь k – волновое число свободного пространства, которое определяется соотношением [1]: k 2   . (3.28) Задача об излучении из раскрыва прямоугольного волновода не имеет в настоящее время строгого решения [1]. Косвенные данные, результаты решения для аналогичных более простых задач дают основание утверждать, что хорошую точность можно получить при решении этой задачи так называемым методом Гюйгенса – Кирхгофа, который заключается в 46 следующем. Принимается, что поле в раскрыве волновода остается невозмущенным, определяемым по формулам (3.26), что отсутствуют затекающие на наружную поверхность волновода токи и отсутствует отраженная обратно внутрь волновода волна. При этих предположениях поле рассчитывается на основе понятия об элементе Гюйгенса. При этих предположениях диаграммы направленности выражаются следующими функциями соответственно: в Е – плоскости:  k b  sin   sin   2       2  FE  1  1     cos   k b   2a  sin    2 (3.29) в Н – плоскости: k a   sin   2  cos       2  . FH  cos  1     2  2a  2  a  sin      1      (3.30) В дипломной работе рассматривается СВЧ устройство лучевого типа, которое в качестве вводов СВЧ энергии использует антенну в виде открытого прямоугольного волновода, работающего на основном типе волны Н10. Электродинамическими системами СВЧ устройств лучевого типа являются прямоугольные камеры. Расчет и проектирование таких устройств происходит следующим образом: 1. Расчет излучения мощности из раскрыва прямоугольного волновода на волне типа H10 , как по узкой, так и по широкой стенке, который в первом приближении описывается уравнениями Гюйгенса – Кирхгофа. Значение мощности электромагнитного поля, излучаемой из раскрыва волновода источника СВЧ энергии, неравномерно распределена в пространстве. Зависимость истечения мощности излучения от величины угла 47   , который составляет интересующее нас направление относительно направления распространения энергии в волноводе, описывается функциями: в Е – плоскости: FЕ 2  k b  sin   sin   2       2   1  1     cos   k b   2a  sin    2 2 (3.31) в Н – плоскости: FН 2 k a   sin   2  cos       2   cos  1     2  2a  2  a     1   sin      2 (3.32) в плоскостях Е и Н параллельно узкой или широкой стенкам волновода. Диаграммы направленности по мощности, рассчитанные по формулам (3.31) и (3.32) для а=72 мм, b=34 мм, а также для а=90 мм, b=45 мм показаны на рис. 3. 2.1 и рис. 3.2.2 Из диаграмм видно, что источники СВЧ энергии более выгодно использовать с раскрывом волновода сечением (72х34) мм. Это существенно улучшает массогабаритные параметры СВЧ устройств лучевого типа. Если в качестве электродинамического устройства используются резонаторные камеры больших размеров, то более 90% генерируемой СВЧ мощности может быть использовано для нагревания биологической ткани. Поглощенная и преобразованная в тепло СВЧ мощность в диэлектрическом материале с потерями может быть рассчитана с учетом диэлектрического фактора потерь или тангенса угла диэлектрических потерь материала. 48 Fe    Fe    2 2 1,0 Â î ë í î âî ä 72õ34 0,8 0,6 Â î ë í î âî ä 90õ45 0,4 0,2 0 0 15 30 45 60 75  ,ãðàä Рисунок 3.2.1. Диаграмма направленности излучения по мощности в Е- плоскости из раскрыва волноводов сечением (90х45) мм и сечением (72х34) мм. Fh    Fh    2 2 1 ,0 Â î ë í î âî ä 72õ34 0,8 0 ,6 Â î ë í î âî ä 90õ45 0,4 0,2 0 0 15 30 45 60 75  ,ãðàä Рисунок 3.2.2. Диаграмма направленности излучения по мощности в Н- плоскости из раскрыва волноводов сечением (90х45) мм и сечением (72х34) мм. Если считать, что теплоемкость и масса биологической ткани остаются неизменными: T `~ Pизл  t . (3.33) Следовательно, измеренное относительное распределение температуры можно поставить в соответствие рассчитанному относительному 49 распределению температуры, согласно распределению излучаемой СВЧ мощности Pизл . При этом расчет распределения температуры в материале проводится с учетом уравнений Гюйгенса – Кирхгофа. 2. Расчет распределения мощности из раскрыва волновода от источника СВЧ энергии на различных расстояниях от обрабатываемого материала и построение уровней постоянной мощности при условии отсутствия теплопроводности внутри материала. На рис. 3.2.3 показаны уровни постоянной половинной мощности излучения для различных расстояний от материала до раскрыва волновода (200 мм; 300 мм; 400 мм), определены диагонали эллипсов и составлена соответствующая программа их расчета; 200 100 -600 -400 -200 0 200 400 600 -100 -200 Ë è í è è î ä è í à êî âû õ ò å ì ï å ð à ò óð ï î óð î âí þ ì î ù ä ë ÿ ð à ññò î ÿ í è é î ò è ñò î ÷í è êà : 200ì 300ì 400ì í î ñò è 0 , 5 ì; ì; ì. Рисунок 3.2.3. Уровни половинной мощности излучения из раскрыва волновода на различных расстояниях от обрабатываемого материала. 3. Корректировка с помощью эмпирических коэффициентов теоретически рассчитанных с использованием уравнений Гюйгенса – Кирхгофа и измеренных распределений температурного поля материала в зависимости от расстояния до обрабатываемого биологического объекта. 50 На рис. 3.3.4 и рис. 3.3.5 показано рассчитанное и измеренное распределение температурного поля в зависимости от угла излучения от источника СВЧ энергии, как по узкой стенке волновода, так и по широкой. Th    Th    1 ,0 ðàñ÷åò 0,8 0 ,6 0,4 ýêñï åðèì åí ò 0,2 0 0 15 30 45 60 75  ,ãðàä Рисунок 3.2.4. Рассчитанное и измеренное распределение относительной температуры по узкой стенке волновода. Te    Te    1,0 ðàñ÷åò 0,8 0,6 0,4 ýêñï åðèì åí ò 0,2 0 0 Рисунок 3.2.5. 15 30 45 60 75  ,ãðàä Рассчитанное и измеренное распределение относительной температуры по широкой стенке волновода. 51 Расхождение рассчитанных и измеренных характеристик можно связать эмпирическими коэффициентами коэффициенты зависят от расстояния k E z,   и k H z,  . Эти до поверхности диэлектрического материала и от величины угла   , который составляет интересующее нас направление относительно направления распространения энергии в волноводе: 2 FЕ 2  k b  sin  sin    2     2    .  k E  z ,    1  1     cos    k b 2a    sin  2 (3.34) 2 FН 2 k a   sin   2  cos       2  .  k H  z ,    cos   1     2  2  a    2a  1   sin      (3.35) Таким образом, разработана модель расчета лучевого СВЧ устройства с раскрывом прямоугольного волновода в качестве излучающей антенны, работающего на основном типе волны H10 . Модель основана на том, что поле в раскрыве волновода остается невозмущенным; отсутствуют токи, затекающие на наружную поверхность волновода; отсутствует отраженная обратно внутрь волновода волна и справедливости уравнений Гюйгенса – Кирхгофа Разработан метод расчета лучевых СВЧ устройств, который основан на использовании эмпирических корректирующих коэффициентов, зависящих от расстояния между раскрывом волновода источника СВЧ энергии и обрабатываемым материалом и угла направления распространения энергии в волноводе в уравнениях Гюйгенса – Кирхгофа. 52 Проведены экспериментальные исследования распределения температурного поля в лучевых конструкциях устройств СВЧ нагрева и показано, что расхождение между рассчитанными и экспериментальными значениями температурного поля не превышает 10%. 3.3 Выбор конструкции источника СВЧ энергии На кафедре: “Радиоэлектроники и телекоммуникаций” МИЭМ НИУ ВШЭ проводятся экспериментальный работы, как по созданию компактных источников микроволновой энергии на частоте 2450 МГц, а также экспериментальные работы по исследованию распределения температуры в многослойных биологических структурах, имитирующих тело человека. На рис. 3.3.1 представлен источник микроволновой энергии, разработанный на базе зарубежных комплектующих [4], который имеет массу 12 кг и габаритные размеры: длина – 400 мм; ширина - 200 мм; высота - 200 мм с волноводным выводом энергии сечением (72 х 34) мм. Выбор волноводного вывода энергии основан не только на стремлении уменьшения габаритов и веса источника микроволновой энергии, но, главным образом, исходя из диаграммы направленности распределения микроволновой мощности из волновода, что в свою очередь сильно влияет на выбор и габариты электродинамической системы. Рисунок 3.3.1. Источник микроволновой энергии, мощностью 0,6 кВт. Дальнейшее развитие в этой области связано, как с уменьшением массы и габаритных размеров источника микроволновой энергии, так и с увеличением КПД источника за счет использования инверторной схемы питания. 53 В МИЭМ НИУ телекоммуникаций” ВШЭ, разработан на кафедре: источник ”Радиоэлектроники микроволновой энергии и со встроенным блоком питания на основе инверторной схемы, представленный на рис. 3.3.2. Габариты источника: длина – 200 мм; ширина - 200 мм; высота - 200 мм с волноводным выводом энергии сечением (72 х 34) мм и весом 5,0 кг. Именно эти источники микроволновой энергии обладают максимальным КПД (до 67%) и позволяют плавно изменять уровень выходной мощности. Рисунок 3.3.2. Источник микроволновой энергии с инверторной схемой управления, мощностью – 0,8 кВт. На рис. 3.3.3 представлен инверторный блок питания источника микроволновой энергии. Рисунок 3.3.3. Инверторный блок питания источника микроволновой энергии. 54 Разработанная конструкция источников микроволновой энергии является наиболее перспективной с точки зрения использования в установках микроволнового нагрева. Как показывают экспериментальные исследования, время наработки таких источников микроволновой энергии на порядок превышают заявленные цифры производителем микроволновых печей, за счет лучшего охлаждения и выбора режимов работы. 3.4 Экспериментальные исследования Рассмотрим воздействие микроволнового излучения на однородную биологическую ткань в виде опухоли, которая расположена внутри однородной биологической среды, представляющей мягкую мышечную ткань. Учитывая, что частота колебаний электромагнитного поля является величиной постоянной, введем следующее обозначение: А  0,278  1012  f В этом случае значение удельной мощности (3.36) потерь, отдаваемые электромагнитным полем на единицу объема биологической среды в виде опухоли имеет вид: 2   Eопух Pопух  А   опух , а значение удельной мощности (3.37) потерь, отдаваемые электромагнитным полем на единицу объема биологической среды в виде мягких мышечных тканей имеет вид: 2   Eср Pср  А   ср , (3.38) 55 где Pопух - мощность, выделяемая на единицу объема опухоли; Pср - мощность, выделяемая на единицу объема окружающей среды;  ;  ср  - мнимые составляющие диэлектрической проницаемости  опух клетки и среды; Еопух ; Еср - амплитуды напряженности электрического поля в клетке и среде. Учитывая граничные условия на границе опухоли и окружающей среды:   Еопух   ср   Еср ,  опух  ;  ср   опух где (3.39) действительные составляющие комплексной диэлектрической проницаемости опухоли и окружающей ее среды в виде мягких тканей. Тогда: Т  Ропух Рср 2    опух    ср   ,        ср  опух  (3.40) где T - температурный коэффициент, характеризующий эффективность теплового воздействия микроволнового излучения на клетки опухоли по сравнению с окружающей их средой в виде мягких тканей. В работе [3] зарубежных приведены ссылки на результаты специалистов, а также научных публикаций, исследований в которых утверждается, что многие виды опухолевых тканей содержат значительно больше воды, чем нормальные виды биологических тканей того же типа. Таким образом, доброкачественные и злокачественные опухоли имеют диэлектрические параметры близкие к обычной воде. Вода обладает более 56 высоким значением мнимой части относительной диэлектрической проницаемости (фактора потерь) по сравнению с окружающими их здоровыми биологическими тканями того же типа. Следовательно, клетки опухоли, согласно выражению (7) поглощают значительно больше энергии микроволнового излучения, чем здоровые ткани, и значение температуры в опухолях значительно выше, чем в окружающих здоровых биологических тканях. Если температурный коэффициент, характеризующий эффективность теплового воздействия микроволнового излучения на клетки опухоли по сравнению с окружающей их средой в виде мягких тканей больше единицы ( Т  1 ), то в научных публикациях это свойство получило название “избирательности микроволнового нагрева” [4]. В настоящей экспериментальных многослойных дипломной исследований биологических работе приведены распределения мягких тканях результаты температуры с в различными электрофизическими 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 биологических тканей расположен радиопрозрачный материал – пленка из фторопласта, для того, чтобы не учитывать теплопроводность между различными слоями биологических тканей. Энергия микроволнового излучения подводится к многослойной структуре биологических тканей с помощью антенны в виде раскрыва волноводного излучателя, поперечные размеры которого 72 мм х 34 мм, расположенного на определенном расстоянии от её поверхности. 57 Измерение температуры различных слоев биологических тканей проводилось по центральной линии излучающего волновода, вдоль оси “z”, соответствующей максимальному значению выходной мощности источника Р  600 Вт , удовлетворяющему условию   0  , времени облучения   180сек  и расстоянию излучающей антенны от поверхности многослойной биологической ткани L  325 мм  . микроволнового излучения На рис. 3.4.1 показана фотография микроволновой установки лучевого типа. После облучения многослойного материала из биологических тканей, источник микроволновой энергии отключался, и в центре каждого слоя измерялось значение температуры с использованием термометра (термопара) с точность  1 С. На рис. 3.4.2 показано фото многослойных биологических тканей, которые подвергались воздействию микроволнового излучения. Результаты экспериментальных исследований распределения температуры в различных слоях биологических тканей представлены в таблице 3.4.1, в таблице 3.4.2 и таблице 3.4.3. В таблицах отражена последовательность расположения слоев биологических тканей, а также значения их толщин. Помещая слой воды (контейнер из радиопрозрачного материала, диаметром 50 мм и толщиной 15 мм имитирующий опухолевую ткань, 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. Рисунок 3.4.1. фотография СВЧ установки лучевого типа для проведения экспериментальных исследований по воздействию микроволнового излучения на многослойные биологические ткани Рисунок 3.4.2. Фото многослойных биологических тканей, которые подвергались воздействию микроволнового излучения. 58 На рис. 3.4.3 показана емкость с водой, имитирующая опухоль. Рисунок 3.4.3. фото емкости с водой, которая имитирует опухоль В первом эксперименте (таблица 3.4.1), слой воды отсутствовал, во втором эксперимента (таблица 3.4.2) слой воды располагался на расстоянии 40 мм от поверхности облучаемой биологической ткани и температура слоя имела значение 45  С, а в третьем эксперименте (таблица 3.4.3) слой воды располагался на расстоянии 25 мм от поверхности облучаемой биологической ткани и значение температуры слоя составляло 48  С. Таблица 3.4.1. Экспериментальное распределение температурного поля в многослойной биологической ткани № слоя Название Толщина слоя Начальная Конечная биологической биологической биологической температура температура ткани ткани ткани (мм) биологической биологической ткани (°С) ткани (°С) 1 2 3 4 5 6 Кожа Жировая ткань Мышечная ткань Мышечная ткань Мышечная ткань Мышечная ткань 3 7 15 23 23 23 33 28 41 15 23 38 15 23 35 15 23 32 Таблица 3.4.2. Экспериментальное распределение температурного поля в многослойной биологической ткани № слоя Название Толщина слоя Начальная Конечная биологической биологической биологической температура температура ткани ткани ткани (мм) биологической биологической ткани (°С) ткани (°С) 1 Кожа 3 23 33 59 2 3 4 5 6 Жировая ткань Мышечная ткань Мышечная ткань Вода Мышечная ткань 7 15 23 23 28 41 15 23 37 15 15 23 23 45 31 Таблица 3.4.3. Экспериментальное распределение температурного поля в многослойной биологической ткани № слоя Название Толщина слоя Начальная Конечная биологической биологической биологической температура температура ткани ткани ткани (мм) биологической биологической ткани (°С) ткани (°С) 1 2 3 4 5 6 Кожа Жировая ткань Мышечная ткань Вода Мышечная ткань Мышечная ткань 3 7 15 23 23 23 33 28 42 15 15 23 23 48 32 15 23 29 Результаты экспериментальных исследований показали, что значение температуры в слое воды, независимо от положения этого слоя в многослойной структуре биологических тканей, существенно выше, чем значение температуры в окружающих тканях. Результаты экспериментальных исследований подтверждают возможность локального нагрева области, где расположена опухоль, не повреждая окружающие биологические ткани. Если известны параметры различных слоев биологических тканей и где расположена опухоль, то можно рассчитать величину поглощенной мощности в данном слое биологической ткани и получить значение температуры в интересующей области. Полученные микроволновой результаты установки для можно использовать лечения для создания злокачественных опухолей, расположенных внутри биологических тканей. 60 Выводы к главе 3 Основные выводы экспериментальным по проведенным исследованиям теоретическим многослойного и биологического материала, используемого в качестве модели человеческого организма, можно сформулировать следующим образом: 1. Результаты экспериментальных исследований показали, что значение температуры в слое воды, независимо от положения этого слоя в многослойной структуре биологических тканей, существенно выше, чем значение температуры в окружающих тканях. 2. Результаты экспериментальных исследований подтверждают возможность локального нагрева области, где расположена опухоль, не повреждая окружающие биологические ткани. 3. Если известны параметры различных слоев биологических тканей и где расположена опухоль, то можно рассчитать величину поглощенной мощности в данном слое биологической ткани и получить значение температуры в интересующей области. 4. Полученные результаты можно использовать для создания микроволновой установки для лечения злокачественных опухолей, расположенных внутри биологических тканей. 61 Глава 4 БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ 4.1 Электробезопасность Электрические установки, к которым относятся почти всё оборудование ЭВМ, представляют для человека большую потенциальную опасность так как в процессе эксплуатации или проведения профилактических работ человек может коснуться частей, находящихся под напряжением. Специфическая опасность электроустановок: токоведущие проводники, корпуса стоек ЭВМ и прочего оборудования, оказавшегося под напряжением в результате пробоя изоляции, не подают каких-либо сигналов, которые предупреждали бы человека об опасности. Реакция человека на электрический ток возникает только при протекании последнего через тело человека. Проходя через тело человека, электрический ток оказывает на него сложное воздействие, вызывая термическое, электролитическое, механическое и биологическое действие. Термическое действие тока проявляется в ожогах отдельных участков тела, нагреве тканей и биологических средств, что вызывает них биологические расстройства. Электролитическое действие тока выражается в разложении органической жидкости, крови и проявляется в изменении их физико-химического состава. Механическое действие тока приводит к разрыву мышечных тканей. Биологическое действие тока выражается в способности раздражать и возбуждать живые ткани организма. Любое из перечисленных действий тока может привести к электрической травме, вызванной воздействием электрического тока или электрической дуги (ГОСТ-12.1.009-76). Опасность поражения электрическим током зависит от ряда факторов: 62 величина и частота тока, время воздействия, пути прохождения тока через организм, индивидуальных особенностей человека (физическое развитие, масса тела, возраст и пр.). В результате воздействия электрического тока возможны ожоги, нарушение дыхания и кровообращения, механические повреждения (ушибы, переломы) и др. нарушения сердечной деятельности может привести к смерти. Таблица 4.1 Сила тока, мА До 1 Характер воздействия Не ощущается Ощущения тока безболезненны. Управление мышцами не утрачено. Возможно самостоятельное освобождение от контакта с частями, находящимися под напряжением. 6-20 Ощущения тока безболезненны. Управление мышцами затруднено, но возможно самостоятельное освобождение от контакта с частями, находящимися под напряжением. 20-30 Ощущение тока весьма болезненны. Самостоятельное освобождение от контакта с частями, находящимися под напряжением, невозможно. 30-50 Сильные судорожные сокращения мышц. Дыхание затруднено.Возможна остановка дыхания и сердца. 50-100 Парализация дыхания. Возможна фибриллизация сердца, приводящая к смерти. 100-500 Фибрилляция сердца, самовосстановление нормального биения сердца невозможно. 500-1000 Ожоги в местах контакта, с частями находящимися под напряжением. Фибрилляция сердца. 1000* и более Сильные ожоги, возможна фибрилляция сердца. 1-6 *Сила тока, при которой не возникает фибрилляция, достигает 3000…5000 мА. Первый критерий – неощутимый ток, который не вызывает нарушений деятельности организма и допускается для длительного (не более 10 мин. В сутки) протекания через тело человека при обслуживании электрооборудования. Для переменного тока частотой 50 Гц составляет 0,3 63 мА, а для постоянного 1мА. В качестве второго критерия принимают отпускающий ток. Действие тока на человека допустимо, если длительность его протекания не превышает 30с. Сила отпускающего тока: для переменного 6 мА, для постоянного 15 мА (не болевое значение). Третьим критерием является фибрилляционный ток, не превосходящий пороговый фибрилляционный ток и действующий кратковременно до 1 с. Сила тока в зависимости от длительности воздействия для переменного тока промышленной частоты и постоянного тока принята следующей: Таблица 4.2 T,c 1,0 0,5 0,2 0,1 0,08…0,01 I ~ ,мA 50 100 250 500 650 I  , мА 200 250 400 500 650 4.2 Пожаробезопасность К опасным факторам относится возникновение пожара, которое может произойти, например, от короткого замыкания из-за неисправностей в электропроводке. Находясь в горящем помещении, человек может получить сильные ожоги. При горении полимерных материалов, используемых для отделки интерьера, выделяются токсичные вещества, вызывающие сильное отравление организма. Для того, предусмотреть чтобы избежать автоматическую пожара, пожарную необходимо обязательно сигнализацию, средства пожаротушения, а также план эвакуации людей. 64 Таблица 4.3 - Нормы первичных средств пожаротушения на действующих предприятиях Помещение, Единица Огнетушители Пенные, сооружение, измерения, ручные ОУ-2, химические, установка ОУ-5,ОУ-8 воздушном3 пенные и Административные жидкостные здания и огнетушители сооружения (a) служебнобытовые 200 1 помещения (б) вычислительные центры, машиносчётные станции, архивы, 100 1 1 библиотеки, проектноконструкторские бюро (в) типографии, помещения множительных, печатно200 1 1 копировальных машин. Войлок, Кошма или асбест(1×1; 2×1.5;2×2м) - 1 - Примечание: 1. К (а) – должно быть не менее двух огнетушителей на этаж. 2. К (б) – вместо углекислотных огнетушителей могут устанавливаться порошковые. 3. Помещения, стационарными оборудованные установками пожаротушения, автоматическими обеспечиваются первичными средствами пожаротушения из расчёта 50% расчётного количества. 65 Помещение в котором осуществлялась данная дипломная работа, относится к категории (б). Таблица 4.4 - Категории помещений по взрывопожарной и пожарной опасности Категория Характеристика веществ и материалов, находящихся (обращающихся) в помещении. Помещений А Горючие газы, легковоспламеняющиеся жидкости с Взрывопожаро- температурой вспышки не более 28˚С в таком количестве, опасная что могут образовывать взрывоопасные парогазовоздушные смеси, при воспламенении которых развивается расчётное избыточное давление, взрыва в помещении, превышающее 5 кПа. Вещества и материалы, способные взрываться и гореть при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом в таком количестве, что расчётное избыточное давление взрыва в помещении, превышает 5 кПа Б Горючие пыли и волокна, легковоспламеняющиеся Взрывопожаро- жидкости с температурой вспышки не более 28˚С в таком опасная количестве, что могут образовывать взрывоопасные парогазовоздушные смеси, при воспламенении которых развивается расчётное избыточное давление, взрыва в помещении, превышающее 5 кПа. В Горючие и трудно горючие жидкости, твёрдые Пожароопасная вещества и материалы(в том числе пыли и волокна), вещества и материалы, способные при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом только гореть при условии, что помещения, в которых они имеются в наличии или обращаются, не относятся к категориям А или Б Г Д Негорючие вещества и материалы в горячем раскаленном или расплавленном состоянии процесс обработки которых сопровождается выделением лучистого тепла, искр и пламени; горючие газы, жидкости и твёрдые вещества, которые сжигаются или утилизируются в качестве топлива. Негорючие вещества и материалы в холодном состоянии 66 Особые требования предъявляют к устройству и размещению коммуникаций. Все виды кабелей от трансформаторных подстанций двигатель-генераторных агрегатов прокладывают в металлических газовых трубах вплоть до распределительных щитов или стоек питания. В машинных залах кабельные линии прокладывают под технологическими съёмными полами, которые выполняют из негорючих или трудногорючих материалов с пределом огнестойкости 0.5 часа . Подпольные пространства под съёмными полами разделяют несгораемыми перегородками с пределом огнестойкости не менее 0,75 часа на отсеки площадью не более 250 м 2 , коммуникации через которые прокладывают в специальных обоймах с применением негорючих уплотняющих материалов. 4.3 Оценка возможности опасных и вредных производственных факторов В процессе трудовой деятельности при нарушении безопасных условий труда на человека могут воздействовать, как известно, опасные и вредные производственные факторы. Охрана труда – система законодательных актов, социально- экономических, организационных, технических, гигиенических и лечебнопрофилактических мероприятий и безопасность, сохранение здоровья средств, которые обеспечивают и работоспособности человека в процессе труда. Опасный производственный фактор - производственный фактор, воздействие которого на работающего приводит к травме или другому внезапному резкому ухудшению здоровья. К резкому ухудшению здоровья можно отнести отравление, облучение, тепловой удар и др. Вредный производственный фактор – производственный фактор, воздействие которого на работающего приводит к заболеванию или снижению работоспособности. В зависимости от уровня и 67 продолжительности воздействия вредный производственный фактор может стать опасным. При проектировании и организации работы в вычислительных центрах (ВЦ) необходимо учитывать опасные и вредные факторы. Из опасных факторов внимание следует обращать на электроопасность и пожароопасность. Также надо обращать внимание на такие вредные факторы, как повышенный уровень шума и вибрация, повышенная или пониженная температура внешней среды, отсутствие или недостаток естественного света, недостаточная освещенность рабочей зоны, статическое электричество, ионизирующее излучение, ионизация воздуха, электромагнитные, электростатические и переменные магнитные поля, микроклиматические параметры и чистота воздуха. Электроопасность. Электрические установки, к которым относится почти все оборудование ЭВМ, представляют для человека большую потенциальную опасность, так как в процессе эксплуатации или проведения профилактических работ человек может коснуться частей, находящихся под напряжением. Специфическая опасность электроустановок: токоведущие проводники, корпуса стоек ЭВМ и прочего оборудования, оказавшегося под напряжением в результате пробоя изоляции, не подают каких-либо сигналов, которые предупреждали бы человека об опасности. Реакция человека на электрический ток возникает лишь при протекании последнего через тело человека. Проходя через тело человека, электрический ток оказывает на него сложное воздействие, вызывая термическое, электролитическое, механическое и биологическое действие. Термическое действие тока проявляется в ожогах отдельных участков тела, нагреве тканей и биологических сред, что вызывает в них биологические расстройства. Электролитическое действие тока выражается в разложении органической жидкости, крови и проявляется в изменении их физико-химического состава. Механическое действие тока приводит к разрыву мышечных тканей. 68 Биологическое действие тока выражается в способности раздражать и возбуждать живые ткани организма. Любое из перечисленных воздействий тока может привести к электрической травме, вызванной воздействием электрического тока или электрической дуги (ГОСТ 12.1.009-76). Опасность поражения электрическим током зависит от ряда факторов: величина и частота тока, время воздействия, пути прохождения тока через организм, индивидуальных особенностей человека (физическое развитие, масса тела, возраст и пр.). В результате воздействия электрического тока возможны ожоги, нарушения дыхания и кровообращения, механические повреждения (ушибы, переломы) и др. Нарушение сердечной деятельности может привести к смерти. Пожароопасность. размещения элементов соединительных В современных электронных проводов, ЭВМ схем, высокая близость коммутационных друг кабелей плотность к другу представляют серьезную пожароопасность. Источником пожара может быть короткое замыкание, искрение или например чрезмерный нагрев. Опасность при пожаре представляют: токсичные продукты горения, выделяемые горящими материалами и предметами (теплоизоляционные, акустические, декоративные и другие синтетические отделочные материалы), воздействие огня и высокие температуры. Воздействие этих факторов на человека может привести к отравлению, тепловым ударам, ожогам различной степени и смерти. Шум и вибрация. Для рабочих мест ВЦ характерно наличие всех видов шумов: Технические механического, средства создают аэродинамического, механический электрического. шум, установки кондиционирования, компрессоры – аэродинамический, преобразователи напряжения - электромагнитный. Проявление вредного воздействия шума на организм человека разнообразно: затруднение разборчивости речи, снижение 69 работоспособности, обратимые и необратимые потери слуха, механическое повреждение органов слуха, воздействие на центральную и вегетососудистую нервную систему (через них на внутренние органы). Может вызвать головную боль, бессонницу, ослабление внимания, ухудшение памяти. Вибрации также могут неблагоприятно действовать на организм человека. Они могут быть причиной функциональных расстройств нервной и сердечно-сосудистой систем (спазмы сосудов), а также опорно-двигательного аппарата. Они также могут быть причиной головных болей, головокружении, повышенной утомляемости. Возможно также ухудшение состояния желудочно-кишечного тракта, головного и спинного мозга. Вибрации способны оказывать действие на все органы. Особо вредными считаются колебания с частотой 6…9 Гц, близкой к частоте колебания тела человека. При вибрациях таких частот возникает вредный резонанс, который увеличивает колебания внутренних органов, расширяя их или сужая. Ионизированное излучение. Экран монитора представляет собой источник бета-и гамма – рентгеновского излучений. Эти излучения являются ионизирующими. При воздействии на человека они могут вызвать образование в организме чужеродных молекул белка с токсическими свойствами. При длительном воздействии ионизирующее излучение может привести к малокровию, образованию злокачественных опухолей. Возможно снижение сопротивляемости организма к инфекционным заболеваниям и другие неблагоприятные эффекты. При работе за дисплеем особенно подвергаются облучению кожа лица, глаза, головной мозг и кровь. Чрезмерная ионизация воздуха также может негативно влиять на человека. Электромагнитные, электростатические и переменные магнитные поля. 70 Низкочастотные электромагнитные поля возбуждает отклоняющая система электронно-лучевой трубки монитора. Источник электростатического поля – прежде всего экран монитора и система формирования электронного луча ЭЛТ. Переменные магнитные поля образует трансформатор развертки монитора, трансформаторы блоков питания и другие вспомогательные устройства. Поглощаемая тканями энергия электромагнитного поля превращается в теплоту. Если механизм терморегуляции тела не способен рассеять избыточное тепло, происходит повышение температуры тела. Перегревание органов и тканей ведет к их заболеваниям. Электромагнитные поля могут влиять и непосредственно на клетки, приводя к изменению происходящих в них процессов. Особенно болезненно могут реагировать на электромагнитное поле клетки глаз, мозга, почек, желудка. Отрицательное воздействие электромагнитных полей вызывает обратимые и необратимые изменения в организме: торможение рефлексов, понижение кровяного давления, выпадения волос, ломкость ногтей. Электростатические поля могут вызвать вторичную электризацию человеческого организма. Это вредное явление способствует развитию дерматита, появлению угрей. Низковольтный разряд способен прекратить клеточное развитие, вызвать помутнение кристаллика. Воздействие магнитных полей на человека может приводить к нарушениям в нервной системе, пищевом тракте, сердечно-сосудистой системе, изменениям в составе крови. Отсутствие или недостаток естественного света и недостаточная или неправильная освещенность рабочей зоны. Освещенность искусственными помещения источниками ВЦ света. создается Недостаток естественным освещенности и/или или неправильная освещенность рабочей зоны, как отсутствие или недостаток 71 естественного света приводят к вредным воздействиям на органы зрения и психику человека. В результате снижается работоспособность, происходит отрицательное психологическое воздействие, длительная адаптация зрения, что приводит к снижению производительности труда. 4.4 Охрана труда при проведении исследований Нормализация микроклимата Оптимальными параметрами температуры при почти неподвижном воздухе являются 19ºС…21ºС, допустимыми 18 ºС или 22ºС. Комфортное состояние при данных температурах воздуха определяется влагосодержанием. Оптимальное допустимое – не ниже 6 влагосодержание составляет 10 Г , м3 Г (см. табл. 4.1.). м3 Таблица 4.5 - Содержание абсолютной и относительной влажности воздуха в зависимости от температуры Темп-ра Влажность 3 В Сº Абсолютная г/м Относительная г/м3 Оптимальная Оптимальная допустимая допустимая 18 10 6 65 39 19 10 6 62 37 20 10 6 58 35 21 10 6 55 33 22 10 6 52 31 Для обеспечения надлежащего микроклимата и качественного состава воздуха, включая аэронный режим в котором исследованиями не предусматривались компьютеры, а их оборудование осуществлялось в других помещениях, необходимо систематически перед началом работы и с периодичностью 45 минут осуществлять проветривание не менее 10 минут. Наилучший обмен воздуха осуществляется при сквозном проветривании, если позволяют погодные условия, то работа за компьютером должна производиться при открытых окнах. 72 Другой путь обеспечения воздухообмена, может быть достигнут установлением в оконных рамах автономных кондиционеров. Режим работы кондиционера должен обеспечить максимально возможное поступление наружного воздуха, но не менее 50% от производительности кондиционера. В каждом конкретном случае необходим расчет воздухообмена по количеству избытков тепла от машин, людей и солнечной радиации. Для повышения влажности воздуха можно использовать увлажнители или устанавливать емкости с водой типа аквариумов вблизи отопительных приборов. В целях исключения влияния на микроклимат солнечной радиации и создания равномерного естественного освещения необходимо предусмотреть для окон солнцезащитные регулируемые устройства типа жалюзи, расположенные снаружи или в межстекольном пространстве. Освещение. На уровень освещенности помещения оказывает влияние цветовая отделка интерьера и оборудования, их ограждающая способность. Для уменьшения поглощения света потолок и стены свыше 1,5…1,7 м, если они не облицованы звукопоглощающим материалом, окрашиваются белой водоэмульсионной краской (  должен быть не менее 0,7). Допускается окраска стен до потолка цветом панелей. Для окраски стен и панелей рекомендуется применять светлые тона красок (  =0,5…0,6). Предпочтение следует отдавать холодным тонам: светло-голубому, светло-зеленому, светло-серому. Допускается окраска стен светло-желтым, светло- бежевым цветом или цветом слоновой кости. Нельзя окрашивать стены, расположенные напротив экрана монитора, более темными тонами красок (  =0,3…0,4). На окнах монтируются занавеси, по цвету гармонирующие с краской стен. Занавеси не должны пропускать естественный свет и не полностью 73 закрывать оконные проемы. Запрещается применять для окон черные занавеси. В осветительных установках помещения следует использовать систему общего освещения, выполненную потолочными или подвесными люминесцентными светильниками, равномерно размещенными по потолку рядами, параллельно проемам света, так, чтобы экран монитора находился в зоне защитного угла светильника, и его проекция не приходилась на экран монитора. Оператор не должен видеть отражение светильников на экране ЭВМ. Применять местное освещение при работе на ЭВМ не рекомендуется. Минимальная освещенность рабочей поверхности стола должна быть 100…500 лк. (см. таблицу 4.2). Таблица 4.6 - Нормы освещенности поверхностей в производственных помещениях 4 1 Высокая точность 2 А Б В Г А Б В Г А Б В Г От 0,3 До 0,5 Средняя От 0,5 Точность До 1,0 Малая точность 3 От 1,0 До 5,0 1- 5 7 2000 1000 750 400 750 500 400 300 300 200 200 200 Характеристика 6 8 500 300 300 200 300 200 150 150 200 150 100 100 зрительной 9 1500 750 600 400 600 500 400 300 300 300 300 300 работы по 10 300 200 200 150 200 150 100 100 150 100 50 50 степени точности. 2- Наименьший размер объекта различения, мм. 3- Подразряд зрительной работы. 74 4- Освещенность, лк. 5- Освещенность при газоразрядных лампах. 6- Освещенность при лампах накаливания. 7, 9 - Комбинированное освещение. 8, 10 – Одно общее освещение. Яркость экрана должна быть равной ½ или более яркости рабочей поверхности стола при освещенности 400…700 лк. При проектировании осветительных установок с люминесцентными светильниками в помещении целесообразно выбирать коэффициент запаса, равный 1,4. Допустимая величина дискомфорта, одного из основных качественных параметров осветительных установок, регламентируемого для ограничения прямой блескости, не должны превышать 15. При проектировании осветительных установок следует пользоваться инженерным методом оценки слепящего действия осветительных установок по дискомфорту. Величина коэффициента пульсации не должна превышать 10%, для чего следует применять многоламповые светильники с компенсирующими ПРА, осуществлять расфазировку светильников при электромонтаже осветительных установок. Для освещения помещения рекомендуется применять светильники с металлической экранирующей решеткой и непрозрачными боковинами. В качестве источников света рекомендуется использовать люминесцентные лампы мощностью 40 Вт или энергоэкономичные мощностью 36 Вт. Светильники должны освобождаться от пыли не менее двух раз в год. Работа на видеотерминалах может осуществляться при следующих видах освещения: 1. Общем люминесцентном освещении, когда мониторы располагаются по периметру помещения или при центральном расположении рабочих мест в 75 два ряда по длине помещения с экранами, обращенными в противоположные стороны, а также при одно-, трехрядной расстановке рабочих мести с ЭВМ; когда на улице темно, окна должны быть зашторены; 2. Совмещенном освещении (естественное + искусственное) только при одно- и трехрядном расположении рабочих мест, когда экран и поверхность рабочего стола находится перпендикулярно светонесущей стенке; 3. Естественном освещении, когда рабочие места с ЭВМ располагаются в один ряд по длине помещения на расстоянии 0,8…1,0 м от стены с оконными проемами и экраны видеомониторов находятся перпендикулярно этой стене. Основной поток естественного света при этом должен быть слева. Не допускается направление основного светового потока справа, сзади и спереди работающей ЭВМ. Солнечные лучи и блики не должны попадать в поле зрения работающей ЭВМ. При выполнении работы в качестве источников света использовались люминесцентные лампы мощностью 40 Вт. Шум Помещение, где проводится расчет на ЭВМ, не должно граничить с помещениями, имеющими повышенные уровни воздушного и ударного шума, а также располагаться вблизи таких помещений. Уровень шума помещения, свободного от операторов и вычислительной техники, не должен превышать 40 дБ (СН и П 11-12-77 “Защита от шума. Нормы проектирования ”), а уровни звукового давления в октавных полосах со среднегеометрическими значениями частот: 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц – соответственно 63, 52, 39, 28, 20 дБ (см. таблицу 4.3). 76 Таблица 4.7 - Уровни звукового давления в машинном зале ВЦ (данные спектра в октавных полосах в дБ) Параметр/ f, Гц 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 83 74 68 63 60 57 55 54 66 56 56 58 62 57 57 52 72 62 62 64 68 63 63 58 У одного HDD 72 68 69 67 64 63 58 52 У двух HDD 78 74 75 73 70 69 64 58 Допустимые значения для помещения У одного печатающего устройства У двух ПУ Звукоизоляция ограждающих конструкций помещения должна отвечать требованиям согласно главы СН и П 11-12-77. Во время работы на ЭВМ в помещении уровень шума не должен превышать 50 дБ, а уровни звукового давления в октавных полосах частот со среднегеометрическим значением 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 и 8000 Гц – соответственно 71, 61, 54, 49, 42, 40 и 38 дБ (ГОСТ ССБТ 12.1003-83 “Шум. Общие требования безопасности”; ”Санитарные нормы допустимых уровней шума на рабочих местах” № 3223-85). Для снижения уровня шума потолок или стены выше панелей (1,5…1,7 м от пола), а иногда и стены и потолок должны облицовываться звукопоглощающим материалом с максимальным коэффициентом звукопоглощения в области частот 63…8000 Гц. Дополнительным звукопоглощением в помещении могут быть занавеси, подвешенные в складку на расстоянии 15…20 см от ограждения, выполненного из плотной тяжелой ткани. Ширина занавеси должна быть в два раза больше ширины оконного проема. При проведении исследований уровень звукового шума не превышал 50 дБ (48 дБ), что можно признать удовлетворяющем норме. 77 Качественный состав воздуха. Содержание кислорода в помещении должно быть в пределах 21…22 об.% Двуокись углерода не должна превышать 0,1 об.%, озон – 0,1 аммиак – 0,2 мГ , м3 мГ мГ мГ , хлористый винил – 0,005 3 , формальдегид – 0,003 3 . 3 м м м Количество легких (положительных и отрицательных) ионов должно соответствовать оптимальным значениям: для положительных – 150…300, для отрицательных – 3000…5000. Коэффициент полярности (отношение разности числа положительных и отрицательных ионов к их сумме) должен находиться от – 0,5 до 0 (“Санитарно-гигиенические нормы допустимых уровней ионизации воздуха производственных и общественных помещений” № 2152-80). В помещении, где используется компьютер, следует ограничивать применение полимерных материалов для оценки интерьера и оборудования. Пол должен иметь поливинилхлоридное антистатическое покрытие (ТУ 2129-108-84). Двери и стенные шкафы могут быть облицованы поливинилхлоридным декоративным антистатическим материалом (ТУ 40020-38-3-82). Запрещается применять для отделки интерьера компьютерного помещения строительные материалы, содержащие органическое сырье: древесно-стружечные плиты (ДСП), декоративный бумажный пластик, поливинилхлоридные пленки, моющиеся обои и др. Другие факторы. Зрительное и умственное перенапряжение можно уменьшить путем правильной организации рабочего места при работе с компьютером. При работе на ЭВМ необходимо соблюдать правильную посадку. Работающий за видеотерминалом должен сидеть прямо, опираясь в области нижних углов лопаток на спинку стула, не сутулясь, с небольшим наклоном головы вперед (до 5…7º). Предплечья должны опираться на поверхность 78 стола, снимая тем самым статическое напряжение мышц плечевого пояса и рук. Угол, образуемый предплечьем и плечом, а также – голенью и бедром, должен быть не менее 90º. Уровень глаз должен приходиться на центр экрана и оптимальное ее отклонение в вертикальной плоскости должно находиться в пределах 10º. Оптимальный обзор в горизонтальной плоскости от центральной оси экрана должен быть в пределах 15º, допустимый - 30º. При рассмотрении информации, находящейся в крайних положениях экрана ЭВМ, угол рассматривания ограниченный линией взора и поверхностью экрана должен быть не менее 45º. Чем больше угол рассматривания, тем легче воспринимать информацию с экрана видеотерминала и меньше будут уставать глаза. Оптимальное расстояние глаз до экрана монитора должно составлять 60…70 см, допустимое – не менее 50 см. Рассматривать информацию на экране видеотерминала ближе 50 см не рекомендуется. Для предупреждения развития переутомления обязательными условиями являются: 1. Осуществление перерыва после каждого академического часа работы длительностью не менее 15 минут, независимо от ее вида; 2. Проведение во время перерыва проветривания помещения (желательно сквозное); 3. Осуществление во время перерыва подвижной паузы в течении 3…4 минут: 4. Через каждые 20…25 минут работы на видеотерминале осуществлять упражнения для глаз. Комплекс упражнений рекомендуется менять не реже одного раза в 2…3 недели. Уровень неиспользованного рентгеновского излучения на расстоянии 5 см от экрана и других поверхностей ЭВМ не должен превышать 100 мкР/ч. Напряженность электростатического поля на рабочем месте при работе на видеотерминале должна быть не более 15 кВ/м. 79 В целях предупреждения электрических травм запрещается работать на незаземленных мониторах, а также на мониторах, у которых нарушен внешний вид (повреждена поверхность корпуса и ЭЛТ и т.п.), имеются нехарактерные сигналы, нестабильное изображение на экране ЭДТ и др. Помещения должны быть оснащены устройствами защитного отключения. Электрические розетки, находящиеся на рабочих местах операторов, должны быть расположены в труднодоступном месте. Свободные розетки должны быть закрыты заглушками. Должны быть соблюдены нормы, препятствующие легкому извлечению сетевых вилок из розеток (на розетках устанавливаются защитные кожухи). Средства вычислительной техники должны быть установлены и подключены в строгом соответствии с инструкциями по их эксплуатации и заземлены. Провода электропитания не должны свешиваться со столов или висеть под столами. Должна быть исключена возможность случайного касания ногами проводов или электрических розеток. Операторы не должны иметь легкого доступа к задним панелям видеотерминалов. ЭВМ должны находиться на столах в устойчивом положении, а столы должны быть прикреплены к полу. Средства вычислительной техники должны иметь чехлы, предохраняющие их от пыли. Для снижения пыли в помещении с компьютером рекомендуется: 1) не входить в помещение, где установлены видеотерминалы, в уличной обуви; 2) на входе в помещение необходимо предусмотреть шкаф с полками для хранения портфелей и сумок, или же встроенный шкаф: 3) ежедневно проводить уборку помещения влажным способом и протирать экраны и корпус видеомонитора. 4) 80 4.5 Инженерный расчет экранировки экспериментальной установки Основной целью электромагнитной экранировки установки является не допущение воздействия СВЧ – мощности на обслуживающий персонал. Для частот свыше 300 МГц установлена максимальная мощность длительного (несколько часов) воздействия на человека и она равна 10 мкВт . см 2 Экранирование производится металлом, толщиной 3 мм. Защитные свойства обусловлены тем, что электромагнитное поле создает на экране токи Фуко, наводящие в нем вторичное поле по амплитуде примерно равное, а по фазе противоположное экранируемому. Результирующее поле, возникающее при сложении этих двух полей очень быстро убывает в экране, проникая на незначительную глубину. В исследованиях применяется частота 2450 МГц, получаемые выходные мощности находятся в пределах до 1,0 кВт при следующих геометрических размерах установки размерах установки: 1200 мм  34мм  72мм. Таким образом, в объем резонаторной камеры излучается СВЧ мощность – 1 кВт, и следовательно можно определить величину мощности, приходящейся на единицу поверхности волноводной камеры: Пизл  П изл  РСВЧ площадь СВЧ  устройства (4.1) 1000 Вт Вт  25000 2 2 0,04 м м Экранирование производится листами стали, толщиной (z = 3 мм). Величину мощности СВЧ – излучения из СВЧ – устройства можно рассчитать из уравнения: 81 Пизл ( z )  Пизл (0)  e 2  z (4.2) В этом выражении: Пизл (0) - плотность мощности излучения внутри установки; Пизл (z ) - плотность мощности излучения из установки; z – толщина металлического стального листа;  - постоянная затухания СВЧ – мощности в медном листе. Величина постоянной затухания может быть определена по формуле:  f      0 2 (4.3) В этом выражении:   f - частота колебаний электромагнитного поля, f  2450  10 6 Гц ;  - проводимость меди, (   0,57 108 1 ); Ом м  - относительная магнитная проницаемость стали; Гн    0 - абсолютная магнитная проницаемость  0  4 10  7 ; м  2450  10 6  0,57  108  4  10  7 1   32  10 4 2 м  2    z  2  32  10 4  3  10 3  2  32  30  1920 П изл ( z )  1150 Вт 1920 e 0 м2 82 Таким образом, величина СВЧ – мощности, которая излучается из установки равна нулю, и следовательно, удовлетворяет всем требованиям по безопасным условиям работы обслуживающего персонала. В России в настоящее время действуют следующие нормативные документы: 1. ГОСТ 12.1.006 – 84 “Система безопасных условий труда. Электромагнитные поля радиочастот. Допускаемые уровни на рабочих местах и требования к проведению контроля”; 2. Отраслевые “Правила техники безопасности и производственной санитарии в электронной промышленности”, разделы К, Н, согласованные с Министерством электронной промышленности СССР от 16 февраля 1983 г. Оба указанные документа устанавливают в качестве безопасной нормы, при 8 часовом рабочем дне, уровень плотности потока мощности не более 10 мкВт . см 2 4.6 Основные требования к помещению для СВЧ – установки Установка является экологически чистой, не содержит вредных выбросов в атмосферу и обеспечивает обеззараживание грунта под рассаду. СВЧ – установка для обезжиривания грунта под рассаду изготовлена в исполнении УХЛ категория 3 по ГОСТ 15150-69 и предназначена для работы в сухом помещении, при температуре от +5°С до +40°С; относительной влажности воздуха до 98% при температуре +25°С и более низких без конденсации влаги, атмосферном давлении 745 мм.рт.ст. в среде невзрывоопасной, не содержащей пыли и капель воды в количестве снижающем параметры источников СВЧ – энергии в допустимых пределах. 83 Глава 5 ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 5.1 Воздействие электромагнитного излучения на человека О вредном воздействии на здоровье человека электромагнитного излучения высоковольтных ЛЭП уже много писали, но, оказывается, наши квартиры, опутанные электрическим кабелем и переполненные бытовыми приборами, не намного безопаснее. Речь пойдет о воздействии на людей магнитных полей, которые создаются некоторыми бытовыми электроприборами, а в основном разнообразным электротехническим оборудованием здания: кабельными линиями, подводящими электричество ко всем квартирам, системами энергоснабжения лифтов. В России не установлены предельно допустимые уровни переменного магнитного поля частотой 50 Гц для населения, поэтому этот вид излучения не контролируется органами санэпидемнадзора в жилищах и для бытовых приборов. А вот в Швеции цифра 0,2 мкТл фигурирует уже в обязательных к исполнению существующих правил, и в них рекомендовано снижать уровень поля, насколько это позволяют сделать современные технические средства. В результате исследований населения в Швеции установлено, что у тех, кто живет в условиях повышенного (более 0,1 мкТл) уровня магнитного поля промышленной частоты, риск развития лейкемии у детей возрастал в 3,6 раза с повышением уровня магнитного поля от 0,1 мкТл до 0,4 мкТл. Споры о воздействии электромагнитного излучения аппаратов сотовой связи на здоровье пользователей ведутся уже несколько лет, при этом самым главным аргументом достоверных защитников экспериментальных радиотелефона данных о связи было отсутствие высокочастотного излучения и заболеваемости. 84 В майском выпуске журнала “ Radiation Research” группа исследователей под руководством доктора Майкла Рипачелли сообщила об экспериментах по облучению лабораторных животных импульсно- модулированным радиочастотным сигналом (900 МГц), соответствующим одному из наиболее распространенных стандартов сотовой связи. Исследование проведено на мышах, методами генной инженерии выведенных для изучения раковых заболеваний. Эти мыши имеют особый ген, вызывающий склонность к образованию лимфомы, и ученые заранее знают, какой процент животных в нормальных условиях окажется больным через любое время. В ходе эксперимента около 100 мышей – самок подвергались облучению дважды в день в течение 30 минут. Через полтора года 43% облученных животных заболело лимфомой, в контрольной группе – только 22%. Эти эксперименты устанавливают статистически достоверную связь между электромагнитным излучением сотового телефона и ростом онкологических заболеваний у подопытных животных. Исследование группы Майкла Рипачелли выполнено квалифицированным коллективом с использованием самых современных методов. Работа проводилась в рамках международного проекта Всемирной организации здравоохранения. Биологическое действие электромагнитных полей, и ее результаты, очевидно, указывают на возможность канцерогенного действия электромагнитных полей, особенно в сочетании с другими канцерогенными факторами. Однако полностью переносить эти результаты на человека пока преждевременно. Провести эксперименты на человеке невозможно, поэтому надо ждать, когда проявятся последствия для здоровья сегодняшних пользователей радиотелефонов. Точно так же в сороковых годах ученые не имели данных об онкологическом воздействии ядерного излучения на человека, хотя опыты на животных достоверно связывали радиацию и рак. 85 Лишь потом, в ходе медицинских наблюдений за жертвами ядерных взрывов и аварий, все данные лабораторных исследований были подтверждены. Результаты исследований доктора Рипачелли являются тревожным сигналом и требуют большой осторожности в использовании техники мобильной связи. Биологическое действие электромагнитных полей зависит, прежде всего, от двух параметров – мощности и частоты излучения. В зависимости от мощности различают тепловое и нетепловое воздействие. Условной границей между этими областями является величина в 10 милливатт на квадратный сантиметр облучаемой поверхности. При таком значении мощности ткани могут прогреться на несколько десятых долей градуса. От частоты излучения зависит, насколько хорошо поглощается электромагнитная энергия в теле человека. Например, волны метрового диапазона (40 МГц) слабее поглощаются в тканях, чем волны дециметрового диапазона (900 МГц), а излучение сантиметрового диапазона может полностью “застрять” в живой ткани на глубине в несколько сантиметров. Значение выходной мощности является основной энергетической характеристикой – чем она больше, тем больше уровень электромагнитного поля будет около антенны. Для радиотелефонов ручного пользования мощность находится в пределах от десятых долей ватта до 10 ватт. В России уже несколько десятков лет действуют нормы для предельно допустимых уровней радиочастотных излучений. Например, для устройств, работающих в области частот 30…300 МГц была введена предельная напряженность электрического поля волны в 100 В/м. Для частот выше 300 МГц установлена предельно допустимая мощность излучения 10 микроватт на сантиметр квадратный (для облучаемого персонала). Для населения этот уровень меньше в 5,1 раза, без ограничения времени облучения. При использовании любой бытовой аппаратуры в России эти нормы должны соблюдаться. Простейшие оценки 86 показывают, что радиотелефон (например, 900 МГц) с мощностью излучения около одного ватта способен создать в области вашей височной кости плотность мощности в 10…100 раз большую, чем предельно допустимые значения. Заметим, что инструментальные измерения уровней излучения радиотелефонов подтверждают эту печальную картину. Проблему влияния электромагнитного поля радиотелефона на здоровье стали широко обсуждать в США в начале 90-х годов. Именно тогда к производителям аппаратов и владельцам сотовых сетей был предъявлен ряд гражданских исков от родственников людей, активно пользовавшихся при жизни радиотелефоном и умерших от рака мозга. Вся эта история вызвала панику среди пользователей аппаратов сотовой связи, которая и привела в 1993 году к резкому падению радиотелефонном курса бизнесе. акций крупнейших Производители компаний, провели занятых в беспрецедентную компанию по формированию благоприятного общественного мнения: в рекламу были включены сообщения о безопасности продукции, проводились пресс-конференции ученых, заявившие, что не было отмечено ни одного случая существования угрозы для здоровья от применения сотового телефона. При этом никто не отрицал того факта, что ни одного специального исследования, посвященного проблемам биомедицинских эффектов от радиотелефона к тому времени выполнено не было. Традиционно при рассмотрении биологических эффектов от электромагнитного поля считалось, что основным механизмом воздействия является “тепловое” поражение тканей. Исходя из этого, и разрабатывались стандарты безопасности во многих странах. Однако, в последнее время появляется все большее количество доказательств, что существуют другие пути взаимодействия электромагнитного поля живого организма при интенсивностях поля недостаточных для тепловых воздействий. В числе отдаленных проявлений этих воздействий и раковые, и гормональные заболевания, и многое другое. Кроме того, ученые обратили внимание на комбинированное воздействие малых интенсивностей различных видов 87 воздействий. Практически все мы находимся в условиях одновременного воздействия электромагнитных полей, ионизирующих излучений, химических веществ и прочее. В результате совместного действия всех этих факторов процессы в организме протекают иначе, не так, как это моделировалось в лабораториях для какого-либо одного вредного воздействия. Одна из групп провела в течение месяца эксперимент, в ходе которого 20 добровольцев 6 дней в неделю по 2 часа в день использовали стандартный сотовый телефон, а врачи анализировали их гормональное состояние. В отчете приведены данные об устойчивом снижении тиреотропного гормона, отвечающего за работу щитовидной железы. Хорошо известно, что при снижении функции щитовидной железы уменьшается потребление кислорода, снижается скорость обменных процессов. Внешние признаки этого - прорежение волос, сухая, одутловатая кожа с желтоватым оттенком, хриплый голос. Эксперименты на животных показали, что практически все контрольные системы организма реагируют именно на модулированный сигнал при низкой интенсивности энергии воздействия (100 мкВт/кв.см.) При исследовании необходимо теплового иметь ввиду воздействия тот факт, электромагнитного что ткани живого излучения организма неоднородны. Например, в тканях головного мозга есть участки, которые изза высокой проводимости способны поглотить значительно большую часть энергии электромагнитного излучения, чем соседние ткани. Возможность такого “локального” перегрева была достоверно установлена еще до изобретения радиотелефона. При превышении некоторых доз (кстати, весьма незначительных) высокочастотного излучения в мозгу подопытных животных наблюдались микроскопические участки, которые были буквально сварены. Не исключено, что подобное явление приведет к раку мозга. Вопрос о воздействии радиотелефонов на здоровье человека остается по сей день открытым. 88 ГЛАВА 6 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 6.1 Оценка стоимости разработки микроволнового устройства лучевого типа для воздействия микроволнового излучения на многослойные биологические ткани включает в себя следующие основные этапы: 1. Разработка технического задания на микроволновую установку, которое включает в себя следующие основные параметры: - выбор конструкции микроволнового устройства экспериментальных исследований; - многослойная структура биологических тканей; - проведение экспериментальных исследований по воздействию микроволновой энергии на биологические ткани; - описание принципа действия микроволновой установки на частоте 2450 МГц, мощностью до 600 Вт, её конструкции; - обоснование выбора многослойной структуры биологической ткани и ее основных параметров; - распределение температуры в многослойных тканях и области применения полученных результатов. 2. Разработка конструкции микроволновой установки, которая включает в себя следующие основные параметры: размеры металлической камеры, выбор конструкции источника СВЧ энергии и пульта управления. Этот этап работы включает проведение расчета микроволновой установки; 3. Разработка конструкторской документации для изготовления микроволновой установки. Конструкторская документация состоит из двух основных частей: чертежи на микроволновую камеру и чертежи на изготовления источника СВЧ энергии и пульта управления; 89 4. Покупка комплектующих для источника СВЧ энергии, пульта управления и микроволновой установки, а также изготовление их на профильном предприятии; 5. Производство сборочных работ. Сборка источника СВЧ энергии и сборка микроволновой камеры и пульта управления. 6. Проведение пуско-наладочных работ; 7. Проведение экспериментальных исследований по воздействию микроволнового излучения на многослойные биологические ткани. Оценка изготовления металлической камеры для микроволновой установки, размерами: (600 х 600 х 600) мм и двери с запорным устройством на предприятии составляет 40 тыс. рублей. Оценка изготовления источника СВЧ энергии для микроволновой установки составляет 12 тыс. рублей (на микроволновой установке расположено 1 источник СВЧ энергии). Оценка амортизационных и прочих затрат определяется деятельностью конкретного предприятия. 90 ЗАКЛЮЧЕНИЕ В результате проведения дипломной работы: - сформулированы основные проблемы развития микроволновой медицины и 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; - представлены механизмы взаимодействия микроволнового излучения с биологическими объектами на атомно-молекулярном уровне, а также воздействие микроволнового излучения на микроорганизмы; - рассмотрено применение современных медицинских микроволновых аппаратов в области терапии на частоте колебаний электромагнитного поля 2450 МГц; - предложена многослойная модель биологических тканей человека и проведены экспериментальные исследования по воздействию на эти ткани микроволнового излучения на частоте колебаний электромагнитного поля 2450 МГц; - результаты экспериментальных исследований подтвердили возможность локального нагрева области, где расположена опухоль, не повреждая окружающие биологические ткани (мощность СВЧ установки 600 Вт, время воздействия на многослойные биологические ткани 3 минуты, расстояние от биологических 325 мм, частота колебаний электромагнитного поля 2450 МГц); - проведен теоретический расчет мощности поглощения микроволнового излучения многослойными биологическими тканями (слой 91 воды, характеризующий опухоль на 4-5 градусов Цельсия выше температуры окружающих тканей). 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 (температура опухоли на несколько градусов выше температуры окружающих тканей). Также разработано запорное устройство (защита от СВЧ – излучения обслуживающего персонала) обеспечивающее плотность СВЧ – излучения существенно меньше 10 мкВт см 2 . СВЧ – устройство удовлетворяет всем требованиям по технике безопасности; В дипломной работе рассмотрены вопросы экологии, экономики и техники безопасности. 92 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Зубов А. Д., Чирков Ю. Э. Первый опыт интерстициальной термотерапии Nd-YAG-лазером // Применение лазеров в биологии и медицине: Материалы международной конференции. – Киев,1995. – с. 49-50 2. Пустырский Л. А. Комбинированное и комплексное лечение рака молочной железы с использованием современных физических методов воздействия // Дис. …докт. мед. наук. – Москва, 1992. – с.347 3. Серегин В. Е., Русанов К. В., Тюрина Е. Г., Акимов А. Б. Расчет размеров зоны поражения злокачественных опухолей при лазерной интерстициальной термотерапии // Медицинская техника. – 1996. - №4. – с. 19-23 4. Русанов современное К. состояние В. и Лазерная интерстициальная перспективы использования термотерапия: для лечения новообразований молочной железы // Маммология. – 1997. - № 1. – с. 9-18 5. Малюта Е. Г., Ищенко А. И. Современные методы и механизмы термодеструкции // Лазерная медицина. – 2000. – т.4, вып. 4, с. 67-71 6. Свирин В. Н., Соколов В. В., Черненко В. П., Черкасов А. С. Совместное использование лазерной фотодинамической терапии и гипертермии в онкологии. Конференция “Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных, электронных и лазерных технологий” // Сочи, 1 – 10 октября, 2001 г. 7. Патент РФ № 2001119408 от 27.04.02. “Способ лечения злокачественных опухолей”, авторы: Свирин В. Н., Соколов В. В., Черкасов А. С. 8. Окресс Э. СВЧ – энергетика // М.: Мир, 1971, т. 3. 93 9. Архангельский Ю.С., Девяткин И.И. Сверхвысокочастотные нагревательные установки для интенсификации технологических процессов // Издательство Саратовского университета, 1983 г. 10. Миллиметровые волны в биологии и медицине // М. № 4, 1994 г. 11. Физиотерапия, Клячкин Л. М., Виноградова М. Н., М. // “Медицина”, 1995г. 12. “Микроволны и их лечебное применение”, Курашова З. С. // М., 1974 г. 13. Аппарат для СМВ терапии ЛУЧ-11 // издательство ФГУП государственный завод электронной аппаратуры “ЭМА”, г. Москва, 2003. 14. Манахов А.Ф. Защита от электромагнитных полей технологических установок в электронной промышленности // М.: изд. МЭИ, 1992, 72 с. 15. Никитин Д.П., Новиков Ю.В. Окружающая среда и человек // 2 изд. М., 1986, 415 с. 16. Экология, учебное пособие // М.: Знание, 1997. 17. Сибаров Ю.Г., Сколотнев Н.Н., Вахин В.К., Нагинаев В.Н. Охрана труда в вычислительных центрах // М.:Машиностроение, 1990. 94

Правительство Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Products

Support

Правительство Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Add this document to collection(s)

Add this document to saved

Suggest us how to improve StudyLib