Шкала електромагнітних хвиль

Як відомо, залежно від частоти або довжини хвилі l = = c/n електромагнітні хвилі поділяють на радіохвилі, інфра­червоне випромінювання, видиме світло, ультрафіолетове випромінювання, рентгенівські хвилі, g -випроміню­вання. У таблиці 4.7 наведена частина спектра електромагнітного випромінювання. Розподіл електромагнітного випромі­ню­­ван­ня на окремі діапазони недостатньо чіткий, тому що в дійсності сусідні діапазони в значній мірі перекриваються.

Таблиця 4.7.

Частота n, Гц	Вид випромінювання
103–1012	Радіохвилі
1.5×1011–3.75×1014	Інфрачервоне випромінювання
(3.75–7.5)×1014	Видиме світло
7.5×1014–3×1016	Ультрафіолетове випромінювання
3×1016–3×1022	Рентгенівське
>3×1018	g -випромінювання

Таблиця 4.8.

Частота n, Гц	Вид випромінювання	Довжина хвилі l, м
3–30	Крайньонизькі	108–107
30–300	Наднизькі (мегаметрові)	107–106
(0.3–3)×103	Інфранизькі (гекакілометро­ві)	106–105
(3–30)×103	Дуже низькі	105–104
(30–300)×103	Низькі частоти (кілометрові)	104–103
(0.3–3)×106	Середні частоти (гектометро­ві)	103–102
(3–30)×106	Високі частоти (декаметрові)	100–10
(30–300)×106	Дуже високі (метрові)	10–1
(0.3–3)×109	Ультрависокі (УВЧ) (деци­мет­­ро­ві)	1–0.1
(3–30)×109	Надвисокі (НВЧ) (сантиметрові)	0.1–0.01
(30–300)×109	Крайньовисокі (КВЧ) (мілі­мет­рові)	0.01–0.001
(0.3–3)×1012	Гіпервисокі (ГВЧ) (децимілі­метрові)	(1–0.01)×10–3

Той факт, що різні діапазони частот випромінювання мають свої назви, не повинен закривати основну особли­вість електромагнітних хвиль – всі вони мають однакову при­роду, а відрізня­ють­ся лише частотою. Радіохвилі, які випромінюються антеною, повніс­тю аналогічні за природою до g -випромінювання, яке зароджується в атомному ядрі. Спосіб же взаємодії з речовиною визначальною мірою залежить від частоти. Наприклад, око чутливе лише до видимого світла, тоді як шкіра відчуває інфрачервоне випромі­ню­вання. Радіохвилі затримуються тонкою металевою пластинкою, тоді як g -промені та рентгенівські проникають крізь неї. Величезна різноманітність проявів взаємодії електромагнітного поля з речовиною робить це випромінювання надзвичайно цікавим для використання у різних галузях, вклю­чаючи медицину.

Згідно з Міжнародним регламентом радіозв’язку радіо­хвилі ділять на дванадцять діапазонів (табл. 4.8).

З лікувальною метою в основному використовуються такі прояви взаємодії електромагнітного поля з біологіч­ними системами (див. табл. 5.1):

- збудження (електростимуляція); для цієї мети використовують, як правило, низькочастотні поля з імпульсами прямо­кутної, трапецієподібної, трикутної, експоненціальної форми;

- лікувальне прогрівання високочастотними полями; його механізм найбільш досконало вивчений. Серед методів високочастотної терапії розрізняють діатермію, індукто­тер­мію, УВЧ, мікрохви­льо­ву терапію;

- специфічна дія; характерною особливістю її є реакція біоло­гіч­них систем на надзвичайно низькі інтенсивності, котрі недостатні для збудження та прогрівання. Цей меха­нізм дії охоплює весь діапазон довжин хвиль і характеризуєть­ся високою селективністю (досить вузький діапа­зон частот D n для того чи іншого типу клітин).

До специфічної дії відносять: зміну структури біоло­гічно активних молекул (білків, вуглеводів, нуклеїнових кислот), зміни в процесах переносу через мембрани (спотворення роботи іонних насосів, зміна локальних концентрацій іонів), зміни швидкості хіміч­них реакцій.

Електромагнітні поля можуть чинити як локальну, так і загальну дію на біооб’єкти залежно від частоти випромі­нювання. На частотах n £ 300 МГц довжина хвилі l перевищує 1 м. Дія такого випромінювання залежить від того, все тіло чи його частина знаходяться в полі. На більших частотах l менша за розміри тіла людини, що й обумовлює лише локальну дію таких полів.

З підвищенням частоти зменшується глибина проникнення електромагнітного поля в біологічні тканини (як і у всякі інші середовища). Глибиною проникнення L_е електромагнітного поля називають відстань, на якій амплітуда коливань зменшується в е = 2.718 разів. Цій відстані відпо­відає зменшення інтенсивності на 87 відсотків. Глибина проникнення електромагнітних хвиль визначається не тільки частотою цих хвиль, а й здатністю даної тканини поглинати енергію, яка, в свою чергу, залежить від будови тканини. Визначальним, в більшості випадків, є вміст молекул води. Для жирової та кісткової тканин глибина проникнення на порядок (у десятки разів) більша, ніж для м’язової. Враховуючи складний характер біологічних тканин, вважають, що для хвиль сантиметрового діапазону L_е» 3–0.5 см, а дециметрового діапазону» 10 см.

Якщо опромінення електромагнітними хвилями ведеться дистанційно, то має місце часткове (яке може сягати 75%) відбивання хвилі від поверхні біологічної тканини. Ступінь відбивання залежить від різниці хвильових опорів середовища (повітря) та біологічної тканини. При контактному опроміненні втратами потужності на відбиванні можна знехтувати.

4.6. Семінар “Методика одержання, реєстрації та передачі медико-біологічної інформації”

Мета семінару: знайомство з принципами дії приладів, які дозволяють проводити виміри різноманітних електричних параметрів.

Контрольні питання для підготовки до семінару

1. Електричне поле і його основні характеристики (напруженість Е, потенці­ал j, зв’язок між ними).

2. Електричний диполь (дипольний момент, диполь в однорідному і неоднорід­но­му електричному полі).

3. Електричне поле в речовині (поляризація та її види, відносна діелектрична проникність і поляризованість речовини, діелект­рич­на проникність біологіч­них тканин, сегнетоелектрики).

4. П’єзоелектричний ефект і його застосування.

5. Основні характеристики електричного струму (сила та густина стру­му, закони Ома та Джоуля–Ленца, питома електро­про­від­ність, рухливість вільних носіїв).

6. Магнітне поле і його основні характеристики (індукція В і напруженість Н магнітного поля). Закон Біо–Савара–Лапласа.

7. Дія магнітного поля на провідники зі струмом та рухомі електричні заряди (сила Ампера, сила Лоренца).

8. Магнітні властивості речовини (намагніченість, магнітна про­ник­ність). Діа, пара- і феромагнетики.