Взаимодействие физических полей с биологическими объектами (с основами проектирования высокочастотной медико-биологической аппаратуры)

Е.И. НЕФЁДОВ, Т.И. СУББОТИНА, А.А. ЯШИН





                ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ С БИОЛОГИЧЕСКИМИ
                ОБЪЕКТАМИ




        (С ОСНОВАМИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ)

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
Под редакцией Е.И. Нефёдова и А.А. Хадарцева

      Рекомендовано учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по образованию в области радиотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 12.03.04 и 12.04.04 «Биотехнические системы и технологии»



znanium.com
Москва КУРС ИНФРА-М 2023

УДК 576.3.043(075.8)
ББК 071.2я73
      Н 58








   ФЗ    Издание не подлежит маркировке  
№ 436-ФЗ в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1
     Нефёдов Е.И., Субботина Т.И., Яшин А.А.                                   
Н 58 Взаимодействие физических полей с биологическими объектами                
     (с основами проектирования высокочастотной медико-биологической           
     аппаратуры) / Под ред. Е. И. Нефёдова и А. А. Хадарцева: учебное          
     пособие --- Москва : КУРС: ИНФРА-М, 2023. --- 344 с.                      
     ISBN 978-5-906818-19-5 (КУРС)                                             
     ISBN 978-5-16-011739-3 (ИНФРА-М, print)                                   
     ISBN 978-5-16-103867-3 (ИНФРА-М, online)                                  
     В учебном пособии дано систематическое изложение биофизи-                 
     ческих эффектов, характеризующих взаимодействие физических полей,         
     преимущественно низкоинтенсивных электромагнитных, с биологи-             
     ческими объектами и используемых в биомедицине для оценки сано- и         
     патогенного воздействия данных полей на процессы жизнедеятельности        
     организма, в том числе человека, и для создания широкого класса           
     исследовательской и лечебной физиотерапевтической аппаратуры,             
     использующей эндогенное воздействие физических полей. Изложены -          
     в авторской трактовке - принципы и технические решения современной        
     электродинамики: основы проектирования высокочастотной медико-            
     биологической аппаратуры указанного выше назначения.                      
     Для студентов, обучающихся по направлению подготовки 12.03.04             
     и 12.04.04 --- «Биотехнические системы и технологии» (квалификация        
     «Бакалавр» и «Магистр»).                                                  
     Учебное пособие может быть использовано для курсового                     
     и дипломного проектирования по указанным направлениям подготовки,         
     а также студентов и аспирантов выше названных направлений, а также        
     направлений 11.03.01 «Радиотехника» и 03.03.03 «Радиофизика и электроника»
     (квалификация «Бакалавр»).                                                

       ISBN 978-5-906818-19-5 (КУРС)
       ISBN 978-5-16-011739-3 (ИНФРА-М, print)
       ISBN 978-5-16-103867-3 (ИНФРА-М, online)





УДК 576.3.043(075.8)
ББК 071.2я73

                    © КУРС, 2016
                    © Нефёдов Е.И., Субботина Т.И., Яшин А.А., 2016

   1. СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ ¹

   АЛ — андерсоновсжая локализация
   АТФ — аденозинтрифосфат
   БАТ — биологически активная точка
   БУС — биологический уровень сложности
   ГВС — (модель) Глэшоу-Вайнберга-Салама
   ДМВ — дистанционное межклеточное взаимодействие
   ДНК — дезоксирибонуклеиновая кислота
   ДУЧП — дифференциальное уравнение в частных производных
   ИК —- инфракрасный (диапазон)
   КВЧ — крайне высокая частота (30300 ГГц)
   КХД — квантовая хромодинамика
   КЭД — квантовая электродинамика
   МКТ — морсовская критическая точка
   мРНК — информационная рибонуклеиновая кислота
   МРТ — микроволновая резонансная терапия
   НК — нуклеотидный код
   НОДУ — нормальное обыкновенное дифференциальное уравнение
   НСП — нелокальный самосогласованный потенциал
   НЭУ — нелинейное эволюционное уравнение
   ОДУ — обыкновенное дифференциальное уравнение
   ОИС — объемная интегральная схема
   ОТО — общая теория относительности (теория гравитации)
   ПППЭ — поверхностная плотность потока энергии
   ПРФ — природный радиоактивный фон
   РНК — рибонуклеиновая кислота
   СВЧ — сверхвысокая частота (З-КЗО ГГц)
   ССОИ — система свехбыстрой обработки информации
   ССС — сердечно-сосудистая система
   СТО — специальная теория относительности (теория электромагнетизма)
   СФП — структурный фазовый переход
   ТВО — теория Великого объединения (в астрофизике)
   тРНК — транспортная рибонуклеиновая кислота
   ТФКП — теория функций комплексного переменного
   ТФП — топологический фазовый переход
   УФ — ультрафиолетовый (диапазон)
   ФКВ — фундаментальный код Вселенной
   ФП — фазовый переход
   ХУС — химический уровень сложности
   ЭМ — электромагнитное (взаимодействие, поле и т.п.)
   ЭМВ — электромагнитная волна
   ЭМИ — электромагнитное излучение
   ЭМП — электромагнитное поле

   ¹ Сокращения узкоспециальных терминов в области биологии и физики расшифровываются в тексте, а также в материалах Словарика

3

                                      Если за минувшее столетие материальный уровень цивилизации изменился, то это не является заслугой ни политиков, ни политических институтов. Мы обязаны этим непрерывным усилиям тех, кто развивает науку, и тех, кто применяет ее.

Лорд Бальфур (1896г.)


                                                             Предисловие можно назвать

                                                                                        Громоотводом. К.-Г.Лихтенберг¹



ПРЕДИСЛОВИЕ


    Обычно в курсах лекций для студентов (и аспирантов) принято излагать только устоявшийся, «опробованный» материал, по которому имеются учебники или учебные пособия и т.п. Однако русская школа, начиная с великого М.В.Ломоносова; своими лучшими примерами свидетельствует о некоем сбалансированном «в среднем» подходе, в котором «традиционный» материал непосредственно соседствует с новейшими сведениями, открытиями, гипотезами и пр. Мы предлагаем нашим уважаемым читателям пойти именно этой дорогой, таящей в себе множество загадок, предположений, «воспоминаний о будущем». К тому нас побуждают не только традиции лучшей в мире русской научной школы и русской истории, но современное бытие наше, когда из нас огромными усилиями, пригодными для иного применения усиленно делают «Иванов, родства не помнящих».
    С другой стороны, сам материал курса электродинамики и информатики живых систем является, во-первых, достаточно новым (во всяком случае, для студентов и аспирантов радиофизических и радиотехнических направлений), когда невозможно обойтись хорошо известными подходами и методами и, во-вторых, и это пожалуй главное,- сама жизнь в самом широком смысле (а не только в смысле теперешних уродливых, к сожалению, явлений русской действительности, когда патриотизм трактуется «лучшими демократами» как «прибежище негодяев») заставляет науку, а уже и практику обращаться к «живым системам». Хотя, конечно, интерес этот имеет многовековую историю, но выход на «физиколизм» (если так можно выразиться) медицины и биологии в широком смысле этих понятий происходит только в нынешнее время.
    В силу новизны и, мы убеждены, несомненной полезности изложенного, а также возможных будущих приложений некоторые разделы могут показаться несколько необычными и, быть может, непростыми для первоначального чтения. Что ж, сделать с этим наверное ничего нельзя: надо постараться понять, прежде всего понять общие положения и далее освоить детали. Впрочем, здесь нет «Америк»: так было, есть и будет всегда в жизни и науке-технике.
      Мы не будем здесь обсуждать содержание курса; о нем можно составить представление по достаточно подробному оглавлению. Отметим только, что материал его можно условно разделить на пять частей.
      В первой из них, «электродинамической» приводятся результаты по широкому классу линий передачи, волноводов, резонаторов. В обзор алгоритмов, формул и результатов включены наиболее “удобные” формы, представляющие двоя

      ¹ Лихтенберг Георг Кристоф (Lichtenberg; 1742-1799 гг.), немецкий писатель, публицист и учёный, профессор физики Гёгтингенского университета. Исследовал искровой разряд на границе раздела твёрдого диэлектрика и газа (фигуры Лихтенберга-, 1777 г.). Почётный член Петербургской АН. В «Афоризмах» (см. [646]) выступил противником крепостного права, политической раздробленности, приветствовал Великую французскую революцию, отстаивал реалистическое искусство.

4

кий интерес: для выяснения физической картины явлений и систем автоматизированного проектирования элементов ССОИ на ОИС. Представлены картины полей основных волн полосковых линий передачи (ЛП); приведены данные по высшим типам волн, а также по основным параметрам ЛП: эффективная диэлектрическая проницаемость, характеристическое сопротивление (на основном типе), потери и пр     Вторая часть условно - «физико-биологические эффекты». В ней рассматриваются физические эффекты, которые составили «философскую» основу для построения технических устройств, нашедших и, возможно, ещё будущих приложений для медицины, биологии, экологии, биоэнергоинформатики и многих других, самых разнообразных применений, в том числе и военных технологий. О некоторых из них мы поговорим более подробно в заключительной части курса, о других только вскользь упомянем. Это определяется только временными рамками курса, но никак не важностью этих вопросов для теории и практики.
      Здесь будут рассмотрены разные физические эффекты и процессы, как в «чисто» электродинамическом плане, так и эффекты взаимодействия электромагнитных волн (ЭМВ) и колебаний (ЭМК) со средами их «пребывания», распространения. Наперёд нужно отметить, что наряду с хорошо известными и нашедшими употребление в физических опытах, на практике, учебном процессе явлениях, мы коротко упомянем о ряде явлений, подробное и детальное изучение которых суть дело будущего. Авторы надеются, что недалекого будущего, ибо эти явления просто интересны, а стало быть, достойны всяческого внимания и в большей степени со стороны молодых, энергичных, не зашоренных «классикой» людей. Так, собственно, было всегда, так и будет.
     Третья часть курса - «информационно-полевая» - является основной как по объему, так и по смысловому содержанию. Здесь излагаются теоретические основы электрофизики живых систем. Раскрывается авторская концепция электрофизики живого: структурирование, симметрия и расслоение живой материи с присущим ему, свойственным, имманентным ему электромагнитным полем подчиняются тем же физическим законам, что и весь материальный мир Вселенной. Как нам представляется, допускаемая здесь степень абстракции вполне оправдана в рамках предпринятого теоретического построения.
      Этот материал имеет выраженную направленность: он должен помочь избранному кругу читателей выяснить для себя сущность того объема информации, который буквально обрушился посредством СМИ (или СМД) в последние 15...20 лет на современного человека в части явлений, называемых по-разному: экстрасенсорикой, паранормальными (аномальными) явлениями, управлением (передачей) «мыслей на расстоянии». Это очень сложный момент, опять же связанный с психотроникой, к тому же здесь масса противников и апологетов (с «именами» и без оных). Именно поэтому в трех параграфах этой главы описываются базовые (авторские) опыты и аппаратура для их осуществления. Отметим, впрочем, что избежать некоторой сложности в описании опытов нам, к сожалению, не удалось, но мы надеемся, что читатель простит нам длинноты изложения, помя-туя о их принципиальной важности и оригинальности
     Четвертая часть курса - «математические модели») - описывает сущность всеобщего принципа непрерывности; в науке - это непрерывное углубление знания. В этом смысле уникальна фрактальная геометрия, пожалуй, самая новая по времени возникновения отрасль математики, созданная в последнюю четверть века и имеющая единого автора: Бенуа Мандельброта. Именно фрактальная геометрия природы, в том числе (и прежде всего!) живой, заполнила ту «пустоту», которая ранее не позволяла физико-математически описывать граничные условия сложных по геометрии объектов в соответствующих постановках краевых задач.

5

Однако не только и не столько объективизация граничных условий в биоэлектродинамике заставляет обращаться к фрактальной геометрии; фрактальный подход является вообще перспективным обобщенным методом системного, физикоматематического моделирования биосистем в физике живого. Поэтому в настоящей главе, очевидно впервые в учебной литературе по биофизике и физике живого, излагается связь электродинамики живых систем с фрактальными моделями биосистем.
      Пятая часть курса - «техническая» - содержит рассмотрение некоторых применений ОИС СВЧ-КВЧ в ССОИ для медицины, биологии, экологии.
      В ней сосредоточены сведения по электродинамическим, конструктивным и схемным вопросам. Учитывая общую направленность книги, авторы старались дать максимум сведений, необходимых проектировщикам СВЧ-КВЧ ССОИ на ОИС.
      Интересные возможности для ИС и особенно объемных ИС СВЧ и рассматриваемых в курсе направлений представляют устройства на акустических (примерно до частот порядка 1 ГГц) и магнитостатических (свыше 1 ГГц) колебаниях и волнах. Учитывая общую тенденцию курса - высокие частоты - и наличие большого числа монографий по акусто-электрическим волнам и колебаниям, мы здесь только упомянем о некоторых устройствах на магнитостатических волнах (МСВ).
      Книга рассчитана на читателей, интересующихся, с одной стороны, электродинамикой, теорией и техникой СВЧ-КВЧ элементов ССОИ для указанных областей ее применения. С другой же стороны, основу техники ССОИ для этих приложений составляют процессы взаимодействия электромагнитных волн разных диапазонов с живыми средами и организмами. Прежде всего, она адресована, само собой, студентам радиофизических и радиотехнических специальностей. А кроме того, аспиранты, научные работники и инженеры-проектировщики ССОИ новых диапазонов электромагнитных волн найдут, надеемся, немало интересного для своей профессиональной деятельности. Специалисты по математической теории дифракции и вычислительной электродинамике найдут здесь большое число проблем, которые ждут своего решения. Как любое новое научное направление, электродинамика и техника для медицины, биологии, экологии и родственных направлений привлекут, как надеются авторы, внимание молодых научных работников и аспирантов радиофизических и радиотехнических специальностей, а также специалистов в физиологии, биофизике, животноводстве, растениеводстве и иных родственных областях.
     Наше изложение базируется на материале курсов «Техническая электродинамика и устройства СВЧ», «Радиотехнические цепи и сигналы», «Основы радиоэлектроники и радиоэлектронные устройства», «Антенны и устройства СВЧ», «Взаимодействие физических полей с биообъектами», «Физические и физикохимические основы нарушения жизнедеятельности». В некоторой степени это относится и к общетехническим дисциплинам «Физика» и «Химия», знание которых в значительной степени поможет глубокому освоению материала нашего курса. Посему в тексте содержатся только самые необходимые сведения из этих дисциплин, необходимые для систематического освоения предлагаемого материала.
     Наш курс предназначен (хотелось бы надеяться), с одной стороны, для студентов - биологов и биофизиков, которые знают (во всяком случае, должны) свой предмет, но, с другой - для студентов- представителей точных и инженерных наук², которые опять же знают, по преимуществу, свой предмет. Насколько нам удалось последовать избранному пути, судить не нам, Читателю.

       В этой связи — ик месту — вспоминается известный студенческий анекдот, называемый в фольклоре «Девизом венской медицинской школы»: хирург все умеет, но ничего не знает; терапевт все знает, но ничего не умеет; патологоанатом все знает и все умеет, но... уже поздно.

6

    Авторы же считают своим приятным долгом выразить признательность профессору А.А.Стехину за предоставление открытых материалов по волновому оружию и, само собой, защите от него, имеющему непреходящее, первостепенное значение в нашем крайне неустойчивом мире.
    Авторы выражают признательность Ю.В.Гуляеву, А.А.Хадарцеву за поддержку работ, соответственно, по теоретической и технической электродинамике, а также по электродинамике живых систем и их использованию в медицине, биологии, экологии и других областях деятельности.
    Мы благодарны профессору О.В.Бецкому и профессору В.В.Шульговскому за внимательное ознакомление с материалами рукописи и высказанные замечания, несомненно способствовавшим улучшению первоначального варианта работы. Однако без всякого сомнения все погрешности и неточности, коли таковые обнаружатся (а без этого, видимо, невозможно обойтись) в тексте полностью лежат на авторах, которые наперед благодарны всем коллегам, которые посчитают возможным поделиться с нами своими замечаниями и предложениями.

Авторы
Москва - Тула
7 ноября 2005 г.

7

                                    К числу величайших открытий, к которым пришёл за последнее время человеческий ум, бесспорно принадлежит, по моему мнению, искусство судить о книгах, не прочитав их.
Г.К.Лихтенберг

                                    Нет столь великой вещи, которую не превзошла бы величиною еще большая.
                                         Нет вещи столь малой, в которую не вместилась бы еще меньшая.
Кузьма Прутков

ВВЕДЕНИЕ
     В нашем Введении читатель без труда обнаружит как бы две части: электродинамическую и информационно - биологическую. Разумеется, такое деление носит чисто условный характер, но с авторской точки зрения быстрее ведёт к цели - эффективному усвоению материала курса.
                                              Человек был так умён, что был почти ни к чему не пригоден.
Г.К.Лихтенберг

Лучше скажи мало, но хорошо.
Кузьма Прутков

В.1. Диапазоны электромагнитных волн
     Начнем наше рассмотрение с главного - свойств электромагнитных волн (ЭМВ) разных диапазонов, представляющих основу всего и вся в этой жизни.
     В Природе имеются весь мыслимый диапазон электромагнитных волн (ЭМВ) и колебаний от нулевых (постоянный ток) до сколь угодно высоких частот, каковыми на сегодня является /-волновый диапазон (/-излучение). Очевидно, что далеко не все нам сегодня известно, а тем более гораздо меньше использует
Таблица В.1.

                                                 Устаревшие (внеНаименования волн  Диапазон волн Диапазон частот  регламентные)  
                                                     термины     
Декамегаметровые   10ь ...10” км    З...ЗО Гц                    
Мегаметровые        1О4...1О3км    ЗО...ЗООГЦ                    
Г ектокилометровые  Ю3...102км    300...3000 Гц                  
Мириаметровые      100... 10 км    З...ЗО кГц                    
Километровые         10...1 км     ЗО...ЗООкГц                   
Гектометровые      1000..,100 м  300...3000 кГц    Сверхдлинные  
Декаметровые         100...Юм      3...30 МГц      Длинные (ДВ)  
Метровые             10...1 м     30...300 МГц     Средние (СВ)  
Дециметровые        100...10 см  300...3000 МГц   Короткие (КВ)  
Сантиметровые        10...1 см     З...ЗО ГГц        Ультра-     
Миллиметровые        10...1 мм    30...300 ГГц       короткие    
Децимиллиметровые   1...0.1 мм   300...3000 ГГц       (УКВ)      

8

     В Таблице В.2¹ приведен тот же диапазон ЭМВ и даны некоторые пояснения по использованию волн разных диапазонов в технических устройствах.



     Таблица В.2. Шкала элктро-магнитных волн







































     В приведенной ниже Таблице В.З для иллюстрации приведены некоторые данные по воздействию ЭМИ и магнитного поля диапазонов КВЧ и СВЧ и вызываемые ими биологические эффекты на животных и живых организмах. В согласии с принципом биологического соответствия эти результаты в определенной мере перенесены на человека (например, при КВЧ терапии).

      ¹ Таблица В.2 взята нами из интересной для нашей тематики книги [39].

9

                                                                        Таблица В.З

Характерные биотропные параметры высокочастотного ЭМИ и магнитного поля и вызываемые ими эффекты

         Частота или длина волны,                Общий характер эффекта при       
          мощность ЭМИКВЧ, СВЧ.                          воздействии              
     Характеристика магнитного поля**                                             
                    1                                         2                   
7,2---8,5 мм                               Вызывает ускорение транспорта ионов    
                                           Na+ через кожу лягушки                 
                                           Обнаружено частотнозависимое измене-   
38---78 ГГц                                ние хлорных потоков через С а2*-активи                                           руемые каналы клеток водоросли         
                                           Nitellopsis                            
                                           Оказывает влияние на процессы деления  
40---80 ГГц                                клеток микроорганизмов, на функци-     
                                           ональную активность бактерий, на мно-  
                                           гоклеточные организмы                  
                                           Изменение в 2---3 раза процента микро- 
6,5 мм, 5 мкВт/см2                         организмов (кишечная палочка), синте-  
                                           зирующих белок колицин                 
                                           Вызывает повышение фибринолитиче-      
6,4 мм                                     ской активности спорового гриба аспер- 
                                           гилла, водной суспензии                
                                           Увеличение амилолитической активно-    
6 мм                                       сти дрожжеподобного гриба эндомикоп-   
                                           сиса на 50%                            
                                           Оказывает повреждающее действие на     
7,2 мм, 4---5 мВт/см2                      микроорганизмы: кишечная палочка,      
                                           золотистый стафилоккок и др.           
55 ГГц                                     Вызывает изменение фоновой активно-    
                                           сти электрорецепторов                  
55 ГГц, 1---4 мВт/см1                      Вызывает повышение частоты фоновой     
                                           импульсации электрорецепторов          
42,2 ГГц, 0,5 мкВт/см1                     Изменение скорости метаболизма фос-    
                                           фоинозидов в антеннах насекомых        
                                           Не наблюдалось изменения продукции     
41,95 ГГц, ПППЭ 150 мкВт/см2, режим непре- активных форм кислорода при инциации   
рывной генерации                           респираторного взрыва клеток, интакт-  
                                           ных нейтрофилов                        
                                           Увеличение скорости роста дрожжей,     
42 ГГц, ПППЭ 5 мкВт/см2                    ярко выраженный резонансный характер   
36,2 ГГц, режим непрерывной генерации      Г ашение люминисценции люминисци-      
                                           рующих бактерий на 25---30 %           

10