Основы взаимодействия физических полей с биообъектами. Использование излучений в биологии и медицине

Биомедицинская инженерия  
в техническом университете 

Биомедицинская инженерия  
в техническом университете 
 
 
Серия основана в 2005 году 
 
 
 
РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ: 
 
академик РАН И.Б. Федоров — главный редактор 
д-р техн. наук С.И. Щукин — зам. главного редактора 
д-р техн. наук И.Н. Спиридонов 
д-р мед. наук О.В. Рутковский 
чл.-корр. РАН О.С. Нарайкин 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
  

Л.В. Жорина, Г.Н. Змиевской 
 
 
 
 
 
 
 
Основы взаимодействия  
физических полей с биообъектами  
 
Использование излучений  
в биологии и медицине 
 
 
Под редакцией доктора технических наук, профессора С.И. Щукина 
 
 
 
 
 
Рекомендовано Федеральным государственным бюджетным 
образовательным учреждением высшего профессионального  
образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический 
университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)» в качестве учебника 
 для бакалавров высших учебных заведений, обучающихся по направлению 
 201000 «Биотехнические системы и технологии» 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
Москва 
2014 

УДК 577.3(075.8) 
ББК  28.071 
         Ж81 
Р е ц е н з е н т ы: 
д-р физ.-мат. наук, проф. МГУ им. М.В. Ломоносова Ю.М. Романовский, 
д-р физ.-мат. наук, проф. Физического института  
им. П.Н. Лебедева РАН О.В. Манько 
 
  
Жорина Л. В.  
Ж81   
Основы взаимодействия физических полей с биообъектами. 
Использование излучений в биологии и медицине : учебник / 
Л. В. Жорина, Г. Н. Змиевской; под ред. С. И. Щукина. — М. : 
Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014. — 374, [2] с.: ил. — 
(Биомедицинская инженерия в техническом университете).  
ISBN 5-7038-3937-9 

Изложены механизмы взаимодействия ионизирующих и неионизирующих излучений оптического диапазона с биообъектами применительно к 
задачам медицинской диагностики, терапии и хирургии. Описаны производимые ими эффекты на различных системных уровнях (от элементарных 
взаимодействий до организменного): физические, физико-химические и 
биологические; области клинического применения этих эффектов и принципы работы основанных на них приборов и аппаратов; схемы построения 
источников излучения и средств измерения доз воздействия на биообъекты. Большое внимание уделено дозиметрии ионизирующих и неионизирующих излучений. 
Для студентов технических университетов, обучающихся по направлению «Биотехнические системы и технологии». Может быть полезен студентам высших медицинских учебных заведений и медико-биологических 
факультетов университетов. 
 
УДК 577.3(075.8)  
ББК 28.071 
 
 
 
 
 
 

 

 
 
  
© Жорина Л.В., Змиевской Г.Н., 2014 
  
© Оформление. Издательство МГТУ 
ISBN 5-7038-3937-9 
 
им. Н.Э. Баумана, 2014 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Курс «Основы взаимодействия физических полей с биообъектами», читаемый на факультете биомедицинской техники МГТУ 
им. Н.Э. Баумана более 10 лет, является развитием дисциплин, 
изучаемых на младших курсах, таких как общая физика, биофизика, биохимия. В то же время он предваряет изучение специальных дисциплин. Для бакалавров этот курс является частью раздела «Биофизические основы живых систем». В связи с переходом 
вузовского образования на систему бакалавр — магистр возникла 
необходимость написания учебника для бакалавров факультета 
биомедицинской техники. На факультете ведется разработка аппаратов и методик для электромагнитного воздействия с лечебными и диагностическими целями, разработка моделей, критериев и алгоритмов для оптимизации электромагнитного воздействия с использованием каналов обратной связи. Выпускникам 
факультета необходимы знания и навыки, позволяющие оценить 
информативность методов и алгоритмов диагностики и мониторинга, создать новые технические методы и средства для диагностики и лечения.  

Знания о взаимодействии внешних физических полей с систе
мами организма позволяют корректно ставить задачи создания нового поколения интеллектуальной медицинской аппаратуры для 
индивидуальной терапии и активной диагностики. На основе полученных фундаментальных биофизических и медико-биологических знаний инженеры могут предложить также методики клинического применения медицинской техники.  
В учебнике рассмотрены основы биомедицинских систем, 
ионизирующие излучения, оптическое излучение и акустические 
волны. При рассмотрении воздействий упомянутых полей на 
биологические объекты (далее биообъекты) делается упор на 
происходящие физические процессы, рассматриваются сопутствующие химические реакции и отклик биообъекта на воздействие в целом. Отдельно выделена тема об использовании рассмотренного электромагнитного излучения и звука в диагностике, терапии и хирургии.  
Материал учебника разбит на шесть глав. Главы 1 и 2 посвящены взаимодействию ионизирующего излучения с биообъектами. Дается классификация ионизирующего излучения, сформу

лированы основы дозиметрии ионизирующего излучения, рассмотрены физические и физико-химические механизмы действия 
ионизирующего излучения на биообъекты и реакция биообъектов 
на воздействие ионизирующего излучения на различных системных уровнях (от первичных взаимодействий до организменного 
отклика).  
На основании изложенного сформулированы принципы радиобиологии и применение ионизирующего излучения в медицине, 
которому посвящена глава 3. 
В главе 4 рассмотрен оптический диапазон. Подробно представлены физические основы взаимодействия, поскольку наиболее интересная информация о состоянии биомолекул может быть извлечена именно в оптическом диапазоне. Описаны люминесцентные  
явления, имеющие особое значение для фотобиологии в ультрафиолетовом диапазоне, излагаются механизмы фоторегуляторных систем и зрения, фотосинтеза, фотодинамического воздействия, тепловизионной диагностики. Сделана попытка построения основ дозиметрии 
неионизирующих 
излучений, 
представляющей 
на 
сегодняшний день предмет особого интереса со стороны разработчиков и пользователей медицинской аппаратуры. Рассмотрены 
принципы разработки и построения оптических биочипов и биосенсоров как одного из последних достижений науки в оптической области, тесно переплетающиеся с проблемами нанотехнологий. Описаны захватывающие перспективы развития этого направления, получившего в последние годы название биофотоники. 
Глава 5 посвящена применению оптического излучения в медицине.  
В главе 6 изложены основные сведения о взаимодействии акустических волн (включая слышимый звук, инфразвук и ультразвук) с биообъектами и дается краткий обзор применений акустики в медицинской практике — в хирургии, терапии и диагностике. 
Особенностями учебника являются обширный библиографический материал, примеры по ходу изложения, включая решения задач, вопросы и задачи для проверки усвоения материала. 
Представляемая часть курса читается в течение одного семестра. Для более глубокого понимания изложенного материала студенты выполняют домашние задания по решению задач на тему 
курса, несколько лабораторных работ, таких как «Исследование 
фотодинамического действия света на клеточные структуры», 

«Исследование тепловых полей биообъектов с помощью инфракрасного тепловизора», «Исследование рассеивающих свойств 
биосред в оптическом диапазоне». Для каждой лабораторной работы имеются методические разработки. Для контроля усвоения 
материала проводятся рубежные контроли в течение семестра и 
зачет (экзамен) в конце семестра.  
Существующие учебные пособия в основном посвящены рассмотрению одного из видов полей (Кудряшов Ю.Б. Радиационная 
биофизика (ионизирующие излучения) / Под ред. В.К. Мазурика, 
М.Ф. Ломанова. М.: Физматлит, 2004; Калантаров К.Д., Калашников С.Д., Костылев В.А. и др. Аппаратура и методы радионуклидной диагностики в медицине. М.: ЗАО «ВНИИМП-ВИТА», 2002; 
Акопян Б.В., Ершов Ю.А. Основы взаимодействия ультразвука с 
биологическими объектами: Ультразвук в медицине, ветеринарии 
и экспериментальной биологии: Учеб. пособие / Под ред. 
С.И. Щукина. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005) или одной из тем курса (Ершов Ю.А., Щукин С.И. Основы анализа биотехнических систем. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011; 
Рубин А.Б. Биофизика: Учеб. для вузов: В 2 т. Т. 2: Биофизика клеточных процессов. 2-е изд. М.: Книжный дом «Ун-т», 2000; Гладкова Н.Д. Оптическая когерентная томография в ряду методов медицинской визуализации: Курс лекций. Н. Новгород: ИПФ РАН, 
2005), т. е. являются узкоспециализированными, хотя и, несомненно, более полными.  
Более универсальными являются замечательные учебники для 
медицинских вузов. Однако они не вполне подходят для инженерных специальностей (например, Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. М.: Высшая школа, 1999; Антонов В.Ф., Коржуев А.В. Физика и биофизика. Курс лекций для студентов медицинских вузов. М.: ГЭОТАР-МЕД, 2004). 
Авторы считают своим долгом выразить благодарность профессорам С.И. Щукину, Ю.А. Ершову, В.С. Зарубину, И.Н. Спиридонову, доценту Е.В. Смирнову, главному редактору Издательства МГТУ им. Н.Э. Баумана М.К. Петросян за внимательное изучение рукописи и полезные обсуждения, в ходе которых было 
внесено много замечаний и предложений. Ценные рекомендации 
были даны профессорами В.Б. Парашиным и С.Е. Квашниным. 
Предложения и замечания по книге присылайте по адресам: 
larisa7777@li.ru, zmievskoy@mail.ru. 

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 

 
– частота  
Е  
– напряженность электрического поля 
Н  
– напряженность магнитного поля 
  
– диэлектрическая проницаемость 
0  
– электрическая постоянная 
  
– магнитная проницаемость; коэффициент экстинкции; 
коэффициент затухания звука; коэффициент квантового 
усиления 
0  
– магнитная постоянная 
t  
– время 
x, y, z  
– декартовы координаты 
r 
– радиус-вектор 
  
– циклическая частота; содержание воды в ткани 
k 
– волновой вектор 
  
– длина волны; постоянная радиоактивного распада 
с  
– скорость света в вакууме 
сз 
– скорость звука 
v  
– фазовая скорость; скорость фотосинтеза; скорость колебаний 
F  
– сила 
е  
– заряд электрона 
В  
– магнитная индукция 
I  
– интенсивность световой волны; средний потенциал 
ионизации 
  
– энергия 
w 
– объемная плотность энергии 
Р  
– степень поляризации; вектор Умова — Пойнтинга 
h  
– постоянная Планка 
р  
– импульс; давление 
Авых 
– работа выхода электрона из металла 
m  
– масса 

e
m  
– масса электрона 
К 
– длина волны Комптона 
  
– волновая функция 
W 
– вероятность нахождения частицы 

Uпот 
– потенциальная энергия 
 
– электронная часть волновой функции; плотность потока 
χ  
– ядерная часть волновой функции; линейный коэффициент эффекта образования пар 
S  
– спиновая часть волновой функции; вектор волновых  
колебаний; площадь поверхности; сечение образца 
  
– плотность среды 
L  
– уровень звука 
U  
– напряжение 
  
– поток 
  
– сила тока 

п
D  
– поглощенная доза (доза ионизирующего излучения) 

об
D
 
– доза облучения в оптическом диапазоне 
X  
– экспозиционная доза 
q  
– заряд 
Q 
– коэффициент качества ионизирующего излучения 
Э  
– эквивалентная доза 
  
– квантовый выход (квантовая эффективность); вязкость 
среды 
  
– время протекания процесса 

и
А  
– энергия (работа) ионизации 
  
– угол рассеяния 
  
– линейный коэффициент ослабления потока излучения 
средой 
 
– линейный коэффициент комптоновского взаимодействия; эффективное сечение процесса; сечение реакции; 
площадь сечения мишени; сечение поглощения молекулы 

m
  
– массовый коэффициент ослабления потока излучения 
средой 
N  
– число событий с передачей энергии   
W(n)  
– вероятность n попаданий в мишень 
V  
– объем 
  
– среднее число попаданий в мишень 
z  
– событие энергопоглощения 

 
– коэффициент нерезонансных потерь энергии 
Г 
– спектральная ширина перехода (линии) 
 
– коэффициент ветвления; коэффициент проникновения 
звуковой волны из одной среды в другую 
 
– коэффициент внутренней конверсии 
Т1/2 
– период полураспада;  
Т 
– абсолютная температура 
 
– пространственный период структуры 
c  
– концентрация вещества 
*
  
– коэффициент пропускания 
D   
– оптическая плотность 
k  
– коэффициент поглощения 


  
– молярный коэффициент поглощения 

п
  
– натуральный показатель поглощения 

l   
– характерная глубина проникновения 

*
  
– коэффициент отражения 

*
m  
– натуральный показатель рассеяния 
n 
– концентрация 
Kхим 
– константа химической реакции 
P  
– мощность излучения лазера 

max

 
– коэффициент экстинкции в максимуме полосы поглощения 

1/ 2
v

 
– ширина полосы частот на половине высоты 

3
1
,
g
g   
– факторы вырождения триплетного и синглетного со- 
стояний молекулы соответственно 
r  
– степень анизотропии флуоресценции; радиус зрачка; 
расстояние 

ik   
– константы скоростей перехода с уровня на уровень 

ик

 
– квантовый выход интерконверсии 

к
N  
– скорость приращения количества кислорода 

М
K
  
– константа Михаэлиса 

dt  
– среднее время превращения одной молекулы субстрата 

( )
 
K
  – кривая видности (спектральная световая эффективность)