Основы взаимодействия физических полей с биообъектами. Часть 1

Московский государственный технический университет
имени  Н.Э. Баумана

Л.В. Жорина, Г.Н. Змиевской

ОСНОВЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ
С БИООБЪЕКТАМИ

Часть 1

Под редакцией  И.Н. Спиридонова

Рекомендовано редсоветом МГТУ им. Н.Э. Баумана
в качестве учебного пособия

М о с к в а
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2 0 0 7

УДК 577.3(075.8)
ББК  28.071
          Ж81

Рецензенты: Н.М. Вереникина, А.Ю. Чикшиев

 Жорина Л.В., Змиевской Г.Н.
Основы взаимодействия физических полей с биообъектами: Учеб. пособие. – Ч. 1 / Под ред. И.Н. Спиридонова. – М.:
Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. –  92 с.: ил.

ISBN 978-5-7038-2952-3

Рассмотрены взаимодействие звуковых и электромагнитных (ионизирующих и неионизирующих) полей с биообъектами, а также производимые
ими эффекты: физические, физико-химические и биологические. Описаны
области клинического применения этих эффектов и принципы работы основанных на них приборов и аппаратов.
Для студентов старших курсов биомедицинских специальностей.
Табл. 3. Ил. 23. Библиогр. 30 назв.

                                                                                                             УДК 577.3(075.8)
                                                                                                   ББК 28.071

Учебное издание

Лариса Валерьевна Жорина
Григорий Николаевич Змиевской

Основы взаимодействия физических полей с биообъектами

Редактор О.М. Королева
Корректор Р.В. Царева
Компьютерная верстка О.В. Беляевой

Подписано в печать  28.03.2007.  Формат 60×84/16. Бумага офсетная.
Печ. л. 5,75. Усл. печ. л. 5,35. Уч.-изд. л. 5,15. Тираж 100 экз.
Изд. №  113. Заказ

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
105005, Москва, 2-я Бауманская, 5

ISBN 978-5-7038-2952-3                                           © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007

Ж81

ПРЕДИСЛОВИЕ

В соответствии с концепцией курса (формирование базовых
знаний по физическим и физиологическим основам взаимодействия различных типов излучений с живыми организмами) пособие
призвано осветить три большие темы: ионизирующие излучения,
неионизирующие излучения и основы биоакустики.
Данная часть пособия посвящена взаимодействию ионизирующих излучений с биообъектами. В ней дана классификация
ионизирующих излучений, сформулированы основы дозиметрии
ионизирующих излучений, особое внимание уделено физическим,
физико-химическим механизмам действия ионизирующих излучений на биообъекты и биологическому действию ионизирующих
излучений, а также рассмотрена реакция биообъектов на воздействие ионизирующих излучений. В этой части сформулированы
принципы радиобиологии, обсуждено применение ионизирующих
излучений в биологии и медицине, кратко описаны различные методы и аппаратура для диагностики и терапии на основе действия
ионизирующих излучений.
Целью данного пособия является изучение влияния физических
полей, используемых в биотехнических системах, на биообъект.

Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О БИОТЕХНИЧЕСКОЙ
СИСТЕМЕ И ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЯХ

§ 1. Биотехнические системы: структурная схема,
пассивное и активное управление

Биотехническая система (БТС) представляет собой совокупность
биологических и технических элементов, объединенных в функциональную систему целенаправленного поведения. БТС замкнута в
единый контур управления и основана на принципах взаимодействия живой и неживой природы посредством информационного,
энергетического обмена и обмена веществом [1].
Основное свойство БТС – суперадаптивность, обусловленная
наличием двух контуров адаптации системы: внешнего и внутреннего. Внешний контур обеспечивает БТС возможность выполнять
свою целевую функцию в условиях переменных воздействий
внешних факторов, внутренний позволяет элементам БТС адаптироваться к изменению состояния друг друга, вызванному воздействием внешних и внутренних факторов [1, 2]. Выполнение функций БТС связано с потоками вещества и энергии. Под влиянием
воздействий система может или выйти из состояния покоя, или
изменить свое состояние. Совокупность процессов перехода из
одного состояния в другое составляет сущность управления.
Управление этой системой осуществляется за счет потоков информации [3, 4].
Медицинская БТС должна обязательно содержать систему мониторинга непрерывной (текущей) диагностики состояния живого
организма. Различают четыре вида медицинской БТС: диагностическую, терапевтическую, хирургическую и искусственных органов.
Связи между элементами в БТС (информационная, энергетическая, вещественная) по своей направленности в системе могут
быть прямыми, обратными, нейтральными. Прямые связи предназначены для передачи вещества, энергии, информации или их комбинации от одного элемента системы к другому в соответствии с
последовательностью функций элементов. Обратная связь в медицинской БТС используется в основном: а) для контроля за процессом воздействия; б) для управления процессом лечения. Наличие обратных связей характерно для адаптивных систем.

Вся медико-биологическая информация, поступающая от пациента, подразделяется на медленно изменяющиеся процессы (МИП)
и на быстро изменяющиеся процессы (БИП). МИП – такие процессы, как частота сердечных сокращений, частота дыхания, температура тела и т. д., БИП – электрофизиологические процессы (электрокардиосигнал, электроэнцефалограмма и т. д.) [1].
На рис. 1 приведена структурная схема измерительно-информационной БТС. Состояние пациента демонстрируется на экране
дисплея системы отображения информации (мониторе).

Рис. 1. Структурная схема измерительно-информационной БТС:
П – пациент; ДПИ – датчик-преобразователь первичной информации; МИП –
медленно изменяющиеся процессы; БУ – блок усиления; БП – блок преобразования электрического сигнала в цифровую форму; ААС – автоматический анализатор состояний; БР – блок регистрации; СОИ – система отображения информации; БСИ – блок сжатия информации для быстроизменяющихся процессов (БИП); БВИП – блок выделения информативных признаков; ДП и ОП –
блоки долговременной и оперативной памяти; В – врач (врач принимает решения о методе лечения и выборе лечебных средств); ЛС – лечебные средства;
ЭМК – электромеханический контроллер (или электронный преобразователь
сигнала)

Мониторные системы медицинской БТС характеризуются
двумя видами управления: пассивным или активным. Пассивное
реализуется в мониторных системах с обратной связью, включающей действия врача. Система функционирует посредством выработки сигналов визуальной и (или) звуковой тревоги, которая

включается в тот момент, когда в физиологическом сигнале (параметре) отмечаются какие-то существенные отклонения (в простейшем случае – при отклонении физиологического сигнала от
заданного диапазона). Сигнал тревоги вырабатывается в БВИП,
поступает в БР и СОИ и используется для управления (см. рис. 1).
При этом врач старается вернуть физиологический параметр в его
нормальный диапазон, воздействуя на пациента посредством лекарств, электрошока и иными терапевтическими мерами. Другими
словами, в медицинской БТС пассивного типа энергетическое воздействие является однонаправленным: от биологических объектов
к техническим. Примером такой БТС может служить комплекс
приборов для измерения электрокардиограммы (ЭКГ).
При активном управлении, т. е. в замкнутой информационноизмерительной и управляющей медицинской БТС, существует непосредственная обратная связь между БВИП и ЭМК физиологического выхода системы (рис. 1). При этом электронный преобразователь сигнала анализирует поступающую с БВИП информацию и
корректирует параметры БТС. В вычислительных мониторных
системах роль БВИП играет ЭВМ.
БТС может включать в себя источник любого физического поля (источник ультразвука, лазер, источник электромагнитного поля, рентгеновский источник) для воздействия на биообъект, поэтому необходимо рассматривать реакцию биообъекта на внешнее
воздействующее поле, т. е. взаимодействие поля и биообъекта в
рамках БТС. В медицинских БТС активного типа существенно как
воздействие на биообъект, так и обратное воздействие биообъекта
на поле (рис. 2), в отличие от БТС пассивного типа.

Рис. 2. Схема БТС активного типа с различными типами воздействия
на биообъект:
1 – ультразвук; 2 – лазерное излучение; 3 – электромагнитное поле; 4 – рентгеновское излучение; Р – давление; Т – температура. Биосенсор (биодатчик) регистрирует тот или иной эффект взаимодействия объекта с веществом и преобразу                                           ет в электрический сигнал

Параметры воздействующих физических полей для диагностики и терапии не должны превышать радиуса адаптации биообъекта, т. е. той величины, в пределах которой система способна самостоятельно вернуться в исходное состояние.
Если параметры воздействующих полей превышают радиус
адаптации, то возможны необратимые процессы в биообъекте или
его переход в патологическое состояние. Следовательно, необходимо решить вопрос о пороговом значении воздействия. При этом
изучение поведения БТС может проводиться в подпороговом режиме (в рамках адаптации), надпороговом (с акцентом на производимые изменения) и в пограничном (процессы вблизи точки бифуркации).
Если параметры биообъекта превышают возможности технических элементов, то БТС не сможет правильно сориентироваться и
выработать тактику поведения. (Такое случается, например, при
терапевтическом или хирургическом воздействии.) Следовательно,
БТС должна быть построена на принципе идентификации, требующем единства информационных и управляющих сигналов, с
помощью которых производится вещественный, энергетический
или информационный обмен внутри БТС [1, 3, 4].
Обобщенная количественная мера энергетического воздействия на биообъект называется дозой (D). Распределение накопленной в результате энергетического воздействия в объеме биообъекта энергии не всегда поддается доверительной оценке. Рассматривая биообъект как черный ящик, на который оказывается внешнее
энергетическое воздействие, необходимо определить реакцию (отклик) биообъекта на это воздействие. Если нет возможности отследить и количественно охарактеризовать отклик биообъекта, то
нет возможности и предсказать результаты взаимодействия поля и
биообъекта. Но понятие отклика требует специального определения, учитывая сложность объекта воздействия и постоянно имея в
виду системный характер взаимодействия. Будем понимать под
откликом биообъекта совокупность всех результатов, которые
можно в той или иной степени связать с данным воздействием.
Количественной мерой отклика биообъекта будем считать совокупность параметров биообъекта, поддающихся измерению доступными средствами, назовем их соотносимыми параметрами
отклика биообъекта. Измеряя соотносимые параметры, можно
предсказывать биологический эффект, даже не зная характеристик
самого биообъекта.

Построение функциональной зависимости между совокупностью параметров внешнего воздействия и соотносимыми параметрами отклика биообъекта и использование этой функциональной
зависимости для управления самим воздействием составляет основную задачу дозиметрии.
Управление воздействием возможно только при уже известной
функциональной зависимости между параметрами энергетического воздействия и соотносимыми параметрами отклика. Правильный прогноз отклика может быть сделан только в том случае, когда построение функции «воздействие – отклик» проведено корректно (обычно эта функция в литературе называется «доза – эффект»). В конкретных задачах, где результаты воздействия выражаются большим и априори неизвестным количеством параметров, построение функции «воздействие – отклик» включает в себя
всю совокупность эвристических элементов как исследовательского, так и метрологического характера.

§ 2. Волновые и квантовые свойства
электромагнитного излучения. Энергетические уровни атомов
и молекул и переходы между ними

Перед тем как перейти непосредственно к рассмотрению взаимодействия физических полей с биообъектами, кратко напомним
основные свойства электромагнитных волн.
Электромагнитное излучение обладает волновыми и квантовыми свойствами (проявляет корпускулярно-волновой дуализм).
Согласно уравнению Максвелла векторы E

 и H

 переменного
электромагнитного поля удовлетворяют в однородной, изотропной, непроводящей среде волновому уравнению:

2
2

0
0
0
0
2
2
0;
0;
E
H
E
H
t
t

∂
∂
Δ
= εε μμ
=
Δ
− εε μμ
=
∂
∂

2
2
2
2
2
2
2
2
/
/
/
/
.
x
y
z
r
Δ = ∂
∂
+ ∂
∂
+ ∂
∂
= ∂
∂

Решение волнового уравнения имеет вид

max
( , )
sin(
).
E r t
E
t
kr
=
ω −

Здесь ω = 2πν – циклическая частота колебаний векторов E

 и 
,
H
ν – частота этих колебаний; k = 2 /
π λ  – волновой вектор, λ = /
c ν –
длина волны, c – скорость света в вакууме.
Переменное 
электромагнитное 
поле 
распространяется 
в
пространстве в виде волн с фазовой скоростью 
/
;
c
=
εμ
v

8
0 0
1/
3 10
c =
ε μ
= ⋅
 м/c = 2,9979⋅ 108 м/c.

Электромагнитные волны поперечны: (
)
0,
;
;
EH
E
H
=
⊥
⊥

v
v

векторы  E

 и H

колеблются в одной фазе и образуют с вектором
скорости правую тройку векторов, а их модули связаны соотношением

0
0
.
E
H
εε
=
μμ
(1)

Монохроматической называется волна, векторы E

 и H

 в которой колеблются только с одной определенной частотой.
Одним из важнейших выводов теории Максвелла является
электромагнитная природа света. Экспериментально установлено,
что действие света на устройства его регистрации (фотоэлемент,
фотопленку, флуоресцирующий экран и т. д.) определяется вектором электрической напряженности E

 электромагнитного поля
световой волны. Это соответствует классической электронной теории, согласно которой процессы, вызываемые светом в веществе,
связаны с действием электромагнитного поля световой волны на
заряженные частицы вещества – электроны и ионы. Поскольку
частота видимого и более коротковолнового света очень велика
(ν ~ 1015 Гц), то сколько-нибудь значительные по амплитуде вынужденные колебания могут совершать только электроны. Сила,
действующая на электроны со стороны электромагнитного поля,

1
0
1
{
[
]}
{
[
]},
F
eE
e
B
e E
H
= −
+
= −
+ μμ
v
v
называется обобщенной си
лой Лоренца. Здесь e и v1 – заряд и скорость электрона; 
0
В
Н
= μμ

– вектор магнитной индукции электромагнитного поля. С учетом
(1) 
покажем, 
что 
абсолютная 
величина 
магнитной
составляющей силы F

много меньше ее электрической составляющей: 
0
1
0 1
1
|[
]|
(
/ )
,
H
H
E
E
μμ
≤ μμ
=
v
v
v v
так как скорость рас

пространения электромагнитной волны v ~ 108 м/с, а скорость
электрона в атоме при вынужденных колебаниях под действием
света v1 ~ 106 м/с, следовательно, 
.
F
eE
≈

Интенсивность электромагнитной волны – физическая величина I, численно равная энергии, которую переносит волна за единицу времени через единицу площади поверхности, расположенной перпендикулярно к направлению распространения волны:

;
;
I
I
I
>
=
=<

E
v

где I

– вектор Умова – Пойнтинга; 
>
<E
– среднее значение объемной плотности энергии поля волны; v – фазовая скорость волны.
Для плоской линейно-поляризованной монохроматической бегущей волны

2
0
max
0

1
,
2
I
E
εε
=
μμ

где  
2
max
E
– амплитуда колебаний вектора  
.
E
Волновая природа излучения выражается в явлениях дифракции и интерференции. Для этих явлений большое значение имеют
временнáя и пространственная когерентность колебаний.
Временная когерентность – степень согласования фаз колебаний в одной и той же точке пространства в различные моменты
времени.
Пространственная когерентность – степень согласования фаз
(когерентность) колебаний, которые совершаются в один и тот же
момент времени в разных точках плоскости, перпендикулярной
направлению распространения волны.
Волновой природой света объясняется также поляризация
электромагнитного излучения. Обычный свет не поляризован, он
испускается неориентированными излучательными системами.
Плоскополяризованным называется свет, у которого вектор E

 световой волны ориентирован в одном направлении. Такой свет получают путем отражения от плоской поверхности или пропусканием
через двулучепреломляющие кристаллы. Степень поляризации
определяется как

//
//
(
)/(
),
P
I
I
I
I
⊥
⊥
=
−
+