Биологическое действие неионизирующих излучений 14.01.2013 Радиочастотные и микроволновые электромагнитные излучения, их природные и техногенные источники, - презентация

1 Биологическое действие неионизирующих излучений Радиочастотные и микроволновые электромагнитные излучения, их природные и техногенные источники, особенности взаимодействия с биологическими объектами. Механизмы биологического действия электромагнитных излучений. Дозиметрия электромагнитных излучений, применение в медицине.

2 Шкалы ЭМ частот Электромагнитный спектр от 0 до Гц. Радиотехническая (регламент радиосвязи) Медицинская (ВОЗ) Электротехническая (предложена Международным комитетом по электротехнике), делится на 5 диапазонов (см. Цыб и др., 2008)

3 Общая классификация неионизирующих электромагнитных излучений Вид излученияДиапазон длин волн Диапазон частот Энергия кванта Ультрафиолетовое нм3000 – 750 ТГц 12.4 – 3.11 эВ Оптическое нм750 – 385 ТГц3.11 – 1.58 эВ Инфракрасное780 нм мм ТГц1.58 эВ мэВ Гипервысокочастотное мм3000 – 300 ГГц 1.24 мэВ-1240 мкэВ Сверхвысокочастотное или микроволновое 1 мм – 1 м300 – 0.3 ГГц1240 мкэВ-1240 нэВ Радиочастотное1 м – 1 км300 – 0.3 МГц1240 нэВ-1240 пэВ Низкочастотное1 – 10 км300 кГц – 3 Гц1240 пэВ-12.4 фэВ ЭМИ – более длинноволновые, по сравнению с ионизирующими (гамма- и рентгеновским) Границы диапазонов ЭМИ приняты условно (!) Радиочастотные и микроволновые ЭМИ наиболее широко используются человеком. От энергии ЭМИ зависит проникновение и взаимодействие с биологическими объектами

4 Области применения источников ЭМИ в соответствии с диапазонами частот и длин волн

5 «электромагнитное загрязнение среды» (ВОЗ) ЭМИ – электромагнитное излучение ЭМП - электромагнитные поля Естественный фон превышен в раз ЭМП могут выступать как источники электромагнитных помех для ряда физиологических функций (сокращение мышц, работа сердца (кардиостимуляторы!), дыхание, прохождение нервного импульса по волокну, формирование биопотенциалов мозга и др.) «Возраст» проблемы – лет

6 Оценка токсичности ЭМИ от бытового модема Проращивание семян и рост проростков (бытовое исследование) Слева - облученные семена, справа - необлученные семена

7 Оценка токсичности ЭМИ от сотового телефона Motorolla C115 (0,88 Вт/кг), C650 (1.4 Вт/кг) выполнена в Ярославском гос. ун-те. и ИБВВ РАН на проростках корешков лука * Уровень мутаций (ХА, доля аберрантных клеток) и выраженность мутагенного эффекта (ВМЭ, доля аберрантных клеток от контроля) при 3 и 17 часовом облучении * Allium test, (Fiskesjo G The Allium test as a standard in environment monitoring. Hereditas, 102: )

8 Оценка токсичности ЭМИ от сотового телефона Motorolla C115 (0,88 Вт/кг), C650 (1.4 Вт/кг) выполнена в Ярославском гос. ун-те. и ИБВВ РАН на проростках корешков лука * Хромосомные аберрации и отставания (ана- телофазные мутации)

9 Геномные мутации Микрофотография геномной мутации в корешках лука – изменение числа хромосом

10 Природные и техногенные источники ЭМИ

11 Природные ЭМИ Атмосфера земли пропускает и до поверхности Земли доходит: -УФ, оптическое и ИК излучение (длины волн > 290 нм); - МКВ и РЧ диапазоны (37 ГГц – 10 МГц); Внеземное МКВ И РЧ излучение измеряется в ППЭ (плотность потока энергии, Вт/(м 2 хГц)) - ЭМИ Солнца находится в РЧ и МКВ диапазонах от – (спокойное солнце) до (вспышки интенсивности ЭМИ) Вт/(м 2 хГц). -ЭМИ нашей Галактики и планет находятся в диапазоне РЧ и МКВ не превышают интенсивности ЭМИ спокойного солнца; -ЭМИ других галактик < Вт/(м 2 хГц)

12 Взаимодействие ЭМИ с биологическими объектами Биологические реакции зависят от: Характеристик излучения (интенсивности, частоты) Времени облучения Поляризации Вида модуляции (непрерывное, импульсное) Величины поглощенной энергии Свойств биологического объекта (содержание воды, размер и пр.) В классической электродинамике взаимодействие ЭМИ с веществом определяется диэлектрической ( ɛ ) и магнитной проницаемостью (µ) среды, проводимостью (σ) При взаимодействии ЭМИ с тканями главным образом принимают во внимание взаимодействие с электрической составляющей ЭМИ. Рис. Глубина проникновения в водную среду ЭМИ в непрерывном (сплошная линия) и импульсном (прерывистая линия) режимах. См. подробно Цыб с соавт., 2008.

13 Электрические свойства тканей с высоким содержанием воды (мышцы, кожа и др.) Вода характеризуется высокой диэлектрической проницаемостью и проводимостью (σ), поэтому все ткани, содержащие в большом количестве воду, отличаются по своим электрическим свойствам от тканей, содержащих мало воды (жировые ткани, кости, хрящи и др.). См. также Цыб и др., 2008 (с.34-35).

14 Поглощение энергии ЭМИ в тканях определяется в основном: -Колебанием дипольных молекул (вода) (Дипольная поляризация) – энергия теряется за счет трения дипольных молекул в окружающей их среде (это диэлектрические потери); -Колебанием свободных зарядов с частотой ЭМИ (Поверхностная поляризация) – энергия теряется за счет преодоления электрического сопротивления среды токами проводимости. Пример: при частоте 400 МГц диэлектрические потери в мышечной ткани составляют 20 % всех энергетических потерь ЭМИ; При частоте 3000 МГц – 90%.

15 Оба типа потерь энергии ЭМИ ведут к выделению тепла и нагреву ткани На этом принципе основано терапевтическое применение ЭМИ: Повышение температуры организма: в отдельных зонах или точках) приводит к физиологическим последствиям: -усилению кровотока, -увеличению скорости биохимических реакций, -интенсификации метаболизма

16 Применение ЭМИ в медицине Основное отличие методов лечения основано на глубине проникновения и структуре распределения энергии ЭМИ в тканях, что зависит от частоты, способа облучения и типа излучателя (см. Цыб и др. 2008)

17 Глубина проникновения и структура распределения энергии ЭМИ в тканях в зависимости от частоты, способа облучения и используемых излучателей В жировые ткани проникает глубже (!), т.к. в них нет воды

18 Механизмы взаимодействия ЭМИ с биологическими объектами Интенсивности ЭМИППЭ, мВт/см 2 Выраженность теплового эффекта Высокие (встречаются чаще при ЧС на производствах) > 10Отчетливая выраженность Средние1 – 10Слабая, но различимая низкие< 10Отсутствие или неявная выраженность 1.Тепловой механизм – образование тепла в объекте при его облучении ЭМИ высоких интенсивностей (ППЭ=10 и более мВт/см 2 ). Образовавшееся тепло является причиной ответных биологических реакций; 2.Микротепловой механизм - При слаботепловом действии нагревания всего объекта не происходит, но возможны локальные повышения температуры – «горячие пятна». 3.Нетепловой механизм (информационный)– отсутствие повышения температуры при действии ЭМИ низкой интенсивности. Однако ответные биологические реакции возникают. Классификация плотности потока энергии (ППЭ) для ЭМИ МКВ-диапазона (300 МГц-300 ГГц) по биологическим эффектам. Принята в 1973 г.

19 При тепловом (энергетическом) действии биологический эффект вызывает энергия ЭМИ, которая поглощается и утилизируется биологическим объектом. Величина ответной реакции пропорциональна энергии ЭМИ, т.е. интенсивности (ППЭ), поглощенной дозе и времени облучения. Тепловое действие для ЭМИ РЧ- и МКВ-диапазона начинается с величины ППЭ=1 Вт/м 2, которые сопоставимы с энергетическим обменом организма животного и человека. Для возникновения биологического эффекта необходима энергия больше или соизмеримая с тепловой энергией броуновского движения молекул. Специфика при облучении ЭМИ – температура повышается не в окружающей среде или на поверхности тела, а внутри организма. В зависимости от электрических свойств тканей тепло распределяется неравномерно. Тепловая концепция

20 Терморегуляция у теплокровных животных Характерная особенность теплокровных животных – поддержание постоянной температуры тела. Скорость тепловых потерь = скорости продукции тепла. Строение тела с точки зрения терморегуляции: «ядро (мозг и внутренние органы); «оболочка» (кожа, подкожная клетчатка, поверхностные мышцы) Температура ядра и оболочки различаются на 1,5-2,1 о С и более. активная терморегуляция – отведение тепла через кровь и лимфу из ядра к оболочке, где конвекция более эффективна.

21 Биологические последствия Реакция на тепловое действие ЭМИ - Отведение энергии из перегретого органа на соседний, менее нагретый. С увеличением интенсивности облучения ЭМИ отвод энергии становится возможным только за счет повышения собственной температуры тела, сопровождающегося установлением нового уровня теплоотдачи. Зависит также от температуры окружающей среды. Повышение температуры в биологическом объекте может стать пусковым механизмом для различных реакций (ускорение физиологических и биохимических процессов). Органы и ткани, от которых плохо отводится тепло, или чувствительные к температуре (хрусталик) становятся «критическими»

22 Проблемы экстраполяции терморегуляторных эффектов с животных на человека Отличия в механизмах теплоотдачи у человека и животных – первичная реакция на повышение внешней температуры - увеличение периферического кровотока: -У человека – увеличение кожного кровотока – отведение тепла к коже; -У животных шерстяной покров – теплообмен через хвост, подушечки лап, уши и др.); -У крупных животных снижена способность избавляться от лишнего тепла, по сравнению с мелкими.

23 Механическое действие ЭМИ «жемчужные нити» - Частицы превращаются в диполи за счет распределения зарядов и выстраиваются в цепочки ориентируясь вслед за электрическим полем – последствия на уровне организма не выяснены; Слуховой эффект ЭМИ, характерный только для импульсного излучения: При облучении головы человек слышит пощелкивания соответствующие повторению импульсов модуляции. Механизм – прямой переход энергии ЭМИ через термоакустические волны в звуковую энергию.

24 Нетепловая концепция – организм воспринимает ЭМИ низких интенсивностей также, как другие внешние факторы (освещенность, температура, барометрическое давление и т.п.) Сигнальное действие – проявляется на уровне целостного организма. Эффект триггера – перевод системы из одного состояния в другое. Изменение поведения животного (двигательная активность, ориентация в пространстве и времени – например, перелетные птицы). У человека проявляется в субъективных ощущениях, галлюцинации Регулирующее действие - изменение функционального состояния объекта. Реакция зависит только от параметров ЭМИ (вид модуляции и ее частота). Дестабилизирующее действие – увеличение отклонений любых показателей биологических реакций по сравнению с интактным объектом. См.дополнительно Цыб и др., 2008)

25 Инфракрасное излучение 45 % энергии Солнца испускается в виде ИФК Длина волны 0,75 мкм – 1 мм Ближняя область: 0,76-2,5 мкм – глубоко приникает в ткани (несколько см) Средняя – 2,5-50 мкм Дальняя – мкм (задерживается в поверхностных слоях кожи) Пигментированная кожа поглощает 60 % ИФК, непигментированная -40 %

26 Биологические эффекты ИФК Стимуляция и угнетение (до гибели) -прямое воздействие на подкожные терморецепторы и кровеносные сосуды -избыточный нагрев вызывает тепловые судороги, тепловую прострацию, тепловую лихорадку

27 Отличие механизма теплового действия ИФК от УВЧ и СВЧ СВЧ и УВЧ проникает в ткани более глубоко ИФК – спектр волн, который индуцирует стохастические колебания молекул СВЧ и УВЧ - единственная частота – индуцирует упорядоченные синхронные колебания дипольных молекул В итоге - Эффективность нагрева ИФК значительно (в 3-5 раз) ниже Собственное ИФК- и СВЧ-излучение человека используется при термографии (от 0,1 оС между точками). ИФК-термограция -(тепловидение) – распределение тепла в неглубоко расположенных органах) СВЧ-термография - в более глубоко расположенных органах

28 Видимый свет Изучали в разделе «биофизика» и «фотобиофизика»

29 Ультрафиолетовое излучение УФ-А – нм УФ-В – нм УФ-С – нм А – пигментация кожи (загар) В – наиболее биологически активный диапазон С- не попадает на поверхность Земли, обр. озонового слоя С уменьшением длины водны коэффициент поглощения УФ увеличивается

30 Биологические эффекты УФ Образование витамина D, участие в фосфорно-кальциевом обмене (рахит, кариес, рак предстательной железы) Поглощение УФ ДНК (макс. 260 нм), гибель бактерий (Кишечной палочки) – 265 нм – ДНК? Загар: - Первая стадия – эритема (макс. 300 нм)- расширение сосудов (гистамин) - Вторая стадия – механизм непонятен Рак кожи (макс. 310 нм) -возрастает к экватору, у белого населения

31 Магнитное поле Земли МПЗ составляет около 0.5 Э (эрстеды) и практические не изменяется во времени. Внутри Земля несет отрицательный заряд, на поверхности – положительный. За постоянное МПЗ отвечают электрические токи, возникающие на поверхности расплавленного ядра. Локальные отклонения МПЗ от гомогенности обусловлены распределением в коре Земли ферромагнитных аномалий. Примеры аномалий: Курская, Восточно-Сибирская, Бразильская.

32 Радиационные пояса Земли Переменная часть МПЗ создается в основном токами в ионосфере, за счет движения частиц, захваченных в магнитные ловушки, образованные силовыми линиями МПЗ. Внутренний радиационный пояс создают протоны с (макс. мощн. дозы Зв/сут) – на высоте 3-4 км; Внешний радиационный пояс – электроны (макс. мощн. дозы Зв/сут), на высоте 22 тыс. км. Частицы дрейфуют внутри этих поясов до потери энергии, после чего выпадают в атмосферу Земли. Физиологическая деятельность человека зависит от вариации активности Солнца (возрастание частоты симптомов болезней)

33 Биогенный магнетизм Чувствительность к геомагнитному полю некоторых бактерий, рыб, птиц и высших животных Причина – скопление в тканях окисного железа (Fe 3 O 4 ) в виде ферромагнитных кристаллов. Ферромагнитные кристаллы реагируют на изменение внешнего магнитного поля. В головном мозге человека в 1 г ткани содержится не менее 5х10 6 кристаллов магнетика. Животные используют биогенный магнетизм для навигации.

34 Применение ЭМИ в медицине Подробно см. в Кудряшов и др., 2008 Терапия (эффекты за счет усиления кровотока, увеличения скорости биохимических реакций, интенсификации метаболизма и др.)

35 Диагностика 1.РЧ и МКВ плетизмография -Регистрация объемных изменений в организме человека; Метод основан на разнице электрических характеристик (электрической проводимости и диэлектрической поницаемости) тканей тела, например, крови и мышц. Пример: бесконтактная регистрация изменения кровенаполнения глубоко расположенных органов человека 2. Томография с использованием ЭМИ – получение изображения внутренних органов (заменила рентгенографию)

36 Собственные ЭМИ человека и их применение Организм человека – источник электрических и магнитных полей и ЭМИ. Диапазон ЭМИ начинается с десятых долей Гц, захватывает РЧ, МКВ и ИК диапазоны и заканчивается в видимой области спектра. Применение в диагностике. Радиотермометрия и радиотермография Всякий объект с ненулевой температурой излучает электромагнитные волны в широком диапазоне частот, которые распространяются за его пределы. Принцип: интенсивность ЭМИ тела, вызванного тепловым движением атомов и молекул, пропорциональна температуре тех структур, из которых это излучение происходит. Впервые ЭМИ человека зарегистрировано в 1940-х годах.

37 Дозиметрия ЭМИ Цель: определить количество поглощенной энергии и ее пространственное распределение в биологическом объекте Поглощение и распределение энергии зависит от свойств самого излучения (интенсивность, частота, вид модуляции), времени облучени и свойств биологического объекта (электрические свойства, размеры, форма, внутренн структура), расположения объекта относительно источника излучения и векторов электромагнитной волны. Удельное поглощение энергии (УПЭ или SA – specific absorption) = Дж/кг массы Удельная поглощенная мощность (УПМ)=Вт/кг

38 Методы Дозиметрии ЭМИ Теоретическая дозиметрия – использование численных методов для оценки дозы; Экспериментальная дозиметрия – инструментальное измерения УПМ и структуры ее распределения в объекте (калориметрия, термометрия и термография)

39 Модель «стандартного» человека в разных положениях для теоретической дозиметрии Модель состоит из 114 блоков объемом от 5 до 12 см 3. Парменетры электрической проводимости и диэлектрической проницаемости блоков приближены к моделируемым тканям

40 Эволюция гигиенического нормирования в СССР и РФ значений ПДУ ЭМИ РЧ и МКВ-диапазонов для населения (круглосуточное облучение)

41 SAR - specific absorption rate, удельный коэффициент поглощения Санитарные нормы и правила предусматривают максимально допустимые (предельные) уровни электромагнитных излучений для сотовых телефонов, выражаемые в SAR. Международные директивы (ICNIRP) устанавливают уровень облучения человека независимо от его возраста. Так, предельное значение SAR равняется 2, 0 Вт/кг с усреднением по 10 граммам ткани тела человека. Этот стандарт предусматривает значительный запас по безопасности, что служит дополнительной степенью защиты для населения. Федеральная комиссия по связи (FCC) выдает сертификат FCC на аппараты, максимальный уровень SAR которых не превышает 1, 6 Вт/кг (это США). Такой уровень излучения не приводит к существенному нагреванию тканей по заключению специалистов финского Центра радиационной и ядерной безопасности (они и тестируют телефоны Nokia). Безопасны ли мобильные телефоны? //Журнал ОБЖ, октябрь 2003 В. А. Некрасов // Современные взгляды на биологическую активность электромагнитных и тонкополевых излучений электронных средств (из монографии академика В. А. Некрасова Жизнь на земле) ( cmh-engels. ru/publication/19/).ли мобильные телефоны

42 Измерение SAR С 1999 года все производители мобильных телефонов должны были получить этот сертификат и указывать в руководстве пользования информацию о SAR. На такой шаг производителей подтолкнул иск американского врача Криса Ньюмана на $800 млн компании Motorola. У Ньюмана в 1998 г. была обнаружена злокачественная опухоль головного мозга. Истец связывал это с тем, что он в период с 1992 по 1998 г. регулярно пользовался мобильным телефоном для общения со своими пациентами. Измеряют коэффициент SAR в стандартном рабочем положении устройства (рядом с ухом или на расстоянии не менее 1, 5 см от тела человека) в режиме максимальной мощности передатчика, указанной в технических параметрах телефона, во всех рабочих частотных диапазонах. Это значит, что искусственно моделируется ситуация, когда уровень радиосигнала находится на минимальном уровне, телефон цепляется за сеть и поэтому максимально излучает. Но таких случаев в жизни сравнительно немного, разве что, если вы ездите в метро и разговариваете в туннеле (так как на всех станциях стоят базовые станции), либо находитесь в зоне неуверенного сигнала где-нибудь на периферии покрытия вашего оператора сотовой связи. Поэтому ваш телефон в принципе излучает намного меньший уровень, чем заявлено в гигиеническом сертификате. Безопасны ли мобильные телефоны? //Журнал ОБЖ, октябрь 2003 В. А. Некрасов // Современные взгляды на биологическую активность электромагнитных и тонкополевых излучений электронных средств (из монографии академика В. А. Некрасова Жизнь на земле) ( cmh-engels. ru/publication/19/).ли мобильные телефоны

43 Регламентирование использование сотовых телефонов в РФ С 1 июня 2003 г. Министерство здравоохранения России ввело в действие Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы (Гигиенические требования к размещению и эксплуатации средств сухопутной подвижной радиосвязи), где рекомендуется проведение целого ряд мероприятий защиты. В частности, пользователям мобильными радиостанциями (сотовый телефон, радиотелефон) предлагается: –максимально сократить время пользования мобильной радиостанцией; –ограничить использование подвижных радиостанций лицами младше 18 лет;* –ограничить использование подвижных радиостанций женщинами в период беременности; –ограничить использование подвижных радиостанций людьми, имеющими имплантированные водители ритмов (кардиостимуляторы). * (прим. в Великобритании лицам моложе 16 лет практически запрещено пользоваться сот. телефоном);

44 Правила пользования мобильным телефоном, которые позволят свести мощность передатчика телефона к минимально значению 1.Лишний раз не касаться антенны руками, даже если она внутренняя. Обычно в инструкции указана та часть корпуса, которая содержит антенну, и надпись под картинкой справедливо гласит: Не прикасаться к антенне руками. 2.При разговоре внутри помещений (если не установлена локальная базовая станция) лучше всего стоять рядом с окном, выходящим на улицу. 3.Находясь в зоне неуверенного или сравнительно слабого приема (менее половины шкалы на телефоне) имеет смысл как можно меньше использовать голосовую связь по телефону; 4.Если вы совершаете часто звонки из автомобиля, то целесообразно купить и установить выносную автомобильную антенну. Металлический корпус легкового автомобиля может значительно ухудшить условия для передачи сигнала от телефона к базовой станции. 5.В момент установления соединения GSM-телефоны обычно работают на большей мощности, чем во время разговора, поэтому лучше всего дождаться соединения и потом уже начать говорить.

45 Спасибо за внимание! Удачи на сессии!