книги / Основы взаимодействия физических полей с биологическими объектами. Воздействие ионизирующего и оптического излучения
.pdfЛ.В. Жорина, Г.Н. Змиевской
Основы
взаимодействия физических полей с биологическими объектами
Воздействие ионизирующего и оптического излучения
Под редакцией доктора технических наук, профессора С.И. Щукина
Рекомендовано УМО по образованию в области радиотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся
по направлению подготовки дипломированных специалистов «Биомедицинская техника» и направлению подготовки бакалавров и магистров «Биомедицинская инженерия»
Москва Издательство М ГТУ имени Н.Э. Баумана
2006
Биомедицинская инженерия в техническом университете
Биомедицинская инженерия в техническом университете
Серия основана в 2005 году
РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ:
чл.-кор. 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
д-р техн. наук В.Б. Парашин д-р техн. наук О.С. Нарайкин
Москва Издательство МГТУ имени Н.Э. Баумана
2006
УДК 577.3(075.8) ББК 28.071
Ж812
Рецензенты:
д-р физ.-мат. наук, проф. Э.М. Трухан (зав. кафедрой биофизики и экологии Московского
физико-технического института); д-р физ.-мат. наук, проф. Х.Б. Хоконов
(зав. кафедрой физики твердого тела Кабардино-Балкарского государственного университета);
д-р физ.-мат. наук, проф. М.И. Киселев (зав. кафедрой «Метрология и взаимозаменяемость»
МГТУ им. Н.Э. Баумана)
Ж орина Л.В., Змиевской Г.Н.
Ж812 Основы взаимодействия физических полей с биологически ми объектами: Воздействие ионизирующего и оптического излучения: Учеб, пособие / Под ред. С.И. Щукина. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. - 240 с.: ил. (Биомедицинская инженерия в техническом университете).
ISBN 5-7038-2764-7
Рассмотрены механизмы взаимодействия излучений ионизирующего и оптического диапазонов с биологическими структурами на различных уровнях организации применительно к задачам медицинской диагностики, терапии и хирургии. Описаны принципы построения источников излуче ния и средств измерения доз воздействия на биологические объекты.
Содержание учебного пособия соответствует курсу лекций, который авто ры читают в МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Для студентов технических университетов, обучающихся по направ лению подготовки специалистов «Биомедицинская техника», бакалавров и магистров, обучающихся по направлению «Биомедицинская инженерия», а также для студентов высших медицинских учебных заведений и медико биологических факультетов университетов.
|
УДК 577.3(075.8) |
|
ББК 28.071 |
|
© Л.В. Жорина, Г.Н. Змиевской, 2006 |
|
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006 |
ISBN 5-7038-2764-7 |
© Оформление. Издательство МГТУ |
им. Н.Э. Баумана, 2006 |
ПРЕДИСЛОВИЕ
Изучение дисциплины «Основы взаимодействия физических полей с биологическими объектами» характеризуется разнообразием факторов, влияющих на биообъекты, механизмов их взаимодействия с биоструктура ми, а также источников и средств измерения параметров воздействия, по этому основной методической проблемой является классификация большо го объема изучаемого материала.
Учебное пособие «Основы взаимодействия физических полей с био логическими объектами» написано на основе общепринятой классифика ции электромагнитных полей по длинам волн (или эквивалентной энер гии квантов излучения).
Пособие и его главы имеют единую структуру. Основному изложе нию предшествует вводная часть, представляющая собой обзор вопросов, рассмотренных в последующих главах более обстоятельно. Главы по строены по традиционной схеме: классификация взаимодействий, их первичные физические механизмы, системная иерархия, краткое описа ние рассмотренных взаимодействий применительно к диагностике, тера пии и хирургии.
Учебное пособие в целом посвящено воздействию на биологические объекты ионизирующего и оптического излучения; радиочастотного излу чения КВЧ-, СВЧ- и ВЧ-диапазонов и низкочастотных электромагнитных полей.
Специфика материала предполагает участие различных по составу авторских коллективов.
В этой книге подробно изложены вопросы дозиметрии излучений. Менее детально описаны технические средства генерации воздействий и измерения их параметров, так как они являются объектом изучения в курсах «Технические методы диагностических исследований и лечебных воздействий», «Медицинские приборы, аппараты, системы и комплексы» и др.
Выпускаемое учебное пособие по основам взаимодействия физичес ких полей с биологическими объектами предназначено для студентов, аспирантов и преподавателей технических университетов, высших меди цинских учебных заведений и медико-биологических факультетов в уни верситетах.
Редсовет выражает благодарность доктору технических наук, про фессору И.Н. Спиридонову за значительный вклад в подготовку пособия
к изданию. |
|
Доктор технических наук, профессор |
С.И. Щукин |
|
ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ |
v |
- частота |
Е |
- веюгор напряженности электрического поля |
Н |
- вектор напряженности магнитного поля |
£ |
- диэлектрическая проницаемость |
£0 |
- электрическая постоянная |
р |
- магнитная проницаемость, коэффициент экстинкции, |
|
коэффициент затухания звука |
РО |
~ магнитная постоянная |
t- время
х, у , z - декартовы координаты
г- радиус-вектор
со |
- циклическая частота, содержание воды в ткани |
к- волновой вектор
X - длина волны
с- скорость света в вакууме, скорость звука
V - фазовая скорость, скорость фотосинтеза, скорость колебания F - сила
е- заряд электрона
В- вектор магнитной индукции
1- интенсивность, средний потенциал ионизации
£- энергия
Р - степень поляризации
h- постоянная Планка
р- импульс, давление
Аых ~ Работа выхода электрона из металла
т- масса
те - масса электрона
ХК - длина волны Комптона
у- волновая функция
W - вероятность нахождения частицы
^пот |
~ потенциальная энергия |
'Н |
- полный квантово-механический гамильтониан |
Рпт |
~ интеграл переходного момента |
- оператор электрического дипольного момента
Ф- электронная часть волновой функции, плотность потока
6
X- ядерная часть волновой функции, линейный коэффициент эффекта образования пар
S- спиновая часть волновой функции, вектор волновых колебаний, площадь поверхности, сечение образца
р- плотность
L - уровень звука
U- напряжение
Ф- поток
J - сила тока
Z - порядковый номер вещества
Dn - поглощенная доза (доза облучения ИИ)
£>о6 - доза облучения в оптическом диапазоне
Dl10 - поглощенная доза образцового облучения
D - фотодинамическая доза
X - экспозиционная доза q - заряд
Q- коэффициент качества ИИ
Э- эквивалентная доза
г) |
- квантовый выход (квантовая эффективность), вязкость среды |
т- время протекания процесса, время жизни молекулы в данном состоянии, время жизни флуоресценции, время термической релаксации, время теплопотерь
-энергия ионизации 0 - угол рассеяния
-линейный коэффициент ослабления потока излучения средой
рког |
- линейный коэффициент когерентного рассеяния |
Тф/Э |
- линейный коэффициент фотоэффекта |
а- линейный коэффициент комптоновского взаимодействия,
|
площадь сечения мишени, сечение поглощения молекулы |
|
- массовый коэффициент ослабления потока излучения средой |
Ng |
- число событий с передачей энергии £; |
Щп) |
- вероятность п попаданий в мишень |
V |
- объем |
N |
- число объектов, число квантов (фотонов) |
^- среднее число попаданий в мишень
<М> ~ среднее число частиц, пролетающих через единичную площадку
7
y(Dn) - выход повреждений биообъекта под действием ИИ z - событие энергопоглощения
с- концентрация вещества
т* |
- коэффициент пропускания |
D- оптическая плотность
к- коэффициент поглощения
-молярный коэффициент поглощения
а п |
- натуральный показатель поглощения |
/а |
- характерная глубина проникновения |
р* |
- коэффициент отражения |
т |
- натуральный показатель рассеяния |
* |
|
S- показатель степени в зависимости интенсивности рассеяния от длины волны падаюшего излучения
п- концентрация
KXViM |
- константа химической реакции |
|
- мощность излучения лазера |
Т£ |
- время воздействия лазерного излучения на биоткань |
^тах |
“ коэффициент экстинкции в максимуме полосы поглощения |
AVJ/2 |
- ширина полосы частот на половине высоты |
£з, g) |
- факторы вырождения триплетного и синглетного состояния |
|
молекулы соответственно |
г |
- степень анизотропии флуоресценции, радиус зрачка |
kL |
- константы скоростей перехода с уровня на уровень |
уик |
- квантовый выход интерконверсии |
NK |
- скорость приращения количества кислорода |
£ф |
- константа скорости ферментативной реакции |
Сф |
- концентрация фермента |
Км |
- константа Михаэлиса |
td |
- среднее время превращения одной молекулы субстрата |
Кх(X) |
- кривая видности (спектральная световая эффективность) |
Фе |
- светотехнический поток |
У(Х) |
- относительная кривая видности |
^шах |
-значение Кх(Х) в максимуме зрительного ощущения |
L |
- яркость |
8
а ф - коэффициент пересчета световых величин в энергетические (рДЯ,) - спектральная плотность потока ос_Б - постоянная Стефана - Больцмана
Т- температура
Rэ - интегральная плотность мощности (энергетическая светимость), интегральная испускательная способность
Фсол„ - солнечная постоянная
60- угловое расстояние
/- фокусное расстояние глаза
М- молекулярная масса
rx, rv |
- испускательная способность |
av |
- поглощательная способность |
£- спектральный коэффициент излучения (коэффициент серости)
rx, rl |
- испускательная способность абсолютно черного тела |
UX,U V- средняя спектральная плотность энергии излучения |
|
Р„ |
- поглощенная мощность |
Лол |
- излученная мощность |
р |
- момент электрического диполя |
&Б |
- постоянная Больцмана |
Amn *Втп “ вероятность перехода между уровнями пит |
|
b |
- постоянная Вина |
Q |
- телесный угол |
q(rf t) |
- плотность потока энергии источника тепла |
L \r9/) |
- общая плотность потока энергии облучения |
Q |
- теплота |
С |
- удельная теплоемкость |
d |
- глубина прогрева ткани |
£фс |
- концентрация фотосенсибилизатора |
с* |
~ тепловой контраст |
К- адиабатический объемный модуль упругости среды
Р - коэффициент проникновения звуковой волны из среды в среду спр, си - скорости приемника и источника волн
с0 |
- скорость объекта |
|
vr |
- |
частота генератора |
vnp |
- |
частота приемника |
9
|
- |
доплеровский сдвиг частоты |
рп |
- коэффициент затухания звука в результате поглощения |
|
Ирасс |
- коэффициент затухания звука в результате рассеяния |
|
Х£ |
- удельная тепловая энергия разрушения ткани |
|
/* |
- частота повторения импульсов |
|
in vitro - образцы, изолированные от организма |
||
in situ |
- |
в живом организме |