CC BY
48
УДК621317.7.089
особливост1 та використання терагерцових хвиль в бюлогп та медицин:
Мельник €.Т„ Яненко ОЛ.
Розглянут! бюлоггчш ефекти терагерцовш хвилъ та способы гх використання в бюлоги та практичнт медщит.
Вступ
В останне десятилггтя увага вчених звернута на дослщження впливу хвиль терагерцового (ТГ) д1апазону на ф1зичю та бюлопчш середовшца. Це пов'язано з певними властивостями цих хвиль, що проявляються при 1хнш взаемодп з р1зними бютканинами. [1,2]. ТГ д1апазон охоплюе частота в!д 100 ГГц до 10 ТГц (у довжинах хвиль - в!д 3 мм до 30 мкм). Знизу вш визначений частотно-часовим обмеженням (в!д 100 ГГц I вище) електро-нних переход1в у нашвпроввдшкових структурах, а зверху - максимальною довжиною хвши квантових переход1в лазерных структур. Таким чином, цей д!апазон м!стить у соб1 короткохвильову частину ММ~д1апазону, весь субмш1метровий 1 дальнш (довгохвильовий) 1Ч-д1апазони довжин хвиль. Вже в перших експериментальних дослщженнях було показано, що бюлопчш ефекти як в ММ так \ в ТГ-д1апазош хвиль проявляються при малих значениях потужност! опром1нювання - 10"6-И0"12 Вт/см2 [3].
Розглянемо кванти енерги КВЧ 1 ТГ д1апазошв з позицш спектрально-молекулярних взаемодш речовини й електромагштного поля. Максимальна енергш кванта Иу в НВЧ-д1апазош становить 1Д710"3 еВ, а в ТГ вона на два порядки бшыне (~10~1 еВ). Нижче енерги кванта у НВЧ-д1апазош вияв-ляються: енерпя обертання молекул навколо зв'язжв (10"4 -И О-3 еВ), енерпя купер1вських пар при надпровщност! (10"6 т- 10"4еВ) 1 енергш магттного впорядкування (Ю-8 -г10"4 еВ). У ТГ дхапазош частот енергш кванта вщпо-вщае енерги коливальних переход1в молекул (10~2 -г 10"1 еВ). Частотш д1а-пазони спектр1в ряду газ1в перебувають м1ж короткохвильовою частиною НВЧ д!апазону й довгохвильовою - терагерцового д1апазону. У ТГ д1апа-зош найбшыыий вплив на поглинання електромагнпних хвиль чинить во-дяна пара, що мае близько 900 штенсивних лшш поглинання.
Бюфгзичш ефекти хвиль терагерцового диапазону
В останнш час з'явився ряд публжацщ про взаемодда сигнал!в терагерцового д!апазону [1-5] з бюоб'ектами та складовими 1х структур.
Експериментальш \ теоретичш дошидження в1дм1чають наступш бюлопчш ефекти подзбних хвиль:
- силъне поглинання ММ-випромшювання водою I водными розчинами як оргашчних, так г неоргатчних речовин. При опромшенш нпари сигнал мм-хвиль практично повшстю поглинаеться ешдермюом ншрн товщиною
108 Вкник Нацюнального техшчного унгверситету УкраХни "КП1"
СерЫ - Радютехшка. РаЫоапаратобудування.-2008.-М36
0,5-1 мм. Тобто першими шддаються впливу ТГ-хвиль поверхнев! анато-Minni структури шк!ри - рецептори, кашляри, рщю розчини оргашчних i неоргашчних речовин.
- змша метаболЬму мжрооргашзмгв. ТГ-хвил1 активно впливають на процеси життедк льност!. В результат! опромшення мшрооргашзми стають продуцентами бюлопчно активних речовин, що знайшло застосування в р1зних б i отехно л ori чних процесах.
- синтезу аденозинтрифосфорног кислоты (АТФ). Збшыпення синтезу АТФ шд д!ею ТГ-хвиль мае вирипальне значения в життед!яльноси ор-гашзму, що знаходить непряме пщгвердження в лшарськш практиц! (нор-мал1*зац1я процессе життед1яльност1 хворого оргашзму), а також в експери-мент! (шдвшцення синтезу бюлопчно активних речовин).
- конвективний рух ргдини в об емг i тонких шарах. 1Бд д1ею хвилъ ТГ д!апазону у внутр!шньо- i м!жклтшнш рщиш може виникнути складний конвективний рух, що призводить до б!лыд активного переносу речовин i електричних заряд1в через мембрани.
Розглядаючи бюф1зичш властивост! хвил! ТГ-д1апазону, необхщно вщ-значити i'xHi особливост! взаемоди з фгзичними й бюлопчними середови-щами. Зупинимося на основних середовшцах, у яких в1дбуваеться еволю-ц!я живих об'екпв - noBrrpi й водь Як в1домо, вода е самим сильним по-глиначем короткохвильового електромагштного випром!нювання, причому поглинання росте з! збшьшенням частота. Так, наприклад, поглинання ММ-хвиль плоским шаром води товщиною в 1 мм при довжиш хвши X = 8 мм становить 20 дБ, а при X = 2 мм - 40 дБ; при зм!ш частота в!д 30 до 150 ГГц поглинання збшынусться да 20 дБ, а в д!апазон! в1д 0,1 ТГц (100 ГГц) до 0,5 ТГц (500 ГГц) - майже на 40 дБ. ТГ-випромшювання вшьно проходить через nanip, дерево, деяю буд1вельн! конструкт!", пластики, керам!ку, а також через верхш шари шшри й одяг людини. У ряд1 европейсысих крахн «еколопчно чистЬ> терагерцов! хвил! використовуються для просв!чування пасажир!в i вантажу в аеропортах замкть дшдливих для здоров'я рентге-швсысих хвиль. Наведен! вище властавосп ТГц-хвиль роблять i'x приваб-ливими й для ряду !нших областей застосування. У зв'язку i3 цим можна лише в!дзначити, що зараз спостер1гаеться шдвищений !нтерес (справжшй бум) фахгвщв до освоения й застосування цих хвиль.
Анал!з електродинам!чно1 модел! взаемодй' електромагн1тних хвиль i бюлопчно активних точок (БАТ) у процес! акупунктури дае шдставу для припущення про те, що прийом 1 передачу електромагштних хвиль через канали БАТ можна ефективно здшснити в дхапазон! частот вщ 0,5 ГГц до 1000 ГГц (1 ТГц). Розвиваючи цю думку, можна припустити також, що в реал!зацп лжувальних ефект1в при теплопунктур! беруть участь не тшьки теплов! шфрачервон! хвил1, але й ТГ-хвил! як в!д самого джерела 14-випромхнювання, так i хвил! атмосферного походження.
BicnuK Нацюнального техшчного умверситету Украши "КП1" 109 Серы - Радютехшка, Радюапаратодудування.-2008.-№36
В!домо, що практично bcî бюлопчн! структури мають власн1 резонансш частота, на яш вони вщкликаються, якщо ni частоти зб!гаються i3 частотами зовшшнього електромагштного поля. Д1апазон цих частот дуже широкий й охоплюе область на шкал! електромагштних хвиль вщ наднизьких частот до частот, що розд1ляють !он!зуюч! й не!ошзуюч1 випром!нювання (Х~200нм). Так, у НВЧ-д1апазон1 щ частота лежать в облает! обертального руху молекул. У терагерцовому д1апазош знаходяться резонансш частоти деяких бюлопчних структур оргашзму й живо!" юнтини. Так, соматична юптина ссавщв мае резонансну частоту 2,39 ТГц, хромосоми pi3HOÏ генноУ активност! - 0,75-15 ТГц. Розрахунок показуе, що резонансш частоти альвеол легешв перебувають у д!апазош 0,3-0,5 ТГц, а еритроцити кров! - 0,51 ТГц. Взаемод1я ЕМВ на цих частотах is зазначеними б!олопчними структурами викликають змши в ДНК тимоципв пацкшв лшп "Bicrap", впли-вають на процеси скручування ДНК залежно в!д напрямку круговот поля-ризацп зовшшнього поля та mini ефекти.
Анал!з електродинам1чно!" модел! взаемодп* електромагштних хвиль й атмосферного пов1тря в дихальнш систем! показуе, що при молекулярному порушенш атмосферного пов!тря в ТГ-д1апазош частот може ктотно (на порядок) шдвшцитись ефектившсть лшувальних процедур у випадку застосування аеротерапп.
Необх1дно в!дзначити також, що в ТГ-д1апазош перебувае значна час-тина електромагштного релпстового випромшювання, в!дкритого в середин! 60-х poids минулого стол!ття, яке мае значний вплив на виникнення життя та еволюцпо на планет! Земля.
Застосування терагерцових хвиль
Зараз до ТГ-диапазону електромагштних хвиль привертаеться значна у вага фах1вц!в р!зних наукових i техшчних дисципл!н: астроном!!', бюлогп й медицини, фармацевтики й харчових виробництв, матер!алознавства, ра-дюзв'язку усередиш примпцень (in door communication), радюлокацп й ра-дюнавтзци крим!нал!стики й т.д. G повна п!дстава вважати, що бютропш параметри ТГ-хвиль дозволять створити прилади для контролю старшня лжарських препарат1в, якост! харчових продукт!в, а також для визначення шдробок i небезпечних домппок у цих технолопчних процесах. Судячи з рекламних матер1ал!в ряду великих закордонних ф!рм, у завершальн!й стади перебувають розробки прилад!в (терав1зор1в) для визначення наяв-ност! вибухових речовин i р1зних стороншх предмет1в при пасажирському контрол! в аеропортах, вокзалах, а також в1дв!дувач1в м1сць проведения масових заход!в (театр1в, кшоконцертних зал!в, виставок i т.д.). Велик! сшдавання з освоениям ТГ-хвиль зв'язують фаювщ в облает! контролю навколишнього середовища (визначення пшдливих домппок в атмосфер!, вод1, у ближньому косм1чному простор! й т.д.).
Завдяки використанню ТГ-хвиль можна чекати прориву в ряд! медич-
110 Вкник Нацюнального техшчного умверситету Украши "КП1"
Серш - Радютехшка, Радюапаратобудування,-2008,-№36
них технологш. Можливо, у самий найближчий час терагерцов! апарати з нешшдливим електромагштним випром1нюванням увшдуть у практику медично1 д1агностики й зможуть замшити в ряд! випадшв рентгешвськ! апарати. Але найбшыш нади медичних фахавщв пов'язаш з лнсуванням он-колопчних хворих. Оскшьки ТГ-хвил! вшьно проникають у верхш шари шк!ри (аж до м'язових тканин), то з'являегься можливкть контролювати розвиток недоброяюсних процес]в на раншх стад1ях. Взагал1 в цьому д!а-пазош вщкриваються нов! можливост! вивчення процес1в нав!ть на р!вш живо!* клггани.
Нарент, у медичну практику починають впроваджуватися нов! методи терапи з використанням ТГ-хвиль: N0 - тератя, НВЧ-акустотерашя й ш. Великий експериментальний матер!ал, свщчить, що електромагштш хвилх ТГ-д1апазону здатш чинити вплив практично на вс! вщом! типи юитин (нервов!, м'язов!, сполучнотканинш, рецепторш й ш.) у модельних системах будь-якого р!вня оргашзаци бюлопчного об'екта дослщжень (одино-чн! юнтини, культура юптин, колони м!крооргашзм1в, культура тканини, хзольоваш органи, ц1л!сний оргашзм). Тобто, п!дтверджено вплив цього дхапазону на процеси на р!вн! кл!тин \ клгганних органел.
Висока ефектившсть використання ТГ-хвиль при л!куванн! наступних захворювань: серцево-судинних (стабшьно! ! нестабшьно1 стенокардп, гь пертошчно1 хвороби, инфаркту м!окарду); неврологгчних (больових синд-ром!в, радикулку, остеохондрозу); штрних (нейродермтв), гастроенме-рологгчних (виразки шлунку, гепатитхв); стоматологгчнш (пародонтозу, периоститу); онкологгчнга - для захисту кровотворно! системи, усунення поб!чних явищ при хшютерапп, дозволяе спов!льнити р!ст пухлини, змен-шити ступ!нь метастатичного ураження. Продемонстровано, що електро-магштне НВЧ-випромшювання з низькою штенсивнютю знижуе поглинання йоду тирео1дною тканиною [4]. Це е експериментальним о б грунту -ванням використання НВЧ-випромшювання в комплексной терапп шток-сикаци радюйодом у якост! рад!опротекторного впливу.
Англшсыа ф!зики навчилися застосовувати терагерцове випромшюван-ня для визначення д!лянок тша, уражених раком шюри. Так! дшянки важко визначити на око, оскшьки 85% ракових юптин лежать в еттелп шд пове-рхнею шк!ри. У порхвнянш з! здоровими тканинами таю юнтини мютять б!льше води, що штенсивно поглинае випромшювання в д!апазон! частот в!д 100 ГГц до 3 ТГц. Пор!внюючи терагерцове випромшювання, в!дбите р1зними дшянками цшри, можна побудувати повну картуз зони ураження.
За допомогою терагерцових хвиль проводяться дослщження щодо !ден-тиф!каци в!рус!в як за спектрами поглинання, так ! шляхом дослщження динам!чних характеристик вщгуку на коротю !мпульси. Це стало можли-вим тому, що експериментально ! теоретично було доведено, що власн! частота коливання в1рус!в I деяких конформац!йних рух!в б!омолекул (нукле-
В 1С пик Нащоналъного технгчного ушверситету Украти "КПГ' 111 СерЫ - Радютехтка. Радюапаратобудування.-2008.-№36
1нових кислот та бшав) лежать в терагерцовому частотному д1апазош. Цей ефект плануеться застосовувати до таких в1рус1в як бактерюфаг М13, вхрус кору, грипу А.
ММ- та ТГ-терапЙ властив1 наступш особливоет!: нешвазившсть, поль лшувальний ефект, можливють монотерапп, антистресова д!я, !муномоде-люючий ефект, иротибольова дш, дуже добре поеднанням з шшими методами лшування (х1м!чними, ф!зютерапевтичними та ш.) [ не мае абсолютных протипоказань. На вщмшу в1д л1шв ТГ-терап1я не мае поб!чних ефек-т1в. ТГ-випром1нювання не мае юшзуючоТ дп, на в1дм!ну, в!д радюактив-ного випромштовання. За допомогою терагерщв можна будувати об'емне зображення структур, наприклад, м'яких тканин, чого не можна зробити в рентгешвському ;цапазош. Тому можливим е використання хвиль ТГ-д1апазону як альтернативи рентгешвським комплексам при дшгностиц! за-хворювань. ТГ-випромшговання знайшло б свое застосування, де необхщ-ний неперервний мониторинг живих об'екив, наприклад, при томограф1ч-них дослщженнях.
Бюф!зичн! ефекти хвиль терагерцового д1апазону дають шдстави 1 вщ-кривають перспективи розвитку нових напрямюв в бюмедичних технологиях: «Терагерцова терап1я» г «Терагерцова д1агностика» [5].
Низько!нтенсивна ТГ-терашя знаходить ширше застосування в медицин! як для лкування широкого спектру захворювань, так ! в якост! про-фшактичних заход1в.
Висновки
1. ТГ-терашя - це ф!зичний вплив, що забезпечуе профшактику ! л!ку-вання значно*1 кшькоси захворювань без поб1чних негативних ефскп'в. У той же час цей тип випром!нюваиня також сприяе швидшому регенеруван-ню юитин при ошках та ураженнях.
2., Отриман! результата можуть бути покладен! в основу при розробц! рекомендацш для використання впливу електромагштного випромшюван-ня в якост! лкувальних процедур.
3. Викладен! особливост! характеристик 1 б!оф!зичних ефект!в тераге-рцових хвиль дають шдставу для продовження досл!джень впливу моле-кулярних епектрш випромшювання й поглинання атмосферних газ!в ТГ-д!апазону частот на жив! об'екти для створення нового перспективного напрямку в медичних технолог!ях - ф!зютерапн, д!агностиц! й екологп, як! можна назвати: терагерцова терапш, терагерцова д!агностика, терагерцова еколопя.
4. Теоретичн! й експериментальн! досл!дження НВЧ-ТГ терапп е фундаментальною основою для розвитку нових медичних технологш. Одним з напрямюв таких технологш е спектрально-молекулярна д!агностика в широкому д1апазош частот (включаючи терагерцовий) !снування молекуляр-них спектр!в випромшювання й поглинання живих об'ект!в. У цьому вила-
112 Ысник Нацюнального техшчного ушверситету У крат и "КП1"
Серы - Радютехшкси Радюапаратобудування.-2008.-№36
дку патолопя може виявлятися в змшах енергетичних, часових, частотних i просторових структур молекулярных спектр1в випром1нювання й поглинання бюлопчних середовищ. Л1тература
1. Бецкий О.В., Лебедева H.H. Применение низкоинтенсивных миллиметровых волн
в медидине/ТМиллиметровые волны в биологии и медицине. 2007. № 1. С. 32-59.
2. Кислов В.В. Терагерцовые волны и их применение / В.В. Кислов, О.В. Бецкий //
СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: материалы 17-ой Между-нар. Крым. конф. в 2 т., Севастополь, 10-14 сентября 2007 г. Т.2 С. 771-773.
3. Ситько С.П., Скрипник ЮА, Яненко А.Ф, Аппаратное обеспечение современных
технологий квантовой медицины. - К.: ФАДА ЛТД, 1999. - 200 с.
4. Горбань E.H. Клеточные и гуморальные механизмы воздействия низкоинтенсив-
ного электромагнитного излучения MM-диапазона на организм//Тр. 1 междунар. конф. "Современные технологии ресурсоэнергосбережения".Книга 4.Киев, 1997.
5. Бецкий О.В. и др. Биофизические эффекты волн терагерцового диапазона и пер-
спективы развития новых направлений в биомедицинской технологии: «Тераге-рцовая терапия» и «Терагерцовая диагностика». - Биомедицинские технологии и
Ключов1 слова: бюф1зика, вплив випромшювання на оргашзм, випромшювання в бшмедициш
Мельник Е.Т., Яненко А.Ф. Особенности и использование терагер-цовых волн в биологии и медицине Рассмотрены биологические эффекты тера-герцовых волн и способы их использования в биологии и медицине Melnik E.T., Yanenko A.F. Features and use of the terahertz waves in biology and medicine The biological effects of the terahertz waves and ways their use in biology and medicine are considered
УДК 621.317.7.089
ДОСШДОКЕННЯ ОПОРУ БЮЛОГТЧНО АКТИВНО! ТОЧКИ НА ПОСТШНОМУ ТА ЗМ1ННОМУ СТРУМ!
Перегудов СМ.> Пустова C.B., Яненко О.П.
Проведено дослгдження опору бюлоггчно активно! точки (ВАТ) на постшному i злённому струмг. Зроблено оцгнку взаемозв 'язку м1ж опором гикгри i електромагштним випромшенням в ВАТ. Показана можливгстъ використання експерименталъноï тфор-мацпдля diazHocmuKU стану людсъкого оргатзму.
Вступ. Постановка задач1
Вщома велика юлыасть роб1т, в яких стверджуеться, що вим!рювання р!зних б!оф1зичних параметр1в бюлогзчно активних тонок (БАТ) дозволя-ють проводити д!агностику захворювань. Серед шструментальних методик найбшыне розповсюдження отримали вим1рювання електричних парамет-р!в БАТ - опору i емност! як на постшному, так i на змшному струм1 [1,2]. Вим1рювання опору у визначених точках шюри з метою д1агностування починае свою кторпо з праць японських дослщншав Н.Накаташ та К.Акабане. 3 того часу географ застосування цього методу значно роз-ширилась, метод одержав популяршсть в шших крашах, наприклад метод Р. Фоля (ФРН). Под1бними досл1дженнями займаеться ряд авторських ко-лектив1в i в нашш крапп. Але разом з тим, як метод одержував популяршсть, виявилось, що його простота вдавана. Такий висновок можна зроби-
BicHUK Нацюнального техшчного ушверситету Украти "КП1" 113 Cepin - РадютехнЛка. Радюапаратобудування.~2008.-№36
