Система регистрации собственных низкоинтенсивных электромагнитных полей организма человека Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

УДК 681.51:621.391.008.05

СИСТЕМА РЕГИСТРАЦИИ СОБСТВЕННЫХ НИЗКОИНТЕНСИВНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ ОРГАНИЗМА

ЧЕЛОВЕКА

С.А. ЯШИН

Медицинский институт, Тульский государственный университет, ул. Болдина, 128, г. Тула, Россия, 300012

Аннотация. Регистрация патогенных для персонала предприятий, учреждений и организаций низкоинтенсивных электромагнитных излучений и магнитных полей необходима в части минимизации факторов профвредности и гигиенической регламентации. В первую очередь это относится к персоналу, относимому к группам риска. Интенсивности таких излучений сравнимы с интенсивностью излучения собственного интегративного электромагнитного поля человека. В современной радиоэкологии важную роль играет визуализация и объективизация биологической информации о текущем состоянии организма человека, наиболее предпочтительна диагностика состояния человека на основе измерения собственных параметров его организма. В статье рассматриваются методы и различные варианты аппаратуры для регистрации собственных электромагнитных полей биологических объектов.

Ключевые слова: электромагнитное излучение, магнитное поле, гигиеническая регламентация, биологический объект, регистрация, метод, аппаратура.

REGISTRATION SYSTEM OF OWN LOW-INTENSITY ELECTROMAGNETIC FIELDS OF THE HUMAN BODY

S.A. YASHIN

Medical Institute, Tula State University, 300013, Russia, Tula street. Boldin, 128

Abstract. The registration of pathogenic low-intensity electromagnetic radiation and magnetic fields for the personnel of the enterprises, institutions and organizations is required for minimization of the harmful professional factors and hygienic regulation. It is a question of the staffs relating to risk groups. Intensity of the radiation is comparable with the radiation intensity own integrative electromagnetic field of a person. In modern radioecology plays an important role visualization and objectification of biological information about the current state of the human body. Diagnosis of the human condition based on measurements of the parameters of their own his body is the most preferred. This paper considers the methods and different ways equipment for registration of its own electromagnetic fields of biological objects.

Key words: electromagnetic radiation, magnetic field, hygienic regulation, biological object, registration, method, equipment.

На организм человека воздействуют природные и технические электромагнитные излучения (ЭМИ) и магнитные поля (МП) низкой интенсивности в весьма обширных диапазонах частот, модулирующих частот, поляризаций, интенсивности и пр. При исследовании таких излучений исходят из наиболее изученных в биомедицине ситуаций отклика организма на воздействие полей природного и технического происхождения, а именно [10]:

— Поля природного происхождения. Диапазон их достаточно велик, включая поля пока слабо изученной природы типа полей электромагнитных волн (ЭМВ) с выраженной продольной составляющей Е или Н -поля. Основное внимание уделяется природным низкоинтенсивным ЭМИ и МП, исходя из их физиологического механизма воздействия на организм человека.

— Поля технического (искусственного) происхождения. Это обширная группа ЭМИ и МП — неизбежный спутник научно-технического прогресса, постоянно увеличивающаяся как по своим интенсивностям, так и по разнообразию характеристик. Причем, если природные поля воздействуют на все население земного шара, то для технических полей наиболее характерны группы профессионального риска. Однако при этом вовсе не исключается несанкционированное воздействие на большие группы населения, особенно в крупных и средних городах (прежде всего — ЭМВ радиосвязи, радио- и телевещания, сотовой связи).

Весьма актуальной является постановка вопроса, систематизированного в [10], о гигиенической регламентации ЭМИ, воздействующих на работающих в условиях хронического воздействия данных излучений [7,9,11]. Принятая в

России методология гигиенического нормирования, базирующаяся на представлениях о пороговости вредного действия факторов производственной и окружающей среды, была использована и при обосновании допустимых уровней электромагнитных полей (ЭМП).

Гигиеническая оценка производственных воздействий ЭМП проводится в соответствии с действующими санитарно-эпидемиологическими нормативно-методическими документами раздельно для каждого вида ЭМП, для которых установлены самостоятельные гигиенические нормативы. В настоящее время в соответствии с нормативнометодическим документом СанПиН 2.2.4.1191-03 (ред. от 02.03.2009) «Электромагнитные поля в производственных условиях» установлены следующие гигиенические регламенты ЭМП на рабочих местах по предельно допустимым уровням (ПДУ):

— ПДУ электростатического поля,

— ПДУ постоянного магнитного поля,

— ПДУ электрического и магнитного полей промышленной частоты 50 Гц,

— ПДУ ЭМП в диапазоне частот > 10 кГц — 30 кГц,

— ПДУ ЭМП в диапазоне частот > 30 кГц — 300 ГГц.

Гигиеническая регламентация ЭМП, создаваемых видеодисплейными терминалами (ВДТ) всех типов и ПЭВМ, осуществляется в соответствии с требованиями СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 «Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы».

Результаты гигиенической оценки уровней ЭМП на рабочих местах в соответствии с действующими гигиениче-

скими нормативами являются основой определения класса вредности и опасности условий труда по электромагнитному фактору, которое осуществляется в соответствии с Руководством Р 2.2.2006-05.

Данные клинико-физиологического исследования свидетельствуют о риске развития неблагоприятных изменений сердечно-сосудистой, нервной, гематологической и иммунной систем у персонала электрорадиотехнических обслуживающих служб (ЭРТОС), особенно у их части, осуществляющей эксплуатацию средств локации, навигации и связи.

В обследованной группе специалистов службы ЭРТОС, подвергающихся воздействию ЭМИ и сопутствующих факторов производственной среды и трудового процесса, отмечается тенденция к увеличению частоты синдромов вегетативной дисфункции и сосудистой дисфункции.

Данные терапевтического и неврологического исследования обусловили необходимость углубленного обследования специалистов службы ЭРТОС в стационаре с использованием методов оценки состояния сердечно-сосудистой и нервной систем (реоэнцефалография, реовазография, электрокардиография, эхо-электрокардиография, электроэнцефалография и др.), а также психологическим тестированием, биохимическими и цитохимическими исследованиями крови и др., консультацией сексопатолога, отоларинголога, окулиста.

Данные физиологических исследований состояния сердечно-сосудистой и нервной систем свидетельствуют о явно выраженной тенденции к увеличению биологического возраста (раннему старению организма) и повышению артериального давления, более выраженные также у специалистов ЭРТОС, осуществляющих эксплуатацию средств локации, навигации и связи, что может служить отражением неблагоприятных отклонений в состоянии сердечнососудистой системы.

Анализ данных гематологического и иммунноцитохимического исследований по изучению морфологического состава крови, оценки состояния иммунного статуса и неспецифической резистентности (по данным цитохимического обследования) свидетельствует о возникновении у обследованных специалистов службы ЭРТОС количественно-функциональных изменений клеток крови.

При этом изменения показателей периферической крови выражались в снижении количества гемоглобина и эритроцитов, тромбоцитопении и цитопенических реакциях, таких как снижение абсолютного количества нейтро-филов и лимфоцитов, увеличении количества моноцитов и, в определенных случаях, повышении количества эритроцитов с базофильной зернистостью.

По данным цитохимических исследований, обнаружены изменения клеточного метаболизма лейкоцитов крови, выражающиеся в повышении активности кислой фос-фатазы, миелопероксидазы и разнонаправленных изменениях показателей активности щелочной фосфатазы.

Иммунный статус характеризовался снижением абсолютного количества лимфоцитов, изменениями соотношения абсолютного числа иммунорегуляторных субпопуляций (Т-хелперов и Т-супрессоров) и количественного состава популяций Т-нулевых лимфоцитов и В-клеток.

Причем у специалистов службы ЭРТОС, обслуживающих оборудование локации, навигации и связи, обнаруженные изменения гематологических и иммунологических показателей носили более выраженный характер, свидетельствуя об изменениях гематологических показателей, нарушении неспецифических факторов защиты и иммуно-

логической реактивности с формированием количественнофункционального иммунодефицита.

Эти данные должны учитываться при разработке мероприятий по организации динамических наблюдений и разработке профилактических мероприятий для специалистов службы ЭРТОС, подвергающихся в процессе производственной деятельности воздействию ЭМП и сопутствующих факторов.

Данные социально-гигиенического исследования также позволили констатировать высокие уровни распространенности заболеваний сосудистой системы, в том числе гипертонической болезни и ишемической болезни сердца у лиц, обслуживающих средства локации, навигации и связи, и формирование их в более молодом возрасте по сравнению с авиадиспетчерами, высокая степень напряженности труда которых доказана многочисленными исследованиями.

Уже в возрастной группе 40-49 лет почти у 30% сотрудников службы ЭРТОС регистрируется гипертоническая болезнь, а среди сотрудников службы управления воздушным движением — лишь у 9%. В группах ЭРТОС, подвергающихся воздействию ЭМИ высоких частот (ВЧ-), ультра-высоких частот (УВЧ-) и сверхвысоких частот (СВЧ-) диапазонов, коэффициент распространенности ишемической болезни сердца составляет 27,6 и 20,0 соответственно на 100 работающих по сравнению с 7,1 — у авиадиспетчеров. В возрасте 50 лет и старше около 70% специалистов, наиболее экспонированной к ЭМП группы, страдают ишемической болезнью сердца [7, 9, 11].

Цель исследования - разработка методологии построения и предложений по аппаратурной реализации системы регистрации собственных низкоинтенсивных электромагнитных полей организма человека.

Регистрация патогенных для персонала предприятий, учреждений и организаций низкоинтенсивных ЭМИ и МП необходима в плане мероприятий в части поддержания норм промэкологии и минимизации факторов профвред-ности. Особенно это относится к персоналу, относимому к группам риска по ЭМ- и МП-облучению.

Материалы и методы исследования. Использование чисто инструментальных измерительных методов для регистрации низкоинтенсивных ЭМИ и МП крайне затруднительно и труднореализуемо ввиду их микромощности и рассредоточенности (непредсказуемости) множественных источников в современном производственном и учрежденческом ареалах. Поскольку интенсивности таких ЭМИ и МП сравнимы с интенсивностью излучения собственного интегративного электромагнитного поля (СИ ЭМП) биообъекта (человека), то в начале исследования дадим такую сравнительную оценку.

Природа физических полей живых организмов. Рассмотрим существующую вокруг тела человека энергетическую оболочку, которая образована полями и излучениями организма. Составляющие ее поля могут быть как постоянными, так и переменными, они могут изменять свои параметры и характеристики в зависимости от внешних воздействий, а также от физического и психического состояния человека и укрупнено классифицируются следующим образом:

- электрическое поле за счет электрохимических реакций, протекающих в организме;

- электретное поле организма, источником которого служит квазиэлектретная поляризация живых тканей;

- магнитное поле живого организма;

- различные электрические поля, источниками которых являются внутреннее электротоническое поле, трибо-

электрические заряды и колебания индуцированных зарядов, возникающие вследствие действия атмосферного электричества;

- электромагнитные излучения, в частности, в инфракрасном и СВЧ-диапазоне, радиоактивное излучение;

- вторичное ЭМИ, возникающее в результате воздействия на организм внешних электромагнитных волн и связанное с механическими колебаниями в организме на всех его уровнях;

- плазменное электромагнитное поле, характерной особенностью которого является система нелокализованных элементарных частиц (протонов и электронов) со специфической пространственной ориентацией в живом организме.

Рассматриваемые поля регистрируются как непосредственно на поверхности тела, так и на расстоянии нескольких метров от него. Например, на поверхности регистрируется биоэлектретное поле. У человека наблюдается истечение биоплазмы (низкочастотное электрическое излучение в диапазоне 0,1-30 Гц), также он способен излучать импульсные поля.

В [3] отмечено, что на расстоянии от 1 мм до 1 м от кожного покрова человека фиксируется электрическое поле в диапазоне 10'2 - 104 Гц, источником которых считается биоэлектрическая деятельность отдельных органов и тканей тела человека. В диапазоне 109 - 1010 Гц наблюдается собственное тепловое свервысокочастотное излучение тела человека. Теоретические исследования показывают возможность генерации излучений в диапазоне 1011 - 1012 Гц за счет когерентных переходов в мембранных каналах между энергетическими уровнями, возникающими в электрическом поле мембранного потенциала. Ожидаемая при этом мощность излучения 10'7 Вт/м. Также в книге описывается генерация электромагнитных волн с частотой 1011 Гц за счет эффекта Джефферсона у клеточных белков [3].

Любое нагретое до некоторой температуры тело излучает широкий спектр ЭМИ. Для биологического объекта (БО) с температурой 35-40 0С наибольшая интенсивность излучения лежит в инфракрасной области спектра. Однако излучение инфракрасного (ИК) диапазона, являющееся достаточно информативным параметром, сильно экранируется поверхностными тканями и кожей. Более проникающим, но требующим и более сложной интерпретации является излучение в диапазоне СВЧ, которое несет в себе информацию о глубинных процессах, в частности, и о температуре. Излучательная способность нагретых тел в СВЧ-диапазоне определяется с помощью известных формул закона Релея-Джинса и спектральной плотности энергии, излучаемой единицей поверхности тела. Радиотепловое излучение биологических объектов является равновесным, а по спектральному составу - шумовым с широкополосным спектром, который перекрывает как СВЧ-диапазон (0,3-30 ГГц), так и диапазон крайне высоких частот (КВЧ-диапазон) - 30-300 ГГц.

Согласно концепции «волнового генома» П.П.Гаряева, спектр колебаний в организме (человека) чрезвычайно широк и подчиняется строгой иерархии (рис. 1) [6]; эти колебания и служат источником формирующегося СИ ЭМП организма человека.

Собственное ЭМП организма, образованное неупорядоченными по частотам, фазам, векторности излучения, поляризации и прочим полям отдельных клеточных диполей в агрегации клеток, является стохастическим.

Простейшая модель ансамбля клеточных диполей в электромагнитном поле имеет следующий вид [3,5]. Пусть имеется N элементов с зарядами Ъ, находящихся в точках

биосистемы ra(a = 1,2,..., N). Поведение элементов в ЭМП Am (r, t )=(<£>, A ) описывается гамильтонианом

H = iji t- iV as + 1 A(ras, - V(ras, t )} + U

(1)

элементу a; s = 1,...; U - потенциальная энергия элемента.

Рис. 1. Волновые процессы в составляющих биосистемы и их иерархическая связь (ВКМ - внутриклеточный матрикс)

Гамильтониан (1) упрощается в случае дипольного приближения. Производя калибровочное преобразование в

ду

уравнении Шредингера 1— =Ну для волновой функции дипольных компонент W^fas, t) = W(s,■■■, Г ; t), получаем уравнение Шредингера для новой волновой функции W',

которая принимает вид i -ду- = H W', где согласно [8]

h '=х(- 2 v0s )+ и+~

V = -Y daE (ra, t )

(2)

(3)

где da =-£ Pas - оператор дипольного момента элемента a; E(r, t) - электрическое поле, причем _ 1 dA. (4)

E (r,t ) =-v^-- ~ôt Таким образом, уравнения (1) - (4) описывают в первом приближении систему «элемент + поле». Автор полагает, что данная гипотеза об инициации внешним полем процессов векторизации собственных клеточных ЭМП биосистем является физически непротиворечивой и позволяет приблизиться к построению адекватной модели взаимодействия внешнего низкоинтенсивного поля со стохастическим интегральным ЭМП клеточных агрегаций.

Рис. 2. Распространение электромагнитных волн в биоткани: а) слоистая структура биоткани; б) «зернистая» структура клеточных образований (1 - костная ткань; 2 - мускульная ткань; 3 - жировая ткань; 4 - кожный покров; 5 - межклеточная ткань; 6 - клетка)

Проведенные ранее количественные оценки собственного ЭМП клетки и характеристики взаимодействия ЭМП клеток с внешним полем подтверждают факт биофизического механизма организации клеточных агрегаций, функ-

a. s

где ras - координаты дипольных компонент, относящиеся к

ционирующих одновременно и взаимосвязанно с биохимическими процессами в клетке и клеточных структурах, а также показывают, что наиболее имманентно человеческому организму именно КВЧ-излучение, процессы распространения которого в биоткани при ее слоистой или «зернистой» структуре клеточных образований проиллюстрированы рис. 2.

В случае слоистой структуры биоткани (рис. 2, а) для всех внутренних точек области У биообъекта справедливы следующие соотношения для напряженностей электрического и магнитного полей [2,4,12]:

Е(г) = £0(?) + 4-І цгаО ЛІ --1)й(П/( - ^'|>И + к 1 іі(г')/( - ї'\)' І -

,(5)

где Ъ - волновое число для внешней среды; к - волновое число в вакууме; выражения типа ё, р имеют следующий

H(?) = H0 (?") + --(grad dv| ji-^-1 ]Н(v")/ (? - v") | + kf j( — -1H(v")/ (? - v"))

— -1| =^-Sjk.

Ljk

Bj =jUjkHk); f (r - ?'|) - функция, входящая в состав функции

Грина и определяемая как f(? ?1)_(2п) е ^ d [12].

Если анализируемым объектом облучения является «зернистая» структура клеточных образований (рис. 2, б), то имеем интегральное уравнение, справедливое для внутренних точек М каждого объекта-клетки:

EM(v) = EoM(?) + j-(grad diV J f^--lE(?')f(?-r^U J -lE(?')f(?-r>F)-

- ШгіА-1)H" ™(r - r")dr"

HM(r) = Hf(r) + -LgaddV^J —-1^Jhm(?")/(?-ф#"] + к j(—-1^H“(r")/(F-Г")Г) + ,(6) + -1)' ™( Г-^"'

где

Ef (v) = 4(F)+£' {^graddiVTif (F))+k2J^(r))-ikLr0/7f (?\

S=1

Hf (?=^ro(r) +£' \graddiVnM ({П (Г^+іЦгоП^Г)}

• (7)

Штрих у сумм в (7) означает, что суммирование распространяется на все рассеивающие тела-клетки, кроме рассматриваемого (£ ф м). йо и Но - напряженности ЭМП невозмущенной падающей волны. Всего имеется 2N интегральных уравнений, которые позволяют выразить внутренние ЭМП, наведенные в клетках, через внешнее ЭМП.

Зная внутреннее поле в клетках (6) и строя электрический и магнитный потенциалы Герца, можно получить ЭМП в точке наблюдения г , внешней по отношению ко всем внутренним точкам объемов (клеток) Ум, в соответствии с принципом суперпозиции [12]:

й(г) = йо(г) + 2 {гаО Лу(пГ2 ({+ к2ПЇ!(?)) - ік^гаіП^(?)}, ,

H(?) = H0 (?) + {rad div(nf (?))+ к1Пf (?)) + ike1rotnfi (?)\

где

ПЭ(r)=4n^~^~1f('r')/((r-r'l)dr'; • nf (?) = 4-j(—-l)? (?') / ( r - ?" )dr'.

(8)

(9)

Таким образом, соотношения (5) - (9) являются постановкой задачи расчета распределения ЭМП в клеточной

структуре биоткани. Поскольку число клеток N велико, то при использовании этих соотношений принимается модель непрерывной среды - аналогично анализу ЭМП в искусственных диэлектриках по методикам, разработанным в [12].

Энергетические свойства кожного покрова биологических объектов. Общей функцией кожного покрова является функция экрана, защищающего БО от внешних воздействий. Также с его помощью организм регулирует энергетический обмен с окружающей средой. С точки зрения энергодинамики кожа может быть представлена в виде трех компонентов: биологически активных точек, межточечного пространства и пространства, находящегося над кожным покровом.

Как и любая среда, кожа является «диэлектриком» с соответствующими комплексными диэлектрической и магнитной проницаемостями. Кожа может быть проводником, диэлектриком или полупроводником в зависимости от соотношения значений вещественной и мнимой частей этих величин (рис. 3) [5].

Здесь Я1, С1, И2, С2 - активные сопротивления и емкости рогового слоя и эпидермиса; Сэ - емкость базальной мембраны; - сопротивление слоя дермы; Екат, Еан - источ-

ники ЭДС, характеризующие процессы движения через мембрану катионов и анионов; И3, И.4 - сопротивления, характеризующие электрический заряд на мембране.

Под энергетическим меридианом понимают совокупность синхронно функционирующих точек в теле БО, резонирующих под воздействием внутренних органов. Его можно разделить на две части. Одна расположена на поверхности кожи и выполняет функцию захвата и излучения энергии, другая связана с транспортировкой этой энергии. Например, с доставкой в соответствующий орган или систему органов.

Ниже рассмотрим ряд принципиальных подходов к системной реализации регистрации СИ ЭМП.

Методы и аппаратура для регистрации собственных электромагнитных полей биологических объектов. В современной радиоэкологии важную роль играет визуализация и объективизация биологической информации о текущем состоянии организма человека. Широко применяются методы положительной обратной связи (ПОС) и отрицательной обратной связи (ООС), одно- и двухмерная ультразвуковая визуализация и так далее.

СЛОИ: ПОТОВАЯ ЖЕЛЕЗА САЛЬНАЯ ЖЕЛЕЗА

РОГОВОЙ — БЛЕСТЯЩИЙ -ЗЕРНИСТЫЙ -ШИПОВАТЫЙ ■ БАЗАЛЬНЫЙ -СОСОЧКОВЫЙ -СЕТЧАТЫЙ -

ПОВЕРХНОСТЬ КОЖНОГО ПОКРОВА

R4 N2

ПОВЕРХНОСТЬ СОЕДИНИТЕЛЬНОМ ТКАНИ

Рис. 3. Структура кожного покрова (а); эквивалентная электрическая схема кожного покрова (б) (По Р.Ф.Мусину [48])

Однако данные методы диагностики и регистрации оказывают заметное влияние на клетки организмов человека. Более предпочтительный вариант - диагностика состояния человека на основе измерения собственных параметров его организма, например, СИ ЭМП, излучения в инфра-

смысл:

=1

5=1

5=1

красном диапазоне, магнитных полей, электрического тока, сопротивления. В [3,5] рассмотрены соответствующие методики и методы.

Перспективен метод для функционального диагностирования «электромагнитного остова» человеческого тела. Его состояние оценивается на основе регистрации электрических и магнитных параметров с помощью системы датчиков (метод П.И.Гуляева). Электрическое поле измеряется в экранирующей камере. В качестве датчика поля авторы использовали металлический диск, соединенный с высокоомным входом усилителя. При этом измерялся потенциал ЭП вблизи тела человека относительно стен камеры. Измерение МП осуществлялось датчиками индукционного типа, квантовыми магнитометрами и сверхпроводящими квантовыми интерферометрами. Вследствие чрезвычайно малых значений измеряемых величин диагностику также можно проводить в экранированном помещении, используя дифференциальные схемы измерений, ослабляющие действие помех.

Тепловидение позволяет выявить источники повышенной температуры внутри тела, оценить состояние кровообращения в коже и подлежащих тканях, метаболическую активность клеточных структур, морфолого-

физиологические особенности различных областей кожного покрова, а также теплопроводность тканей.

Метод термографии заключается в регистрации при помощи специальных приборов или материалов спонтанного излучения человеческого тела. Известно, что любое тело, имеющее ненулевую температуру, является источником ЭМИ, спектральная плотность мощности которого описывается законом Планка и является функцией частоты этого излучения, температуры тела и его излучающей способности. Вследствие свойств распространения ЭМВ существует возможность не только измерения параметров ЭМИ организма, но и диагностирования тканей, которые создают это излучение. Излучательная способность электромагнитной волны зависит от частоты, вида тканей тела и менее сильно от их температуры. Ею определяется глубина проникновения ЭМВ соответствующей частоты из тела.

Радиометрические системы КВЧ-диапазона позволяют определять «резонансы поглощения», поглотительную и отражательную способность точек и областей кожи. Сверхвысокочастотная радиометрия позволяет выявить температурные аномалии отдельных органов, зафиксировать резонансные отклики на внешние раздражения.

Магнитокардиограммы и магнитоэнцефаллограммы включают в себя максимум полезной информации о функционировании различных систем организма. Создание сквидов на несколько порядков расширяет возможности использования в системах контроля и дозиметрии.

На рис. 4 приведена обобщающая информация о видах физических полей живых организмов, типах возможной измерительной аппаратуры и предельные значения параметров, измерение которых необходимо обеспечить при исследованиях [5].

Видно, что радиологические, дозиметрические исследования ЭМП требуют для своей реализации аппаратурных средств с практически предельными значениями измеряемых параметров, что значительно усложняет вопросы метрологического обеспечения подобных устройств. К нормированным метрологическим параметрам КВЧ-модулей относят диапазон рабочих частот, погрешность установки частоты, уровень и пределы регулировки выходной мощности, погрешность установки уровня выходной

мощности, неравномерность амплитудно-частотной характеристики, режимы и параметры модулирующих сигналов. Основную сложность для метрологической оценки представляет проверка частотно-временных и энергетических параметров. Это использование стандартных средств измерения в сочетании с нестандартными узлами и блоками.

Учитывая широкий диапазон разброса уровней мощности воздействующих на персонал ЭМИ, возможно использование и стандартных средств измерения, обеспечивающих регистрацию сигналов с мощностью, лежащей в пределах 1 мкВт - 10 мВт. Фиксация уровней квазимоно-хроматических сигналов 10'10 - 10-9 Вт и шумовых 10-20 - 10'16 Вт/Гц возможно только с помощью нестандартизованных высокочувствительных радиометрических систем, которые также должны обеспечивать возможность проверки аппаратуры для генерации и измерения монохроматических и шумовых сигналов. Применение подобных радиометрических систем, работающих в широком диапазоне частот, позволяет измерять как частотно-временные, так и энергетических параметры КВЧ-модулей.

Биологические объекты

Боды фшичееккх (электромагнитных) попей 1111

Сввтовые Тепловые Радиовол- ХОЕЫС Элистрн- Магнигные Ужьтраяву- КОВЫе

Тилы регистрирующей в измерительной аппаратуры

Измерители оптическим ш-п^чений

Тепловизоры, ра-

шотермо-

Радио [вет- Электро- Магнито- Измерите-

ры, рефлек- кардиогра- метры, гра- ли акусти-

тометры фы, злек- диоыетры ческих па-

тровнцс- (сквкды) раметров

фалографы

Предельвые характеристики и параметры

Биолюми- несценция Мощность И ФК-диапазона Мощность [те вал ера-тура). частота, фаза колебаний Напряжение, ток, сопротивление Электроток магнитная восприимчивость. перемещение магнетиков Мощность, звуковое давление

0.1 “к (фотоны) 0.05 “К Ю-12- 10.И Вт мкВ. мкА 10-]0— 10-11 в мкБары

Рис. 4. Способы регистрации физических полей биологических объектов

Еще один перспективный метод измерения частоты низкоинтенсивных сигналов является сочетание радиометрической нестандартизованной системы коммутационномодуляционного типа и стандартных измерителей частоты. Подобная система позволяет измерять частоту низкоинтенсивных сигналов, уровень которых составляет 10'12 - 10-10 Вт [5].

Теоретически, наибольшую чувствительность могут обеспечить компенсационные методы (компенсационные радиометры), однако из-за сложности компенсации, свойственной флуктуации коэффициента усиления тракта, это преимущество не всегда реализуемо.

При измерении мощности шумовых сигналов возможно использовать корреляционные методы. Весьма перспективно использование модуляционного радиометра в области СВЧ- и КВЧ- ЭМИ для измерения мощности низкоинтенсивного излучения. Чувствительность модуляционного радиометра в два раза хуже, чем компенсационного и в 1,42 раза - чем корреляционного, однако простота реализации модуляционных схем и надежность в работе предопределяют широкое их использование при измерениях.

Результаты и их обсуждение. Ниже приводятся различные варианты построения аппаратуры, которую можно применить для регистрации СИ ЭМП организма человека.

Медицинские датчики и внутритканевые зонды КВЧ. Датчики являются приемниками СВЧ- или КВЧ- ЭМИ, а зонды - передатчиками. Внутритканевые зонды и датчики, используемые преимущественно в медико-биологических экспериментах над животными, хирургическим путем или эндоскопически внедряются в мышечную (жировую) ткань, ткань органа исследуемого БО. Они представляют собой антенну СВЧ- или КВЧ-диапазона, питаемую от внешнего по отношению к БО генератора с помощью фидерной линии типа микрокоаксиального кабеля. Понятно, что использование зондов и датчиков для контроля излучений, воздействующих на персонал, ограничено только экспериментом на лабораторных животных.

Аппаратура для тепловидения - весьма перспективное направление диагностики, основанное на измерении СИ ЭМП в инфракрасном диапазоне волн, то есть на измерении теплового излучения. Однако широкого применения в радиологии и промзащите такая аппаратура вряд ли найдет.

Для целей термодиагностики применяются в основном тепловизоры типа «Радуга-МТ», «Рубин-2», «Факел», а также фирмы АСЕМА (Швеция). Стандартная тепловизи-онная система работает следующим образом: сигнал БО в виде электромагнитного излучения инфракрасного диапазона поступает в объектив видеокамеры. С помощью последовательного оптического сканирования происходит считывание информации о распределении теплового поля на поверхности кожи БО. Преобразователь инфракрасного излучения (детектор), размещенный в сосуде с жидким азотом для уменьшения собственных шумов, преобразует сигнал ИФК в электрический, причем дисперсия напряжения электрического сигнала пропорциональна мощности излучения сканируемого участка кожи. Далее радиометрическая система обеспечивает необходимое усиление и преобразование полученного сигнала при заданном уровне сигнал-шума. Затем информация преобразуется в цифровую форму с помощью АЦП и подается через интерфейсную плату в компьютер, где производятся соответствующая обработка и вывод на дисплей наблюдаемой картины распределения тепловых полей на поверхности биообъекта.

Фазовые, корреляционные и рефлектометрические устройства диагностики ЭМИ КВЧ. Для диагностики и дозиметрии применяют зондирование электромагнитными колебаниями КВЧ-диапазона, что позволяет использовать ряд специфичных электрофизических реакций, свойственных живым организмам. Имеются экспериментальные данные, которые свидетельствуют о возможности диагностики ряда заболеваний по изменениям фазы отраженных колебаний диапазона КВЧ от БАТ кожи [5]. Однако эти изменения невелики, не превышают долей единицы и даже долей градуса, а их измерение связано с рядом трудностей.

Измерители сдвига фаз в отраженных КВЧ-колебаниях имеют, как правило, двухканальную структуру [5], в которую входят элементы разделения падающих и отраженных колебаний, два смесителя, общий гетеродин, два усилителя промежуточной частоты, фазовый детектор, усилитель низкой частоты и индикатор. На входах смесителей сигналы КВЧ-гетеродина имеют равные амплитуды и фазы. Сигналы с разностной (промежуточной) частотой, пропорциональные разности фаз входящих КВЧ-сигналов, усиливаются узкополосными усилителями промежуточной частоты, а их низкочастотная разность фаз преобразуется

фазовым детектором в пропорциональное напряжение, которое измеряется выходным индикатором.

По указанной схеме выполнены СВЧ-фазометры ФК2-14 и ФК2-18 на частотный диапазон 100 - 12400 МГц [5]. Для измерения сдвига фаз в отраженных сверхвысокочастотных колебаниях применяют измерители ослабления и фазового сдвига КВЧ-диапазона типа ДК1-14А, ДК1-15А (диапазоны частот 37,5-53 ГГц и 53-78 ГГц). Однако точность измерений указанными устройствами невелика.

Возможно использование устройства, в котором обеспечивается поочередное смешивание КВЧ-колебаний КВЧ-сигналами, смещенными по частоте в противоположных направлениях, что позволяет исключить частотно-фазовые и амплитудно-фазовые искажения в каналах устройства, а также ослабить межканальные связи. Это дает возможность значительно повысить точность измерений фазовых КВЧ-колебаний. Экспериментальное исследование макетного образца устройства в диапазоне частот 55-65 ГГц подтвердило возможность измерения малых изменений фазы отраженного сигнала в пределах 5-200 с погрешностью не более 0,10 при частоте смещения 10 кГц и коэффициенте отражения 0,3-0,7 [5].

Модуляционные спектроанализаторы шумовых и детерминированных сигналов. На характер частотной зависимости излучения, то есть на форму огибающей спектра излучения существенное влияние оказывают термонеоднородности, возникающие вследствие воспалительных процессов, травм, опухолей и других нарушений в состоянии тканей и органов живого организма. Термонеоднородности, расположенные на разной глубине, например, мышечной ткани, имеют ярко выраженный экстремальный характер. При этом длина волны максимального излучения зависит от глубины залегания и градиента термонеоднородности. Таким образом, регистрация частотных зависимостей интенсивности СВЧ-излучения или его спектральной плотности на различных точках поверхности тела БО позволяет выявить температурные аномалии, связанные с патологическими процессами.

Для радиотермометрии глубинных органов и тканей БО используют радиометры, представляющие собой широкополосные приемники сантиметрового или миллиметрового диапазона с разрешением по температуре 0,10 К. В качестве датчиков излучения обычно используются различные антенны или отрезки волноводов, заполненных диэлектрическим материалом.

Другие устройства регистрации СИ ЭМП и, соответственно, низкоинтенсивных ЭМИ, оказывающих патогенное воздействие на персонал предприятий и организаций, как-то: устройства КВЧ-резонанса с ОС, полупроводниковые самогенерирующие преобразователи (автодины) - достаточно хорошо известны и поэтому здесь не рассматриваются.

Для регистрации СИ ЭМП и патогенных излучений на организм человека используется, в основном, нестандартная аппаратура, основанная на регистрации отклика организма человека на облучение ЭМИ КВЧ. Здесь регистрирующий орган, как правило, медицинский электроэнцефалограф.

Используется регистрация отраженного от кожного покрова человека КВЧ-сигнала. В работе [1] описан КВЧ-аппликатор «Ратибор», разработанный под руководством проф. Е.И.Нефедова из ИРЭ РАН - активного участника Тульской научной школы биофизики полей и излучений. «Ратибор» дает возможность непосредственно фиксировать информационные сигналы с БАТ поверхности кожи БО. Разработка малогабаритного КВЧ-излучателя «Ратибор» на

основе объемных интегральных схем с полевыми транзисторами Шотки и батарейным источником питания обусловила появление высокочувствительного локационного датчика КВЧ. Он способен излучать КВЧ-энергию из объемных КВЧ-резонаторов через щелевой вывод в одном из них в диапазоне 37-47 ГГц при мощности 300-800 мкВт.

Выводы:

1. Рассмотрен вопрос гигиенической регламентации в России, на сегодняшний день, электромагнитных излучений, воздействующих на работающих в условиях хронического воздействия данных излучений.

2. Предложен общий подход к системной регистрации собственных низкоинтенсивных ЭМП организма человека.

3. Собственные интегративные электромагнитные поля организма человека являются распределенными и крайне маломощными.

4. Система регистрации СИ ЭМП адекватна по своей биотехнической и технической реализации системам контроля и дозиметрии патогенных полей, воздействующих на персонал предприятий и организаций.

5. Для регистрации СИ ЭМП организма человека возможно применение следующей аппаратуры: медицинских датчиков и внутритканевых зондов КВЧ, тепловизоров, фазовых, корреляционных и рефлектометрических устройств диагностики ЭМИ КВЧ, модуляционных спектроанализаторов шумовых и детерминированных сигналов.

Литература

1. Абдулкеримов, С.А. Продольные электромагнитные волны. Теория, эксперименты, перспективы применения / С.А. Абдулкеримов, Ю.В. Ермолаев, Б.Н. Родионов; под ред. Б.Н.Родионова.- М.: Московск. гос. ун-т леса, 2003.- 172 с.

2. Афромеев, В.И. Биофизика полей и излучений и

биоинформатика: Монография. Ч.111. Основы физико-

биологической и технической реализации управляющих воздействий высокочастотными электромагнитными полями в медицине / В.И. Афромеев, А.А. Хадарцев, А.А. Яшин; под ред. А. А. Яшина;.- Тула: Тульск. гос. ун-т, 1999.- 508 с.

3. Биорезонансные эффекты при воздействии электромагнитных полей: физические модели и эксперимент: монография / С.А.Яшин [и др.]; под ред. А.А.Яшина; НИИ НМТ, НИЦ «Матрикс».- Москва-Тверь-Тула: Триада, 2007.- 160 с.

4. Биофизика полей и излучений и биоинформатика: монография. Ч.1. Физико-биологические основы информационных процессов в живом веществе / А.А. Яшин [и др.]; под ред. А. А. Яшина.- Тула: Тульск. гос. ун-т, 1998.- 333 с.

5. Биофизические исследования собственных электромагнитных полей биообъектов: монография / С.В.Москвин [и др.]; под ред. Т.И.Субботиной, А.А.Яшина.- М.-Тверь-Тула: Триада, 2007.- 192 с.

6. Гаряев, П.П. Волновой геном / П.П. Гаряев.- М.: Общественная польза, 1993.- 280 с.

7. Гигиеническая регламентация электромагнитных полей как мера обеспечения сохранения здоровья работающих / Ю.П. Пальцев [и др.] // Медицина труда и промышленная экология.- 2003.- № 5.- С. 13-17.

8. Меньшиков, Л.И. Сверхизлучение и некоторые родственные явления / Л.И. Меньшиков // Успехи физических наук.- 1999.- Т. 169.- № 2.- С. 113 -154.

9. Пат. 2064800 Российская Федерация. Способ лечения электромагнитным полем крайневысоких частот и устройство для его осуществления / Ю.М. Беляев; опубл. 1996, Бюл. № 22.

10. Патогенные воздействия неионизирующих излучений на организм человека: монография / С.В.Москвин [и др.]; под ред. А.А.Хадарцева, А.А.Яшина.- Москва-Тверь-Тула: Триада, 2007.- 160 с.

11. Суворов, Г.А. Методология биологической нормы в медицине труда / Г.А. Суворов, И.В. Саноцкий // Медицина труда и промышленная экология.- 2003.- № 5.- С. 6-12.

12. Хижняк, Н.А. Интегральные уравнения макроскопической электродинамики / Н.А. Хижняк.- Киев: Наукова думка, 1986.- 280 с.

References

1. Abdulkerimov SA, Ermolaev YuV, Rodionov BN. Pro-dol'nye elektromagnitnye volny. Teoriya, eksperi-menty, pers-pektivy primeneniya. Moscow: Moskovsk. gos. un-t lesa; 2003.

2. Afromeev VI, Khadartsev AA, Yashin AA. Biofizi-ka poley i izlucheniy i bioinformatika: Monografiya. Ch.III. Os-novy fiziko-biologicheskoy i tekhnicheskoy realizatsii uprav-lyayushchikh vozdeystviy vysokochastotnymi elektromagnit-nymi polyami v meditsine. Tula: Tul'sk. gos. un-t, 1999; 508 s.

3. Gryzlova OYu, Subbotina TI, Khadartsev AA, Yashin AA. Biorezonansnye effekty pri vozdeystvii elektromagnitnykh poley: fizicheskie modeli i eksperi-ment. Moscow - Tver' - Tula: Triada; 2007.

4. Nefedov EI, Protopopov AA, Khadartsev AA, Yashin AA. Biofizika poley i izlucheniy i bioinformatika: monografiya. Ch.I. Fiziko-biologicheskie osnovy informatsionnykh protses-sov v zhivom veshchestve. Tula: Tul'sk. gos. un-t; 1998.

5. Moskvin SV, Novikov AS, Plak-sin SV, Subbotina TI, Khadartsev AA, Yashin AA. Biofizicheskie issledovaniya sobstvennykh elektromag-nitnykh poley bioob"ektov. Moscow

- Tver' - Tula: Tria-da; 2007.

6. Garyaev PP. Volnovoy genom. M.: Obshchestvennaya pol'za; 1993.

7. Pal'tsev YuP, Rubtsova NB, Pokhodzey LV, Tikhonova GI. Gigienicheskaya reglamentatsiya elektromagnitnykh poley kak mera obespecheniya sokhraneniya zdorov'ya rabotayush-chikh. Meditsina truda i promyshlennaya ekologiya. 2003;5:13-7.

8. Men'shikov LI. Sverkhizluchenie i nekotorye rod-stvennye yavleniya. Uspekhi fizicheskikh nauk. 1999;169(2):113-54.

9. Belyaev YuM, inventors. Sposob lecheniya elektromag-nitnym polem kraynevysokikh chastot i ustroystvo dlya ego osushchestvleniya. Russian Federation patent Ru 2064800. 1996

10. Moskvin SV, Sokolovskaya LV, Subboti-na TI, Kha-dartsev AA, Yashin AA, Yashin MA. Patogennye vozdeystviya neioniziruyushchikh izlucheniy na organizm cheloveka. Moscow - Tver' - Tula: Triada; 2007.

11. Suvorov GA, Sanotskiy IV. Metodologiya biologi-cheskoy normy v meditsine truda. Meditsina truda i promyshlennaya ekologiya. 2003;5:6-12.

12. Khizhnyak NA. Integral'nye uravneniya makrosko-picheskoy elektrodinamiki. Kiev: Naukova dumka; 1986.