Понеже Г. В., понеже С. Г.1), Ніжельська А. І. Науково-дослідний центр квантової медицини “відгуки” Міністерства охорони здоров’я України 01033, Київ, вул. Володимирська 61 Б 1> Український державний науково-виробничий центр стандартизації, метрології та сертифікації (УкрЦСМ) 03143, Київ, вул. Метрологічна, 4

Анотація Розглянуто основні фізичні проблеми, що виникають при реєстрації власного мікрохвильового випромінювання людини, і можливі шляхи їх вирішення. На основі отриманих результатів вимірювань мікрохвильового коефіцієнта відображення визначена поглинальна здатність деяких ділянок шкірного покриву людини, що визначає інтенсивність його рівноважного мікрохвильового електромагнітного випромінювання (ЕМІ). Для вимірювання мікрохвильового коефіцієнта відбиття тіла в заданій середовищі пропонується використовувати оптимально (тобто повністю) узгоджені з цим середовищем хвилеводні системи, наведені в безпосередній контакт з тілом. Виміряні таким чином в діапазоні 54 – ^ 78 ГГц значення коефіцієнта відбиття тіла людини в повітрі для різних ділянок тіла відрізняються, що дає підстави для оптимістичних прогнозів щодо використання мікрохвильового відображення у медичній діагностиці. Отримані результати свідчать також про те, що теплова випромінювальна здатність тіла людини в міліметровому діапазоні близька до випромінювальної здатності абсолютно чорного тіла (АЧТ), що дорівнює для температури Г = 300К на частоті v = 60 ГГц значенням S0 = 10-19 Вт / Гц-см.

I. Вступ

При експериментальних дослідженнях власного мікрохвильового електромагнітного випромінювання тел фізичної і біологічної природи, а саме, його класифікації, поділі на теплову та нерівноважну компоненти, абсолютних вимірах енергетичних параметрів випромінювання неминуче виникає ряд принципових проблем фізичного і технічного характеру. Основні фізичні проблеми обумовлені, по крайней мере, трьома факторами, які можуть істотно вплинути на інтерпретацію експериментальних даних:

1) властивостями досліджуваного випромінювання (в першу чергу його низькою інтенсивністю);

2) специфікою хвилеводних вимірювальних систем;

3) особливостями фізичних властивостей випромінювальних тел. Досвід показує, що ігнорування цих проблем може спричинити значне спотворення результатів як абсолютних, так і відносних вимірювань, а також помилкову їх інтерпретацію.

Безсумнівно, що для безпосередніх вимірів власного мікрохвильового ЕМВ тіла людини потрібно спеціально розроблена високочутлива апаратура. У той же час у разі слабких потоків ЕМІ, випускається реальними тілами, методи та апаратура повинні забезпечувати в першу чергу вимір рівноважної компоненти. Тому нами пропонується інший шлях досліджень, а саме, з огляду на особливості фізичних властивостей шкіри людського тіла в мікрохвильовому діапазоні (зокрема, її вкрай низьку проникну здатність), визначати поглощательную Av = 1 | г |2 та теплову випромінювальну Ev ~ Av здатності шкіри побічно, через коефіцієнт відбиття | г |2, Вимірюючи його хвилеводними методами за допомогою стандартної волноводной техніки.

В даній роботі розглянуті фізичні аспекти реєстрації власного мікрохвильового ЕМВ людини, що виникають при цьому принципові проблеми та можливі шляхи їх вирішення, на основі результатів вимірювань мікрохвильового коефіцієнта відображення визначена поглинальна здатність деяких ділянок шкірного покриву людини, що визначає інтенсивність його рівноважного мікрохвильового ЕМВ.

II. Основна частина

При малих інтенсивностях реєстрованого випромінювання в першу чергу слід враховувати власне теплове випромінювання чутливого елемента приймача. Приймач принципово не може реєструвати випромінювання, відповідне його власної температурі, а реагує лише на те випромінювання, яке викликає в ньому порушення термодинамічної рівноваги. Тому в загальному випадку на практиці необхідно вимірювати температуру приймача і випромінюючого тіла, і вводити в результати вимірювань відповідні поправки.

У разі безпосередніх вимірів власного рівноважного мікрохвильового випромінювання тіла людини за допомогою хвилеводних систем одна з основних проблем полягає в правильній оцінці енергії випромінювання, досягає по антенноволноводному тракту чутливого елемента вимірювального пристрою, оскільки волноводная система виступає як селектора типів хвиль. Крім того, на практиці необхідно враховувати відображення в системі “тіло антена вимірювального пристрою”.

На результатах безпосередніх вимірів інтенсивності випромінювання позначається випромінювання внутрішніх шарів тіла, а також залежність випромінюючих властивостей тіла від фізичних властивостей середовища, в якому воно знаходиться. Щоб виключити, (або хоча б зменшити) вплив теплового випромінювання внутрішніх шарів на результати вимірювань власного мікрохвильового ЕМВ тіла людини, представляється доцільним проводити вимірювання при температурах ~ 40 ° С в умовах термостатування, щоб виключити природний градієнт температури по глибині тіла внаслідок охолодження зовнішніх шарів.

Суть розв’язуваної нами завдання зводиться до того, щоб, використовуючи хвилеводні методи і техніку, встановити параметри випромінюючого тіла у вільному просторі (коефіцієнт відбиття і поглощательную здатність), визначають його теплову випромінювальну здатність.

При вимірюванні відображення тіла людини в міліметровому діапазоні досліджуваний об’єкт, як

правило, розташовувався безпосередньо біля відкритого кінця прямокутного регулярного хвилеводу [1-3]. У цьому випадку відображення обумовлено стрибком хвильових опорів на кордоні, яка розділяє досліджуваний об’єкт і хвилевід, а результати вимірювань характеризують не сам об’єкт, а систему “об’єкт хвилевід”. Для вимірювань коефіцієнта відбиття власне досліджуваного об’єкта в заданому середовищі вимірювальну хвилеводних систему необхідно оптимально (тобто повністю) узгодити саме з цим середовищем [4]. У повітряному просторі це можна легко здійснити за допомогою рупорні антени. Основна перевага рупорні антени

– Простота конструкції і широка смуга робочих частот. Однак через великий вихідний апертури рупор має мале просторове дозвіл.

Вимірювання проводили за допомогою “Вимірювача КСХН і послаблень панорамного” типу Р2-69 в діапазоні частот 54н-78 ГГц. Досліджувалися деякі ділянки шкірного покриву тіла людини і вода. В експерименті вимірювали КСХН в волноводной лінії перетином 3,6 x1, 8 мм, навантаженої волноводной пірамідальної рупорні антеною, що знаходиться в безпосередньому контакті з досліджуваним об’єктом. Довжина рупорні антени 35 мм, вихідна апертура 16×12 мм. КСХН виходу антени в повітрі КСВв<1,1, к.к.д. антени т]> 95%. Виміряні значення КСВзмін використовувалися для розрахунку виміряного коефіцієнта відображення по потужності I Г 12

I I змін I •

Встановлені таким чином значення \ гзмін\2 обтяжені систематичними похибками, зумовленими неідеальної приймальної антени, а саме, неповним її узгодженням з повітрям (КСВв> 1) і наявністю втрат N в матеріалі антени (к.к.д. rj <100%), що необхідно враховувати при обчисленні істинного коефіцієнта відображення по потужності | г |2.

Втрати в антені призводять до зменшення виміряного коефіцієнта | Гзмін 12 відображення по потужності в порівнянні з істинним значенням | г |2. Для використовуваної при вимірах конкретної рупорні антени втрати И = Рех/ Рвих вимірювали за методикою визначення загасання чотириполюсників, що підкоряються принципу взаємності. Методика вимірювання полягає у визначенні КСВкз в волноводной лінії, навантаженої на рупорних антену, короткозамкненим на вихідному кінці. При цьому передбачалося, що коефіцієнт відбиття в місці приєднання антени до вимірювальної лінії малий і їм можна знехтувати. Тоді

а виправлене значення коефіцієнта відображення по потужності одно

При КСВв = 1,1 маємо

У табл. 1 наведені показові результати вимірювань мікрохвильового коефіцієнта відображення на частоті 60 ГГц для деяких ділянок шкірного покриву тіла конкретної людини (для різних людей будуть різні результати) і для води, що знаходиться в поліетиленовому пакеті з товщиною плівки -0,2 мм.

Таблиця 1. Результати вимірювань | Г |2 на частоті 60

ГГц

Вимірюваний об’єкт

\ Г \А

Долоня людини

0,029+0,007

Тильна сторона долоні

0,094+0,013

Подушечка великого пальця руки

0,007+0,003

Ніготь великого пальця руки

0,026+0,007

Вода, 20іЗ

0,33+0,03

Виміряні значення | Г |2 для різних ділянок тіла дещо відрізняються один від одного і близькі до нуля. Отримані результати свідчать про те, що поглинальна здатність Av= 1 | г |2 тіла людини в міліметровому діапазоні близька до одиниці, а теплова випромінювальна здатність відповідно близька до випромінювальної здатності АЧТ, рівної для температури Т = 300К на частоті v = 60 ГГц значенням S0 = 10-19 Вт / Гц-см2. Відповідно до даних табл.1 випромінювальна здатність води ~ в 1,5 рази рази менше, ніж для АЧТ.

III. Висновок

При наявності високочутливої ​​апаратури для вимірювання мікрохвильового випромінювання людини першорядне значення набуває проблема градуювання вимірювальної апаратури. Необхідні надійні зовнішні еталони мікрохвильового випромінювання, інтенсивність яких встановлена ​​з достатньою точністю за допомогою інших, незалежних, вимірювань. В ідеалі вони (еталони) за всіма характеристиками повинні бути адекватними досліджуваного тіла, тобто мати ті ж розміри, форму, склад та фізико-хімічні властивості. На сьогоднішній день такі еталони ще не розроблені.

В радіотермометрії для абсолютної прив’язки вимірювань в якості зовнішнього еталона радіовипромінювання використовувався “чорний” в мікрохвильовому діапазоні піноматеріал і термостатірованних рідини вода і фізіологічний розчин. Видається за доцільне в якості еталонів використовувати, як це прийнято в оптиці, АЧТ, випромінювальні характеристики якого добре відомі.

Однак навіть при наявності відповідних еталонів при вимірах інтенсивності мікрохвильового випромінювання людини необхідно:

1) коректно врахувати вплив на результати вимірювань теплового випромінювання чутливого елемента приймача;

2) правильно оцінити енергію випромінювання, що досягає по волноводному тракту чутливого елемента вимірювального пристрою;

3) врахувати випромінювання внутрішніх шарів тіла, а також залежність його випромінюючих властивостей від фізичних властивостей середовища, в якому воно знаходиться.

В загальному випадку на практиці необхідно вимірювати температуру приймача і випромінюючого тіла, а також мікрохвильовий коефіцієнт відбиття системи “тіло-антена вимірювального пристрою”, і вводити в результати вимірювань відповідні поправки.

Виміряні в діапазоні 54н-78 ГГц значення коефіцієнта відбиття тіла людини в повітрі для різних ділянок тіла дещо відрізняються, але для більшості з них близькі до нуля зовнішнє міліметрове ЕМВ практично повністю поглинається тілом людини. Враховуючи високу ефективність впливу низькоінтенсивного міліметрового ЕМВ на живе [5], можна припустити, що саме в міліметровому діапазоні можуть існувати інформаційні канали управління окремим організмом, а також інформаційні канали зв’язку між організмами. Тому зростаюча з часом насиченість навколишнього середовища мікрохвильовими ЕМІ від антропогенних джерел і тенденція до підвищення їх частоти можуть мати непередбачувані наслідки для живого, і ця проблема потребує, щонайменше, у всебічному вивченні.

III. Список літератури

1. Пясецький В. І., Писанко О. І. Стійкість фізіологічних функцій організму людини в процесі взаємодії з екологічним КВЧ-випромінюванням / В сб «Апаратний комплекс« Електроніка КВЧ »та його застосування в медицині». М., 1991. С. 10-18.

2. Кисляков А. Г., Пелюшенко С. А., Орлова М. Е.,

Шашло В. А. Рефлектометри людського тіла в 8-мм діапазоні довжин хвиль / / Тез.докл. Всесоюз. конф. “Темп-85”. 4. I. Фрунзе, 1985. С. 261 -263.

3. Ivanchenko I. A., Andreev Е. A., Lizogub V. G., Sveshnikova L. V. Space-time distribution of normal and pathological human skin dielectric prorerties in the MMW range / / Electroand magnitobiology. 1994. V.13, N1.

–  P.15 25.

4. Понеже Г. В., понеже С. Г., Ніжельська А. І. Фізичні аспекти вимірювань мікрохвильового електромагнітного випромінювання людини / / Фізика живого. 2001. T.9, N2. С. 33-54.

5. Kositsky, N. N., Nizhelska, А. /., Ponezha, G. V. Influence of High-frequency Electromagnetic Radiation at Non-thermal Intensities on the Human Body (A review of work by Russian and Ukrainian researchers). “No Place To Hide”, ed. Arthur Firstenberg, April 2001, Vol.3, N 1, pp. 1 31.

MEASUREMENTS OF HUMAN BODY MICROWAVE RADIATION

Ponezha G. V., Ponezha S. G.*, Nizhelskaya A. I.

‘Vidguk’ Quantum Medicine Research Centre Kiev, Ukraine, 01033 *Ukrainian State Research & Production Center of Standardization, Metrology and Certificatio (UkrCSM) Kyiv, Ukraine, 03143

Abstract Major problems of registering microwave radiation of human body have been considered. It is pointed out that they are caused by at least three factors which may considerably influence the experimental results and their interpretation, namely: (1) properties of the radiation (their low intensity primarily); (2) features of measurements that implement waveguide techniques; (3) peculiar features of the emission medium and the environment. For the purpose of dividing the overall radiation into equilibrium and non-equilibrium fractions it has been proposed: (i) to take into account the influence of the thermal emission background and the equilibrium radiation of human body on the results of measurements; (ii) to estimate correctly the energy of radiation arriving at the sensor element of the measuring device after leaving the waveguide; (iii) to take into account the radiation coming out of the inner layers of the body, as well as the dependence of the body radiation properties on the physical properties of the environment. In practice it would be necessary to measure the temperatures of the receiver and the radiating body, as well as the microwave ‘body measuring device antenna’ system reflectivity subsequently introducing the relevant corrections into the registered data. For the purpose of measuring the reflectivity | r|2 of a body in the given environment, waveguide systems should be used providing a direct contact with the body and being completely consistent with the environment. The values of | r|2 measured under these conditions in the air across the 54h-78GHz frequency range for different parts of the human body differ slightly but are mostly close to zero. It would be safe to conclude from the results obtained that the thermal emission capacity of a human body in the microwave range is close to that of blackbody and equal to the value So=10-19 W/Hz cm2 at 7=300Kand v=60GHz.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.