Електромагнітні хвилі РНЧ-діапазону

Інтенсивність випромінювання хвиль РНЧ-діапазону за рахунок теплового руху незначна. Як можна розрахувати з мал. 12.2, або безпосередньо з формули Планка, при перепаді температури щодо навколишнього середовища на 1 К вона складає всього 2 × 10^-13 Вт/м². Як помітив академік Ю.В. Гуляєв, по своїй інтенсивності це відповідає світлу свічі, поміщеної на відстань понад 10 км.

Ці хвилі в тілі людини загасають слабкіше, ніж інфрачервоне випромінювання. Тому за допомогою приладів для виміру слабких електромагнітних полів цього діапазону частот, так званих Рнч-радіометрів, можна вимірити температуру в глибині тіла людини.

Хвилі з тіла людини приймають за допомогою контактної антени - аплікатора. Дистанційні виміри в цьому діапазоні, на жаль практично неможливі, тому що хвилі, що виходять з тіла, сильно відбивають назад від границі тіло-повітря.

Головні труднощі при аналізі вимірів глибинної температури по радіотепловому випромінюванню на його поверхні полягають у тому, що важко локалізувати глибину джерела температури. Для Іч-випромінювання ця проблема не виникає: випромінювання поглинається на глибині 100 мкм, так що його джерелом однозначно є поверхня шкіри. Радіохвилі Рнч-діапазону поглинаються на відстані, що складає менше см.

Середня глибина, з яким виміряється температура, визначається глибиною проникнення d. Вона залежить від довжини хвилі і типу тканини. Чим більше в тканині води (електроліту), тим з меншої глибини можна вимірити температуру: у жировій тканині з низьким змістом води d = 4-8 см, а в м'язовій тканині (з високим змістом води) ця величина зменшується до значень d = 1,5-2 см.

Оптимальними для виміру глибинної температури є радіометри з довжиною хвилі у вільному просторі λ = 20 - 40 см: у більш короткохвильових пристроїв глибина проникнення знижується до декількох міліметрів, тобто вони фактично, так само як і ІЧ-тепловізори, вимірюють температуру шкіри, а в більш довгохвильових радіометрів (λ = 60 см) занадто великий розмір антени і мала просторова здатність, що дозволяє.

Хоча метод Свч-радіометрії вимірює середню по глибині температуру в тілі людини, зараз відомо, які органи можуть змінювати температуру, і тому можна однозначно зв'язати зміни температури з цими органами. Наприклад, зміна температури під час м'язової роботи, мабуть, зв'язано саме з м'язовою тканиною, зміни глибинної температури головного мозку, що досягають 1-2 К, визначаються його корою.

Механізми зміни температури в тілі людини. Тепловий баланс кожної ділянки тіла підтримується за рахунок трьох факторів: 1) генерації тепла внаслідок метаболізму; 2) обміну теплом із сусідніми ділянками тіла через термодифузії; 3) конвективного теплообмін за допомогою кровообігу, тобто за рахунок припливу і відтоку тепла з кров'ю. За рахунок конвективного теплообміну одні тканини можуть нагріватися, а інші прохолоджуватися. Температура крові, що притікає по артеріях у різні органи, визначається температурою «теплового ядра» тіла (фактично грудної клітки) і складає близько 37°С.

Кров, що притікає в спочиваючі м'язи (їхня температура близько 35,5 °С), викликає їхній нагрів. Навпроти, температура мозку через активну роботу нейронів ближче до 38 °С, тобто кров, що притікає, його прохолоджує. У силу цього розходження тимчасове припинення кровообігу приводить до охолодження м'яза і, навпаки, до нагрівання мозку.

Як приклад фізіологічних досліджень приведемо тимчасову залежність глибинної температури м'яза під дією м'язової роботи. Глибинна температура біцепса людини в спокої складає близько 35,5 °С, після початку здійснення м'язової роботи ріст температури починається не відразу, а після деякої затримки - латентного періоду, рівного 20 - 30 с. Підйом температури зв'язаний зі збільшенням кровообігу і метаболізму в м'язі і продовжується після закінчення роботи.

Істотно, що цей підйом температури не припиняється в момент закінчення роботи, він триває ще якийсь час, а лише потім настає повільний спад. Якщо на руку попередньо накласти джгут і зупинити кровообіг, то й у цьому випадку при роботі температура біцепса росте, однак повільніше. З цих даних випливає ряд важливих даних про роботу м'язів людини. По-перше, власне скорочувальна система м'яза - міофібрили - має високий коефіцієнт корисної дії, про це говорить відсутність росту температури під час латентного періоду, коли м'яз використовує готовий запас макроергів: АТФ і креатинфосфату. По-друге, головне підвищення температури зв'язане не зі здійсненням роботи, а з теплопродукцією, обумовленої енергетичним забезпеченням синтезу АТФ у працюючому м'язі і після закінчення роботи; так само відповідально за ріст температури і збільшення кровообігу.

Застосування РНЧ-радіометрії в медицині. Основними сферами практичного застосування РНЧ-радіметрії в даний час представляються діагностика злоякісних пухлин різних органів: молочної залози, мозку, легень, метастазів, а також функціонального стану кори головного мозку. При цьому використовують так називані функціональні проби: впливу, що викликають відомий відгук організму. У цій якості застосовується, наприклад, глюкозна проба - пацієнт приймає кілька грамів розчину глюкози, після чого починають виміру внутрішньої температури антенами, встановленими в декількох крапках на поверхні тіла біля досліджуваного органа. Якщо є злоякісні пухлини або метастази, то після глюкозної проби видне збільшення глибинної температури тіла в цих областях.

Можливий біофізичний механізм підвищення температури зв'язаний з тим, що глюкоза активно засвоюється клітками. Ефективність перетворення глюкози в АТФ у ракових клітках значно нижче, ніж у здорових: з однієї молекули глюкози в ракових клітках синтезується 2 молекули АТФ, а в здорових - 38. Тому раковим кліткам необхідно переробити набагато більшу кількість глюкози. Оскільки коефіцієнт корисної дії цього процесу не перевищує 50%, ракові клітки сильно розігріваються. Цей розігрів у силу фізіологічних механізмів індуцирує підвищення температури і прилеглих нормальних тканин. Сумарний підйом температури реєструється Рнч-радіометром.