Электромагнитные волны СВЧ-диапазона

Интенсивность излучения волн СВЧ-диапазона за счет теплового движения ничтожна. Эти волны в теле человека затухают слабее, чем инфракрасное излучение. Поэтому с помощью приборов для измерения слабых электромагнитных полей этого диапазона частот, так называемых СВЧ-радиометров, можно измерить температуру в глубине тела человека.

Волны из тела человека принимают посредством контактной антенны - апликатора. Дистанционные измерения в этом диапазоне, к сожалению, практически невозможны, так как волны, выходящие из тела, сильно отражаются обратно от границы тело-воздух.

Главная трудность при анализе измерений глубинной температуры по радиотепловому излучению на его поверхности состоит в том, что трудно локализовать глубину источника температуры. Для ИК-излучения эта проблема не возникает: излучение поглощается на глубине 100 мкм, так что его источником однозначно является поверхность кожи. Радиоволны СВЧ-диапазона поглощаются на расстоянии, которое составляет несколько см.

Средняя глубина, с которой измеряется температура, определяется глубиной проникновения d. Она зависит от длины волны и типа ткани. Чем больше в ткани воды (электролита), тем с меньшей глубины можно измерить температуру: в жировой ткани с низким содержанием воды d = 4-8 cм, a в мышечной ткани (с высоким содержанием воды) эта величина уменьшается до значений d =1,5 - 2 см.

Оптимальными для измерения глубинной температуры являются радиометры с длиной волны в свободном пространстве λ, = 20 - 40 см. У более коротковолновых устройств глубина проникновения снижается до нескольких миллиметров, то есть они фактически, так же как и ИК-тепловизоры, измеряют температуру кожи. У более длинноволновых радиометров (λ = 60 см) слишком велик размер антенны и мала пространственная разрешающая способность.

Хотя метод СВЧ-радиометрии измеряет среднюю по глубине температуру в теле человека, сейчас известно, какие органы могут менять температуру, и поэтому можно однозначно связать изменения температуры с этими органами. Например, изменение температуры во время мышечной работы, очевидно, связано именно с мышечной тканью, изменения глубинной температуры головного мозга, которые достигают 1-2 К, определяются его корой.

Механизмы изменения температуры в теле человека. Тепловой баланс каждого участка тела поддерживается за счет трех факторов:

1) генерации тепла вследствие метаболизма;

2) обмена теплом с соседними участками тела из-за термодиффузии;

2) конвективного теплообмена посредством кровотока, то есть за счет притока и оттока тепла с кровью.

За счет конвективного теплообмена одни ткани могут нагреваться, а другие охлаждаться. Температура крови, притекающей по артериям в различные органы, определяется температурой «теплового ядра» тела (фактически грудной клетки) и составляет около 37 °С. Кровь, притекающая в покоящиеся мышцы (их температура около 35,5 °С), вызывает их нагрев. Напротив, температура мозга из-за активной работы нейронов ближе к 38 °С, т.е. притекающая кровь его охлаждает. В силу этого различия временное прекращение кровотока приводит к охлаждению мышцы и, наоборот, к нагреву мозга.

В качестве примера физиологических исследований приведем временную зависимость глубинной температуры мышцы под действием мышечной работы. Глубинная температура бицепса человека в покое составляет около 35,5 °С, после начала совершения мышечной работы рост температуры начинается не сразу, а после некоторой задержки - латентного периода, равного 20 - 30 с. Подъем температуры связан с увеличением кровотока и метаболизма в мышце и продолжается после окончания работы.

Существенно, что этот подъем температуры не прекращается в момент окончания работы, он длится еще некоторое время, а лишь потом наступает медленный спад. Если на руку предварительно наложить жгут и остановить кровообращение, то и в этом случае при работе температура бицепса растет, однако медленнее. Из этих данных вытекает ряд важных данных о работе мышц человека.

1. Сократительная система мышцы - миофибриллы - имеет высокий коэффициент полезного действия. Об этом говорит отсутствие роста температуры во время латентного периода, когда мышца использует готовый запас макроэргов; АТФ и креатинфосфата.

2. Главное повышение температуры связано не с совершением работы, а с теплопродукцией, обусловленной энергетическим обеспечением синтеза АТФ в работающей мышце и после окончания работы; равным образом ответственно за рост температуры и увеличение кровотока.