РАДИОИЗЛУЧЕНИЕ
ЧЕЛОВЕЧЕСКОГО ТЕЛА И
МЕДИЦИНСКАЯ ДИАГНОСТИКА
В. С. ТРОИЦКИЙ
Известно, что любые тела, температура которых не равна абсолютному нулю,
излучают электромагнитные волны всех длин. Интенсивность этого излучения,
называемого обычно тепловым, определяется законом Планка.Для не
слишком низких температур интенсивность радиоизлучения строго пропорциональна
температуре тела и его излучательной способности. Поэтому если последняя
известна, то, измерив интенсивность радиоизлучения тела, можно дистанционно
определить его температуру. Аналогичные методы широко применяются и в
оптическом диапазоне. С их помощью измеряют высокие температуры в технике
(температуру поверхности тел) и в астрофизике (температуру солнечной атмосферы
и звезд). Появилась возможность определять температуру па разных глубинах в
средах, пропускающих радиоволны. Таким путем выявляют распределение
температуры, например, в плазменной атмосфере Солнца. Чем короче волна
принимаемого солнечного радиоизлучения, тем глубже лежат слои, о температуре
которых оно приносит информацию (десятки тысяч километров и глубь солнечной
атмосферы). Это свойство радиоволн было использовано также при исследовании
температурного режима верхнего покрова Луны. Здесь в отличие от плазменной
атмосферы Солнца с больших глубин приходят более длинные волны. Исследование
радиоизлучения на разных длинах волн (от сантиметровых до метровых) показало,
что у Луны горячив ведра. Более того, оказалось, что по радиоизлучению Луды
(характеру его спектра и т. д.) в широком диапазоне частот можно определить все
основные физико-химические и структурные параметры вещества поверхностного слоя
Луны (толщиной до десятка метров). Результаты дистанционного изучения верхнего
покрова Луны, свойств его вещества и его теплового режима, полученные к 1967г.,
в дальнейшем были подтверждены прямыми исследованиями образцов лунного грунта и
измерениями непосредственно на Лупе. В этом случае мы видим проявление общей
закономерности: многочастотное электромагнитное излучение тел несет отпечаток
их свойств, выявить которые можно по характеристикам этого излучения.
В астрофизике дистанционное изучение свойств тел по их излучению —
необходимость, так как прямые измерения недоступны. Однако в последнее время
дистанционные методы стали вытеснять прямые даже в случае вполне доступных
земных тел. Впечатляющий пример этого — дистанционное
исследование природных образований нашей планеты и, в частности, ее ресурсов.
Электромагнитное излучение несет информацию о свойствах подстилающей
поверхности Земли (суши и океанов), параметрах атмосферы, состоянии
сельскохозяйственных угодий. Измерив с поверхности Земли или со спутников
спектр собственного радиоизлучения атмосферы, можно определить основные ее
метеорологические параметры (высотное распределение температуры, давления и
влажности, интегральную водность облаков и пр.). Принцип многочастотных
дистанционных измерений метеопараметров тот же, что применялся при
исследованиях Луны. Принимая радиоизлучение на ряде частот и анализируя его, получают
значения параметров для разных высот.
Логическим развитием этого направления стало исследование теплового
радиоизлучения (собственных радиошумов) биологических объектов и в первую
очередь человеческого тела, его различных систем и органов. В настоящее время
таким образом дистанционно измеряется температура внутренних органов человека и
животных. Эти работы стимулировались потребностями
медицины, в практике которой во все возрастающей степени используются методы
охлаждения и нагрева тканей. Важно, например, контролировать температуру внутри
раковой опухоли при ее термическом разрушении. Уже сейчас ясно, что методы,
позволяющие измерять температуру внутренних органов дистанционно без
воздействия на живую ткань, открывают широкие перспективы перед медицинской
диагностикой. С давних пор в медицине по общий температуре тела выявляется
характер заболевания. Однако многие болезни, например локальные воспалительные
процессы, проявляются в изменении температуры отдельных частей тела или органов.
В общем случае в здоровом организме поддерживается определенный температурный
режим различных органов и систем. Например, головной мозг имеет температуру 38
град. С, а мышцы и предплечья - всего 36.6 град. С. Злокачественные опухолевые процессы
повышают температуру тканей на 1,2° С, а при нарушениях кровеобмена в органе
она снижается и т. п. Диагностически значима и температурная
реакция того или иного органа на лекарственные воздействия. Она позволяет
выявить отклонения в его функционировании. Все это объясняет тот огромный интерес,
который проявляют медики, биологи, биофизики к использованию бескровного,
безболезненного и абсолютно безвредного метода, позволяющего измерять глубинные
температуры внутренних областей тела у человека и животных, обследуя их
собственное естественное излучение.
В настоящее время, как известно, хорошо разработан метод
дистанционного измерения температуры человеческого тела по
его излучению в инфракрасном диапазоне длин волн (так называемое "тепловидение").
Однако эти волны, длина которых порядка 10 мкм, приходят из тонкого кожного
слоя толщиной не более 0,1 мм
и, следовательно, приносят сведения только о его температуре в данном месте.
При этом измеряется так называемая яркостная температура кожи, которая
несколько отличается от истинной. Как видим, тепловидение (или, иначе говоря,
инфракрасная термография) дает «топографическое» представление о поверхностной
температуре тела, которая слабо или даже совсем не связана с температурой
внутренних органов.
Тепловое радиоизлучение сантиметрового и дециметрового диапазонов приходит из
достаточно глубоких слоев, и, как уже говорилось, его интенсивность строго
связана с температурой излучающих участков. Измеряя интенсивность, можно узнать
температуру на некоторой глубине внутри тела. Эта глубина определяется
электрическими свойствами среды — ее диэлектрической постоянной и
проводимостью.
Радиоизлучение человеческого тела в санти- и дециметровом диапазонах волн
фиксировалось еще на заре развития радиоастрономии в конце 40-х — начале 50-х
годов с помощью радиометров, разработанных Научно-исследовательским
радиофизическим институтом (НИРФИ) в г.Горьком для радиоастрономических
исследований. Радиометр «чувствовал», когда к его антенне (открытому концу
волновода) подносилась рука. Тепловое радиоизлучение руки соответствовало ее
температуре, значительно более высокой, чем у окружающей среды. Однако и то
время еще не были осознаны возможности медицинского использования метода, даi и
достаточно точно измерить слабые радиосигналы на фоне сильных собственных шумов
аппаратуры тогда технически было еще, по существу, невозможно.
Первый целенаправленный опыт, продемонстрировавший возможности определения
глубинной температуры человеческого тела по радиоизлучению, был проделан в
1972г. в Швеции. К коже над областью желудка прикладывалась антена-зонд
радиометра и записывалась интенсивность радиоизлучения на волне 30 см; затем пациент выпивал
холодной воды, что приводило к немедленному уменьшению интенсивности
радиоизлучения, так как понижалась температура области, откуда оно принималось.
Этот опыт наглядно доказывал, что действительно на волне 30 см принимается
радиоизлучение, идущее из глубины тела, во всяком случае из области желудка.
Однако в эксперименте применялся обычный радиометр, не позволивший точно
измерять абсолютное значение локальной температуры, а лини. фиксировавший ее
изменение.
Первая попытка измерить глубинную температуру человеческого тела в медицинских
целях была предпринята в 1976
г. в Массачусетсом технологическом институте: обычным
радиометром (длина волны 10 см)
исследовалось радиоизлучение грудной железы женщин с целью выявления
возможности ранней диагностики онкологических заболеваний. При этом контактным
методом приема излучения (когда антенна приводится в соприкосновение с кожей)
измерялась разница температур пары желез. Идея эксперимента основывалась на том
уже упоминавшемся факте, что температура органа, пораженного раковой опухолью,
возрастает.
Выбор для исследования именно молочной железы но был случайным. Вследствие
парности органа можно было измерять не абсолютные значения температуры, а лишь
разность температур здоровой железы и пораженной болезнью. Это существенно
упрощало задачу, так как точность абсолютных измерений оказалась бы
недостаточной для выявления эффекта. И тем но менее искомая разность температур
«тонула» и ошибках измерений и для окончательного вывода требовалось
значительное количество статистических данных.
Возникающие здесь трудности прежде всею связаны с тем, как уловить антенной,
приложенной и коже, все излучение, подходящее изнутри к поверхности тела в
данном месте. Дело в том, что при переходе границы двух сред, скажем тело -
воздух, часть радиоизлучения отражается обратно (во вторую среду оно выходит
неполностью). То же самое происходит на границе тело - антенна. Если при этом
отражается даже всего 1% излучения, то измерения температуры дают ошибку в 3°
С.
Уменьшить отраженно позволяет настройка контактной антенны, называемая
согласованием антенны со средой. Однако если разница в согласовании антенн для
каждой из двух желез составит лишь 0,5%, то получится ложная разность
температур в 1,5° С. Между тем значения температуры различных органов и частей
человеческого тела лежат в интервале от 32 до 40° С, а все эффекты ее изменения
в одном место укладываются в еще меньший интервал: + (2—3)°С.
Таким образом, для успешного применения метода необходима точность измерений
0,1° С. Этy проблему авторам упомянутого эксперимента решить не удалось.
Практически одновременно с работами в США аналогичные исследования были начаты
во Франции и у нас в стране в НИРФИ (г. Горьки) и Институте прикладной физики
(ИПФ) АН СССР. В НИРФИ была решена проблема точных абсолютных измерений
температуры контактным методом с погрешностью но более ±0,1° С и построен
специальный радиометр — радиотермометр (длина волны 32 см). В ИПФ АН СССР для измерения
относительных температур использовался обычный радиометр миллиметрового
диапазона, установленный в Горьковском институте травматологии и ортопедии.
Каким жe образом удалось повысить точность измерений? Прежде всего необходимо
добиться идеального согласования антенны со средой (телом). Однако если даже
это сделано для какого-либо участка на теле человека, то в другом месте
согласования может и не быть, так как диэлектрические свойства тканей
достаточно сильно варьируются.
Американские исследователи пробовали преодолеть яти трудности, подстраивая
каждый раз антенну под локальные свойства тканей или пытаясь точно измерить и
учесть в расчетах коэффициент отражения излучения на границе тело — антенна. Но
такой путь не дал желаемой точности. Мы решали эту проблему по-другому : был
создан специальный радиометр, у которого все входные элементы схемы находились
в состоянии термодинамического равновесия около средней температуры
человеческого тела, принятой нами равной 36 град. С. Недостающая из-за
неполного согласования часть сигнала возмещается отраженными от антенны
собственными шумами входа, которым соответствует примерно та же температура,
что и у тела. При этом ошибки, возникающие вследствие рассогласования, не
превосходят 0,2° С.
Для абсолютной привязки измерений используются внешние
эталоны радиоизлучения (радиоизлучение
нагретой до строго определенной температуры подсоленной воды).
В результате были созданы
радиотермометры, работающие па ряде длин волн и обеспечивающие высокую точность
абсолютных измерений температуры. Близкие результаты получили французские
специалисты, их радиотермометры уже работают в ряде клиник Парижа. Исследование различных тканей человека на
сверхвысоких частотах, проведенное за последнее время в ряде стран, показало,
что по электромагнитным свойствам ткани резко делятся на две группы: первая — с
большими значениями диэлектрической постоянной (60 — 80) и сильным затуханием
электромагнитных волн, близким к затуханию в физиологическом растворе (1%-ный
водный раствор' поваренной соли); вторая — с малыми значениями диэлектрической
постоянной (5—6) и с существенно меньшим затуханием волн, соответствующим
затуханию в дистиллированной воде. К первой группе относятся богатые водой мышечные
ткани, мозг, кровь, которые на волнах короче 70 см ведут себя как
диэлектрики, а на более длинных как полупроводники, ко второй — бедные водой
жировые и костные ткани, для которых граница аналогичных свойств находится на
волне 150 см.
Затухание волны обычно характеризуется глубиной, с которой излучение приходит к
поверхности кожи, ослабляясь в 2,73 раза. Ее называют глубиной проникания: то
же самое ослабление испытывала бы волна, идущая от кожи в глубину тела. Глубина
проникания может быть измерена в лаборатории с помощью внешнего генератора. Длина полны и ткани существенно короче,
чем длина волны того то излучения в воздухе (для первой группы тканей
приблизительно в восемь раз). Оказалось, что глубина проникания в мышечной
ткани для волн короче 30 см
равна примерно половине длины волны в той же ткани, а в жировой ткани глубина
проникания составляет две трети длины волны в той же ткани (для длины волны 30 см это соответственно 1,5
и 7,0 см).
Как уже отмечалось, задача состоит в
том, чтобы уловить все приходящее изнутри радиоизлучение в измерительное
устройство. Это можно сделать, например, помещая антенну под кожу, однако тот
же результат можно получить и безболезненно, приложив к, коже диэлектрик с
таким же значением диэлектрической постоянной, что и у тела, и поместив антенну
внутри диэлектрика. Это хотя и грубая, но довольно верная картина
происходящего. Поскольку антенна находится в диэлектрике и должна реагировать
на волну, в несколько раз более короткую, чем в воздухе, размеры антенны
сокращаются во столько же раз. Следовательно, максимальная разрешающая сила по
поверхности, т.е. минимально возможный линейный размер области на поверхности,
которая покрывается антенной и под которой измеряется температура, составляет
для выбранной нами волны 30 см
всего 4 см
(обычно антенна-зонд имеет такой же размер, как длина волны приема в мышечной
ткани). Таким образом, радиотермометр измеряет среднюю температуру тела в
объеме цилиндра с основанием, равным площади антенны, и высотой (например, для
измерения температуры мышечной ткани) порядка половины длины волны в ней, т. е.
равной глубине проникания.
Если мы хотим увеличить глубину, на которой измеряется температура, то следует
взять большую длину волны. Однако при этом быстро ухудшается разрешающая сила.
По-видимому, оптимальное сочетание глубины проникания и разрешающей силы
обеспечивается на выбранной нами волне 30 см. Здесь еще невелики размеры антенны, но
уже достигается глубина измерений 3—4 см в мышцах и 12—15 см в жировом слое.
* * *
Созданный в НИРФИ радиотермометр на волну 30 см уже несколько лет используется в клиниках
Горьковского медицинского института им. С.М.Кирова для медико-диагностических
исследований. Большой объем работ выполнен в клинике нервных болезней кандидатом
медицинских паук А.В.Густовым, докторами медицинских паук Е.П.Семеновой и
В.Д.Трошиным. Проведено обследование более 300 пациентов, страдающих различными
заболеваниями и нескольких сотен здоровых людей, в ходе которого, в частности,
изучались тепловые режимы головного мозга и влиянии на них заболеваний, собраны
данные о распределении температуры в теле, ее зависимости от кровоснабжении и
различных внутренних заболеваний.
Проведенные исследования показали большие диагностические возможности метода,
который позволяет изучать температурные поля в теле человека и их динамические
изменения, возникающие при различных воздействиях и вследствие заболеваний.
Несомненна перспективность использования радиотермометра в биофизических
исследованиях, например, для изучения энергетических процессов в организме и
т.п.
Используя в радиотермометре сразу несколько частот, мы получаем значения
температуры тела на разных глубинах, начиная с его кожного покрова. В недалеком
будущем такие многочастотные радиотермометры, позволяющие «видеть»
распределение температуры в некоторой области внутри тела человека, будут
широко использоваться для локализации различных очагов повышенной или
пониженной температуры тканей. Многочастотный радиотермометр по праву можно назвать
радиотермографом, поскольку он дает глубинную термограмму: перемещая антенну по
телу, можно будет построить объемное распределение температуры всего
человеческого организма.
Современная электронная техника позволяет создать радиотермометр или даже
радиотермограф, умещающийся вместе с микропроцессором на ладони и способный
мгновенно обработать сигналы и вывести на табло значение температуры на
заданных глубинах. Для измерений потребуется всего двух—трехсекундный контакт
антенны с телом. В результате можно будет, например, быстро проводить массовый
контроль температуры у людей и животных. При этом для людей совсем не
обязательно использовать обычно закрытую одеждой и поэтому неудобную
подмышечную область. Вероятно, медикам придется найти более доступное, обычно
открытое на толе человека место, по глубинной температуре которого можно будет
судить об общей температуре.
В радиотермометре можно использовать метровый диапазон (1,5—2м); разрешающая
сила при этом уменьшится, но зато существенно (в 2 - 2,5 раза) возрастет
глубина зондирования.
Совсем уже фантастическим представляется использование в подобных целях
декаметрового, километрового и более длинноволнового радиоизлучений. Однако и
здесь видны определенные перспективы (реальные потери в разрешающей силе могут
быть сделаны не столь значительными). Использование этих волн позволит
фиксировать собственные электромагнитные ноля внутри человека на любой глубине.
Опираясь на весь диапазон волн (от миллиметровых до километровых), можно будет
создать измерительную систему, способную определять среднюю температуру в слое
заданной толщины по всей поверхности тела, всего кожного покрова и, наконец,
всего объема тела. Этот своеобразный температурный разрез — хорошая
количественная основа для изучения энергетических процессов в теле и влияния па
них различных факторов, например, физической нагрузки и т. п.
Можно видеть, что в ближайшее время будет разработана серия методов,
использующих для исследовательских и диагностических целей измерение
собственного радиоизлучения живого организма в широком диапазоне волн.
Одновременно в медико биологических исследованиях d медицинской практике
широкое применение найдут уже разработанные радиотермометры. Таким образом,
можно утверждать, что зарождается новое направление медико-биологических
исследований, основанное на изучении собственного радиоизлучения и радиошумов
биологических объектов, по существу, открывается новый путь исследования живых
систем.
