Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Биологическое действие и оценка экспозиции электромагнитных полей радиочастотного диапазона (аналитический обзор литературы) 15
1.1 .Биологическое действие электромагнитных полей 15
1.1.1. Основные характеристики, параметры и особенности электромагнитных полей метрового диапазона длин волн 15
1.1.2. Взаимодействие электромагнитных полей метрового диапазона длин волн с биологическими объектами 20
1.1.3. Стрессорное действие электромагнитных излучений радиочастотного диапазона 44
1.2. Гигиенические нормативы ЭМП метрового диапазона длин волн 54
1.3. Дозиметрия электромагнитных полей радиочастотного диапазона 59
1.3.1 .Теоретическая дозиметрия биологических объектов 60
1.3.2.Экспериментальная дозиметрия биологических объектов 65
ГЛАВА 2. Постановка, объем и методы проведения исследований 77
2.1. Постановка и объем исследований 77
2.2. Численная дозиметрия электромагнитных полей 79
2.3. Экспериментальная дозиметрия электромагнитных полей 85
2.4. Исследование биологических эффектов электромагнитных полей на животных 97
2.5.Объем исследований и обработка данных 100
Глава 3. Результаты теоретической и экспериментальной оценки условий экспозиции в ближней и дальней зонах источника электромагнитных полей метрового диапазона длин волн 102
3.1. Результаты математического моделирования источников и их условий экспозиции 102
3.2. Результаты экспериментальной оценки уровней падающей и поглощенной энергии в ближней и дальней зонах источников электромагнитных полей 110
Глава 4. Результаты численной дозиметрии оценки экспозиции электромагнитных полей метрового диапазона длин волн 114
4.1. Анализ поглощения электромагнитного поля в ближней зоне источника 114
4.2. Анализ поглощения электромагнитного поля в дальней зоне на моделях крыс в ТЕМ-камере 126
Глава 5. Результаты экспериментальной дозиметрии оценки экспозиции электромагнитных полей 133
5.1.Анализ удельной поглощенной мощности электромагнитных полей в плоском гомогенном фантоме в условиях ближней зоны 133
5.2. Анализ удельной поглощенной мощности электромагнитных полей в плоском гомогенном фантоме в условиях ближней зоны в антропометрическом фантоме головы человека 140
5.3. Определение удельной поглощенной мощности электромагнитных полей животными в условиях дальней зоны (ТЕМ-камера) 150
5.4.Характер зависимости величины удельной поглощенной мощности крысами электромагнитного поля от уровня экспозиции 153
Глава 6. Результаты оценки биологического действия электромагнитных полей метрового диапазона длин волн 157
6.1.Влияние электромагнитных полей на глюкокортикоидную функцию надпочечников крыс 157
6.2.Влияние электромагнитных полей на минералкортикоидную функцию надпочечников крыс 160
6.3. Анализ результатов экспериментального изучения биологического действия электромагнитных полей в зависимости от удельной поглощенной мощности и времени экспозиции 163
Заключение 169
Выводы 179
Список сокращений, условных обозначений, символов, единиц и терминов 182
Список использованной литературы
- Взаимодействие электромагнитных полей метрового диапазона длин волн с биологическими объектами
- Экспериментальная дозиметрия электромагнитных полей
- Результаты экспериментальной оценки уровней падающей и поглощенной энергии в ближней и дальней зонах источников электромагнитных полей
- Анализ удельной поглощенной мощности электромагнитных полей в плоском гомогенном фантоме в условиях ближней зоны в антропометрическом фантоме головы человека
Взаимодействие электромагнитных полей метрового диапазона длин волн с биологическими объектами
Влияние на крыс ЭМП, создаваемых мобильными терминалами транкинговой радиосвязи, исследовали с помощью регистрации двигательной активности животных в лабиринте [34]. Из участвующих в экспериментах животных были сформированы 4 группы (1-я группа контрольная и 2-, 3- и 4-я опытных). Животные всех опытных групп облучались ЭМП частотой 170 МГц с электрической составляющей 50 В/м на протяжении 4 месяцев по: 2-я - 7200 сек, 3-я - 4800 сек и 4-я - 2400 сек. После окончания экспозиции в течение 1 месяца животные всех групп тестировались на выявление эффектов последействия облучения. Достоверные изменения в двигательной активности регистрировались у животных 2-й и 4-й групп на 2-ой месяц облучения, в дополнении к этим группам на 3-й месяц экспозиции изменения проявились и у крыс 2-й группы, тогда как на 4-й месяц частично только у животных 3-й группы. Результаты исследования поведенческих эффектов хронического облучения ЭМП частотой 170 МГц показали, что в процессе экспозиции проявляются два состояния ЦНС - угнетение (торможение) и активация (возбуждение), которые имеют фазный характер. Подобные изменения в поведении животных при воздействии ЭМП метрового диапазона позволили авторам их расценить как общие неспецифические адаптационные реакции организма.
Эксперименты проводились на чувствительных к звуковому раздражителю крысах, которые реагировали на звук двигательной реакцией, заканчивающийся у некоторых особей судорожными припадками различной интенсивности [38]. Результаты экспериментов при облучении крыс в метровом диапазоне длин волн при 150 и 2250 В/м показали, что ЭМП оказывает влияние на основные нервные процессы, оказывает существенное влияние на возбудимость нервной системы и собственно процессы возбуждения. В отличие от других диапазонов при облучении ЭМП сантиметровых (3 см, 10 мВт/см ) и метровых (150 В/м) длин волн в изменениях силы и латентного периода ответной реакции животных наблюдался фазный характер. Выраженность изменений в реакции крыс при воздействии ЭМП метрового диапазона была близка к наблюдаемым ответам при использовании сантиметрового (3 см) и миллиметрового диапазонов.
В недавнем исследовании изучалось влияние ЭМП с частотами 100; 300; 500; 700 и 900 МГц на модели вызванных пентилентетразолом эпилептиформных припадков мышей [ИЗ]. Экспериментальные исследования были выполнены на 180 животных, распределенных на шесть групп (3 опытные, 3 контрольные) по 10 мышей в каждой. Мышей опытных групп облучали ЭМП на протяжении 2; 12 и 20 часов, после чего животным и опытной, и контрольной групп внутрибрюшинно вводили пентилентетразол в дозе 60 мг/кг и наблюдали в течение 20 минут. Определялись латентные периоды простых и генерализованных эпилептоформных припадков, которые сравнивались у животных, облученных ЭМП разных частот при трех продолжительностях экспозиции. Статистический анализ показал наименьшие латентные периоды простых эпилептических припадков у мышей, составляющие 9,5 ± 12,9 с при облучении ЭМП (700 МГц, 12 часов), 9,9 ± 5,4 с (300 МГц, 20 часов облучения) и 11,9 ± 7,3 с (500 МГц, 2 часа облучения). Аналогичные параметры генерализованных припадков, которые были определены у облученных всех экспериментальных животных, не отличались от таковых по сравнению с мышами контрольных групп.
Нейрофизиологические и нейрохимические подходы к оценке чувствительности нервной системы к воздействию ЭМП основывались на изучении реакций со стороны биоэлектрической активности головного мозга животных, а также биохимических и морфологических изменений в его структурах. Изучение чувствительности ЦНС кроликов к воздействию ЭМП с различной длиной волны (метрового, дециметрового и сантиметрового диапазонов) проводились по амплитуде, частоте колебаний и длительности латентных периодов ЭЭГ, регистрировались до и после воздействия ЭМП [16, 17]. Облучение ЭМП проводилось однократно на протяжении 5 минут при длинах волн 1,0 м (300 МГц), 52 см (587 МГц) и 12,5 см (2,45 ГГц) и одинаковых величинах ППЭ: 0,02; 0,08; 0,4; 2,0; 10 и 50 мВт/см (в метровом диапазоне воздействие с ППЭ 50 мВт/см не использовалось). Результаты экспериментов выявили некоторую полиморфность ЭЭГ, хотя характер изменений биоэлектрической активности мозга во времени зависел от диапазона ЭМП и интенсивности воздействия. Выявлена наибольшая чувствительность ЦНС кроликов к излучениям метрового диапазона (300 МГц), которая выражалась в большей прочности реакции, наиболее коротких латентных периодах и их зависимости от величины ППЭ. Исходя из данных ЭЭГ, меньшая чувствительность ЦНС была обнаружена в дециметровом (587 МГц) и наименьшая в сантиметровом (2,45 ГГц) диапазоне ЭМП, которая, также как и для метрового, возрастала по мере увеличения интенсивности излучения.
В исследованиях, проведенных на испытуемых-добровольцах, воздействие ЭМП в диапазоне частот от 130 до 960 МГц при величине ППЭ порядка 10" Вт/см (напряженность поля не указана) вызывало в момент облучения изменения, выражающиеся как в снижении, так и в увеличении амплитуды а-волн ЭЭГ, которые сопровождались десинхронизацией и возрастанием индекса медленноволновой активности [99]. Полученные результаты дают основание полагать наличие высокой чувствительности ЦНС к ЭМП в этом диапазоне длин волн, хотя сделать какие-либо практические выводы в связи с выявленными изменениями в ЭЭГ не представляется возможным [219].
Экспериментальная дозиметрия электромагнитных полей
В теоретической дозиметрии использовались численные модели лабораторных крыс самцов массой 180-200 г. (рисунок 2.3.), которые разработаны Фондом по исследованию информационных технологий в обществе при Федеральном политехническом институте Цюриха («IT IS Foundation», Швейцария). Диэлектрические характеристики и плотность основных, используемых в вычислениях тканей крыс представлены в таблице 2.2. Разрешение исходной модели (размер ячейки) составлял 1 мм . В численной дозиметрии использовалось 12 моделей крыс одинакового размера и с идентичными диэлектрическими свойствами для каждой ткани фантома.
Численные фантомы лабораторных животных, используемых в теоретической дозиметрии Таблица 2.2. Основные физические параметры тканей крысы, которые использовались в теоретической дозиметрии
Наименование ткани Диэлектрическая проницаемость Электрическая проводимость,См/м Плотность, г/см
Теоретическое определение величины и характера распределения УПМ в облучаемом ЭМП объекте осуществлялось с помощью рассматриваемого ранее метода КРВО, который реализован в используемом в процессе дозиметрических вычислений программном продукте SEMCAD X 14.8. («SPEAG AG», Швейцария).
Как отмечено выше, в качестве объектов и в численной и в экспериментальной дозиметрии использовались тканеэквивалентные модели (фантомы), имитирующие диэлектрические свойства биологических тканей и объектов в соответствующем диапазоне частот ЭМП. В экспериментальной дозиметрии - соответствующие численным моделям физические фантомы (рис. 2.4), источники и лабораторные животные (крысы).
Фантомы, использованные в экспериментальной исследованиях: а - экспериментальный плоский фантом; б -экспериментальный антропометрический фантом головы человека «SAM Facedown 4.0»
В исследованиях помимо плоских фантомов был использован экспериментальный антропометрический гомогенный фантом головы человека «SAM Facedown 4.0» SPEAG AG (Швейцария). Фантом головы человека был заполнен тканеэквивалентными жидкостями, диэлектрические свойства которых идентичны используемым в исследованиях на плоских фантомах и представленных в таблице 2.1
Экспериментальная дозиметрическая оценка величины УПМ и исследования биологического действия ЭМП проводились на беспородных лабораторных крысах-самцах массой 200-220 г. Определение величины УПМ методами экспериментальной дозиметрии было проведено на 128 особях.
Ближняя зона экспозиции - носимые средства связи (рации) В качестве источника ЭМП при дозиметрии в ближней зоне использовалась серийный образец радиостанции «Радий-301» («Ижевский радиозавод», Россия), предназначенные для организации подвижной радиосвязи в диапазоне частот 149 - 171 МГц с угловой модуляцией в режиме одно- и двухчастотного симплекса (рисунок 2.5.). Основные технические характеристики радиостанции «Радий-301» приведены в таблице 2.3. В процессе работы на близком расстоянии от радиостанции «Радий-301» в структуре ЭМП формируется ближняя зона источника, в которой и проводилось облучение экспериментальных фантомов. Рисунок 2.5. Общий вид радиостанции «Радий-301»
Экспериментальная оценка уровней изучения рации «Радий-301» и в ТЕМ-камере осуществлялась по напряженности электрической составляющей ЭМП на частоте 171 МГц. В измерениях использовались инструментальные средства, позволяющие оценить уровни экспозиции прямыми и косвенными методами. Величина уровня ЭМП рации «Радий-301» оценивалась в ближней зоне, а в ТЕМ-камере измерялась электромагнитная волна с характеристиками дальней зоны. Оценка интенсивности ЭМП от рации «Радий-301» в ближней зоне проводилась по величине электрической составляющей, когда рация была запрограммирована на работу с максимальной выходной мощностью. В связи со сложностью проведения измерений в ближней зоне источника ЭМП, где распространяется несформированная электромагнитная волна, использовалась специальная инструментальная техника и адаптированные к ней методы измерений [98]. В соответствии с этим, измерение величины электрической составляющей ЭМП осуществлялось с помощью изотропного дипольного зонда «ER3DV6» (таблица 2.4) для ближней зоны с использованием автоматизированной системы DASY 52 NEO («SPEAG AG», Швейцария), параметры которого приведены в таблице 2.3. Рация крепилась на радиопрозрачном держателе на расстоянии 1,7 м от пола; отсутствие отражения ЭМП в процессе измерений обеспечивалось радиопоглощающим материалом для этого диапазона частот. Измерения на расстояниях 0-0,2 м от корпуса с шагом 0,01 м по перпендикулярному к передней панели рации направлению и проводились с помощью зонда ближней зоны «ER3DV6». Измерения, начиная от 0,2 м и далее, осуществлялось с шагом 0,1 м с помощью «NARDA NBM-550» («Narda Safety Test Solution GmbH», Германия) с зондом «EF6091», подключенным через оптоволоконный кабель к ПЭВМ.
Результаты экспериментальной оценки уровней падающей и поглощенной энергии в ближней и дальней зонах источников электромагнитных полей
Исследования проводились на лабораторных белых крысах-самцах массой 200-220 г. Все участвующие в эксперименте животные были случайным образом разделены на равные группы - опытную и контрольную, которые составляли 6 экспериментальных серий (по 12 крыс в каждой), общее количество животных составляло 216 крыс.
Осуществлялся круглосуточный эксперимент, который проводился в трех повторах для каждого уровня облучения с параллельным контролем.
В соответствии с выбранной моделью биологические эффекты ЭМП в ближней зоне источника ЭМП в диапазоне частот 30-300 МГц оценивалось состояния глюко- и минералкортикоидной функции надпочечников крыс при интенсивностях, сопоставимых с уровнями экспозиции, создаваемых носимыми радиостанциями. Общая схема проведения экспериментальных исследований приведена на рисунке 2.8. Все эксперименты по облучению ЭМП выполнялись в трех экспериментальных сериях.
Облучение животных опытных групп ЭМП частотой 171 МГц проводилась в ТЕМ-камере, входящей в состав специально разработанного стенда, структурная схема которого представлена на рисунке 3.6, при трех величинах электрической составляющей ЭМП: 15; 25 и 35 В/м,. Животные облучались ежедневно по 6 часов в сутки на протяжении 15 дней. В процессе облучения в ТЕМ-камере поддерживалась постоянная температура в зоне комфорта животных, которая составляла 20 - 24 С. ТЕМ-камера на. электромагнитное поле 171 МГц протяжении всего времени экспозиции животных принудительно вентилировалась Животные в течение всего времени облучения содержались без иммобилизации в радиопрозрачных метаболических клетках, обеспечивающих пассивную вентиляцию. Контрольная группа животных содержалась в идентичных условиях без воздействия ЭМП -мнимое облучение.
Остальное время суток животные содержались в условиях вивария. Кормление осуществлялось в соответствии со стандартным рационом; для питья использовалась водопроводная вода после дегазации. Световой режим в виварии сохранялся стандартным. В процессе работы с животными соблюдали принципы гуманности в соответствии с приложением к приказу Минздрава СССР № 755 от 12.08.1977 г. «Правила проведения работ с использованием экспериментальных животных», а также с принципами Хельсинкской декларации (2000 г.).
Во избежание возможных реакций животных на различные внешние факторы окружающей среды, которые могли бы повлиять на результаты экспериментальных исследований, контроль во всех сериях был параллельным.
Состояние глюко- и минералкортикоидной функции надпочечников оценивалось путем определения уровней суточной экскреции с мочой кортикостерона, ионов Na и К . Отбор и подготовка проб (фракции мочи) для анализов в процессе эксперимента проводилась каждые сутки и в одно и тоже время (12 часов) для устранения погрешностей связанных с биоритмами гормонов [25] и секреции ионов. Отбор и подготовка проб (фракции мочи) для проведения анализов собирались каждые сутки. В полученных пробах проводили определение концентрации кортикостерона, ионов Na и К .
Определение содержания кортикостерона Кортикостерон в суточной моче крыс определяли иммуноферментным методом с помощью тестов для количественного определения кортикостерона «Corticosterone EI A» («Labor Diagnostika Nord GmbH & Co. KG», Германия). Определение концентрации ионов Na+ и ІҐ
Концентрацию ионов Na и К определяли методом пламенной спектроскопии на атомно-абсорбционном спектрометре «PinAAcle900» («PerkinElmer», США), с дейтериевым корректором фона. Подготовка образцов и определение проводились по стандартной методике. Из полученных результатов рассчитывали отношение Na /К .
Число исследований методами математического моделирования составило 854 000, куда вошли модели изучения возможных вариантов экспозиции в ближней и дальней зоне источников ЭМП, трехмерная детализированная оценка структуры распределения напряженности ЭМП при различных уровнях экспозиции, исследования влияния диэлектрических свойств фантомных материалов (тканеэквивалентных жидкостей) и размеров фантомов на процессы поглощения энергии ЭМП метрового диапазона длин волн, оценка вариантов размещения источников ЭМП относительно объектов экспозиции как наиболее негативных условий действия на модели биологических объектов, изучение влияния разрешения численных моделей оценки экспозиции с учетом структуры распределения поглощенной электромагнитной энергии, значений средних и максимальных УПМ, оценка условий различные варианты размещений фантомов животных с оценками всех тканей и органов.
В экспериментальной дозиметрии общее число исследований составило около 217 000, которые включали измерения на плоских фантомах и фантоме головы человека (более 210 000), а также измерения УПМ с использованием биологических объектах (крысах) при различных уровнях экспозиции и измерения напряженности электрической составляющей ЭМП в свободном пространстве ближней и дальней зоны источников метрового диапазона длин волн.
Предварительная обработка данных численного моделирования осуществлялась методами, включенными в программный продукт SEMCAD X 18. Для последующей обработки полученных данных численной дозиметрии, а также анализа полученных данных экспериментальной дозиметрии и экспериментов по изучению биологического действия на глюкокортикоидную и минералкортикоидную функции надпочечников экспериментальных животных, были использованы пакеты прикладных программ MS Office Excel 2003 («Microsoft Corp.», США), MathLab R2010a («The MathWorks Inc.», США), OriginPro 8.5.1 SR2 («OriginLab Corp.», США), STATISTICA 6.0 («Install Shield Software Corp.», США).
Анализ удельной поглощенной мощности электромагнитных полей в плоском гомогенном фантоме в условиях ближней зоны в антропометрическом фантоме головы человека
Одним из непременных требований к условиям экспозиции при исследовании биологического действия ЭМП является однородность его пространственной структуры, что позволяет стандартизовать условия облучения в экспериментах. В исследованиях биологического действия ЭМП метрового диапазона длин волн в условиях дальней зоны источника всем этим требованиям отвечает система облучения на основе ТЕМ-камеры, технические характеристики и численная модель которой представлена в главе 3.
Предварительно было проведено определение числа экспериментальных животных (крыс), которые могут быть размещены для облучения ЭМП метрового диапазона длин волн в ТЕМ-камере. Основным критерием выбора необходимого количества животных была их статистически достаточная численность, а также соблюдение приемлемой однородности условий экспозиции для всех крыс. В соответствии с размерами ТЕМ-камеры и ее рабочей зоны, полученных в результате моделирования и расчетов, было определено максимальное количество животных (вексельных моделей крыс с массой 200 г.), которые могут быть размещены с ориентацией по іі-вектору электрической составляющей ЭМП при соблюдении однородности ее пространственной структуры. Подобное расположение объектов экспозиции в рабочей зоне ТЕМ-камеры является наиболее оптимальным для облучения при изучении биологического действия ЭМП метрового диапазона. С помощью численных методов было установлено, что общее оптимальное количество крыс в ТЕМ-камере составляет 12 животных, расположенных по 6 крыс перпендикулярно к центральной пластине камеры с каждой ее стороны. В соответствии с установлением конкретного числа животных была определена структура распределения величины электрической составляющей ЭМП с крысами в ТЕМ-камере при разных уровнях экспозиции (15; 25 и 35 В/м), которая представлена на рисунке 4.8.
В схеме расположения моделей крыс относительно центральной пластины ТЕМ-камеры зоны максимальной концентрации напряженности электрической составляющей ЭМП наблюдались в области головы животного, которые при увеличении интенсивности с 15 В/м до 35 В/м распространялись на все тело.
В связи с полученными результатами структуры распределения электрической составляющей ЭМП в рабочей зоне ТЕМ-камеры в присутствии животных было проведено моделирование поглощения энергии излучения при двух разрешениях для всех тканей и органов воксельной модели крысы, составляющие 1 мм и 2 мм . Результаты, полученные для вексельных моделей, показали, что величина средней УПМ для фантомов 12 крыс различалась менее чем на 2 % для всех трех уровней облучения, причем, различия наблюдались только в 4-ом - 5-ом знаке после запятой (таблица 4.3.). Различия в максимальных величинах УПМ в моделях были большие и достигали 38 %, однако, в зависимости от уровня экспозиции, такие колебания не превышали величин 4-го знака после запятой. С увеличением уровня ЭМП при повышении разрешения модели крысы среднее значение УПМ статистически недостоверно уменьшалось, в то время как величина максимальной УПМ увеличивалась, но также не превысила порога статистической достоверности. Исходя из полученных результатов численного моделирования, можно полагать, что для использованных фантомов животных увеличение разрешения с 2 мм до 1 мм не является значимым для определения величины УПМ во всем теле животного. Однако, повышение разрешения в 2 раза приводит к большим величинам максимального поглощения энергии ЭМП в тканях воксельной модели крысы, но при этом увеличение уровней экспозиции не влечет за собой значимых изменений в результатах средней УПМ. Таким образом, в дальнейшем при оценке УПМ в условиях ТЕМ-камеры использовались модели фантомов животных с разрешением 1 мм для лучшей детализации оценки поглощения энергии ЭМП в органах и тканях.
На следующем этапе вычислений был выполнен анализ характера распределения средних и максимальных величин УПМ у находящихся в рабочей зоне ТЕМ-камеры крыс. Результаты показали незначительные расхождения, которые не превышали 2-8 %, что позволяет считать, что все подопытные животные находятся в одинаковых условиях экспозиции, а поглощение энергии ЭМП одинаково для каждой крысы.
В развитие дальнейших дозиметрических вычислений было выполнено моделирование структуры распределения УПМ в сагиттальной плоскости фантомов крыс при различных уровнях ЭМП, которые составляли 15; 25 и 35 В/м (рисунок 4.9).
Характер распределения УПМ в вексельных фантомах крыс, как следует из представленных на рисунке 4.9 данных, свидетельствует об увеличении поглощения энергии ЭМП с повышением интенсивности от 15 В/м до 35 В/м, которое затрагивает по мере роста величины электрической составляющей все большее число органов животных. Самое меньшее поглощение энергии ЭМП животными наблюдалось при величине электрической составляющей равной 15 В/м.
С использованием численных методов были определены конкретные усредненные величины УПМ для отдельных органов, а также и средние для всего тела вексельных моделей крыс значения для каждого уровня экспозиции в ТЕМ-камере (таблица 4.4).