Působení elektromagnetického pole velkého výkonu na biologický systém


vypracoval: Martin Řehák




       Elektromagnetické pole je vektorové pole projevující silové účinky na elektrický náboj v klidu i pohybu. Roku 1873 popsal elektromagnetické pole skotský fyzik James Clerk Maxwell soustavou čtyř rovnic pro čtyři vektory intenzity magnetického a elektrického pole H a E a indukce D a B:

Maxwellky v integralnim tvaru

kde pro homogenní izotropní lineární prostředí platí materiálové vztahy:

materialove vztahy

e - permitivita, m - permeabilita, s - měrná vodivost prostředí

       Existenci elektromagnetických vln prokázal experimentálně až o 14 let později německý fyzik Heinrich Hertz. Pomocí jiskrového výboje a antény tvaru dipólu vyslal elmag. vlnu, kterou byl schopen zachytit.
       Tento objev umožnil bezdrátový přenos informací všeho druhu jenž dnes hýbe světem. Za tímto účelem postavili lidé na zemi, na vodě i v prostoru kolem Země milióny vysílacích stanic vyzařujících elmag. vlny různých frekvencí a výkonů, které na nás dopadají ze všech stran. V dnešní době se neustále častěji diskutuje o škodlivosti či neškodlivosti elmag. pole zejména v souvislosti s rozšířením mobilních telefonů. Na toto téma byly a jsou prováděny různé studie, jejichž závěry nejsou jednoznačné a různí se. Zkrátka ještě uběhla příliš krátká doba na to, aby se dal vyslovit jednoznačný závěr. Některá média tyto výsledky zkreslují, dělají z elmag. záření paprsky smrti a zajišťují si tak čtenost laickou veřejností. Naopak někteří výrobci RF techniky problém bagatelizují neb si pod sebou přeci nebudou podřezávat větev. Najít tedy seriózní informace není zrovna lehké.

       Důležitým parametrem elmag. vlny je frekvence f [Hz] resp. vlnová délka l [m]. Podle ní můžeme vlny setřídit do spektra od nejnižších po nejvyšší frekvence. I světlo je jen obyčejné elektromagnetické vlnění, které jsme však schopni vnímat zrakem.

spektrum elmag. vln

       Z pohledu kvantové fyziky se můžeme na elmag. vlnění dívat jako na proud fotonů, tvořících energetická kvanta. Podle Einsteinova vztahu je energie fotonu dána:

Einsteinuv vztah

kde h je Planckova konstanta = 6,62×10-34 Js a n je frekvence fotonu. Když foton dopadne na povrch látky (k absorpci nemusí dojít hned na povrchu, foton může látkou i proletět), resp. zasáhne elektronový obal některého jejího atomu a jeho energie je větší než tzv. výstupní práce, dojde k ionizaci atomu - uvolnění elektronu. Zbytek atomu se pak změní na kladný iont. Pokud je jeho energie menší, přemění se na teplo - tepelné kmity atomů látky.
       Podle energie fotonů tedy můžeme rozdělit elmag. záření na ionizující a neionizující. Za hranici ionizujícího záření se považuje vlnová délka 100nm, tedy tvrdé UV a rentgenovo záření. Při dopadu ionizujícího záření na buňky živého organismu dochází k ionizaci atomů molekuly DNA (která je důležitá pro správnou reprodukci) a tím k jejímu poškození/modifikaci. Jelikož po celou dobu existence naší planety na její povrch dopadá ionizující kosmické záření, které je z větší části odstíněno magnetickým polem Země a atmosférou, vyvinul se u živých organismů opravný mechanismus schopný likvidovat poškozené buňky. Avšak při ozáření dostatečnou dávku ionizujícího záření nebo také chemickým působením karcinogenních látek či dalších vlivů, může dojít k nekontrolovanému množení zmutovaných buněk a vzniku rakoviny. V takovém případě nelze už moc na samoopravný mechanismus spoléhat a čím dříve se začne s léčbou tím lépe.

       Dále se budeme zabývat neionizujícím elmag. zářením. U něj byly jednoznačně prokázány tepelné účinky. Živé organismy se skládají z velké části z vody. Voda je polární molekula H2O s poměrně velkou relativní permitivitou e r = 80. Dalšími důležitými parametry dielektrika jsou měrná vodivost s a ztrátový úhel tgd. Působením elektrického pole na molekulu vody dochází k její polarizaci, tj. natočení ve směru vektoru intenzity el. pole E. Působíme-li na molekulu střídavým el. polem, dochází k její střídavé polarizaci jedním a druhým směrem. S rostoucí frekvencí ztrácí molekula schopnost sledovat tak rychlé změny, efektivní permitivita klesá, ztrátový úhel roste a energie pole se mění na teplo. Díky tomuto mechanismu tedy dochází k ohřevu biologických tkání obsahujících vodu.
       Tohoto efektu si jako jeden z prvních všiml Percy Spencer, když experimentoval po II. sv. válce s magnetronem používaným v britských radarech (pracující na středním kmitočtu 2450 MHz) a v kapse se mu rozehřálo cukroví. Dále zkusil ozářit zrnka kukuřice ze kterých mikrovlny vyrobily popcorn a vejce, které explodovalo. A tak se zrodila mikrovlnná trouba. Již koncem roku 1946 byla k dostání od americké firmy Raytheon Company za 5000$.

       Energetické účinky elmag. pole můžeme vyjádřit pomocí vektorů intenzit Poyntingovým vektorm:

Poyntinguv vektor

vyjadřujícím okamžitou hodnotu plošné hustoty výkonu, resp. pro harmonická pole střední hodnotou Poyntingova vektoru:

Stredni hodnota Poyntinga

Pro účely měření na biologických systémech byla zavedena jednotka SAR - Specific Absorption Rate (měrný absorbovaný výkon), kde se počítá s přeměnou přicházejícího výkonu elmag. vlny v tkáni na teplo.

SAR

       Česká Republika má na tyto jednotky poměrně přísná kritéria. Hygienické limity byly od 1. ledna 2001 aktualizovány nařízením vlády č.480/2000 Sb. o ochraně zdraví před neionizujícím zářením.

limity B, H, S


limity SAR

Pro pásmo 100kHz - 10GHz je limit SAR 0,4W/kg pro zaměstnance (pracující s RF zařízeními) a 0,08W/kg pro ostatní osoby. Tento limit nesmí být překročen při expozici delší než 6 minut. Při kratší expozici je limitována max. absorbovaná energie 0,01J/kg pro zaměstnance a 0,02J/kg pro ostatní osoby. V případě expozice jen malé části těla (i případ mobilních telefonů) se limit SAR zvyšuje na 10W/kg (20W/kg pro ruce, chodidla a kotníky) pro zaměstnance a 2W/kg (4W/kg pro ruce, chodidla a kotníky) pro ostatní. Nejcitlivějším orgánem jsou oči, kde není možné dostatečné chlazení krevním prouděním a může dojít k zákalu. Pro zajímavost tabulka SAR různých mobilních telefonů:

Typ

SAR [W/kg]

Nokia 6210

1,19

Siemens M35i

1,14

Siemens S35i

0,99

Nokia 3210

0,81

Nokia 8210

0,72

Ericsson T18s

0,61

Nokia 8850

0,22


Jak je vidět, tak prakticky žádný dnešní telefon normu nepřekračuje. Výrobci se hodnotu SAR většinou snaží snižovat pomocí interních antén, které jsou na zadní straně mobilu a vyzařují směrově od hlavy na rozdíl od vnějších antén, kde šla do hlavy až 1/2 výkonu.

Příklad použití elmag. vln v armádě
       Od mobilů se tedy moc neohřejeme, zato americká armáda od roku 1991 vyvíjí mikrovlnnou zbraň ADT - Active Denial Technology (technologie aktivního odpuzování), která má sloužit k rozhánění demonstrací a ke kontrole davu. Jde o výkonný generátor mikrovln s několikanásobně vyšší frekvencí než mikrovlnka, který záření pomocí antény směruje do davu. Díky vysoké frekvenci je hloubka vniku záření jen asi 0,3mm pod pokožku. Vyvolává pocit intenzivního pálení a nutí člověka co nejrychleji opustit oblast, aniž by trvale poškodilo jeho zdraví (oči by měly být ochráněny mrkacím reflexem). Údajně bylo provedeno asi 6500 testů na zvířatech a dobrovolnících s dobou expozice do 10s bez trvalé újmy na zdraví.
       Další zbraň, zaměřená tentokrát proti elektronice protivníka, je EMP (ElectroMagnetic Pulse) bomba. Již při jaderných výbuších byl pozorován vznik silného, velmi krátkého elmag. pulsu, který zničil elektroniku v okolí. Impuls trvá řádově nanosekundy a dosahuje obrovských intenzit.

popis EMP bomby
princip EMP bomby

konstrukce moderní EMP bomby

Ve všech vodivých předmětech okolo se indukuje vysoké napětí, které může prorazit choulostivé polovodičové přechody, zejména u vysoce integrovaných struktur CMOS. V tomto ohledu jsou velmi odolná stará dobrá elektronková zařízení, jimž krátkodobé přepětí neuškodí. Dnes, kdy elektronika a počítače hrají v našem běžném životě stále větší roli, je strategické mít k dispozici zbraň, která by byla schopna pomocí EMP vyřadit elektronické systémy protivníka aniž by došlo ke ztrátám na životech.

Příklad použití elmag. vln v lékařství
       Mikrovlny však lze také využít v náš prospěch při léčení nádorových onemocnění metodou zvanou hypertermie. V principu jde o cílený ohřev tkáně s nádorem. Vlivem rozdílných fyzikálních vlastností nádorových a normálních buněk dochází k rychlejšímu ohřevu nádoru a tím k jeho ničení (klesá počet metabolicky aktivních buňek). Zejména proto, že zdravá tkáň je lépe prokrvená a chlazena průtokem krve. Ohřev se provádí na teplotu 41°C až 45°C podle toho, kolik je pacient schopen snést. Vzhledem k nehomogenitám tkáně může dojít k lokálnímu přehřátí, proto je důležité měření teploty.
       Hypertermická souprava se skládá ze tří částí: výkonového RF generátoru, aplikátoru s propojovací kabelem a systému měření teplot obvykle ve spolupráci s počítačem. RF generátor obsahuje obvykle magnetron nebo oscilátor s výkonovou elektronkou schopný dodávat několik set wattů RF energie, výkon lze přitom plynule regulovat. Rozsah používaných frekvencí je od desítek MHz do 2450MHz. Volba kmitočtu závisí na hloubce v níž chceme tepelně působit. To nám udává ekvivalentní hloubka vniku,

ekvivalentni hloubka vniku

což je vzdálenost, na níž se amplituda exponenciálně tlumené vnikající vlny utlumí na 1/e-násobek. Pro hloubkový ohřev do 8cm se používá frekvence 13MHz, do 4cm 120MHz (ležící mimo důležitá telekomunikační pásma), pro 2-4cm se používá pásmo 433MHz a pro povrchový ohřev asi do 1,5cm se používá 2450 MHz.
       RF energie je z generátoru vedena koaxiálním kabelem do aplikátoru, což je v principu anténa vyzařující do pacienta přibližně rovinnou elmag. vlnu. Permitivita prostředí v aplikátoru je taková, aby pokud možno nedocházelo ke zpětným odrazům do generátoru - impedanční přizpůsobení. Tvar aplikátorů je různý podle místa a plochy působení.
       Jak již bylo řečeno, velmi důležitý je systém pro měření teploty. Ideální by byl případ měření teploty v malých elementech objemu s možností zobrazení rozložení 3D teplotního pole ve tkáni v reálném čase. Metody lze rozdělit na invazivní a neinvazivní. Invazivní metody využívají termistorů, termočlánků nebo optických vláken, která jsou pomocí jehly zavedena do tkáně pacienta. Neinvazivně lze měřit teplotu povrchu pomocí termokamery (výhodou je vysoké rozlišení a rychlá odezva), nebo pomocí radiometrů. Radiometry umožňují snímat teplotu v různé hloubce, ale měří integrálně přes velkou plochu. Signály z čidel se pak digitalizují a jsou zpracovávány počítačem. V automatickém režimu je výkon generátoru regulován tak, aby nebyla překročena nastavená teplota.
       Hypertermie se u nás používá už přes 20 let (první prototyp byl zkonstruován roku 1982) a pozitivních účinků bylo dosaženo u více než 80% pacientů. Využívá v kombinaci s radioterapií a chemoterapií, kterou dobře doplňuje. Šlo by ji použít i samostatně, ale účinnost léčby je nižší než u radioterapie.

Vlastní zkušenosti s elmag. polem
       Jako vedlejší efekt jsem se seznámil s tepelnými účinky elmag. pole při mých experimentech s Teslovým transformátorem. Je to vzduchový transformátor pracující na svém vlastním rezonančním kmitočtu sloužící k výrobě velmi vysokého RF napětí. Sekundár tvoří jednovrstvý válcový solenoid, jehož vlastní indukčnost spolu s mezizávitovou kapacitou tvoří laděný L-C obvod kmitající na frekvenci

Thomsonuv vzorec

Energie je do sekundárního obvodu je dodávána magnetickou vazbou přes primární cívku (válcovou, kuželovou nebo plochou spirálu), kterou tvoří pár závitů tlustšího drátu. Aby byl přenos energie účinný, naladí se primární obvod připojením vnějšího kondenzátoru na tentýž kmitočet f0. Celý systém pak tvoří vlastně dva vázané rezonanční obvody. Vlastní kmitočet je přibližně nepřímo úměrný velikosti sekundární cívky a jejímu počtu závitů. Pro výšku cívky v rozsahu 10cm až 1m se f0 pohybuje od asi 2MHz do 100kHz. Teslův transformátor lze budit v zapojení tranzistorového či elektronkového oscilátoru nebo pomocí jiskřiště, které funguje jako výkonový a přitom rychlý spínač. Pro zmíněné velikosti cívky lze s pár tisíci volty na primáru dosáhnout pár set tisíc voltů na sekundáru.
       Zajímavé je to, že produkované RF vysoké napětí "nekope", za to však může způsobit popáleniny. Pomocí jakékoli plynem plněné výbojky lze zjistit, že elmag. pole je vyzařováno v celém okolí cívky, zejména pak na vrchu sekundáru. Přiblížením ruky k cívce lze pak pozorovat i malé oteplení vlivem indukovaných proudů.

Tesluv transformator

       Za zmínku stojí, že vynálezce Nikola Tesla, ač se sám dobrovolně vystavoval účinkům mnohem silnějších elmag. polí (jeho největší transformátor v Colorado Springs měřil asi 90m a produkoval napětí řádu desítek MV) po velkou část svého života, se dožil úctyhodných 86,5 let. Z toho také plyne, že vnímání elmag. polí člověkem je silně individuální. Součastná věda ještě není schopna dát jednoznačnou a vyčerpávající odpověď na toto téma, proto je namístě jistá obezřetnost a dodržování daných hygienických limitů.



Zdroje:

  • přednášky předmětu 17BUP - biologické účinky elmag. pole

  • skripta teorie elektromagnetického pole I - Doc. Ing. Karel Novotný, Csc.

  • PDF nové hygienické limity a jejich praktická aplikace - Hynek Bártík

  • Nařízení vlády ČR č.480/2000 Sb. o ochraně zdraví před neionizujícím zářením

  • Tesla-životní příběh jednoho z největších světových vynálezců - Tad Wise

  • http://www.blisty.cz - ADT - Active Denial Technology

  • http://www.cs.monash.edu.au/~carlo - The Electromagnetic Bomb

  • http://www.johnstonarchive.net/environment - Microwave ovens, cellphones and cancer risks

  • http://www.quido.cz/objevy/toc.asp - Mikrovlnná trouba - historie

  • http://www.zive.sk - O škodlivosti mobilov-legenda pokračuje - Juraj Procházka

  • http://www.mobil.czk - Kde se vzaly limity záření mobilních telefonů-SAR




  • Aminokyseliny a aminokyselinové suplementy