Научное обоснование современных методов оценки экспозиции электромагнитных полей в ближней зоне (в диапазоне частот 0,3-3,0 ГГц) тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 14.02.04, кандидат наук Белая Ольга Викторовна

• Белая Ольга Викторовна
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Белая Ольга Викторовна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1. 1 Физические характеристики электромагнитных полей радиочастотного диапазона и их источники

1.2 Биологическое действие электромагнитных полей радиочастотного диапазона

1.2.1 Влияние электромагнитных полей радиочастотного диапазона на общие показатели состояния организма и функциональное состояние центральной нервной системы

1.2.2 Влияние электромагнитных полей радиочастотного диапазона на гематологические и иммунологические параметры состояния организма экспериментальных животных

1.3 Дозиметрические методы оценки воздействия электромагнитных полей радиочастотного диапазона

1.3.1 Оценка поглощения энергии электромагнитных полей радиочастотного диапазона в биологических объектах

1.3.2 Методы теоретической дозиметрии

1.3.3 Методы экспериментальной дозиметрии

1.3.4 Оценка условий экспозиции человека в ближней зоне источника

1.4 Критерии гигиенического нормирования и оценки электромагнитных полей радиочастотного диапазона

1.5 Оценка эквивалентности условий облучений различных биологических объектов

ГЛАВА 2 ПОСТАНОВКА, ОБЪЕМ, МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Постановкаисследований

2.2 Объем и методы комплексной оценки условий экспозиции

электромагнитных полей радиочастотного диапазона в ближней зоне источника

2.3 Объем и методы математического моделирования поглощения электромагнитной энергии в биологических объектах в условиях экспозиции в ближней зоне источника

2.4 Объем и методы экспериментальных исследований отдельных биологических эффектов электромагнитных полей на лабораторных животных в условиях экспозиции в ближней зоне источника

2.5 Объем и методы оценки эквивалентных условий экспозиции электромагнитных полей радиочастотного диапазона в ближней и дальней зонах источника

2.6 Общий объем исследований и методы обработки данных

ГЛАВА 3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Результаты комплексной оценки условий экспозиции электромагнитных полей радиочастотного диапазона в ближней зоне источника

3.2 Результаты математического моделирования поглощения электромагнитной энергии в биологических объектах в условиях облучения в ближней зоне источника

3.3 Результаты экспериментального изучения биологического действия электромагнитного поля радиочастотного диапазона на отдельные показатели функционального состояния крыс

ГЛАВА 4 АНАЛИЗ И ОБОБЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1 Выбор и обоснование принципов оценки биологически эквивалентных уровней экспозиции электромагнитных полей радиочастотного диапазона

4.2. Сопоставление условий экспозиции в ближней и дальней зонах источника электромагнитного поля радиочастотного диапазона

4.3 Разработка модели оценки эквивалентных уровней экспозиции электромагнитным полем в ближней и дальней зонах источника

4.4 Разработка прогностической модели определения биологически

эквивалентных условий облучения животных и человека

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ВЫВОДЫ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Научное обоснование современных методов оценки экспозиции электромагнитных полей в ближней зоне (в диапазоне частот 0,3-3,0 ГГц)»

Актуаль ность

Обеспечение сохранения здоровья человека является одним из приоритетных направлений социально-экономической политики любого государства. Согласно Федеральному закону о санитарно-эпидемиологическом благополучии населения № 52-ФЗ (Федеральный закон от 30 марта 1999 г. «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения» (в редакции, актуальной с 18 апреля 2018 г.) санитарно-эпидемиологическое благополучие населения — это состояние здоровья населения, среды обитания человека, при котором отсутствует вредное воздействие факторов среды обитания на человека и обеспечиваются благоприятные условия его жизнедеятельности. В частности, в статье 27 изложены общие санитарно-эпидемиологические требования к условиям работы с источниками физических факторов воздействия на человека.

Электромагнитное поле (ЭМП) как фактор производственной и окружающей среды является фактором риска для здоровья человека. Применение во многих сферах деятельности человека новых источников ЭМП различных частотных диапазонов, средств сотовой, и спутниковой связи, персональных компьютеров, разнообразной электробытовой и офисной техники, новых диагностических и лечебных аппаратов приводит к усложнению электромагнитной обстановки как на рабочих местах, так и в местах проживания населения. В результате интенсивного развития беспроводных технологий и активного внедрения персональных средств связи, использующих ЭМП радиочастотного диапазона (ЭМП РЧ), человек все чаще подвергается систематическому регулярному воздействию сравнительно малых интенсивностей техногенных радиочастотных ЭМП, преимущественно в диапазоне частот выше 300 МГц [93, 113]. Разработка и активное применение в производственных и бытовых условиях новых источников ЭМП РЧ, в особенности систем беспроводной связи, привело к широкому распространению

двух типов условий экспозиции человека в зависимости от расстояния: в дальней и ближней зоне. Для современных носимых средств связи нахождение человека в непосредственной близости от источника создает дополнительные сложности в оценке уровней экспозиции и их негативного влияния в связи с неоднородностью распространения излучения, обусловленного наличием ближней зоны.

Усложнение оценки электромагнитной обстановки на рабочих местах и в окружающей среде обусловливает необходимость разработки новых современных принципов и методов контроля ЭМП РЧ [4, 24, 27].

Гигиенические нормативы, являющиеся основой обеспечения сохранения здоровья работающих и населения, в России разрабатываются, как правило, на основании комплексных гигиенических, клинико-физиологических, эпидемиологических и экспериментальных исследований, причем основной вклад в обоснование безопасных уровней вносят именно последние [32, 33]. В Российской Федерации исследования, проведенные в течение длительного периода времени, послужили обоснованием дозного подхода к нормированию производственных воздействий ЭМП РЧ, который обеспечивает оценку экспозиции человека в зависимости от продолжительности воздействия. Этот подход включает в себя установление нормативных значений энергетической экспозиции с учетом времени воздействия и предельно допустимых уровней напряженности электрической (Е) и магнитной (Н) составляющих ЭМП или плотности потока энергии (ППЭ) для соответствующих частотных диапазонов [11, 22, 38], что нашло отражение в действующих гигиенических регламентах [3436]. При этом гигиеническая оценка и контроль уровней ЭМП в диапазоне частот 300 МГц - 3 ГГц осуществляются исключительно по значению ППЭ, которое полностью обеспечивает адекватность оценки только для условий сформированного поля (дальней зоны излучения).

В соответствии с международными стандартами безопасности и руководствами для гигиенической оценки ЭМП РЧ помимо величин Е, Н, и ППЭ (контролируемых параметров) используется величина удельной поглощенной мощности (УПМ) (в английской аббревиатуре SAR - specific absoption rate),

которая вводится в качестве основного ограничения («basic restriction») [86, 91]. Параметр УПМ оценивается по электрической составляющей Е в тканеэквивалентном фантоме и является количеством поглощенной электромагнитной энергии в расчете на единицу объема тела, выражаемом в Вт/кг. Применение такого подхода позволяет оценить поглощенную энергию ЭМП в объекте на различных расстояниях от источника, в том числе и в ближней зоне. В стандартах и руководствах по электромагнитной безопасности УПМ, как нормируемый параметр, отражает наиболее объективный характер распространения и поглощения энергии ЭМП РЧ в тканях, а данный подход успешно реализован в системах дозиметрии и введен в действующие Международные стандарты безопасности [86, 91]. Однако значение УПМ не является абсолютно точным, т.к. не может отразить реальные механизмы взаимодействия ЭМП с биологическими тканями и не позволяет учесть процессы метаболизма, терморегуляции, а также гетерогенность живых структур организма [76, 108].

Определение общего количества поглощенной биологическим объектом энергии и ее пространственного распределения входит в понятие дозиметрии ЭМП, которое включает дополняющие друг друга теоретические и экспериментальные методы. Теоретическая дозиметрия, в основном, базируется на вычислительных методах, которые позволяют определить величину энергии ЭМП РЧ, поглощенной объектом с учетом его формы, расположения относительно векторов электромагнитной волны, поляризации, диэлектрических свойств объектов и т.п., а также величины и структуры распределения УПМ в облучаемом объекте. Для подтверждения адекватности разработанных теоретических моделей применяются методы экспериментальной дозиметрии, направленные на выявление возможных ограничений и артефактов условий экспозиции и поглощения энергии ЭМП [98].

Характер поглощения энергии ЭМП РЧ во многом обусловливает его биологическое действие, поэтому данные дозиметрических исследований о распределении и поглощении энергии предоставляют важную информацию для

экспериментального изучения влияния ЭМП РЧ и понимания характера взаимодействия с биологическими объектами [14, 32].

Степень разработанности темы исследования

Данные медико-биологических исследований за последние 20 лет показывают противоречивость данных о биологических эффектах в зависимости от частотно-мощностных характеристик различных стандартов связи [106]. Тем не менее, в настоящее время ЭМП РЧ классифицируются как возможный канцерогенный фактор для человека по категории «2Ь» [93].

Вопрос о возможном неблагоприятном влиянии производственных воздействий ЭМП РЧ, особенно диапазона частот 0,3 -3,0 ГГц, остается изучен недостаточно, в первую очередь, в связи со сложностью структуры излучения электромагнитных полей в ближней зоне источника. Проведенные в последние годы немногочисленные исследования функционального состояния отдельных систем организма человека при воздействии в ближней зоне ЭМП, генерируемых современными средствами коммуникации, также несколько противоречивы, но все же в основном подтверждают и несколько усиливают данные, свидетельствующие о риске неблагоприятного влияния длительных воздействий ЭМПРЧ.

Необходимо также отметить, что в соответствии с действующими российскими нормативно-методическими документами, гигиеническая оценка и контроль воздействия ЭМП носимых устройств связи осуществляется на значительных расстояниях от источника, что не позволяет провести корректную оценку реальных условий экспозиции в ближней зоне. При оценке экспозиции ЭМП РЧ в ближней зоне источника необходимо учитывать не только характеристики падающей электромагнитной волны, но и поглощение энергии, ее распределение в облучаемом биологическом объекте, а также характер и направленность ответной биологической реакции (реакций).

Таким образом, проблема обеспечения производственной безопасности человека в условиях воздействия ЭМП РЧ современных источников сохраняет свою

актуальность и требует разработки новых критериев оценки фактора, особенно в ближней зоне. Исследования, включающие в себя теоретическую (численную) дозиметрию в комплексе с экспериментальным изучением биологического действия ЭМП в диапазоне частот выше 300 МГц в ближней зоне излучения и оценку эквивалентных уровней облучения, ориентированных для производственных воздействий, позволят достаточно успешно обеспечить ее решение.

Цель исследования

Обоснование и разработка усовершенствованных критериев и методов гигиенической оценки электромагнитных полей диапазона частот 0,3 - 3,0 ГГц в условиях ближней зоны излучения.

Задачи исследования

1. Комплексная оценка уровней электромагнитных полей радиочастотного диапазона в ближней зоне источника, включающая инструментальные измерения и математическое моделирование.

2. Разработка численных моделей условий облучения биологических объектов электромагнитным полем в диапазоне частот 0,3 - 3,0 ГГц и оценка характера поглощения электромагнитной энергии в ближней и дальней зонах источника на примере крысы и человека.

3. Экспериментальное изучение влияния электромагнитного поля диапазона частот 0,3-3,0 ГГц на отдельные показатели функционального состояния животных в контролируемых условиях экспозиции в ближней зоне источника.

4. Обоснование и разработка критериев эквивалентности оценки условий облучения ЭМП РЧ в ближней и дальней зонах источника при изучении биологического действия фактора и разработка прогностической модели для определения контролируемых условий воздействия.

Научная новизна и теоретическая значимость

Получены качественные и количественные характеристики поглощения энергии ЭМП в диапазоне частот 0,3 - 3,0 ГГц в ближней и дальней зонах источника излучения в теоретических (численных) моделях биологических объектов (лабораторных животных и человека).

Теоретически и экспериментально определены и сопоставлены параметры экспозиции ЭМП в ближней зоне источника диапазона частот 0,3-3,0 ГГц на примере типовой антенны базовой станции сотовой связи, работающей на частоте 1890 МГц.

Впервые проведено сопоставление данных поглощения электромагнитной энергии лабораторными животными (крысами) с результатами экспериментального изучения биологических эффектов ЭМП при уровне воздействия, близком к ранее установленному при обосновании ПДУ ЭМП от аппаратов сотовой связи порогу неблагоприятного действия фактора, что дополнительно обосновывает необходимость адекватного сопоставления условий облучения в ближней и дальней зонах источника ЭМП в диапазоне 0,3-3,0 ГГц.

Разработанный и обоснованный метод оценки эквивалентных условий облучения ЭМП при экспозиции в ближней и дальней зонах источника излучения предоставил возможность разработать прогностическую модель, направленную на совершенствование принципов контроля ЭМП в диапазоне частот 0,3 - 3,0 ГГц, в том числе в ближней зоне источника.

Практическая значимость

Материалы диссертационной работы использованы при обосновании ГОСТ ССБТ 12.4.305-2016 «Комплект экранирующий для защиты персонала от электромагнитных полей радиочастотного диапазона. Общие требования» и включены в ГОСТ ССБТ 12.4.306-2016 «Комплект экранирующий для защиты персонала от электромагнитных полей радиочастотного диапазона. Методы контроля»; при разработке проекта МР «Гигиенические подходы к контролю электромагнитных полей радиочастотного диапазона, создаваемых базовыми

станциями сухопутной подвижной радиосвязи». Материалы диссертации используются в курсе лекций повышения квалификации ГБОУ ВПО Первый МГМУ имени И.М. Сеченова «Методы контроля факторов производственной среды и трудового процесса. СОУТ».

Методология и методы исследования

Методология диссертационного исследования основана на системном подходе и направлена на совершенствование методических принципов контроля производственных воздействий электромагнитных полей радиочастотного диапазона, в первую очередь, в диапазоне частот 0,3-3,0 ГГц, для которого отсутствуют адекватные методы оценки воздействия в ближней зоне. Для решения этих вопросов использован комплекс методов математического моделирования и измерения уровней электрической и магнитной составляющей ЭМП РЧ, численной дозиметрии и экспериментальных исследований на животных по изучению биологического действия фактора, а также современные методы математической статистики.

Положения, выносимые на защиту

На основании проведенных исследований обоснована и разработана прогностическая модель, направленная на оценку биологической эквивалентности различных условий воздействия электромагнитного поля радиочастотного диапазона на человека в целях совершенствования принципов контроля уровней фактора, в том числе и для условий ближней зоны источника излучения. Предложенный подход позволяет сопоставлять уровни интенсивности облучения не только различных биологических объектов, но и для различных условий экспозиции с точки зрения их эквивалентности по биологическому эффекту.

При совершенствовании методических принципов оценки условий производственных воздействий ЭМП в диапазоне частот 0,3 - 3,0 ГГц в ближней зоне необходимо учитывать не только интенсивность падающего ЭМП, но и

параметры поглощения электромагнитной энергии в биологических объектах, что возможно с применением разработанной прогностической модели.

Степень достоверности и апробация работы

Достоверность результатов проведенного исследования подтверждается достаточным объемом исследований (в том числе экспериментальных), применением современных гигиенических, экспериментальных и математических методов исследования, в том числе методов численной дозиметрии, адекватных поставленным цели и задачам.

Основные положения диссертации были обсуждены: на международной конференции молодых ученых "Экспериментальная и теоретическая биофизика" (Пущино, 2013, 2014), конкурсе молодых ученых XII Всероссийского Конгресса «Профессия и здоровье» (Москва, 2013), IV Международной конференции "Человек и электромагнитные поля" (Саров, 2013), V Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов с международным участием «Окружающая среда и здоровье. Здоровая среда - здоровое население» (Москва, 2014), 8th International Workshop on Biological Effects of Electromagnetic Fields (Varna, 2014), XII Региональной конференции "Техногенные системы и экологические риски" (Обнинск, 2015), на конкурсе молодых ученых специалистов XIII Всероссийского Конгресса с международным участием "Профессия и здоровье" (Новосибирск, 2015), Progress In Electromagnetics Research Symposium - PIERS (Prague, 2015), Всероссийской научно-практической конференции "Актуальные вопросы организации контроля и надзора за физическими факторами" (Мытищи, 2017), XII Международной Крымской конференции "Космос и биосфера" (Алушта, 2017), II международной (XV Региональной) конференции "Техногенные системы и экологические риски" (Обнинск, 2018).

Диссертационная работа апробирована на заседании отдела по изучению гигиенических проблем в медицине труда ФГБНУ «НИИ МТ» 06.12.2018 г., протокол № 7.

Исследование выполнено в соответствии с планом выполнения фундаментальных исследований ФГБНУ «НИИ МТ» по НИР «Инновационные методические основы гигиенической регламентации и оценки физических факторов производственной и окружающей среды и их гармонизации с международными требованиями. Мероприятия по сохранению здоровья» (государственная регистрация темы № 01201255664) и «Научное обоснование критериев и методов оценки и контроля физических факторов с учетом использования средств индивидуальной защиты» (государственная регистрация темы № 115013010050).

Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в постановке проблемы, формулировании цели и задач, планировании исследований, разработке и обосновании методологических подходов, разработке экспериментальных стендов, методов исследований, в создании математических моделей, постановке исследований, получении и анализе результатов экспериментов, формулировании выводов, подготовке публикаций. Доля участия соискателя в разработке составляет 90%, проведении экспериментальных исследований 85%, обработке и анализе результатов 90%.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 27 научных работах, в том числе в 9 статьях в рецензируемых научных журналах, включенных в перечень ВАК Министерства образования и науки РФ, включая 9 работ по профилю специальности и 1 в WoS.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 128 е., содержит 20 рисунков и 19 таблиц. Список литературы включает в себя 125 источника, из них на русском языке 44, 81 наиностранных языках.

За помощь в подготовке и проведении исследований автор выражает благодарность сотрудникам ФГБНУ "НИИ МТ": д.б.н. Перову С.Ю., д.м.н. Фесенко М.А., Вуйцику П.А., д.б.н. проф. Кузьминой Л.П., к.м.н. Анварул H.A., к.м.н. Хотулевой А.Г.

ГЛАВА 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Вопросы гигиенической оценки электромагнитных полей (ЭМП) радиочастотного диапазона разрабатываются с середины XX века и в настоящее время регламентируются рядом гигиенических нормативов и стандартов безопасности на национальном и международном уровнях. Тем не менее, возрастающее разнообразие способов применения электромагнитной энергии сохраняет актуальность проблемы электромагнитной безопасности человека, одной из особенностей которой является экспозиция человека в условиях ближней зоны источника ЭМП. В связи с этим анализ литературных источников проводился по следующим направлениям, включая:

- обзор особенностей условий облучения человека электромагнитными полями радиочастотного диапазона в ближней зоне современных источников;

- подходы и критерии оценки условий воздействия электромагнитных полей на различные биологические объекты, в особенности, условий ближней зоны;

- данные медико-биологических исследований отдельных эффектов воздействия электромагнитных полей радиочастотного диапазона современных источников излучения на живые организмы.

1.1 Физические характеристики электромагнитных полей радиочастотного диапазона и их источники

Электромагнитные поля радиочастотного диапазона (ЭМП РЧ) охватывают частоты от 30 кГц до 300 ГГц, относящиеся к области неионизирующих излучений электромагнитного спектра. Электромагнитную волну, в виде которой происходит распространение в пространстве периодических колебаний электромагнитных полей, принято представлять векторами напряженности электрического поля (Е), напряженности магнитного поля (Н) и вектором Умова-Пойтинга (к - вектора распространения волны) [14, 17]. Частота колебаний /,

длина волны X и скорость распространения волны в среде V связаны соотношением (1.1):

/ = т =

(1.1)

А

Особенности процессов формирования электромагнитной волны и излучения ее в пространство позволяют рассмотреть (рисунок 1.1) несколько областей вокруг источника ЭМП РЧ, характеризующиеся различным соотношением между излучаемой и реактивной (неизлучаемой) мощностью. В общем случае можно выделить ближнюю (зона индукции), промежуточную и дальнюю (волновую) зоны [14], плавно переходящие друг в друга и не имеющие резких границ, которые приближенно могут быть определены по соотношению длины формируемой электромагнитной волны и размерами источника.

Рисунок 1.1 - Ближняя и дальняя зоны источника ЭМП: Б - наибольший размер источника, X - длина волны ЭМП

Вблизи излучающей антенны расположена ближняя зона, которая характеризируется неоднородностью распространения и неявными соотношениями между составляющими ЭМП, в ней можно выделить реактивную зону и зону излучения (зона Френеля) [124]. В реактивной зоне, непосредственно окружающей антенну, наблюдаются произвольные амплитудно-фазовые соотношения между векторами магнитной и электрической составляющих. Для источников, апертура которых значительно больше длины излучаемого волны, можно выделить ближнюю зону излучения (зону Френеля), в которой значительна

доля излучаемой энергии, но структура поля еще не сформирована Для источников, размеры которых малы по сравнению с длиной малы, эта зона может отсутствовать [124].

На значительном расстоянии от источника расположена дальняя зона (зона Фраунгофера), которая характеризуется распространением сформированной электромагнитной волны с плоским волновым фронтом и заданной диаграммой направленности. В этой области вектора напряженностей электрического Е и магнитного Н полей находятся в фазе, их амплитуды имеют постоянное соотношение, известное как импеданс свободного пространства и составляющий порядка Z0 = 377 Ом, причем вектора Е, Н и к взаимно ортогональны. Перенос энергии электромагнитной волны происходит в направление вектора к, величина которого определяет энергетическую характеристику волны - плотность потока энергии (ППЭ), показывающей количество энергии, проходящей за единицу времени через единицу площади, нормально расположенную к вектору k [14].

В таблице 1. 1 представлены сравнительные характеристики ближней, промежуточной и дальней зон источника ЭМП РЧ.

Таблица 1.1 - Сравнение зон излучения вокруг источника ЭМП РЧ, по данным [51]

Характеристика Ближняя зона Промежуточная зона Дальня зона

Граница, г -расстояние от источника ( Л 0 < r < max D D2 1 41 J ( Л ( \ 1 51 max D < r < max 5D D2 0,6D2 V 41 у vi/ ( \ 51 max 5D < r 0,6D2 vi/

Ортогональность векторов Е иН нет Фактически да да

Волновой импеданс Ъ = Е/Н Z * Z 0 Z ~ Z о Z = Z 0

Измеряемые величины ЕиН Е или Н E или H

При практическом применении ЭМП РЧ в производственных и бытовых условиях возможные условия экспозиции человека определяются не только параметрами ЭМП источника (мощность, спектральный состав, вид модуляции, поляризация, временной режим работы, диаграмма направленности), но и расположением места нахождения человека относительно источника, а также влиянием окружающий среды на излучаемое ЭМП, которое может быть существенно искажено из-за процессов отражения и дифракции. Развитие и активное практическое внедрение новых источников ЭМП РЧ, в особенности систем беспроводной связи, основными функциональными элементами которых являются базовые станции и абонентские терминалы, привело к широкому распространению двух типов условий экспозиции человека в зависимости от расстояния: в дальней и ближней зоне.

Развитие технологий беспроводной передачи данных посредством ЭМП РЧ и активное внедрение их в разнообразные сферы деятельности человека обусловливает повышение уровней облучения различных контингентов лиц ЭМП преимущественно в диапазоне от 300 МГц - 3 ГГц. Основными источниками ЭМП выступают системы персональной подвижной радиосвязи (сотовая, транкинговая, спутниковая связь, беспроводная телефония, профессиональные радиостанции) и беспроводных сетей различного радиуса действия и назначения, а также системы широковещания. Частотный диапазон, интенсивность, параметры модуляции, временной режим работы и другие характеристики ЭМП РЧ, создаваемых подобными системами, определяются конкретным стандартом беспроводной передачи данных.

В современных системах сотовой связи наиболее распространенными являются цифровые стандарты GSM 900/1800 (890-960 и 1710-1880 МГц), CDMA-2000 (1900-2100 МГц), UMTS (1885- 2220 МГц) и LTE (791-862, 1710 - 1880 и 2500 - 2690 МГц). Цифровой стандарт беспроводной телефонной связи DECT работает в диапазонах частот 1880—1900 МГц (основной для стран Европы), 1900 - 1980 и 2010 - 2025 МГц, 902 - 928 и 2400 - 2483,5 МГц (США). Цифровой

стандарт транкннговой связи TETRA, используемый для построения сетей беспроводной профессиональной мобильной радиосвязи, работает в диапазоне 100-900 МГц.

Одним из интенсивно развивающихся направлений является создание беспроводных сетей передачи данных между различными вычислительными устройствами, включая средства персональной радиосвязи, компьютеры, бытовую и офисную технику, а также системы промышленной автоматизации. Большое разнообразие беспроводных технологий посредством ЭМП РЧ обеспечивает организацию множества современных беспроводных сетей передачи данных [13].

Характер взаимодействия внешнего ЭМП РЧ с объектом, в частности соотношение процессов отражения и поглощения энергии, во многом обусловлен его электрическими свойствами, которые выражаются относительной диэлектрической проницаемостью s и проводимостью о, существенно меняющихся с частотой внешнего ЭМП РЧ. Электрические свойства биологических тканей во многом определяются содержанием в них воды, которая характеризуется высокой диэлектрической проницаемостью и проводимостью. Поэтому выделяют ткани с большим содержанием воды (свыше 80 %), такие как кровь, мышцы, кожа, и ткани с малым содержанием воды (жировая, костная ткань, желтый костный мозг и др.). К настоящему времени наиболее полная база данных о свойствах биологических тканей представлена в работе Gabriel C., Gabriel S. [79]. Все биологические ткани с точки зрения их макроскопических магнитных свойств являются очень слабыми диа- или парамагнетиками с относительной магнитной проницаемостью ц, практически не отличающейся от воздуха и равной 1, а магнитной проводимостью равной нулю [41].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Белая Ольга Викторовна, 2019 год

источника

Выбор и обеспечение уровней интенсивности фактора, воздействию которого планируется подвергать биологические объекты, является необходимым этапом проведения исследований. В соответствии с поставленными в работе задачами оценка уровней экспозиции ЭМП РЧ в ближней зоне источника включала как численное моделирование, так и инструментальные измерения.

В исследованиях в качестве источника ЭМП РЧ была выбрана типовая антенна базовой станции панельного типа КАТНЯЕЩ 739495 (КАТНЯЕЩ^егке КО, Германия). Рабочий диапазон частот антенны - 1710 - 1990 МГц, входной импеданс 50 Ом, габаритные размеры 1302*155*49 мм. Излучающие элементы антенны представляли собой полуволновые диполи расположенные над металлическим экраном под углом 45° друг к другу.

Оценка условий экспозиции ЭМП РЧ в ближней зоне источника проводилась по напряженности электрической и магнитной составляющих ЭМП на частоте 1890 МГц.

В исследованиях использовались два уровня экспозиции ЭМП РЧ в ближней зоне, выбор которых основывался на их соотнесении с величиной ППЭ, установленной действующими отечественными гигиеническими нормативами для рассматриваемой частоты, и различавшихся между собой в 2 раза. Интенсивность первого уровня воздействия сопоставлялась с уровнем 250 мкВт/см , превышающем в 10 раз ПДУ для 8-ми часовой рабочей смены и в 2,5 раза - ПДУ для облучения головы человека для аппаратов сотовой связи. Интенсивность второго воздействия сопоставлялась с уровнем 500 мкВт/см , соответствующим двадцатикратному превышению ПДУ для 8-ми часовой рабочей смены и, соответственно, уровню, установленному в качестве порога вредного действия в ранее проведенных исследованиях по обоснованию ПДУ ЭМП для аппаратов

сотовой связи. Таким образом, использовалось воздействие ЭМП РЧ двух уровней:

- "I уровень интенсивности" в ближней зоне источника ЭМП РЧ составлял по напряженности электрического 30,70 В/м и магнитного поля - 0,08 А/м, что соответствовало ППЭ 250 мкВт/см в дальней зоне.

- "II уровень интенсивности" в ближней зоне источника ЭМП РЧ составлял по напряженности электрического 43,42 В/м и магнитного поля - 0,12 А/м, что соответствовало ППЭ 500 мкВт/см .

Для обеспечения выбранных условий экспозиции лабораторных животных в эксперименте был разработан лабораторный стенд на основе антенны базовой станции, аналогового генератора СВЧ-сигналов N5181A MXG (Agilent Technologies, США), усилителя ZHL-42W (Mini-Circuits, США), мсточника питания DC: GPR-6060D (GW Instek, КНР) и кабельных сборок Huber+Suhner (HUBER+SUHNER AG, Швейцария). Для контроля уровней мощности в антенне использовался двунаправленный ответвитель мощности 778D-011 (Agilent Technologies, США) и двухканальный измеритель мощности E4419B (Agilent Technologies, США).

Схема экспериментального стенда оценки условий экспозиции ЭМП РЧ в эксперименте представлена на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 - Схема оценки уровней экспозиции ЭМП РЧ в экспериментальном

стенде облучения лабораторных животных

Измерения уровней ЭМП РЧ в ближней зоне источника, соответствовавшей области размещения лабораторных животных в эксперименте, осуществлялись с помощью автоматизированной системы DAS Y 52 NEO («SPEAG AG», Швейцария) с использованием миниатюрных изотропных зондов (таблица 2.1; рисунок 2.3): зонд ER3DV6 (SPEAG AG, Швейцария) - для измерения среднеквадратичного значения электрической составляющей и зонд H3DV6 (SPEAG AG, Швейцария) - для измерения среднеквадратичного значения магнитной составляющей.

Таблица 2.1 - Основные характеристики измерительных зондов используемых в системе автоматизированной дозиметрии «DASY 52 NEO» для измерения в ближней зоне

Параметры ER3DV6 [74] H3DV6 [83]

Измерительный диапазон, МГц 40 - 6 000 200 - 3 000

Динамический диапазон 2 - 1000 В/м 0,1 - 2 A/M (1 ГГц)

Общая длина/диаметр зонда, мм 337 / 12

Длина/диаметр измерительной части, мм 16 / 8 40/6

Калибровка по стандарту ISO/IEC 17025

Рисунок 2.3 - Схема устройства миниатюрных изотропных зондов [52,74,83]

Измерения уровней напряженности электрического и магнитного полей проводились вблизи направленной антенны на расстоянии от 10 до 210 мм с шагом 20 мм, где проводилось плоскостное сканирование в горизонтальной плоскости, параллельной поверхности антенны, с шагом 20 мм. Область сканирования в каждой плоскости занимала площадь 320*1460 мм , соответствовавшую размерам источника и перекрывавшую всю область диаграммы направленности антенны.

Разработка и расчет численных моделей источника ЭМП РЧ и уровней экспозиции ЭМП РЧ в ближней зоне осуществлялись с использованием программного продукта SEMCAD X v.14.8 («SPEAG AG», Швейцария), для расчета использовался метод конечных разностей во временной области (КРВО) при поддержке высокопроизводительных вычислительных систем NVIDIA Tesla C2057 («NVIDIA Corporation», США).

2.3 Объем и методы математического моделирования поглощения электромагнитной энергии в биологических объектах в условиях экспозиции электромагнитных полей радиочастотного диапазона в ближней зоне

источника

В рамках анализа условий экспозиции ЭМП РЧ различных биологических объектов в ближней зоне источника оценивалось поглощение электромагнитной энергии в теле человека и лабораторных крыс. Разработка численных моделей условий облучения биологических объектов осуществлялась с использованием программного продукта SEMCAD X v.14.8 («SPEAG AG», Швейцария) на основе разработанной на первом этапе исследований численной модели антенны.

В качестве биологических объектов (рисунок 2.4) использовались численные гетерогенные модели лабораторных крыс самцов (масса 198 г, длина тела 185 мм, 61 ткань) и взрослого мужчины (модель "Duke", вес 70,2 кг, рост 1,77 м, возраст 34 года, 77 тканей), которые разработаны Фондом по исследованию информационных технологий в обществе при Федеральном политехническом

институте Цюриха («IT'IS Foundation», Швейцария) [121]. Физические характеристики основных тканей животных и человека, выбранные из специализированной базы данных [80, 102] для частоты 1890 МГц, представлены в таблице 2.2.

Рисунок 2.4 - Численные фантомы биологических объектов, использованные при математическом моделировании: а) - модель взрослого

мужчины; б) - модель самца крысы

Таблица 2.2 - Физические характеристики биологических тканей численных моделей

Наименование ткани Диэлектрическая проницаемость s Электрическая проводимость а, См/м Плотность р, кг/м3

Надпочечники 58,541 0,963 1027,50

Мочевой пузырь 49,950 1,75 1023,61

Кровеносные сосуды 49,2131 2,106 1049,75

Кость 11,723 0,291 1908,00

Наименование ткани Диэлектрическая проницаемость е Электрическая проводимость а, См/м Плотность р, кг/м3

Костный мозг 10,6242 0,3634 1028,50

Нервная ткань 30,756 0,874 1075,00

Головной мозг (кора больших полушарий) 45,907 1,759 1045,00

Хрящевая ткань 40,008 1,347 1099,50

Мозжечок 45,907 1,759 1045,00

Ликвор 67,070 2,989 1007,00

Соединительная ткань 44,097 1,261 1026,50

Решетчатая кость 11,723 0,291 1908,00

Внутриглазная жидкость 68,529 2,086 1004,50

Роговица 52,594 1,914 1050,50

Хрусталик 34,553 0,825 1075,50

Склера 53,423 1,654 1032,00

Слезная железа 58,541 0,963 1027,50

Стекловидное тело 68,529 2,086 1004,50

Жировая ткань 10,993 0,199 911,00

Железы 58,541 0,963 1027,50

Сердце 56,089 1,834 1080,80

Гипофиз 58,01 1,559 1053,00

Межпозвоночные диски 40,728 1,459 1099,50

Почки 54,159 2,012 1066,25

Толстая кишка 54,958 1,635 1088,00

Печень 44,032 1,339 1078,75

Легкие 20,874 0,658 394,00

Средний мозг 45,907 1,759 1045,50

Мышечная ткань 53,431 1,391 1090,40

Коготь 11,723 0,291 1908,00

Периферические нервы 30,756 0,874 1075,00

Пищевод 63,075 1,762 1040,00

Поджелудочная железа 58,01 1,559 1086,50

Кожа 38,729 1,221 1109,00

Тонкая кишка 53,673 2,757 1030,00

Спинной мозг 30,756 0,874 1075,00

Селезенка 53,631 1,839 1089,00

Желудок 63,075 1,762 1088,00

Сухожилия/связки 44,097 1,262 1142,00

Наименование ткани Диэлектрическая проницаемость s Электрическая проводимость а, См/м Плотность р, кг/м3

Семенники 58,453 1,751 1082,00

Тимус 51,086 0,868 1023,00

Язык 53,432 1,425 1090,40

Зубы 11,723 0,291 2180,00

Мочеточник 43,228 1,112 1101,50

Трахея 40,398 1,156 1080,00

Для расчета численных моделей использовался метод конечных разностей во временной области (КРВО) при поддержке высокопроизводительных вычислительных систем NVIDIA Tesla C2057 («NVIDIA Corporation», США).

2.4 Объем и методы экспериментальных исследований отдельных биологических эффектов электромагнитных полей на лабораторных животных в условиях экспозиции электромагнитных полей радиочастотного

диапазона в ближней зоне источника

Исследования проводились с использованием лабораторного стенда (рисунок. 2.5), позволяющего осуществлять облучение животных с выбранными уровнями интенсивности ЭМП РЧ в ближней зоне источника.

Генератор СВЧ сигнаж

Усилитель

Источник питания

Рисунок 2.5 - Схема лабораторного стенда облучения лабораторных животных

Эксперименты на животных осуществлялись в соответствии с требованиями приказа Минздрава СССР №755 от 12.08.1977 г. «Правила проведения работ с

использованием лабораторных животных» и Хельсинкской декларации (2000 г.). Было проведено две серии облучения в условиях подострых воздействий ЭМП РЧ частотой 1890 МГц. В первой серии уровень экспозиции ЭМП в ближней зоне источника составлял "I уровень интенсивности", соответствовавший ППЭ 250 мкВт/см в дальней зоне, а во второй - "II уровень интенсивности", соответствовавший ППЭ 500 мкВт/см в дальней зоне.

Объект исследования - белые беспородные крысы-самцы (всего 96 особей). После предварительного отбора по массе тела (200 и 350 г в первой и во второй сериях, соответственно) животные были распределены на группы по 12 крыс в каждой с параллельным контролем (мнимое облучение) для каждой серии. Общая схема проведения экспериментальных исследований приведена на рисунке 2.6.

Электромагнитное поле

радиочастотного диапазона

1 г г

I уровень II уровень

интенсивности 1 интенсивности 1

Истинное облучение

Мнимое облучение

10 дней

12 крыс

20 дней

12 крыс

Истинное облучение

10 дней

12 крыс

20 дней

12 крыс

10 дней

12 крыс

20 дней

12 крыс

Мнимое | облучение | -Ж—

10 дней

12 крыс

20 дней

12 крыс

Оценка биологических эффектов

Рисунок 2.6 - Схема проведения экспериментальных исследований на

животных

В первой серии исследования были использованы 48 животных. Крыс облучали ЭМП с I уровнем интенсивности по 2 часа в день, 5 дней в неделю в

течение месяца. Были использованы 4 группы крыс по 12 особей в каждой (рисунок 2.6):

- истинное облучение, 10 дней;

- истинное облучение, 20 дней:

- мнимое облучение, 10 дней;

- мнимое облучение, 20 дней

Во второй серии исследования были использованы 48 крыс. Животных облучали ЭМП со II уровнем интенсивности по 3 часа в день, 5 дней в неделю в течение месяца. Аналогично условиям первой серии были использованы 4 группы крыс по 12 особей в каждой.

При облучении животные размещались в индивидуальных ячейках специальных контейнеров, изготовленных из радиопрозрачного материала (плексигласа) в зоне ЭМП с заданными параметрами. Постановка исследования позволяла осуществлять одновременную экспозицию животных при заранее определенных инструментально контролируемых уровнях ЭМП.

Мнимое облучение животных осуществлялось в те же временные интервалы в идентичных условиях (при отсутствии ЭМП).

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.

Оценка функционального состояния организма крыс осуществлялась по динамике массы тела, функциональному состоянию ЦНС (по параметрам ориентировочно-исследовательской активности) и гематологическим показателям.

Оценка состояния ЦНС животных по параметрам ориентировочно-исследовательской активности крыс проводилась с помощью модифицированного метода открытой площадки («норкового» рефлекса) с расчетом интегрального показателя «энтропии» после 1, 5, 10 и 20 дней истинного/мнимого облучения. Исследования поведенческих показателей животных проводились на установке

"Открытое поле", представляющей собой арену круглой формы диаметром 97 см и высотой - 42 см. В полу арены равномерно расположены 9 отверстий диаметром 4 см. В ходе тестирования животное помещалось в центр арены, и в течение 180 сек визуально подсчитывалось количество двигательных реакций, оцениваемых в балльной системе; 1 - обнюхивание; 2 - вертикальная стойка; 3 - груминг (умывание); 4 - неподвижность; 5 - вращение; 6 - заглядывания в отверстия -норки.

Показатель энтропии поведения животных рассчитывался в соответствии с формулой (2.1):

6

Энтропия = ^ (^ Показателе ) • Bec.Koэффuцueнmi (2.1)

г =1 n

Заборы крови проводились при декапитации животных после 10 и 20 дней истинного/мнимого облучения. Общий анализ крови животных осуществлялся на гематологическом анализаторе SYSMEX XT-2000i («Sysmex Corporation», Япония). Результаты обобщались по группам и обрабатывались статистически.

2.5 Объем и методы оценки эквивалентных условий экспозиции электромагнитных полей радиочастотного диапазона в ближней и дальней

зонах источника

Для сопоставления условий облучения ЭМП РЧ в ближней и дальней зонах источника проводилось численное моделирование условий облучения ранее рассмотренных биологических объектов (крыса и человек) в дальней зоне с расчетом поглощения энергии ЭМП.

Разработка численных моделей условий облучения биологических объектов осуществлялась с использованием программного продукта БЕМСАО X у.14.8 («БРЕЛО АС», Швейцария). Условия облучения биологических объектов ЭМП РЧ в дальней зоне моделировались падающей плоской электромагнитной волной с заданной интенсивностью (250 и

500 мкВт/см ). В качестве биологических

объектов (см. рисунок 2.4) использовались численные гетерогенные модели лабораторных крыс самцов и взрослого мужчины, рассмотренные ранее в п. 2.3. Физические характеристики основных тканей животных и человека, выбранные из специализированной базы данных [80, 102] для частоты 1890 МГц, представлены в таблице 2.2. Для расчета численных моделей использовался метод конечных разностей во временной области (КРВО) при поддержке высокопроизводительных вычислительных систем NVIDIA Tesla C2057 («NVIDIA Corporation», США).

2.6 Объем исследований и методы обработки данных

Объем проведенных измерений уровней ЭМП РЧ в ближней зоне источника составил 55 352 точки; было разработано и рассчитано 14 численных моделей, в том числе 6 моделей изучения возможных уровней экспозиции в ближней зоне источника, 4 модели условий облучения лабораторных животных и 4 модели условий облучения человека. Было проанализировано около 6630 дозиметрических параметров поглощения электромагнитной энергии в биологических объектах.

В экспериментальных исследованиях по изучению биологического действия ЭМП на отдельные показатели функционального состояния организма животных общий объем анализируемых данных составил 2784 показателя.

Предварительная обработка данных численного моделирования проводилась с использованием методов, включенных в программный продукт SEMCAD X 18. Статистическая обработка экспериментальных данных осуществлялась с использованием прикладных программных пакетов MATLAB R2010a (The MathWorks, США), STATISTICA 7.0 (StatSoft, США) и Excel 2003 (Microsoft, США). Оценка статистической достоверности различий в оцениваемых показателях функционального состояния организма экспериментальных животных проводилась по критерию Манна-Уитни и t-критерий Стьюдента, а различия принимались достоверными при p<0,05.

ГЛАВА 3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В ходе решения поставленных задач на первом этапе была проведена комплексная оценка условий экспозиции ЭМП РЧ в ближней зоне источника с помощью численного моделирования и инструментальных измерений в лабораторных условиях. Разработанные математические модели условий облучения были верифицированы с экспериментальными данными и послужили основой для последующего проведения численной дозиметрии и исследований на животных.

При заданных уровнях экспозиции ЭМП РЧ, соответствующим результатам инструментальной оценки, проводилась численная дозиметрия поглощения электромагнитной энергии в различных биологических объектах в условиях облучения ближней зоне источника.

В рамках экспериментального изучения биологического действия на животных ЭМП РЧ заданной интенсивности исследовалась динамика изменений в составе крови и состоянии центральной нервной системы облученных лабораторных крыс.

3.1 Результаты комплексной оценки условий экспозиции электромагнитных полей радиочастотного диапазона в ближней зоне источника

В соответствии с задачами исследования оценка уровней экспозиции ЭМП РЧ в ближней зоне источника включала как численное моделирование, так и лабораторные инструментальные измерения.

Исследования в ближней зоне проводись при двух заданных уровнях экспозиции ЭМП РЧ, соответствующих величинам среднеквадратичного значения ППЭ в дальней зоне 250 и 500 мкВт/см . Выбранная из диапазона ЭМП 0,3 - 3,0 ГГц частота соответствовала 1890 МГц.

Интенсивности облучения ЭМП РЧ в ближней зоне источника сопоставлялись с заданными уровнями экспозиции 250 и 500 мкВт/см по напряженности электрической и магнитной составляющих, величина которых для условий дальней зоны составляет 30,70 и 43,42 В/м и 0,08 и 0,12 А/м, соответственно.

Для обеспечения заданных уровней воздействия в качестве источника ЭМП РЧ была выбрана типовая антенна базовой станции панельного типа, прототипом которой явилась направленная антенна KATHREIN 739495 (KATHREIN-Werke KG, Германия).

По конструкции и геометрическим размерам излучающих элементов панельной антенны была разработана численная модель источника ЭМП РЧ, включающая полуволновые диполи над металлическим экраном, расположенные под углом 45° друг к другу.

Оценка условий экспозиции ЭМП РЧ в ближней зоне источника проводилась по величинам напряженности электрического и магнитного полей на расстоянии 1 - 21 см от антенны.

При инструментальной оценке уровней экспозиции с помощью изотропных зондов и численном расчете моделей облучения в ближней зоне источника рассматривалась область пространства объемом 1460*320*200 мм .

Результаты комплексной оценки условий экспозиции ЭМП РЧ в ближней зоне источника представлены на рисунках 3.1 и 3.2, которые отражают характер изменения усредненных уровней электрической и магнитной составляющих ЭМП с удалением от источника при различных уровнях экспозиции.

Для I уровня интенсивности (рисунок 3.1) расхождение напряженности электрического поля в ближней зоне источника от соответствующей величины в дальней зоне составило не более 20% на расстояниях от 2 до 8 см от источника по данным измерений и на расстояниях от 3 до 9 см - по данным моделирования. Аналогично для II уровня интенсивности (рисунок 3.2) - на расстояниях от 1 до 7 см по данным измерений и на расстояниях от 2 до 8 см по данным моделирования.

Рисунок 3.1 - Изменение напряженности электрической и магнитной составляющих ЭМП в ближней зоне антенны по результатам моделирования и измерений (частота 1890 МГц, I уровень интенсивности).

Область размещения биологических объектов располагалась на расстоянии 5 см от корпуса антенны, где величина напряженности электрического поля для уровня I уровня интенсивности по результатам измерений составила 28,55 В/м, а для II уровня интенсивности - 38,04 В/м, что на 10% меньше соответствующих результатов моделирования (31,72 и 42,29 В/м).

Усредненные уровни напряженности магнитного поля на расстоянии 5 см от источника по результатам измерений составили 0,08 А/м для I уровня интенсивности и 0,10 А/м для II уровня интенсивности, что было выше, чем

соответствующие результаты математического моделирования (0,07 и 0,09 А/м) не более, чем на 7 %.

Рисунок 3.2 - Уровни напряженности электрической и магнитной составляющей ЭМП РЧ в ближней зоне антенны по результатам моделирования и измерений (частота 1890 МГц, II уровень интенсивности).

На всех исследуемых расстояниях от источника различия между результатами измерений и моделирования условий экспозиции ЭМП РЧ в ближней зоне составило не более 20%.

Полученные данные математического моделирования условий экспозиции ЭМП РЧ показывают приемлемую сопоставимость с результатами инструментальной оценки напряженности электрической и магнитной составляющей ЭМП. Однако можно отметить, что разработанные модели условий экспозиции в ближней зоне источника позволяют прогнозировать уровни

магнитной составляющей ЭМП с меньшей погрешностью, чем уровни электрической составляющей.

3.2 Результаты математического моделирования поглощения электромагнитной энергии в биологических объектах в условиях облучения

в ближней зоне источника

Дозиметрия ЭМП РЧ включает количественную оценку поглощения электромагнитной энергии в облучаемом объекте и исследование особенностей ее распределение внутри него. Подобные исследования являются важным этапом при оценке воздействия фактора на биологический объект в условиях эксперимента.

Наиболее подходящим в условиях решаемых задач дозиметрии был выбран метод математического моделирования на основе численных расчетов. С помощью моделирования возможно провести дозиметрическую оценку условий облучения экспериментальных животных и прогнозировать характер воздействия заданных условий экспозиции ЭМП РЧ на человека.

Соответственно разработанные модели условий облучения в ближней зоне источника послужили основой для моделирования процессов поглощения энергии ЭМП в различных биологических объектах.

В дозиметрических исследованиях рассчитывались численные модели облучения биологических объектов ЭМП РЧ в ближней зоне антенны, схемы которых представлены на рисунке 3.3.

В качестве параметров дозиметрической оценки определялись средние значения УПМ во всем теле биологического объекта или отдельных органах и тканях, а также пиковые локальные значения УПМ10, усредненные на 10 г ткани биологического объекта.

Результаты численной дозиметрии (определения величины УПМ) в теле и отдельных органах лабораторных животных (крыс) представлены в таблице 3.1.

а) б)

Рисунок 3.3 - Схемы численных моделей экспериментального облучения животных (а) и человека (б) в ближней зоне источника ЭМП РЧ Таблица 3.1 - Результаты численной дозиметрии - величины УПМ в теле и отдельных органах лабораторных животных

Тело/орган Средние значения УПМ, мВт/кг

I уровень II уровень

Все тело 22,13 ± 1,44 39,31 ± 2,56

Головной мозг 48,55 ± 6,79 86,42 ± 12,13

Гипофиз 68,81 ± 7,21 121,86 ± 12,81

Средний мозг 41,85 ± 4,32 73,91 ± 7,66

Мозолистое тело 13,97 ± 2,27 24,49 ± 3,96

Кора б. п. головного мозга 47,60 ± 7,64 84,15 ± 13,54

Мозжечок 23,65 ± 2,14 41,73 ± 3,79

Спинной мозг 15,83 ± 2,05 28,14 ± 3,65

Тимус 36,02 ± 1,83 63,79 ± 3,28

Костный мозг 12,25 ± 0,84 21,81 ± 1,49

Надпочечники 8,14 ± 0,33 14,44 ± 0,58

Селезенка 25,61 ± 3,48 45,67 ± 6,21

Неоднородный характер распределения и поглощения энергии ЭМП РЧ гетерогенными объектами отражен также в пространственных структурах распределения величин УПМ в теле животного, облучаемого в ближней зоне (рисунки 3.4 и 3.5).

УПМ, Вт/кг

Рисунок 3.4 - Распределение УПМ в теле животного для условий облучения в ближней зоне источника ЭМП РЧ (II уровень интенсивности, частота 1890 МГц)

Рисунок 3.5 - Распределение УПМ в теле животного для условий облучения в ближней зоне источника ЭМП РЧ (I уровень интенсивности, частота 1890 МГц)

Как видно из представленных на рисунках 3.4. и 3.5 данных распределения уровне5й УПМ в теле животных, в условиях ближней зоны наибольшее поглощение энергии наблюдается в области головы животного.

При II уровне интенсивности ЭМП РЧ локальные значения УПМ10 составили 151,16 ± 15,55 мВт/кг в условиях ближней зоны.

Результаты численного моделирования облучения человека ЭМП РЧ, в условиях, аналогичных рассмотренным выше, представлены в таблице 3.2 и на рисунке 3.6. При II уровне интенсивности ЭМП РЧ значение УПМ, усредненное на все тело, составило 2,88 ± 0,43 мВт/кг в условиях ближней зоны и 29,39 ± 4,41 мВт/кг в условиях дальней зоны. Для всех исследуемых условий облучения средние значения УПМ для отдельных органов, рассмотренных в таблице 3.2, не превышают соответствующий средний уровень поглощения на все тело.

Таблица 3.2 - Результаты численной дозиметрии - величины УПМ в теле и отдельных органах человека

Тело/орган Средние значения УПМ, мВт/кг

I уровень II уровень

Все тело 1,622 ± 0,243 2,883 ± 0,432

Головной мозг 0,361 ± 0,054 0,642 ± 0,096

Гипофиз 0,066 ± 0,010 0,117 ± 0,018

Мозжечок 0,330 ± 0,050 0,587 ± 0,088

Гиппокамп 0,442 ± 0,066 0,785 ± 0,118

Гипоталамус 0,330 ± 0,050 0,588 ± 0,088

Средний мозг 0,196 ± 0,029 0,349 ± 0,052

Продолговатый мозг 0,100 ± 0,015 0,177 ± 0,027

Серое вещество головного мозга 1,411 ± 0,212 2,509 ± 0,376

Белое вещество головного мозга 0,744 ± 0,112 1,322 ± 0,198

Эпифиз 0,144 ± 0,022 0,256 ± 0,038

Спинной мозг 0,055 ± 0,008 0,098 ± 0,015

Тимус 1,132 ± 0,170 2,012 ± 0,302

Костный мозг 0,688 ± 0,103 1,224 ± 0,184

Надпочечники 0,002 ± 0,000 0,004 ± 0,001

Селезенка 0,040 ± 0,006 0,072 ± 0,011

Согласно данным таблицы 3.2 наибольшее среднее значения УПМ для отдельного органа при облучении в ближней зоне наблюдалось в тимусе и составило 2,01 ± 0,30 мВт/кг (II уровень экспозиции). Наименьшие средние значения УПМ наблюдались в надпочечниках (0,004 ± 0,001 мВт/кг).

При II уровне интенсивности ЭМП РЧ локальные значения УПМ10 составили в условиях ближней зоны 294,86 ± 44,23 мВт/кг.

Рисунок 3.6 - Распределение УПМ в теле человека для условий облучения в ближней зоне источника ЭМП РЧ: частота 1890 МГц, а) - I уровень интенсивности, б) - II уровень интенсивности

Полученные результаты численной дозиметрии отражают практически двукратное увеличение УПМ для одного и того же объекта при увеличении уровня интенсивности облучения ЭМП РЧ с I до II. Причем, значения УПМ в теле и тканях человека меньше, чем у крысы. Однако полученные по результатам моделирования пространственно усредненные значения УПМю, рассчитанные в теле человека, больше соответствующих значений для животных. Тем не менее, полученные величины УПМю значительно меньше значения 10 Вт/кг, установленного как базовое ограничение в международных стандартах [59,86,91], из чего следует, что исследуемые условия облучения ЭМП РЧ являются нетепловыми как по интенсивности внешнего воздействия, так по дозиметрическим параметрам.

3.3 Результаты экспериментального изучения биологического действия

электромагнитного поля радиочастотного диапазона на отдельные показатели функционального состояния крыс

Как представлено в разделе 2.4, экспериментальное изучение влияния подострых воздействий ЭМП РЧ в ближней зоне источника на функциональное состояние организма животных оценивалось в динамике по показателям ориентировочно-исследовательской активности и гематологическим показателям.

Результаты оценки изменений основных показателей ориентировочно-исследовательской активности по группам после 1, 5, 10 и 20 сеансов истинного или мнимого воздействия представлены в таблицах 3.3 и 3.4.

Как видно из полученных данных, суммарный показатель ориентировочно-исследовательской активности («энтропия» норкового рефлекса) у крыс, подвергавшихся воздействию ЭМП, при I уровне экспозиции был снижен по сравнению с контролем после 10 сеансов воздействия ф<0,05), тогда как при уровне экспозиции II статистически достоверное снижение этого показателя отмечалось уже после 5 сеансов облучения и сохранялось после 10 сеансов Ф<0,01).

Таблица 3.3 - Результаты исследования ориентировочно-исследовательской активности животных по отдельным

составляющим показателя "энтропии" в динамике наблюдения при I уровне экспозиции (* - p<0,05; **- р<0,01)

Показатель 1 день 5 день 10 день 20 день

контроль опыт контроль опыт контроль опыт контроль опыт

Обнюхивание 10,83 ± 1,31 8,33 ± 1,54 9,33 ± 1,50 5,67 ± 0,88* 4,25 ± 0,53 4,67 ± 0,72 6,58 ± 1,27 4,83 ± 0,71

Вертикальная стойка 1,33 ± 0,54 1,33 ± 0,94 3,17 ± 1,16 1,67 ± 1,14 0,67 ± 0,30 0,33 ± 0,25 1,67 ± 0,72 1,67 ± 0,75

Груминг 5,00 ± 1,24 3,25 ± 1,19 5,75 ± 1,52 3,00 ± 1,40 2,50 ± 1,15 1,00 ± 0,47 2,50 ± 0,76 3,00 ± 1,21

Неподвижность 21,33 ± 1,19 19,67 ± 1,20 21,33 ± 1,73 17,33 ± 2,18 19,33 ± 1,13 16,67 ± 1,93 17,67 ± 1,66 17,00 ± 2,03

Вращение 0,42 ± 0,44 0,83 ± 0,59 0,00 ± 0,00 0,00 ± 0,00 0,00 ± 0,00 0,42 ± 0,46 0,42 ± 0,44 0,00 ± 0,00

Норки 4,00 ± 1,94 3,00 ± 0,94 5,00 ± 1,86 3,00 ± 1,51 9,00 ± 2,62 1,00 ± 0,74** 9,00 ± 1,97 5,50 ± 2,21

Энтропия 42,92 ± 3,02 36,42 ± 3,68 44,58 ± 4,74 30,67 ± 4,86 35,75 ± 2,95 24,08 ± 3,00* 37,83 ± 2,93 32,00 ± 4,24

00

Таблица 3.4 - Результаты исследования ориентировочно-исследовательской активности животных по отдельным

составляющим показателя "энтропии" в динамике наблюдения при II уровне экспозиции (* - р<0,05; **- р<0,01)

Показатель 1 день 5 день 10 день 20 день

контроль опыт контроль опыт контроль опыт контроль опыт

Обнюхивание 9,42 ± 1,13 7,00 ± 0,79 7,17 ± 0,70 5,50 ± 0,33* 7,33 ± 0,45 5,58 ± 0,37** 6,33 ± 0,58 5,67 ± 0,32

Вертикальная стойка 4,00 ± 1,65 4,33 ± 1,23 4,67 ± 1,32 2,50 ± 0,58 1,67 ± 0,72 0,83 ± 0,48 3,17 ± 1,19 1,00 ± 0,41

Груминг 6,75 ± 1,85 5,75 ± 1,36 8,00 ± 1,24 5,00 ± 1,18 2,50 ± 0,76 1,25 ± 0,60 1,75 ± 0,72 2,50 ± 1,15

Неподвижность 15,67 ± 1,66 12,33 ± 1,20 18,00 ± 1,09 12,67 ± 1,13** 21,33 ± 1,39 18,33 ± 1,40 21,00 ± 1,27 20,33 ± 1,09

Вращение 0,42 ± 0,44 1,25 ± 0,94 1,67 ± 0,74 0,42 ± 0,44 0,42 ± 0,44 0,42 ± 0,44 0,42 ± 0,44 0,00 ± 0,00

Норки 9,50 ± 1,96 8,00 ± 1,78 9,50 ± 2,37 5,00 ± 1,86 9,00 ± 1,97 3,50 ± 2,11 9,00 ± 2,73 9,00 ± 2,62

Энтропия 45,75 ± 4,31 38,67 ± 2,56 49,00 ± 4,19 31,08 ± 2,63** 42,25 ± 3,10 29,92 ± 2,60** 41,67 ± 3,49 38,50 ± 2,46

Причем статистически значимое снижение энтропии после 5 сеансов воздействия с уровнем I было обусловлено достоверным (р<0,01) уменьшением числа заглядываний в норки, тогда как при уровне II после 5 сеансов воздействия оно обусловливалось показателями обнюхивания и неподвижности, а после 10 сеансов - только обнюхиваниями. Т.е. облучение крыс с I уровнем экспозиции на 5 день облучения приводило к достоверному снижению (р<0,05) числа актов обнюхивания, а на 10 день - к достоверному снижению (р<0,01) числа исследованных норок, а при II уровне экспозиции после 5 сеансов облучения достоверное снижение числа обнюхиваний (р<0,05) сопровождалось статистически значимым снижением (р<0,01) количества неподвижных состояний при сниженном показателе обнюхиваний после 10 сеансов (р<0,01).

Представленные на рисунках 3.7 и 3.8 диаграммы, отражающие динамику изменений параметра энтропии как интегрального показателя ориентировочно-исследовательской активности, показывают, что у крыс, облученных ЭМП с I уровнем интенсивности (рисунок 3.7), отмечается тенденция к снижению показателя энтропии по сравнению с животными контрольной группы, как уже указывалось выше, и после 10 дней экспозиции — это различие было наиболее значительным (р<0,05).

Рисунок 3.7 - Динамика изменений показателя энтропии поведения лабораторных животных при I уровне интенсивности ЭМП РЧ (* р<0,05)

При облучении животных ЭМП со II уровнем интенсивности (рисунок 3.8) тенденция была аналогичной, но различия были более выражены и достигали порога статистической значимости (р<0,01) уже после 5 сеансов воздействия, сохраняясь после 10 сеансов.

После 20 сеансов воздействия ориентировочно-исследовательская активность крыс обеих групп, подвергавшихся истинным воздействиям ЭМП, была незначительно ниже, чем в контроле, но сопоставима с соответствующими значениями в начале исследования (1 день экспозиции) для всех животных опытных и контрольных групп.

Рисунок 3.8 - Динамика изменений показателя энтропии поведения лабораторных животных при II уровне интенсивности ЭМП РЧ (** р<0,01)

Рассмотрение основных видоспецифических проявлений ориентировочно-исследовательской активности у грызунов, свидетельствует о том, что изменение ориентировочно-исследовательской активности животных опытных групп формировалось за счет тенденции к снижению числа актов груминга и заглядывания в норки у крыс опытных групп на 1, 5 и 10 дни экспозиции при обоих уровнях интенсивности ЭМП РЧ.

Таким образом, из представленных выше данных можно видеть, что облучение крыс при интенсивности I приводило к незначительному снижению

ориентировочно-исследовательской активности (после 10 сеансов) с тенденцией к «возвращению» ее к исходному уровню после 10 и 20 сеансов облучения. Это свидетельствует о возможности некоторого преходящего снижения сбалансированности процессов возбуждения и торможения в ЦНС за счет вероятности либо ослабления процессов возбуждения, или усиления процессов торможения. Однако при продолжении облучения животных, по-видимому, отмечаются адаптационные сдвиги в состоянии ЦНС, о чем свидетельствует тенденция к возвращению оцениваемых показателей к близким к отмечаемым у животных в контрольной группе. При облучении животных с интенсивностью II (в 2 раза большей) снижение ориентировочно-исследовательской активности в более ранние сроки и несколько большее и более стойкое ее сохранение указывает на возможное превалирование тормозных процессов в ЦНС. Однако и в этом случае можно видеть начало адаптационных (а возможно и адаптационно-компенсаторных сдвигов) в сбалансированности процессов возбуждения и торможения в ЦНС крыс, указывая на то, что указанный уровень близок к порогу неблагоприятного действия для ЦНС для условий продолжительных воздействий.

Результаты исследования характера изменений основных гематологических параметров экспериментальных животных в результате 10 или 20 сеансов воздействии ЭМП вышеуказанных параметров в ближней зоне источника излучения представлены в таблицах. 3.5 - 3.8.

Согласно данным таблицы 3.5, в которой представлен анализ характера изменений показателей белой крови, при I уровне экспозиции достоверные различия (р<0,05) между опытной и контрольной группами наблюдаются только по концентрации лейкоцитов на 10 день экспозиции, причем у облученных животных их содержание было снижено почти в 2 раза. Однако, как показано на диаграмме рисунка 3.9, выявленное снижение содержания лейкоцитов в крови животных опытной группы в дальнейшем не сохраняется, и на 20 день экспозиции уже отсутствует возможность выявления достоверных отличий от крыс контрольной группы.

Таблица 3.5 - Результаты анализа белой крови животных при I уровне интенсивности ЭМП РЧ

Показатель 10 день 20 день

контроль опыт контроль опыт

Лейкоциты, 109/л 8,30 ± 1,55 4,49 ± 0,76* 9,29 ± 1,09 10,95 ± 2,50

Нейтрофилы, 109/л 1,07 ± 0,19 0,86 ± 0,13 2,33 ± 0,72 1,53 ± 0,35

Лимфоциты, 109/л 4,92 ± 1,87 3,39 ± 0,41 5,63 ± 0,82 6,77 ± 1,58

Моноциты, 109/л 0,50 ± 0,21 0,31 ± 0,06 0,49 ± 0,10 0,46 ± 0,10

Эозинофилы, 109/л 0,13 ± 0,12 0,41 ± 0,22 0,19 ± 0,05 0,16 ± 0,04

Базофилы, 109/л 0,05 ± 0,02 0,03 ± 0,01 0,05 ± 0,02 0,08 ± 0,02

Нейтрофилы, % 18,13 ± 5,80 17,41 ± 1,83 25,75 ± 5,72 17,92 ± 1,89

Лимфоциты, % 72,43 ± 5,68 69,39 ± 3,69 66,03 ± 6,52 72,78 ± 1,87

Моноциты, % 7,43 ± 0,83 5,87 ± 0,62 5,43 ± 0,64 5,18 ± 0,71

Эозинофилы, % 1,57 ± 1,00 6,80 ± 3,39 2,27 ± 0,53 2,06 ± 0,53

Базофилы, % 0,53 ± 0,16 0,53 ± 0,07 0,51 ± 0,14 0,80 ± 0,14

Примечание: достоверные отличия опыта по сравнения с контролем * - при р<0,05

Рисунок 3.9 - Динамика изменений содержания лейкоцитов в крови лабораторных животных при I уровне интенсивности ЭМП РЧ (*р<0,05)

Кроме того, из данных, представленных в таблице 3.5, можно видеть, что на 10 день экспозиции обнаруживается тенденция к повышению процентного содержания эозинофилов в крови облученных животных.

По данным таблицы 3.6, в белой крови крыс, которые подвергались воздействию ЭМП РЧ с II уровнем интенсивности, после 10 дней экспозиции отмечается статистически достоверное снижение концентрации лейкоцитов (р<0,01), лимфоцитов (р<0,05) и моноцитов (р<0,05), а после 20 дней облучения -достоверное по сравнению с контролем повышение концентрации эозинофилов (р<0,05) и базофилов (р<0,05). Кроме того, после 10 и 20 дней облучения в крови крыс опытной группы можно отметить тенденцию к снижению процентного содержания базофилов.

Таблица 3.6 - Результаты анализа белой крови животных при II уровне интенсивности ЭМП РЧ

Показатель 10 день 20 день

контроль опыт контроль опыт

Лейкоциты, 109/л 5,95 ± 0,42 2,97 ± 0,80** 4,42 ± 0,85 5,54 ± 0,96

Нейтрофилы, 109/л 1,64 ± 0,19 1,19 ± 0,33 1,45 ± 0,25 1,67 ± 0,22

Лимфоциты, 109/л 3,26 ± 0,32 1,74 ± 0,40 * 2,57 ± 0,57 4,30 ± 0,81

Моноциты, 109/л 0,38 ± 0,05 0,25 ± 0,02* 0,22 ± 0,05 0,25 ± 0,07

Эозинофилы, 109/л 0,69 ± 0,16 0,44 ± 0,35 0,17 ± 0,09 0,27 ± 0,03*

Базофилы, 109/л 0,02 ± 0,01 0,02 ± 0,00 0,01 ± 0,00 0,04 ± 0,02*

Нейтрофилы, % 28,57 ± 2,94 31,60 ± 2,43 35,10 ± 3,43 27,28 ± 4,17

Лимфоциты, % 54,04 ± 2,90 49,55 ± 7,70 55,60 ± 4,16 64,12 ± 4,37

Моноциты, % 6,10 ± 0,67 7,75 ± 2,00 6,02 ± 1,68 3,73 ± 0,70

Эозинофилы, % 11,85 ± 2,41 10,60 ± 7,43 3,12 ± 0,96 4,33 ± 0,66

Базофилы, % 0,38 ± 0,08 0,52 ± 0,11 0,16 ± 0,05 0,48 ± 0,16

Примечание: достоверные отличия опыта по сравнения с контролем * - при р<0,05; **- при р<0,01

По диаграммам, представленным на рисунках 3.10 и 3.11, можно увидеть, что динамика изменений концентрации лейкоцитов и лимфоцитов в крови облученных животных при II уровне экспозиции носила также разнонаправленный характер в разные сроки воздействия. Так после 10 дней воздействия у облученных крыс содержание лейкоцитов было достоверно (р<0,01) снижено почти в 2 раза по сравнению с контрольной группой. Однако

после 20 дней воздействия различия между группами статистически достоверно уже не отличались при незначительном превышении величины показателя в опытной группе. Сопоставляя диаграммы, представленные на рисунках 3.9 и 3.10, можно отметить схожую динамику изменений концентрации лейкоцитов в крови облученных крыс в те же сроки воздействия при I и II уровнях экспозиции.

экспозиции

Рисунок 3.10 - Динамика изменений содержания лейкоцитов в крови лабораторных животных при II уровне интенсивности ЭМП РЧ (** р<0,01)

Аналогично из диаграмм, представленных на рисунке 3.11, можно видеть, что после 10 дней облучения ЭМП РЧ при II уровне экспозиции у крыс опытной группы содержание лимфоцитов было достоверно (р<0,05) снижено по сравнению с контрольной, однако после 20 дней облучения отмечается значительное, хотя и статистически недостоверное, повышение этого показателя у облученных животных по сравнению с крысами, подвергавшимися мнимым воздействиям.

По результатам анализа характера изменений показателей белой крови опытных и контрольных групп животных можно предположить, что достоверное (р<0,01) снижение количества лейкоцитов после 10 дней облучения у крыс опытной группы по сравнению с группой контроля может свидетельствовать о том, что II уровень интенсивности близок к порогу чувствительности клеток

красного костного мозга на действие ЭМП, возможно, в части начала развития гипоплазии костного мозга. Это предположение также подтверждается и снижением моноцитов, которое может быть обусловлено, в том числе, и симптомами апластической анемии. В то же время на 20 день облучения была зарегистрирована тенденция к увеличению количества лейкоцитов и моноцитов, компенсирующих их снижение после 10 сеансов экспозиции. Стоит отметить, что после 20 сеансов облучения было выявлено достоверное увеличение количества эозинофилов и базофилов, тогда как последние могут являться следующим звеном в развитии целой группы заболеваний крови (острый лейкоз, хронический миелолейкоз, полицитемия, лимфогранулематоз, гемолитическая анемия) после снижения лейкоцитов и моноцитов.

Рисунок 3.11 - Динамика изменений содержания лимфоцитов в крови лабораторных животных при II уровне интенсивности ЭМП РЧ (* р<0,05)

При анализе динамики изменений состава красной крови в течение всего эксперимента (20 дней) при I уровне интенсивности не было выявлено достоверных изменений большинства ее показателей (таблица 3.7), за исключением изменения распределения тромбоцитов после 10 дней экспозиции, которое можно отнести к случайному выбросу. Пороговые эффекты воздействия

ЭМП на систему красной крови при II уровне интенсивности можно выявить после 20 дней облучения по изменению средней концентрации гемоглобина (таблица 3.8). Однако все статистически достоверные изменения в анализе красной крови в эксперименте для двух уровней экспозиции можно рассматривать лишь как единичные выбросы, которые не отражают четко определенного биологического эффекта ЭМП.

Таблица 3.7 - Результаты анализа красной крови животных при I уровне интенсивности ЭМП РЧ (* р<0,05)

Показатель 10 дней 20 дней

контроль опыт контроль опыт

Эритроциты, 1012/л 6,72 ± 0,81 7,37 ± 0,54 7,64 ± 0,26 7,64 ± 0,34

Гемоглобин, г/л 120,70 ± 14,65 134,70 ± 6,20 132,43 ± 4,01 130,00 ± 4,86

Гематокрит, % 34,50 ± 4,00 38,45 ± 2,52 39,71 ± 1,19 38,99 ± 1,31

Средний объем эритроцита, фл 52,14 ± 1,03 52,50 ± 0,74 52,01 ± 0,70 51,20 ± 0,78

Среднее содержание гемоглобина в эритроците, пг 17,02 ± 2,47 19,22 ± 2,02 17,34 ± 0,22 17,07 ± 0,25

Средняя концентрация гемоглобина в эритроците, г/дл 33,10 ± 4,74 36,52 ± 3,56 33,36 ± 0,25 33,33 ± 0,22

Распределение эритроцитов по объем, % 17,93 ± 0,69 17,48 ± 0,65 17,77 ± 0,56 18,46 ± 0,70

Тромбоциты, 109/л 255,10 ± 79,40 426,50 ± 118,85 562,00 ± 128,39 376,14 ± 156,19

Рассчитанная ширина кривой распределения тромбоцитов по объему, фл 9,67 ± 0,52 8,41 ± 0,16* 8,22 ± 0,37 8,88 ± 0,56

Средний объем тромбоцита, фл 8,15 ± 0,27 7,63 ± 0,13 7,48 ± 0,22 7,70 ± 0,25

Тромбокрит, % 0,27 ± 0,08 0,44 ± 0,09 0,47 ± 0,09 0,39 ± 0,16

В целом, представленные результаты показывают, что в условиях подострых воздействий ЭМП исслеованных параметров в ближней зоне источника излучения показывают большую чувствительность к такому физическому фактору как ЭМП белой крови по сравнению с красной. Это является логичным, т.к. реакция красной крови является более пролонгированной, и возможные ее изменения могут наблюдаться при увеличении сроков экспозиции до более 1 месяца и больших уровней воздействия фактора.

Таблица 3.8 - Результаты анализа красной крови животных при II уровне интенсивности ЭМП РЧ (* р<0,05)

Показатель 10 дней 20 дней

контроль опыт контроль опыт

Эритроциты, 1012/л 8,63 ± 0,16 7,25 ± 0,93 8,44 ± 0,31 7,09 ± 1,21

Гемоглобин, г/л 148,42 ± 2,64 138,00 ± 14,47 121,20 ± 20,60 143,10 ± 4,74

Гематокрит, % 44,39 ± 0,62 37,23 ± 4,40 34,29 ± 5,76 42,12 ± 1,35

Средний объем эритроцита, фл 95,68 ± 46,19 51,88 ± 1,53 49,93 ± 1,26 50,00 ± 0,51

Среднее содержание гемоглобина в эритроците, пг 17,21 ± 0,18 17,46 ± 0,85 16,41 ± 1,56 16,99 ± 0,22

Средняя концентрация гемоглобина в эритроците, г/дл 33,42 ± 0,20 34,46 ± 1,43 33,04 ± 3,00 34,00 ± 0,44*

Распределение эритроцитов по объем, % 17,11 ± 0,56 16,08 ± 0,83 17,50 ± 0,61 18,00 ± 0,63

Тромбоциты, 109/л 422,08 ± 64,29 356,67 ± 257,23* 254,30 ± 73,51 337,20 ± 116,22

Рассчитанная ширина кривой распределения тромбоцитов по объему, фл 9,03 ± 0,43 7,85 ± 0,34 8,66 ± 0,26 8,79 ± 0,31

Средний объем тромбоцита, фл 7,97 ± 0,17 7,95 ± 0,18 7,90 ± 0,17 7,91 ± 0,22

Тромбокрит, % 0,34 ± 0,04 0,46 ± 0,45 0,23 ± 0,08 0,36 ± 0,12

Анализ результатов экспериментальных исследований биологического действия ЭМП РЧ, приведенные в настоящем разделе, свидетельствует о том, что при облучении животных с уровнем II наблюдавшиеся изменения ориентировочно-исследовательской активности крыс и гематологических показателей показывают, что эти уровни сопоставимы с величиной ППЭ 500 мкВт/см [28, 37, 61], которая была определена ранее в экспериментальных исследованиях в качестве порога неблагоприятного действия при установлении ПДУ экспозиции человека к ЭМП, создаваемыми устройствами мобильной связи. Т.е. полученные в настоящем исследовании данные являются дополнительным подтверждением ранее имевшихся результатов и указывают на необходимость адекватного сопоставления условий облучения в ближней и дальней зонах источника ЭМП в диапазоне 300-3000 МГц.

В целом, исходя из полученных результатов можно передоложить, что после 5-10 дня экспозиции при уровнях выше I уровня интенсивности и УПМ более 25 мВт/кг для всего животного могут наблюдаться изменения в

ориентировочно-исследовательской активности животных в условиях ближней зоны. Если учесть, что в основном биологические объекты находятся в условиях экспозиции дальней зоны источника ЭМП, то данные моделирования показывают в ней большее поглощение энергии, чем в условиях ближней зоны. Если учесть, что адекватная оценка условий экспозиции по ППЭ возможна только при условии сформированной электромагнитной волны, можно предполагать меньшее поглощение энергии в условиях ближней зоны. Такой подход применим не только для мелких лабораторных животных, но и для оценки условий экспозиции человека, что является важным этапом при интерпретации полученных биологических эффектов электромагнитных полей радиочастотного диапазона с животных на человека, который должен учитывать не только уровни экспозиции, но также условия и продолжительность воздействия ЭМП как для производственных условий, так и для населения.

ГЛАВА 4 АНАЛИЗ И ОБОБЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

Результаты исследований, полученные в условиях ближней зоны источника ЭМП РЧ, включающие в себя: оценку исходных уровней экспозиции, данные поглощения электромагнитной энергии в различных биологических объектах и изучения биологических эффектов на экспериментальных животных, требуют дальнейшего анализа и сопоставления с соответствующими условиями экспозиции в дальней зоне. Подобный анализ необходим, прежде всего для сопоставления исходных условий облучения в ближней зоне источника с величинами ППЭ, нормируемыми (регламентируемыми) для зоны сформированной электромагнитной волны, не только по уровню интенсивности внешнего воздействия, но и по величинам УПМ в биологических объектах. На основе комплекса данных, включающих в себя уровни интенсивности, дозиметрические параметры и временной параметр воздействия, возможно обоснование принципов оценки биологически эквивалентных условий экспозиции ЭМП РЧ в ближней и дальней зонах, также обеспечивающих интерпретацию экспериментальных эффектов у животных в целях оценки условий экспозиции человека.

4.1 Выбор и обоснование принципов оценки биологически эквивалентных уровней экспозиции электромагнитных полей радиочастотного диапазона

Задача оценки эквивалентности уровней экспозиции ЭМП РЧ представляет актуальность, прежде всего, при переносе биологических эффектов с лабораторных животных на человека и предполагает использование определенных критериев, на основе которых возможно количественное сопоставление различных условий облучения биологических объектов с точки зрения качественно схожих ответных реакций. Используемые для решения этих

вопросов подходы основаны на учете дозиметрических данных и эквивалентности времени воздействия фактора для различных видов млекопитающих.

Параметры поглощения энергии ЭМП в облучаемых животных и человеке представляют биологически значимую информацию о непосредственном уровне воздействия, т.к. в конечном итоге получаемый биологических эффект обусловлен, в первую очередь, поглощенной в тканях частью электромагнитной энергии. Поэтому дозиметрические параметры воздействия ЭМП РЧ, отражающие физические закономерности поглощения электромагнитной энергии, являются необходимым критерием при оценке эквивалентности условий облучения, что позволяет проводить сравнение условий облучения различной интенсивности.

Применительно к анализу результатов проведенных исследований, полученных для частотного диапазона 0,3-3,0 ГГц и реализованных на примере заданной фиксированной частоты ЭМП, представляется целесообразным оценивать эквивалентность условий облучения, исходя из равенства величины УПМ в облученных объектах, которое обеспечивается подбором интенсивности внешнего воздействия.

Фактор времени воздействия ЭМП РЧ также является необходимым и перспективным в использовании критерием эквивалентности условий облучения, т.к. позволяет учитывать биологические особенности эффектов действия фактора, прежде всего различия в видовой чувствительности организмов к воздействию ЭМП. Шкала биологически эквивалентных времен, разработанная [41] для различных видов млекопитающих, учитывает различия в скорости проявления реакций животных и человека на воздействие ЭМП РЧ.

Рассмотренные критерии позволяют проводить комплексную оценку биологически эквивалентных условий облучения животных и человека на основе учета величины поглощения энергии и временного фактора. Применительно к результатам проведенных исследований представляет интерес использование рассмотренного подхода при решении следующих задач:

— сопоставление условий облучения животного (человека) в ближней и дальней зонах источника ЭМП РЧ с позиций их биологической эквивалентности;

— сопоставление экспериментальных условий облучения животного в ближней зоне и контролируемых (в т.ч. на рабочих местах) условий облучения человека с позиций их биологической эквивалентности.

Решение сформулированных задач основано на следующих принципах оценки эквивалентности условий облучения различных биологических объектов:

1) условия облучения данного объекта (животного или человека) ЭМП РЧ в ближней и дальней зонах источника можно считать биологически эквивалентными, если они вызывают в биообъекте УПМ одинаковой величины и действуют в течение одинакового времени, что позволяет перенести биологический эффект, наблюдаемый у облучаемого объекта в ближней зоне, на условия облучения в дальней зоне.

2) условия облучения животного можно считать биологически эквивалентными для человека по конкретному биологическому эффекту, если они обеспечивают такую же величину УПМ и воздействуют в течение биологически эквивалентного времени, учитывающего особенности видовой чувствительности организмов к данному фактору.

Для обоснования эквивалентности условий облучения для животного и человека было сочтено целесообразным сопоставлять средние значения УПМ во всем теле, центральной нервной системе (головной и спинной мозг) и системе кроветворения (селезенка и тимус), в соответствии с системами, функциональное состояние которых оценивалось при экспериментальном изучении отельных биологических эффектов ЭМП РЧ на животных.

4.2 Сопоставление условий экспозиции в ближней и дальней зонах источника электромагнитного поля радиочастотного диапазона

Уровни интенсивности внешнего ЭМП РЧ являются нормируемыми величинами и используются для контроля воздействующего фактора в производственных и бытовых условиях. В рассматриваемом частотном диапазоне в соответствии с нормативными документами для контроля интенсивности ЭМП РЧ используется значение ППЭ, параметр, являющийся адекватным и корректным для оценки условий облучения только в дальней зоне. Поэтому в наших исследованиях в ближней зоне в целях соблюдения корректности оценки экспозиции контроль уровней ЭМП РЧ осуществлялся по напряженности электрического и магнитного полей при сопоставлении с уровнями ППЭ, заданными как 250 и 500 мкВт/см для условий дальней зоны.

В таблице 4.1 представлены данные по исходным средним уровням воздействия ЭМП в области размещения головы животных в ближней зоне источника, полученные по результатам измерений и моделирования, в сопоставлении с заданными уровнями ППЭ.

Таблица 4.1 - Сравнение интенсивности внешнего воздействия ЭМП РЧ в ближней и дальней зонах источника

Условия экспозиции Дальняя зона Ближняя зона

I уровень II уровень I уровень II уровень

Моделирование Измерение Моделирование Измерение

ППЭ, мкВт/см2 250 500 - - - -

Е, В/м 30,70 43,42 31,72±0,82 28,55±1,19 42,29±1,09 38,04±1,62

Н, А/м 0,08 0,12 0,07±0,01 0,08±0,00 0,09±0,01 0,10±0,00

Соотношение электрической Е и магнитной Н составляющих ЭМП РЧ между собой определяется волновым импедансом среды 2 и рассчитывается по формуле (4.1):

2 = Н (41)

В дальней зоне источника (зоне сформированной электромагнитной волны) волновой импеданс в свободном пространстве определен величиной 377 Ом, а в ближней зоне это соотношение выражено неявно и непредсказуемо меняется с расстоянием от источника до границы дальней зоны.

Анализ различий условий облучения вблизи выбранного источника ЭМП РЧ от условий дальней зоны по волновому импедансу среды, показывает преобладание электрической составляющей над магнитной, что отражается в значениях волнового импеданса больше 377 Ом. На расстоянии от 1 до 10 см среднее значение Ъ изменялось в пределах 380 - 452 Ом.

4.3 Разработка модели оценки эквивалентных уровней экспозиции электромагнитным полем в ближней и дальней зонах источника

Сопоставление исходных условий облучения биологических объектов в ближней зоне источника с нормируемыми величинами ППЭ для дальней зоны необходимо проводить не только по уровням интенсивности внешнего воздействия, но, прежде всего, в том числе и по уровню поглощения энергии в объекте. Такой дозиметрический параметр как УПМ, который определяется как теоретически, так и экспериментально, позволяет использовать его при облучении в условиях и ближней, и дальней зоны, что делает его единственным корректным показателем оценки экспозиции для любых условий облучений. Это дает возможность осуществлять сравнительный анализ биологической эффективности условий экспозиции в ближней и дальней зонах источника ЭМП на основе параметра УПМ.

Сравнительный анализ характера поглощения электромагнитной энергии в условиях ближней и дальней зон для животного и человека позволяет определить интенсивность облучения в дальней зоне, эквивалентную условиям облучения в ближней зоне для каждого биологического объекта. Как указывалось выше, при моделировании условий облучения в дальней зоне объекты размещались в области распространения плоской электромагнитной волны заданной интенсивности (250 или

500 мкВт/см ).

В соответствии с результатами математического моделирования облучения лабораторных крыс в условиях дальней зоны поглощение электромагнитной энергии как во всем теле животного, так в отдельных органах было интенсивнее по сравнению с соответствующими по уровню ППЭ условиями ближней зоны. Например, для II уровня интенсивности ЭМП РЧ значение УПМ, усредненное на все тело, составило 39,31 ± 2,56 мВт/кг в условиях ближней зоны и 123,67 ± 0,36 мВт/кг в условиях дальней зоны.

Характер распределения поглощенной энергии в рассматриваемых органах был различен в условиях ближней и дальней зон. Так, наибольшее среднее значение УПМ при облучении в ближней зоне было зафиксировано в гипофизе (121,86 ± 12,81 мВт/кг), а в дальней зоне - в тимусе (161,88 ± 1,48 мВт/кг). Однако наименьшие средние значения УПМ наблюдались в надпочечниках как в ближней (14,44 ± 0,58 мВт/кг), так и в дальней (46,06 ± 0,58 мВт/кг) зонах облучения.

Неоднородный характер распределения и поглощения энергии ЭМП РЧ гетерогенными объектами отражен также в пространственных структурах распределения величин УПМ в теле животного, облучаемого в ближней и дальней зонах (рисунок 4.1). В условиях ближней зоны наибольшее поглощение энергии наблюдается в области головы животного, где структуры распределения УПМ в ближней и дальней зоне подобны (рисунок 4.1, а). Однако, в теле животного, облученного в дальней зоне (рисунок 4.1, б), присутствуют также локальные максимумы поглощения и в других областях (грудная клетка), сопоставимые по уровню с УПМ в области головы.

Рисунок 4.1 - Распределение УПМ в теле животного для условий облучения в ближней (а) и дальней (б) зонах источника ЭМП (II уровень интенсивности,

частота 1890 МГц)

В таблице 4.2 представлены сводные данные о средних величинах УПМ во всем теле экспонированного животного и рассматриваемых в эксперименте на лабораторных животных системах организма, таких как ЦНС и система крови.

Таблица 4.2 - Сравнительные данные поглощения энергии в теле крысе в условия облучения в ближней и дальней зонах

Тело/система Средние значения УПМ, мВт/кг

УПМ% УПМ*

I уровень II уровень I уровень II уровень

Все тело 22,1 39,3 61,8 123,7

ЦНС 64,4 114,6 95,3 190,5

Система крови 73,9 131,3 191,7 383,4

Подбор уровня интенсивности внешнего ЭМП в ближней и дальней зонах осуществлялся по одинаковым УПМ для крысы. Для сопоставления исходных условий облучения крыс в ближней зоне с величиной ППЭ в дальней, которой они соответствуют по эквивалентности величин УПМ, используя коэффициент перехода между ближней и дальней зонами КБЗ_дз, получаем по данным таблицы

4.2 согласно формуле (4.2):

УПМДЗ ^ __■__

БЗ~ДЗ УПМБЗ

Тогда величина ППЭ в дальней зоне, которой соответствуют исходные уровни облучения крыс в ближней зоне, определяется по следующей формуле

(4.3):

э 1

ППЭэкр = ППЭопор -- , (4.3)

^БЗ - ДЗ

где ППЭопор - опорный уровень ППЭ в дальней зоне, с которым

сопоставляются исходные условия облучения в ближней зоне источника, в исследованиях приняты как 250 или 500 мкВт/см ; КБЗ_дз - коэффициент перехода между ближней и дальней зонами для

Крысы, согласно данным таблицы 4.3;

ППЭ^р - уровень ППЭ, эквивалентный исходным условиям облучения крысы в ближней зоне, согласно данным таблицы 4.3.

Таблица 4.3 - Данные расчета эквивалентных уровней облучения крысы для ближней и дальней зон

Тело/система -^БЗ - ДЗ ЯЯЯЭЛ, мкВт/см2 кр ■>

I уровень II уровень I уровень II уровень

Все тело 2,8 2,8 89 159

ЦНС 1,5 1,5 169 301