SỰ HẤP THỤ NĂNG LƯỢNG TRƯỜNG ĐIỆN TỪ LÊN CƠ THỂ SINH VẬT VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ ĐỐI VỚI SƯC KHỎE CON NGƯỜI

SỰ HẤP THỤ NĂNG LƯỢNG TRƯỜNG ĐIỆN TỪ LÊN CƠ THỂ SINH VẬT VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ ĐỐI VỚI SƯC KHỎE CON NGƯỜI

Phần Mở Đầu

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Thế giới đang bước vào thế kỷ mới với những tiến bộ của khoa học kỹ thuật Con người ngày càng được trang bị thêm nhiều cơ sở vâït chất, tiện nghi sinh hoạt, thông tin liên lạc ngày càng phát triển Điều đó dẫn đến sự xuất hiện hàng loạt các thiết bị điện, các dụng cụ sinh hoạt phát ra sóng điện từ Làm cho con người tiếp xúc ngày càng nhiều với trường điện từ ở công sở cũng như ở nhà

Cơ sở vật chất đầy đủ, y học phát triển đời sống con người được nâng cao con người càng chú ý đến sức khỏe của mình Gần đây do sự xuất hiện hàng loạt các thiết bị như điện thoại di động, lò vi sóng,… người ta cũng đã bắt đầu quan tâm đến ảnh hưởng của trường điện từ, và vấn đề này đang được tranh luận sôi nổi

Đứng trước thực tế khách quan như vậy tôi cho rằng mình phải có những hiểu biết sâu và rộng hơn về trường điện từ và các ảnh hưởng của nó lên cơ thể con người Do đó tôi rất phấn khởi khi nhận đề tài “ Sự hấp thụ năng lượng trường điện từ lên cơ thể sinh vật và ảnh hưởng của trường điện từ đối với sức khỏe con người”

Đây là một vấn đề phức tạp, phạm vi kiến thức nằm ở phần tiếp giáp giữa các khoa học Lý – Sinh –Y, và do thời gian, kiến thức còn hạn chế nên đề tài của tôi chỉ dừng lại ở mức độ tìm hiểu

2 CÁC GIẢ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI

Nghiên cứu các vấn đề:

- Cơ sở lý thuyết của trường điện từ

- Tính chất điện của vật thể sinh học

- Sự hấp thụ năng lượng của trường điện từ lên vật thể sinh học

- Một số ảnh hưởng của trường điện từ lên sức khỏe con người Một số

3 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

- Nghiên cứu lý thuyết

- Sưu tầm và dịch các tài liệu từ sách, báo

- Tìm thông tin trên mạng

- So sánh, tổng hợp các kết quả thu được

4 CÁC BƯỚC THỰC HIỆN

Tháng 7-2002: nhận đề tài

Từ tháng 7 đến tháng 9 -2002: sưu tầm, dịch các tài liệu

Tháng 12 đến tháng 4: viết và sữa chữa đề tài

Tháng 5-2003: hoàn thành đề tài và báo cáo

5 MỘT SỐ THUẬT NGỮ QUAN TRỌNG:

Vivo: tế bào sống

Vitro: tế bào đã bị cô lập

Màng tế : là lớp bao quanh tế bào có cấu trúc chủ yếu là lipit, nước và các chất hòa tan khác thấm qua màng một cách chọn lọc

Hemoglobin: hồng huyết tố chứa trong hồng cầu, thực hiện chức năng hô hấp của hồng cầu

RF (radio frequency): sóng vô tuyến hay sóng cao tần

MW(micro wawe): vi sóng

Phần NỘI DUNG

1 THỰC TRẠNG VẤN ĐỀ

Những tác hại do trường điện từ gây ra được các nhà khoa học ghi nhận nhưng trong thời gian này họ vẫn chưa có sự đánh giá đầy đủ Gần đây do sự xuất hiện ồ ạt hàng loạt các thiết bị phát sóng trường điện từ nên người ta quan tâm nhiều hơn đến ảnh hưởng của nó

Vụ kiện một phụ nữ người Floria bị ung thư não do điện từ sinh ra từ điện thoại di động, mặc dù sự việc vẫn chưa xác định nhưng vụ kiện này đã gây xáo động dư luận, ảnh hưởng đến công chúng, họ bắt đầu lo cho sự an toàn của họ khi tiếp xúc với trường điện từ phát ra bởi các dòng công suất, các thiết bị hằng ngày trong gia đình Các nhà dịch tễ học, vật lý học bắt tay vào việc nghiên cứu về ảnh hưởng của trường điện từ đối với cơ thể con người và đưa ra một vài khuyến cáo Các nhà khoa học bị thu hút vào những cuộc tranh luận về ảnh hưởng của trường điện từ, và hiện nay họ vẫn chưa nhất trí về vấn đề đó

Viện tiêu chuẩn quốc gia Mĩ (ANSI)đã đưa những tiêu chuẩn an toàn và những bổ sung sửa đổi, năm 1992 đã đưa ra tiêu chuẩn an toàn cuối cùng

Ngay cả tiêu chuẩn này cũng bị nghi ngờ là liệu nó có thực sự an toàn chưa?

Mặt khác ANSI chưa đề cập về các ảnh hưởng của các trường có tần số thấp sinh ra từ các dây dẫn cao thế và các dụng cụ điện dùng trong nhà

1.2.Trong nước:

Với sự xuất hiện nhiều loại thiết bị điện: điện thoại di động ,máy tính, lò vi ba… khác làm nhà nước cũng đã bắt đầu quan tâm đến ảnh hưởng của trường điện từ.ø

-1998 nước ta tiến hành nghiên cứu đánh giá mức độ ô nhiễm của trường điện từ tần số Radio trong lĩnh vực vô tuyến viễn thông của nước ta

- 1999 giáo sư tiến sĩ Nguyễn Mạnh Liên và cộng sự ở học viện quân y tiến hành đề tài nghiên cứu “ Điện tư ø trường tần số thấp trên đường dây 500KV Bắc – Nam có ảnh hưởng gì đến sức khỏe công nhân”

- Hiện nay có một số trường đại học đã đưa vấn này và môn môi vật lý môi trường đã và đang có nhiều nghiên cứu xoay quanh vấn đề này

- Một số bài báo nói về các ảnh hưởng của các thiết bị gây trường điện từ đối với sức khỏe con người

2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ

Trường điện từ là một dạng đặc biệt của vật chất Nó có tính hai mặt là liên tục dưới dạng sóng và gián đoạn dưới dạng lượng tử

Trường điện từ biểu hiện rõ ở hai dạng điện trường và từ trường khác nhau nhưng liên quan chặt chẽ với nhau Điện trường biến đổi sinh ra từ trường và ngược lại Sóng điện từ là sự lan truyền của trường điện từ, ngày

vực của đời sống, nó đóng vai trò quan trọng với mọi quốc gia, mà trong thông tin bằng vô tuyến thì sóng điện từ là phương tiện cơ bản để truyền tin vì sóng điện từ lan truyền nhanh mà tổn hao năng lượng nhỏ

2.1 Điện từ trường – Điện tích – Dòng điện

• Điện từ trường được đặc trưng bằng 4 vectơ :

E : Cường độ điện trường

D : Vectơ điện dịch hay cảm ứng điện

H : Vectơ cường độ từ trường

B=µ ( µ là độ từ thẩm )

• Hằng số điện môi tỉ đối :

o ε

• Điện tích phân bố liên tục trong không gian :

Mật độ điện tích khối :

• Dòng điện phân bố liên tục trong không gian :

Mật độ dòng j :

i =

• D , E , H , B là hàm của tọa độ và thời gian

• ε, µ là hàm của tọa độ

2.2 Hệ các phương trình Maxwell và điều kiện biên

2.2.1 Các định luật cơ sở

- Định lý Oxtragratxki – Gauss : div D= ρ

- Định luật bảo toàn điện tích – dòng điện mặt : + =0

∂

∂

j div t ρ

- Định luật dòng toàn phần :

t

D j H rot

∂

∂+

- Định luật về đường sức cảm ứng từ : div B= 0

2.2.2 Hệ phương trình Maxwell với nguồn ngoài

- Nguồn điện được xem là độc lập với môi trường và không chịu ảnh hưởng bởi trường do nó tạo nên Để đặc trưng cho nguồn ngoài ta đưa vào khái niệm dòng điện ngoài j ng hoặc E ng

- Định luật Ohm dạng vi phân tại các điểm của nguồn ngoài

t

D j H

∂

∂ +

= +

∂

∂ +

=

B

∂

=

D div

0

=

B div

- Trong môi trường đồng nhất và đẳng hướng

t

D J

E H

∂

∂ + +

t

H E

0

=

H div

2.2.3 Điều kiện biên đối với các vectơ của trường điện từ

Các phương trình Maxwell trên chỉ áp dụng đối với những môi trường liên tục Đối với các môi trường không liên tục, tại mặt giới hạn của 2 môi trường khác nhau, các vectơ của trường điện từ sẽ biến thiên không liên tục Các phương trình xác định sự biến đổi của các vectơ đó tại mặt giới hạn được gọi là điều kiện biên Xét hình chữ nhật rất nhỏ nằm trong mặt phẳng (n , t )chứa P Chiều quay dương của hình chữ nhật sao cho pháp tuyến

N của nó làm với n t, một tam diện thuận

Điều kiện biên của B: B2n– B1n=0

Điều kiện biên của D: D2n -D1n=σ

Trong đó σ : là mật độ điện tích tại

điểm phân tích

Điều kiện biên của H: H2t – H1t = iN

Điều kiện biên của E: E2t – E1t = 0

Trong đó iN : là thành phần theo phương N của vectơ mật độ dòng điện mặt i tại điểm phân cách

2.3 Năng lượng của Trường điện từ –Vectơ Umop -Pointinh

2.3.1 Năng lượng của trường điện từ:

Trường điện từ mang năng lượng và năng lượng đó được bảo toàn Năng lượng của trường điện từ là W bao gồm điện năng và từ năng phân bố trong không gian thể tích V

M W e W

=

dV H E

2 2 (ε +µ

∫

= ∫V (we + wM )dV Với we , wM là mật độ khối điện năng và mật độ khối từ năng

Năng lượng của trường điện từ có thể biến từ dạng điện sang từ, hoặc biến sang các dạng năng lượng khác và dịch chuyển trong không gian Sự cân bằng năng lượng trường điện từ thể hiện qua định lý Umop – Pointinh

2.3.2 Định lý Umop – Pointinh

Từ hệ phương trình Maxwell :

t

H E

rot

t

E e

J J H rot

H H j E j E

t

H E

t

E H

rot E E

2 2

µ ε

E j E j w w

Lấy tích phân 2 vế theo V tùy y theo mặt cong kín ς

Aùp dụng định lý Otstrograski – Gauss :

dV E j dV E j dV w w dt

d dS H x

E j

P t=∫V =∫V σ 2

dV E j

P ng=∫V e được gọi là công suất nguồn ngoài Vậy vế phải có thứ nguyên là công suất nên vế trái cũng phải có thứ nguyên là công suất Từ đó người ta đưa ra khái niệm vectơ Pointinh Π

∏ ,E, H hướng xác định theo tam diện thuận

k, E, H tạo thành một tam diện thuận, ∏,E, H cũng tạo thành tam diện thuận Do đ ĩ ∏ ,k, cùng phương, cùng chiều

Giá trị tuệt đối:

w v H E

H H E E H E

2

1

.

2 2

ε

µ µ

ε

Năng lượng truyền đi bằng vận tốc pha của sóng

dt

dW

dS= − − − Π

∫

Định lý Umop – Pointing : Tổng các tốc độ biến đổi năng lượng điện

từ, công suất tổn hao nhiệt và công suất của nguồn ngoài trong thể tích V bất

kì bằng thông lượng vectơ Pointing qua mặt kín bao quanh thể tích đó

2.4 Sóng điện từ phẳng

Trong thực tế kỹ thuật các sóng điện từ được tạo ra từ các nguồn nhân tạo là sóng trụ hay sóng cầu, sóng phẳng chỉ là mẫu lý tưởng của sóng điện từ Tuy nhiên việc nghiên cứu sóng phẳng lại có ý nghĩa rất quan trọng, lý do là việc sử dụng toán học để nghiên cứu sóng phẳng đơn giản hơn mà kết quả của nó trong một số trường hợp lại có thể đặc trưng cho các sóng khác, ở khoảng cách rất xa nguồn bức xạ thì ta có thể xem một phần sóng trụ và cầu là sóng phẳng

2.4.1 Nghiệm phương trình sóng đối với sóng phẳng

* Sóng phẳng đồng nhất TEM

Nếu trong mặt phẳng đồng pha của các sóng các biên độ cường độ E và H có giá trị như nhau ở mọi điểm thì sóng phẳng được gọi là đồng nhất Sóng phẳng đồng nhất có mặt đồng biên và mặt đồng pha trùng nhau là mặt phẳng

Các phương trình Maxwell của sóng phẳng điều hòa trong môi trường đồng nhất và đẳng hướng :

xm p ym

z

H y

x

H z

y

H x

z

E y

x

E z

y

E x

Với cách chọn toạ độ này, E & H của sóng phẳng đồng nhất có giá trị như nhau ở mọi điểm thuộc mặt phẳng (P), không phụ thuộc vào x, y

Chúng là hàm của z và t, do đó :

H y

E x

Vậy sóng phẳng đồng nhất trong môi trường đồng nhất và đẳng hướng, không có các thành phần dọc theo phương truyền sóng Z của E và H Các vectơ E và H nằm trong mặt phẳng vuông góc với phương truyền sóng Sóng phẳng đồng nhất này gọi là sóng điện từ ngang, kí hiệu : TEM

* Nghiệm phương trình sóng

Từ các phương trình Maxwell ta có :

0

2 2

2

= +

∂

xm p

2

= +

∂

ym p

2

= +

∂

xm p

2

= +

∂

ym p ym

H K z

H&

(11)

xmpx z

iK xmt

z iK xmpx z

iK xmt

z iK ympx z

iK ymt

Từ (13), (14), (15) và (16) ta được :

0

.

.

z iK ympx z

iK ymt o z iK xmpx z

iK xmt o m

E

E x

e E e

E y e

E e

E x

iK ympx z

iK ymt o z iK xmpx z

iK xmt o m

H

H y e

H e

H y e

H e

H y

z

H i

p

ympx p

xmpx

z

H i

c e p

p

itg

Z itg

Z

δ δ

ε

µ ε

Biểu thức cho từ trường sóng thuận :

i( t K pλ)

mt

H• = − ω−

H nằm trong mặt phẳng vuông góc với phương λ và

o mt p

β : hệ số pha của sóng

ψ : agrument của trở sóng phức

2

1 2

ω

2

1 2

1

+ +

= (22)

e

c p

tg

Z Z

tg arctg

arctg

δ

δ β

α ψ

2 2

1 1

1 1 + +

+ +

e e

ph

tg

V tg

dt

dZ V

δ δ

εµ β

1 1

2

1 2 1

1 1

+ +

= +

1 Re

2

1 Re 2 1

p

mt o mt p o mt mt tb

Z

E Z H

Z Z H

=

2.4.2 Sóng phẳng đồng nhất trong các môi trường đồng nhất và đẳng hướng

* Sóng trong môi trường điện môi lý tưởng

Ta nghiên cứu sóng thuận Z > 0 trong môi trường điện môi lý tưởng đồng nhất và đẳng hướng nênσ = 0 Các tham số εp = ε; kp = k ; zp = z là các số thực

c

E H

Z

2 2

2

12

Z i o mt c

•

•

( t Z)

i o mt

Từ (28), (29), (30), (31), (32) ta có thể kết luận :

E và H luôn vuông góc với nhau và cùng vuông góc với phương truyền sóng Điện trường và từ trường đồng pha và không đổi biên độ dọc theo phương truyền

Vận tốc pha của sóng phẳng là hằng số bằng vận tốc truyền sóng trong môi trường

Môi trường không tổn hao năng lượng, không tán sắc sóng điện từ trở sóng là một số thực

* Sóng trong môi trường dẫn điện

Trong môi trường dẫn điện, có độ dẫn σ≠ 0, số sóng và trở sóng là các đại lượng phức, số tiêu hao α ≠ 0, nên sóng điện từ bị tiêu hao năng lượng, biên độ của các vectơ cường độ trường suy giảm theo hàm số mũ dạng e-αZ dọc theo phương truyền sóng Z

[ ]E×H lệch pha nhau một góc bằng agrument của trở sóng phức Vph là hàm của tần số Sóng phẳng bị tán sắc, môi trường này được gọi là môi trường tán sắc

( t Z) Z i

H

( t Z ) Z i

o mt

2.4.3Hiệu ứng bề mặt trong vật dẫn

Hiệu ứng sóng điện từ hay dòng điện cao tần khi truyền trong vật dẫn điện tốt chỉ tập trung trên bề mặt của nó gọi là hiệu ứng mặt hay hiệu ứng skin

Từ (35), (36), (37), (38) ta thấy ωlớn sẽ dẫn đến α lớn Biên độ, cường độ điện trường và từ trường giảm nhanh khi truyền trong vật dẫn Nghĩa là đối với vật dẫn điện tốt khi cho dòng điện cao tần chạy trong nó thì dòng điện này chỉ tồn tại một lớp mỏng ở bề mặt vật dẫn đó

Để đặc trưng cho hiệu ứng bề mặt, người ta đưa vào khái niệm độ thấm sâu của trường hay độ dày lớp skin δ Đó là khoảng cách tính từ bề mặt vật dẫn đi sâu vào bên trong tại đó biên độ cường độ điện trường giảm đi e = 2,7183 lần so với giá trị ở trên bề mặt

H = −α

Theo định nghĩa độ thấm sâu của trường :

ωµσ α

E m mo

với σ, µ tham số điện của vật dẫn

2.5 Phổ trường điện từ

Phổ điện từ là sự liên tục của năng lượng bức xạ trong dãy bước sóng từ met (m) đến nanomet (nm) truyền với tốc độ ánh sáng đi qua chân không Phổ điện từ kéo dài từ bước sóng ngắn ở vùng tia gamma (γ được đo bằng 1/10 của nanomet) đến sóng dài của vùng sóng radio (được đo bằng met) Biểu đồ (2.5.) miêu tả phổ điện từ và một vài dạng ứng dụng của nó Trong biểu đồ này có một phần tần số radio của phổ điện từ ( từ 0 -> 300 Hz) được ứng dụng một cách đa dạng Một vài ứng dụng quan trọng là đường năng lượng điện, radio và tivi, điện thoại cùng các ứng dụng vào thương mại như liên kết dữ liệu, an toàn công cộng, thiết bị điều khiển từ xa, máy đo độ cao của máy bay, … Các hệ thống định hướng, lò vi ba, các ứng dụng trong công nghiệp như thiết bị bịt kín RF và sự đa dạng của các dụng cụ y khoa

RF induction Heaters (450 kHz)

Medium wave radio (535 - 1605 kHz)

Short wave radio (3 - 30 MHz)

RF sealers, short-wave diathermy, hyperthermia

For cancer therapy, (13.56, 27.12, 40 68 MHz)

VHF television (54-88, 174-216 MHz)

FM radio (88-106 MHz)

UHF television (470-890 MHz)

Microwaves, microwave oven (2 - 45 GHz)

Satellite communications

Microwave links for long distance telephone and TV communications

Radar for sea and air navigation

Visible light

Ionizing Radiation

100

1

10

100 GHz

2.6 Đặc trưng hấp thụ (SAR)

Tỉ số năng lượng tiêu hao trong một đơn vị thể tích của tế bào sinh học tại một điểm cho trước được xác định bởi công thức:

2

2

E

σ Trong đó σ là độ dẫn điện của môi trường

Để khảo sát năng lượng hấp thụ lên cơ thể ta đưa vào đặc trưng hấp thụ SAR

SAR là chữ viết tắt của Specific Absorption Rate: tỉ lệ hấp thụ chính xác hay công suất tiêu tán trong mỗi đơn vị khối lượng được xác định:

3 TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA VẬT THỂ SINH HỌC

3.1 Lịch sử nghiên cứu tính chất điện của vật thể

Tính chất điện của vật thể sinh học được nghiên cứu rộng rãi từ đầu thế

kỉ 20, bắt đầu từ các tần số thấp (dưới 10 MHz), và sau Thế chiến thứ 2 thì lĩnh vực nghiên cứu được mở rộng đến các tần số vi sóng (lên đến 10 GHz) Vào các thập niên 70, 80 các nghiên cứu xoay quanh việc đo đạc vivo của tế bào sinh học

♦ 1902 : Berwstein đã đưa ra giả thuyết “tế bào chứa chất điện phân được bao quanh bởi một màng chắn”

♦ 1910 : Hoeber đã đo đạc và khẳng định tính đúng đắn giả thuyết của Berwstein Chính điều này đã thúc đẩy sự ra đời thuyết mới của Fricker (Cole, 1962, Schwan 1981) về tính chất điện của vật thể sinh học

♦ 1962 : Cole cho rằng tại một thời điểm tính chất điện của tế bào ở thể treo, và của màng tế bào được tạo ra trên nền tảng của lý thuyết phối hợp giữa Maxwell và Rayleigh

♦ Sau Thế chiến thứ hai :sự phục hồi cơ chế phản ứng đối với các đặc tính thuộc điện được phân tích

♦ Sau thập niên 70, người ta tập trung nghiên cứu đến các tính chất điện của mô nhằm tìm ra những cơ chế tác động cơ bản của vật lý – sinh học

♦ Đầu thập niên 80 phát hiện ảnh hưởng của dòng điện lên cơ thể sinh vật

3.2 Tính chất điện vĩ mô và vi mô của vật thể sinh học cân bằng

3.2.1 Tính chất vĩ mô:

*Cơ chế phân cực trong hệ thống sinh vật:

Đa số chất điện phân trong nguyên sinh chất nằm ở trạng thái tự do và màng tế bào có tính bán thấm giữ vai trò như chất điện môi Tế bào được xem như túi chứa chất điện phân Ơû trạng thái sinh lý bình thường tế bào không cho các chất đi qua mà chỉ thấm một chiều đối với ion K+ đi vào tế bào Khi có điện trường bên ngoài các ion trong tế bào sẽ di chuyển về các cực tương ứng với điện tích Dần dần các ion trái dấu sẽ tập trung ở hai phía của màng tế bào Nhưng màng tế bào có tính bán thấm nên các ion này không thoát ra ngoài được Trong tế bào sẽ xuất hiện điện trường ngược chiều với điện trường bên ngoài, các ion trong tế bào không chuyển động nữa, sự phân cực đạt giá trị cực đại Tương ứng với điện tích được tích luỹ bên trong tế bào thì ở môi trường bên ngoài sát màng tế bào sẽ tích lũy lớp ion ngược dấu Giống như tụ diện và lúc này màng tế bào đóng vai trò như một chất điện môi

Mặt khác tế bào sinh vật là một hệ đa pha, mỗi pha có tính chất hoá lý khác nhau nên có độ dẫn điện khác nhau Sự phân cực xảy ra trên toàn bộ thể tích của tế bào, trong đó sự phân cực nội bào giữ vai trò chủ yếu

Quá trình phân cực của hệ thống sống không những chỉ do sự phân cực của ion mà còn do sự phân cực hoá của các lưỡng chất hữu cơ

Đại đa số các phân tử nằm trong thành phần nguyên sinh chất đều chứa nhóm phân cực

Sự phân cực điện môi trong hệ thống sống có thể do việc xê dịch điện tích trong thành phần cấu trúc gồm số lớn các phân tử hữu cơ Vivậy gọi là phân cực cấu trúc vĩ mô

Các tác động của điện trường lên vật chất được mô tả dưới dạng một hằng số điện môi phức

Trong đó : D : thông lượng cảm ứng điện

E : cường độ điện trường

ε’: hằng số điện môi

Hằng số điện môi ε’: đặc trưng cho khả năng tích lũy năng lượng của trường

ε”: hệ số tiêu hao

Hệ số tiêu haoε”: là đại lượng mô tả phần năng lượng tiêu tán trên một Hertz

Ơû đây, hằng số điện môi ε’thay cho ảnh hưởng vĩ mô kết hợp của sự biến đổi cân bằng gây ra phân cực điện

Thường thì người ta sử dụng hằng số điện môi tương đối ε)r, đó là hằng số điện môi đã được chuẩn hóa so với hằng số điện môi εo có trong chân không (εo≈ 8,85 10-12 F/m)

o o o r r

ε

ε ε

ε ε

ε ε ε

ε) = − ′′ = ) = ′ − ′′

Lúc này, để tính ε r′′ ta có công thức :

o r ωε

σ

ε′′ =

với ω = 2πƒ

Trong đó :

ƒ : tần số

σ : độ dẫn điện, đơn vị là siment/met (S/m) Độ dẫn điện σgồm 2 dạng :

- Độ dẫn điện tĩnh rút ra từ độ dẫn điện ion

- Độ dẫn điện rút ra từ những hệ số phân cực khác nhau

Ngoài ra còn một thông số hay được sử dụng khi nói về tính chất điện

vĩ mô của vật thể cân bằng là độ hao hụt tgσ

o r

tg

ε ε ω

σ ε

ε σ

ρ= 1 : điện trở suất (Ω.m)

Sự tác động của từ trường lên vật thể sinh học ở mức vĩ mô được mô tả bằng độ từ thẩm Tuy nhiên, do nhiều vật thể sinh học do không có từ tính hoặc nghịch từ rất yếu nên độ từ thẩm của chúng có thể gần bằng giá trị ở chân không ( ≈1,26 10-6) Ví dụ : một vài vi khuẩn, côn trùng và mô của các loài chim

kết mạnh Lúc này, các nguyên tử sẽ mang điện tích ngược dấu và khi đó điện trường ngoài tác động lên các điện tích xung quanh làm thay đổi trạng thái cân bằng của nguyên tử

Các phân tử phân bố điện tích không đối xứng làm tăng momen lưỡng cực khi không có điện trường ngoài

Sự phân bố không đều của điện tích trong điện môi cũng gây ra sự phân cực điện

Đối với vật thể sinh học: sự phân cực của điện tích tự do có ở mang tế bào, đối với các ion và sự phân cực lưỡng cực có ý nghĩa quan trọng

Ba kiểu phân cực mô tả như phân cực electron của nguyên tử, sự định hướng phân cực của lưỡng cực, từ các điện tích bao quanh nguyên tử, phân tử hoặc cấu trúc chất lỏng Mặt khác, các điện tích tự do có thể dịch chuyển trong môi trường, khi bị cản trở chuyển động hoặc bị giữ lại ở bên trong vật chất thì gây ra sự biến đổi điện trường vĩ mô

• Phân cực electron: Do tác dụng của điện trường làm tâm các electron lệch khỏi hạt nhân tạo thành lưỡng cực

• Phân cực nguyên tử (phân cực lưỡng cực): khi các nguyên tử trong phân tử có số electron phân bố không đối xứng khi có tác dụng của điện trường, các phân tử dịch chuyển làm thay đổi tạng thái cân bằng

• Phân cực định hướng: các điện tích phân bố không đối xứng Dưới tác dụng của trường các phân tử có khuynh hướng tự định hướng theo chiều của trường

• Phân cực điện tích không gian ( phân cực bề mặt ) : khi các hạt tải diện tự do di chuyển vào chất điện môi sự dịch chuyển của chúng bị cản trở, chúng trở thành cái bẫy ở bên trong hay trên bề mặt của vật liệu hoặc

không phóng điện tự do Một trong hai điều kiện trên làm biến đổi trường vĩ mô

3.2.3 Phương trình toán học và đồ thị minh họa

Các đặc điểm về điện của vật thể sinh học được biểu diễn bằng các dòng điện tương ứng qua các biểu thức toán học và các đồ thị đặc biệt

Quá trình hồi phục rút ra từ trạng thái phân cực Dopller được xem như tương ứng với một dòng điện qua một điện trở và một trạng thái của màng tế bào có thể xem như một điện trở và một tụ điện

Quá trình hồi phục được miêu tả bằng biểu thức Debye :

ωτ

ε ε ε ε

j

s

+

− +

∞

∧

1Trong đó : τ: thời gian hồi phục

Hình 3.1: bốn kiểu phân cực của nguyên tử và phân tử

ε ε ε ε

+

− +

σ σ σ

+

− +

Một số vật chất như các chuỗi phần tử, polime, … thể hiện sự phân bố và hồi phục theo thời gian bằng biểu thức Code – Code

) 1 (

) (

ε ε ε

=

j s

Và được biểu diễn bằng đồ thị:

Đường( ): biểu diễn sự hồi phục đơn

Đường( ) : biểu diễn sự hồi phục dạng chuỗi

3.3 Dữ liệu về các tính chất điện trong vật thể sinh học

3.3.1Phân tử và tế bào trong dung dịch :

Tính chất điện trung bình của nước ở thể lỏng trong các tế bào và phân tử sinh học thường khác so với tính chất điện của chúng ở thể tự do, hoặc thể khối do nước ngay lập tức bao quanh phân tử mà hình thành một thể gọi là khối nước Khối nước thể sự hồi phục điện môi tại tần số 100 -> 1000 MHz ở

37oC, tùy thuộc vào phân tử mà nước bao quanh

Hằng số điện môi tĩnh εj của khối nước độc lập với hằng số điện môi

fm

f=0 f= ∞

ε ”

Các nghiên cứu về protein ở thể treo phát hiện ra sự hồi phục sự quay của phần tử protein xảy ra tại tần số vào khoảng 100 KHz đến 50 MHz Do các phân tử protein không có cấu trúc hình cầu, nên các phần tử protein được tích điện và gần bằng lượng điện tích tập trung trên bề mặt vật chất

Hemolobin thể hiện sự tán sắc theo thời gian hồi phục nhờ có sự phân cực tự nhiên của các phân tử tại tần số 2 MHz Sự phân bố hồi phục theo thời gian rút ra từ tác động qua lại giữa Hemolobin nồng độ cao Sự hồi phục phân cực mạnh mở rộng đến bề mặt phân tử dẫn đến sự tán sắc trong khoảng tần số từ 10 -> 100 MHz Lượng nước bao quanh hemolobin với nồng độ hidro xấp xỉ 0,2 ± 0,05 g/1g hemolobin là nguyên nhân gây ra sự tán sắc tại tần số từ 500 -

> 1000 MHz

Tế bào hồng cầu tán sắc β tại tần số vài MHz là do sự phân cực của màng tế bào hồng huyết tố Dung dịch hồng cầu cũng có tính chất điện tương tự nếu chúng không đồng nhất với nước tự do

Các peptit và aminoaxit thì sự hồi phục xảy ra tại tần số cao từ 0.5 -> 3 GHz Moment lưỡng cực của chúng xấp xỉ 1/10 D.(D=3,3.10-20 C/m)

Màng tế bào có 2 thông số dẫn điện cơ bản là điện dung và độ dẫn điện trên một đơn vị diện tích Đối với một lượng nước lớn trên màng thì điện dung là 1µF/cm2, còn độ dẫn điện chỉ phụ thuộc tần số chứ không phụ thuộc vào quá trình sinh lý, thì chúng có giá trị vào khoảng 1->100 mS/cm2

Màng tế bào bị phân chia thành các vùng có điện môi khác nhau, do đó xảy ra hiện tượng tích điện bề mặt và sự hồi phục Maxwell – Wagnes xảy ra – gọi là sự tán sắc β – nó xảy ra nhiều ở tần số vào khoảng 10KHz đến vài trăm MHz

3.3.2 Tính chất điện của mô với ảnh hưởng của trường ở tần số thấp

Ở tần số thấp, sự tán sắc mạnh (còn gọi là tán sắc α) được chú ý Ơû các mô, sự sắp xếp có hướng của các sợi cơ và điện trở suất có thể sai khác nhau một hằng số và phụ thuộc vào định hướng của sợi cơ Tính dẫn điện và hằng số điện môi theo phương song song với E thì lớn hơn phương vuông góc

E

Sự phụ thuộc tính chất điện của mô vào cường độ dòng điện :

- Cơ bắp có tính tuyến tính trong khoảng tần số từ 10 Hz đến 10 KHz, đối với cường độ nhỏ hơn 2 mA/cm2

- Điện trở suất của da phụ thuộc vào cường độ dòng điện từ 10 -> 100

µA/cm2, tùy theo tần số và tùy theo loài

3.3.3Tính chất điện của mô với ảnh hưởng của RF và MW

Bảng (3.2) và (3.3): trình bày thông tin chi tiết về chất điện của các mô trong vitro và vivo

Bảng (3.4) và (3.5) : Sự thay đổi tần số điện môi và độ dẫn điện

Hằng số điện môi trong Vitro

Cơ, xương Lách Tụy Gan

Cơ, xuơng Lách Thận Gan Não Tủy

Cơ, xương

Cơ, xương Não Não Gan Thủy tinh thể

Xương Marrow Xương Chất béo Chất béo Gan Thận Lách Não Thủy tinh thể

Da Ngực

0,1-100 MHz 0,01-10 GHz 0,14-4 GHz 0,1-10 Hz 0,1-100 MHz 0,1-100 MHz 0,1-100 MHz 0,1-100 MHz

1 kHz-1 GHz

1 kHz-1 MHz

40 -90 GHz

1 kHz-1 GHz 0,02-100 MHz 0,02-100 MHz 0,02-100 MHz 0,02-100 MHz 0,1-16 GHz 0,01-10 GHz 0,02-100 GHz

Stoy (1982) Foster (1979) Nightingale (1980) Burdette (1980) Stoy (1982)

Kraszewski (1982) Surowiec (1986)

Kosterich (1983,1984) Stoy (1982) Edrich (1976) Thurai (1984) Steel, Sheppard (1986) Stoy (1982) Dawkins (1981) Gabriel (1983) Steel,Sheppard (1986) Smith,Foste (1985) Reddy,Saha (1984) Edrich,Hardee (1976) Smith,Foste (1985)

Surowiec (1985) Surowiec (1985)

Dawkins (1981) Gabriel (1987) Surowiec (1988)

Kraszewski (1982) Stuchley (1982a,b) Surowiec

(1986a,b) Surowiec (1987) Rắn Cơ, xương

Não

Lách

Phổi

0.1-10GHz 0.1-10GHz 0.1-10GHz 0.1-10GHz

(1,96-3,8).10 3

280

(1,9-2,5).10 3 1,97.10 3 1,45.10 3 (2,93-2,69).10 3 (0,54-1,25).10 3

87

162-240 251-338 321-410 190-204 163-352

37

64-90 65-82 69-101 66-95 57-90

23

57-59 47-49 50-55 42-50 37-55

43-45

35

41

40 38-44

Tần số Mô 100 kHz 1 MHz 10 MHz 100 MHz 1 GHz 10 GHz

0.58-0.85 0.27-0.3 0.63 0.36-0.37 0.14-0.21 0.017

0.69-0.96 0.42-0.47 0.5-0.84 0.5-0.68 0.21-0.63 0.024

0.75-1.05 0.6-0.72 0.73-1.05 0.66-1.05 0.48-0.95 0.057

1.38-1.45 0.95-1.1 1.09-11.3 0.95-1.0 0.81-1.2

11.5- 8.9 10.1 9.7 8-10.8

B ảng 3.5