Физические основы действия высокочастотных колебаний на ткани организма.

Тепловой эффект, получаемый под действием высокочастотных колебаний, отличается от теплового эффекта, получаемого другими методами (грелки, укутывания, инфракрасное облучение и др.), рядом существенных преимуществ. Нагревание тканей токами и полями высокой частоты происходит не за счет передачи тепла, подведенного к поверх­ности тела, а за счет непосредственного выделения теплоты в расположенных внутри тела тканях и органах. Это позволяет в значительной. степени исключить теплоизолирующее действие слоя кожи и подкожной жировой клетчатки, а также теплорегуляционное действие системы кровообращения, значительно ослабляющее передачу тепла вглубь с поверхности тела.

Особенностью теплового действия высокочастотных колебаний является то, что количество теплоты, выделяющееся в тех или иных органах и тканях организма, зависит как от параметров колебаний, главным образом частоты, так и от электрических свойств самих тканей. Поэтому, подбирая соответствующим образом частоту колебаний, можно обеспечить в какой-то степени «термоселективное» действие, т. е. преимущественное выделение тепла в определенных тканях.

Немаловажным преимуществом высокочастотных методов является возможность легко регулировать мощность колебаний, действующих на. объект, и соответственно интенсивность теплового эффекта, при некоторых методах возможно и довольно точное измерение этой мощности.

Специфический эффект от действия высокочастотных колебаний наиболее явно проявляющийся при ультра- и сверхвысоких частотах, заключается в различных внутримолекулярных физико-химических процессах, или структурных перестройках, которые могут изменять функциональное состояние клеток тканей.

В качестве примеров можно указать на выстраивание в цепочки, ориентированные параллельно электрическим силовым линиям, эритроцитов, лейкоцитов и некоторых других клеток и частиц, ориентирование по полю поляризованных боковых ветвей белковых макромолекул и др.

Для лучшего понимания особенностей действия на организм различных форм энергии высокочастотных колебаний, зависимости от частоты глубины проникновения и распределения поглощенной энергии между тканями и др. необходимо рассмотреть электрические параметры тканей организма.

Электрические параметры биологических тканей, так же как и любого другого вещества, могут быть охарактеризованы диэлектрической проницаемостью и удельной электрической проводимостью.

Электрические характеристики различных тканей в значительной степени зависят от содержания в них воды с растворенными в ней солями, ионы которых обусловливают проводимость как самого раствора, так и тканей, его содержащих.

Все ткани тела в соответствии с содержанием в них воды могут 6'ыть условно разделены на две основные группы: электролиты - жидкие ткани (кровь, лимфа), представляющие водную суспензию клеток и белковых молекул; мышечные и им подобные ткани внутренних органов (сердце, почки, печень и др.), также содержащие большое количество воды, но имеющие уплотненную структуру и диэлектрики - ткани с малым содержанием воды (жир, кости).

Ионная проводимость жидких сред в тканях обусловливает ток проводимости и соответственно потери энергии высокочастотных колебаний, которая выделяется в форме джоулева тепла (потери проводимости).

Ионная проводимость однородного электролита практически не зависит от частоты, однако наличие в нем взвеси клеток, окруженных тонкой плохопроводящей мембраной, вызывает в определенном частотном диапазоне изменение его диэлектрической проницаемости.

На низких частотах (до десятков килогерц) ионный ток протекает только через внеклеточную среду, которая и определяет проводимость ткани. Заряжающиеся емкости клеточных мембран обусловливают ее значительную диэлектрическую проницаемость.

С увеличением частоты за счет уменьшения емкостного сопротивле­ния мембран внутриклеточная среда начинает принимать участие в про­ведении ионного тока, что приводит к увеличению общей проводимости ткани. В то же время емкости мембран не успевают полностью заря­жаться, в результате чего диэлектрическая проницаемость ткани умень­шается.

Мембраны клеток перестают оказывать влияние на электрические свойства тканей при частотах, на которых емкостное сопротивление мембран становится малым по сравнению с сопротивление^ внутрикле­точной среды. Это происходит на частотах выше 100 МГц.

Указанные выше зависимости справедливы и для жировой и костной тканей, с той разницей, что в связи с низким содержанием электролитов их проводимость и диэлектрическая проницаемость значительно ниже, чем у тканей с большим содержанием воды.

С дальнейшим повышением частоты на электрические свойства тканей начинают оказывать влияние полярные молекулы воды, представляющие собой электрические диполи. Полярные молекулы под действием электрического поля ориентируются в направлении поля (ориентационная поляризация). Осцилляции полярных молекул в переменном электрическом поле сопровождаются потерями энергии, которые называются диэлектрическими.

2.Терапия высокочастотными электрическими токами ВЧ-терапмя). Дарсонвализация.

Дарсонвализация была первым методом высокочастотной терапии, предложенным еще в конце 18 века французским врачом и физиком д'Арсонвалем (отсюда и название метода).

Д'Арсонваль предложил использовать с лечебной целью воздействие на организм электромагнитными колебаниями, которые в то время получались с помощью искровых генераторов и имели частоту в пределах 200—500 кГц. Колебания, использовавшиеся д'Арсонвалем, имеют резко затухающий характер и следуют отдельными сериями с паузой между ними. Вследствие этого средняя мощность колебаний при дарсонвализации незначительна и тепловой эффект в тканях организма полностью отсутствует. При этом первые колебания в каждой серии имеют достаточно высокое напряжение и ими обусловливается основное физиологическое действие.

Д'Арсонвалем было предложено как общее, так и местное воздействие, различающееся по технике проведения.

В настоящее время дарсонвализация рассматривается как метод воздействия высокочастотными колебаниями в импульсном режиме, а общее и местное воздействие, как два самостоятельных метода с различным механизмом физиологического действия на организм.

Источником колебаний при обоих методах является электронно-ламповый генератор, работающий на выделенной частоте и создающий импульсно-модулированные высокочастотные колебания высокого напряжения. При общем воздействии пациент помещается внутри большой катушки (соленоида), включенной в колебательный контур генератора.

При местной дарсонвализации (рис.1) воздействие осуществляется с помощью стеклянного электрода, наполненного воздухом при давлении 0,1—0,5 торр. На электрод подаются импульсы высокочастотных колебаний с пиковым напряжением до 20—30 кВ. Такое высокое напряжение создается с помощью повышающего трансформатора, который помещается либо в самом аппарате, либо в электрододержателе, используемом в качестве ручки. При проведении процедуры электрод перемещается по поверхности подвергаемого воздействию участка тела, либо (при действии на слизистые оболочки полостей, например, при использовании ректального электрода) устанавливается неподвижно. При этом для высокочастотного тока между цоколем электрода и телом больного образуется следующая цепь: ионизированный газ внутри электрода, емкость его стеклянной стенки и слой воздуха между электродом и поверхностью кожи (или слизистой), в котором возникает коронный разряд в форме «тихого» или слабого искрового. Бла­годаря ограничивающему ток действию малой емкости стеклянной стенки электрода разряд не достигает интенсивности, при которой он мог бы оказать раздражающее действие или вызвать болевое ощущение.

Если электрод отдалять от поверхности тела, то, увеличивая таким образом долю напряжения, приходящегося на воздушную прослойку, можно несколько повысить интенсивность разряда и получить более заметное искрение под электродом.

Для замыкания цепи высокочастотного тока второй электрод не применяется. Ток проходит через распределенную емкость пациента наз емлю, как это условно показано на рис.1, где обозначено: 1 — аппарат, 2—электрод, 3—пациент, 4—силовые линии высокочастот­ного поля.

При местной дарсонвализации ощущается легкое раздражение кожи и весьма незначительное поверхностное тепло. При увеличении длины искр возникает более сильное раздражение, но, как правило, без заметных явлений прижигания. Для прижигающего действия может применяться специальный электрод с металлическим острием на конце.

Таким образом, действующим фактором при местной дарсонвализации является высокочастотный электрический разряд, возникающий между электродом и поверхностью тела больного и изменяющийся по интенсивности от «тихого», почти не вызывающего особых ощущений, до слабого искрового, оказывающего уже раздражающее, а в отдельных случаях и легкое прижигающее воздействие.

Рис.3

Рис.2

Аппарат для местной дарсанвализации «Искра-1» (Рис.2) имеет следующие технические данные: частота генератора 110 кГц.; длительность модулирующих импульсов 100 мкс; частота следования импульсов 50 Гц. Аппарат представляет собой генератор высокочастотных импульсно модулированных колебаний с огибающей по форме близкой к «колоколообразной» (Рис.3).

3. УВЧ - терапия.

Одним из наиболее распространенных физиотерапевтических методов является УВЧ-терапия – воздействие на ткани и органы переменным ультра высокочастотным (30-50 МГц) электромагнитным полем. УВЧ-терапия применяется при лечении воспалительных процессов в костях и суставах, невралгии, бронхиальной астмы и других заболеваниях.

Физиологическое воздействие электромагнитного УВЧ - поля основано на действии переменного электрического или магнитного поля на молекулы и ионы в тканях организма. В результате этого воздействия в тканях выделяется значительное количество теплоты, что приводит к активизации биохимических и физиологических процессов.

Высокочастотное прогревание происходит за счет образования тепла во внутренних частях организма. Выделяемая теплота зависит от диэлектрической проницаемости тканей, их удельного сопротивления и частоты электромагнитных колебаний. Подбирая соответствующую частоту можно осуществлять преимущественное выделение теплоты в нужных тканях и органах.

Высокочастотная электромагнитная волна характеризуется двумя параметрами – напряженность электрического поля (E) и напряженностью магнитного поля (H). Используя специальные виды излучателей можно значительно усиливать электрическую или магнитную составляющие электромагнитной волны. Так переменное электрическое поле наиболее эффективно возникает в конденсаторе - между двумя близко расположенными пластинами, а магнитное в катушке индуктивности.

В состав организма входят ткани, обладающие свойствами как электролитов, так и диэлектриков. В данной лабораторной работе Вы будете исследовать поведение веществ, моделирующих диэлектрические и электролитные свойства биологической ткани в высокочастотном электрическом и магнитном полях.

Рассмотрим механизм действия электростатической составляющей УВЧ- поля на электролиты и диэлектрики. Электролиты представляют собой среду, содержащую свободные ионы, которые под действием внешнего высокочастотного электрического поля будут совершать колебания. Колебания ионов в электролите можно рассматривать как переменный электрический ток в среде. При этом энергия электрического тока переходит во внутреннюю энергию тела - тепло.

Количество теплоты, выделенное в электролите можно определить как:

Q ₁ = Е²/ r,

где Е – эффективное значение напряженности электрического поля; r – удельное сопротивление электролита.

Диэлектрики, как правило, представляют собой структуры, состоящие из дипольных молекул. Под действием высокочастотного электрического поля в диэлектрике происходит непрерывная переориентация дипольных молекул. Колебания диполей отстают по фазе от колебаний напряженности электрического поля. Количество теплоты выделевшееся в диэлектрике

Q₂ = w Е² ee₀tgd

где w - круговая частота колебаний; e - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; Е – напряженность поля; d - угол диэлектрических потерь.

Так как силы межмолекулярного взаимодействия в диэлектрике больше чем в электролите и геометрические размеры дипольных молекул, как правило, больше размеров ионов электролитов, то диэлектрик в высокочастотном электрическом поле будет нагреваться сильнее.

В высокочастотном магнитном поле на движущиеся ионы электролита действует сила Лоренца, которая приводит к возникновению вихревых токов в среде:

,

где: S- поперечное сечение среды, R- ее активное сопротивление, - скорость изменения индукции магнитного поля.

Количество теплоты, выделяющееся в электролите, помещенном в переменное магнитное поле, можно определить по формуле:

где: k – коэффициент, учитывающий геометрические размеры образца, w - частота магнитного поля, B – индукция магнитного поля, r - удельное сопротивление среды.

В диэлектриках, не имеющих свободных электрических зарядов, вихревые токи не образуются и они нагреваются значительно меньше, чем электролиты.

Различные виды биологической ткани имеют разное соотношение диэлектрических и электролитных свойств. Поэтому для их прогревания необходимо учитывать как диэлектрические свойства ткани так и внешний характер воздействия – высокочастотное электрическое или магнитное поле.

В медицине терапевтический метод нагревания биологической ткани ультравысокочастотным электрическим полем получил название УВЧ- терапии. Высокочастотное электрическое поле создается в пространстве между пластинами плоского конденсатора. При УВЧ – терапии наиболее эффективно прогреваются ткани с выраженными диэлектрическими свойствами (жир и т.д.). Прогревание биологических тканей и органов высокочастотным магнитным полем называют индуктотермией (лечение вихревыми токами). В этом терапевтическом методе наиболее эффективно прогреваются ткани, богатые сосудами, например мышцы. Высокочастотное магнитное поле при индуктотермии создают с помощью спиралей или плоских катушек индуктивности – резонансных индукторов (магнитных аппликаторов).

Современные терапевтические аппараты позволяют реализовать как УВЧ- терапию, так и индуктотермию.

Описание установки

В работе используется аппарат УВЧ-66.

Аппарат УВЧ состоит из двухтактного лампового генератора (ЛГ) и терапевтического контура (ТК) рис.4.

Основными частями генератора являются: колебательный контур, включенный в анодную цепь, в котором возбуждаются незатухающие электромагнитные колебания, частота которых определяется индуктивностью L А и емкостью С А контура; источник электрической энергии Е А, за счет которого в контуре поддерживаются незатухающие колебания; электронные лампы Л1 и Л2, с помощью которых регулируется подача энергии от источника в контур, и катушка обратной связи L c, посредством которой осуществляется подача переменного напряжения из выходной цепи на сетки электронных ламп.

Воздействием электрическим полем УВЧ на пациента производится посредством электродов пациента (ЭП) – двух пластин плоского конденсатора, который включен в терапевтический контур, индуктивно связанный с анодным колебательным контуром генератора. Индуктивная связь исключает возможность попадания больного под высокое постоянное напряжение, которое всегда имеется в генераторе.

Наибольшая мощность выделяется в терапевтическом контуре при условии резонанса, т.е. тогда, когда частота собственных колебаний терапевтического контура совпадает с частотой колебаний, возникающих в анодном колебательном контуре генератора. Частота собственных колебаний контура зависит от его индуктивности L и емкости С: w = 1/ ÖLC. Емкость терапевтического контура складывается из емкости между электродами пациента и емкости переменного конденсатора С Т. Так как при различных процедурах емкость между электродами пациента меняется, то каждый раз необходимо производить настройку терапевтического контура в резонанс с частотой генератора, изменяя емкость переменного конденсатора.

Вся электрическая схема аппарата смонтирована в металлическом корпусе. Отдельные элементы схемы экранированы. Элементы управления находятся на передней панели и имеют соответствующие надписи Рис.5.

Переключатель НАПРЯЖЕНИЕ служит для регулировки рабочих режимов аппарата в условиях колебания напряжения в сети. Контроль напряжения сети осуществляется при нажатии кнопки КОНТРОЛЬ. Для изменения мощности, отдаваемой генератором, служит переключатель МОЩНОСТЬ, имеющий четыре положения: 0, 20, 40, 70 Вт.

Емкость переменного конденсатора терапевтического контура изменяется ручкой НАСТРОЙКА, расположенной на передней панели аппарата. Контроль настройки терапевтического контура осуществляется с помощью стрелочного измерительного прибора. На правой боковой стенке аппарата укреплены два кронштейна для установки электрододержателей, имеющих шарнирные соединения, обеспечивающие установку электродов в различные положения.

Распределение напряженности электрического поля между электродами пациента зависит от размеров электродов, расстояния между ними и от их взаимного расположения. Это распределение можно исследовать с помощью дипольной антенны (ДА), представляющей собой два проводника, между которыми включен полупроводниковый диод. Дипольная антенна соединена с миллиамперметром или неоновой лампой.

Сила тока, возникающего в контуре дипольной антенны, пропорциональна напряженности электрического поля УВЧ. Дипольная антенна располагается в конце деревянной рейки, которая может двигаться по направляющим в вертикальном и горизонтальном направлениях. На направляющих через каждый сантиметр нанесены деления. Это позволяет определить положение дипольной антенны относительно электродов пациента.

Для изучения теплового воздействия электрического поля УВЧ на электролиты и диэлектрики между электродами устанавливаются кюветы из органического стекла с исследуемыми жидкостями (диэлектрик и электролит). Количество жидкостей в кюветах подбирается так, чтобы их теплоемкости были одинаковы. Изменение температуры фиксируется термометрами, укрепленными в крышках кювет.

Высокочастотное магнитное поле для проведения индуктотермии создается с помощью катушки индуктивности (Рис.6) – резонансного индуктора (магнитного аппликатора). В аппарате УВЧ- терапии она включается в терапевтическом контуре вместо электродов пациента.

** При работе с аппаратом для УВЧ-терапии запрещается:

1) приступать к работе, не ознакомившись с инструкцией по его эксплуатации;

2) подключать или отключать заземление и заменять предохранители при включенном аппарате;

3) подносить к проводам и электродам аппарата металлические предметы во избежание ожогов токами высокой частоты;

Дата добавления: 2015-07-12