ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ ЭЛЕКТРОТЕРАПИЯ И ЭЛЕКТРОХИРУРГИЯ.

1. Воздействие радиоволн на биологические структуры.

Всевозможные электромагнитные (ЭМ) волны, распространяющиеся во Вселенной (в том числе и в условиях Земли), можно представить в виде единой шкалы. Вся шкала условно подразделена на 6 диапазонов: радиоволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение и γ- излучение. Самым длинноволновым участком шкалы являются радиоволны. Их длина волны составляет 10³-10^{-3 м, а частота - 3·105}-3·10¹¹ Гц. Необходимо иметь в виду, что эти границы приняты условно. Радиоволны делятся на длинные, средние, короткие, УВЧ и СВЧ диапазоны.

Интерес медиков к ЭМ волнам высокой частоты (ВЧ – 200 кГц-30 МГц), ультравысокой частоты (УВЧ – 30-300 МГц) и сверхвысокой частоты (СВЧ – свыше 300 МГц) – такое деление принято в медицине, стал проявляться в связи с развитием радиовещания на этих частотах, когда было замечено их влияние на обслуживающий персонал: повышение температуры тела, ломота в суставах, потливость, сонливое состояние и др.

Искусственными источниками радиоволн являются радиовещательные и телевизионные станции, радиолокаторы и спутниковые системы связи. Для создания ЭМ волн имеются специальные генераторы, основной частью которых является колебательный контур, состоящий из конденсатора емкостью C и катушки индуктивности с индуктивностью L. Частота ν колебательного контура определяется формулой Томсона и зависит только от С и от L.

На частоте около 10¹⁰ Гц эти станции могут давать мощность до 30-10⁹ Вт в импульсе. Для человека интенсивность радиоволн 0,1 Вт/м² считается безопасной. Однако, в зонах, где интенсивность достигает 100 Вт/м², пребывание человека запрещено по нормам, установленным Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ).

При прохождении ЭМ волн через слой вещества толщиной х интенсивность волны I уменьшается согласно закона Бугера I=I₀e^-μx, где μ - коэффициент ослабления. Величина μ зависит от природы вещества и длины волны.

Эти ослабления вызваны тем, что часть энергии радиоволн при их взаимодействии с биологическими структурами превращается в теплоту. Выделение теплоты происходит за счет генерации переменных токов проводимости в электролитах (крови, лимфе, цитоплазме клеток) и за счет поворота дипольных молекул диэлектриков тканей организма, т.е. за счет поляризации.

Особенностью распространения радиоволн в живых организмах является сильная зависимость электрических свойств (диэлектрической проницаемости e и удельной проводимости γ) от частоты. При действии на ткань волн УВЧ и СВЧ отмечается их быстрое затухание и быстрое превращение их энергии в тепло.

Эффект взаимодействия радиоволн с биологическими тканями используется в физиотерапии и электрохирургии. Действие ЭМ волн на вещество осуществляется различными способами в зависимости от расположения ткани относительно элементов колебательного контура. Рассмотрим эти способы.

 

2. Нагревание проводников высокочастотным током.

Диатермия. Электрохирургия. Дарсонвализация.

При нагревании высокочастотным током биологическая ткань с удельным сопротивлением r располагается между двумя электродами, площадью S, которые непосредственно накладываются на ткань (рис.1). Расстояние между электродами – l.

В соответствии с законом Джоуля-Ленца, количество теплоты Q, которое выделяется при прохождении по проводнику с сопротивлением R силы тока I за время t, будет равно:

,

где - плотность тока; V=S·l – объем ткани.

Разделив Q на объем и время, получим количество теплоты q, выделяющееся в единицу времени в единице объема вещества:

.

Следует иметь в виду, что для синусоидального переменного тока величина j представляет собой эффективное значение плотности тока, т.е. , где j₀ – амплитудное значение плотности тока.

а) Диатермия.

Пропускание токов высокой частоты через ткань используют в физиотерапевтических процедурах, называемых диатермией (греч. – диа – через + терме – жар). При диатермии применяют ток частотой от 1 до 1,5 МГц, напряжением 100-250 В, силой тока от 1 до 3 А. Диатермия позволяет повысить локальную температуру тканей на 2-5⁰С. Диатермическое повышение температуры приводит к расширению кровеносных сосудов, т.е. к увеличению кровообращения, а также к активизации ряда биологических процессов. Так как кровь, мышцы, печень, легкие обладают небольшим удельным сопротивлением, то они нагреваются слабо. Кожа и подкожная клетчатка имеют большое удельное сопротивление, поэтому нагреваются сильнее. Такое непродуктивное выделение теплоты в коже и подкожной клетчатке является недостатком диатермии. Кроме того, метод диатермии предполагает очень плотный контакт участка тела пациента с электродами. При нарушении контакта могут возникнуть ожоги. По этим причинам в настоящее время диатермию заменяют другим более эффективными методами высокочастотного воздействия.

б) Электрохирургия.

В настоящее время токи высокой частоты (ν =1-2 МГц) используются для хирургических целей (электрохирургия). Они позволяют рассекать ткань (диатермотомия) или сваривать ткани (диатермокоагуляция). Электрическая схема такая же, как и при диатермии (рис.2).

Нижний электрод 1 имеет большую площадь и называется неактивным, а верхний электрод 2 имеет очень малую площадь, сделан в виде скальпеля или иглы и называется активным.

При электротомии рассечение тканей осуществляется в результате интенсивного парообразования тканевой жидкости в области, прилегающей к электроду 2. Плотность тока при электротомии доходит до 40 кА/м². Электрохирургия имеет перед обычной хирургией ряд преимуществ: малая потеря крови вследствие коагуляции стенок кровеносных сосудов; малые послеоперационные боли, вследствие сваривания нервных окончаний; бактерицидное действие.

При диатермокоагуляции коагуляционный эффект используется для сварки кровеносных сосудов, альвеол, для выжигания злокачественных опухолей и в других случаях. Плотность тока при коагуляции от 5 до 10 кА/м².

в) Дарсонвализация.

Метод лечения импульсными токами с частотой от 200 до 500 кГц при напряжении до 30 кВ и силе тока 15-20 мА называется местной дарсонвализацией. Метод получил название в честь предложившего его французского физика и биолога Ж.А.Д’Арсонваля. Форма импульсов показана на рис.3.

Электрическая схема дарсонвализации представлена на рис.4. Ток к пациенту П поступает от источника высокочастотных колебаний И через вакуумный или заполненный графитом стеклянный электрод Э.

Второго электрода нет, так как цепь замкнута через тело пациента и окружающую среду так называемыми токами смещения (пунктирное изображение конденсатора). Нагрев тканей при дарсонвализации практически незаметен, так как сила тока очень мала. При местной дарсонвализации происходит раздражение кожных рецепторов мелкими искрами, проскакивающими между телом пациента и электродом. Это вызывает расширение капилляров и артериол в зоне действия электрода, усиливает циркуляцию крови, стимулирует заживление ран и язв, улучшает обмен веществ, оказывает болеутоляющий эффект. Существенное действие оказывают поляризационные эффекты на клеточные мембраны.

3. Нагревание проводника в переменном магнитном поле.

Индуктотермия.

 

Электрическая схема нагревания тканей в переменном магнитном поле представлена на рис.5. Ткань помещена в катушку, внутри которой существует переменное магнитное поле с частотой 10-15 МГц. Это поле создает (индуктирует) в проводящих тканях вихревые токи. Эти токи можно использовать для прогревания тканей и органов. Такой лечебный метод называется индуктотермией.

Рассчитаем количество выделенной теплоты в этом случае. ЭДС индукции e_i равна:

,

где В₀ – максимальное значение вектора индукции магнитного поля.

 

По закону Ома:

,

где ; .

Тогда .

Ранее мы показали, что количество теплоты, выделенное в 1 м³ ткани за 1 секунду: ,

где - коэффициент, зависящий от размеров образца.

Таким образом, при индуктотермии количество теплоты, выделяющейся в тканях, пропорционально квадратам частоты и индукции магнитного поля и обратно пропорционально удельному сопротивлению. Следовательно, при индуктотермии больше нагреваются ткани с меньшим удельным сопротивлением – кровь, печень. По сравнению с диатермией индуктотермия дает более глубокое прогревание, поскольку проводится на более высоких частотах. Индуктотермия дает хорошие результаты при лечении хронических воспалительных процессов в глубоко лежащих тканях: бронхит, пневмония, холецистит, нефрит и др.

4. Нагревание проводников и диэлектриков в

ультравысокочастотном электрическом поле. УВЧ-терапия.

 

Электрическая схема нагревания ткани колебания УВЧ представлена на рис.6. Электроды не касаются ткани. Ткань расположена между пластинами конденсатора (терапевтические электроды), в котором существует переменное электрическое поле частотой 40-50 МГц, что на порядок выше, чем при диатермии. Эти поля относятся к ультравысоким частотам, поэтому соответствующий физиотерапевтический метод получил название УВЧ-терапия.

а) Нагревание проводников в ультравысокочастотном электрическом поле.

Мощность тока в проводнике , учитывая, что U=E·l, а ; получим , где V – объем ткани. Разделив Р на V, получим количество теплоты, выделяющееся в единицу времени в единице объема проводящей ткани:

,

где Е – эффективное значение напряженности поля, т.е. ; Е₀ – амплитудное значение напряженности электрического поля.

б) Нагревание диэлектриков в ультравысокочастотном электрическом поле.

Рассмотрим диэлектрик с относительной диэлектрической проницаемостью ε, находящийся в переменном электрическом поле. В реальном диэлектрике имеются свободные ионы и электроны, которые под действием электрического поля приходят в движение и нагревают диэлектрик, т.е. возникает активный ток проводимости – I_ПР. Кроме этого в диэлектрике происходит поворот дипольных молекул под действием поля и их ориентация вдоль силовых линий поля, т.е. есть ориентационный ток – I_ОР. Поскольку существует сопротивление среды, препятствующее такой ориентации диполей, то часть энергии I_ОР идет на нагревание диэлектрика, т.е. является активной частью I _{а ,ОР} ориентационного тока, другая же часть I_P,ОР будет реактивной (она не приводит к нагреванию). Следовательно, в диэлектрике есть как активный ток I _а =I_ПР+I _{а ,ОР} (созданный токами проводимости и активной частью ориентационного тока), так и реактивный ток I_P=I_P,OP+I_Э, где I_Э – ток, обусловленный электронной поляризацией. На векторной диаграмме активный ток совпадает по направлению с напряжением, а реактивный отстает на π/2. Общий ток I₀ равен векторной сумме I _а и I_Р (рис.7). Угол между общим током I₀ и реактивным I_P называется углом диэлектрических потерь δ. Найдем тангенс угла диэлектрических потерь. Из рис.7 - он характеризует долю энергии электрического поля, расходуемой в диэлектрике на нагревание.

Из треугольников запишем соотношения для эффективных значений I _{а ,ЭФ} и I_P,ЭФ - активной и реактивной составляющих тока:

; ; ;

; ;

; ; ;

;

.

Сопоставляя формулы для проводников и диэлектриков в поле УВЧ, можно отметить, что количество теплоты, выделяемое в обоих случаях, прямо пропорционально квадрату эффективной напряженности электрического поля, а для диэлектриков зависит от частоты поля. В аппаратах УВЧ используют частоту 40,58 МГц. В случае токов такой частоты диэлектрические ткани организма нагреваются сильнее проводящих.

При УВЧ-терапии нагрев костной, мышечной и жировой тканей происходит интенсивнее, чем нагрев кровеносных сосудов, лимфатических узлов. УВЧ-терапия оказывает ряд физико-химических воздействий: усиление активизации ферментов, изменение РН цитоплазмы.

 

5. Микроволновая терапия.

Физиотерапевтические методы, основанные на применении электромагнитных волн СВЧ-диапозона, получили название микроволновой терапии. Для этого вида высокочастотной терапии выделены волны 6,5 дм и ν=460 МГц (дециметровая, или ДМВ-терапия) и 12,6 см и ν=2375 МГц (сантиметровая, или СМВ-терапия). Электромагнитные колебания СВЧ создает магнетронный генератор (магнетрон-устройство, сочетающее в себе функции электронной лампы и колебательного контура). Электромагнитная волна направляется на соответствующий участок тела специальными излучателями, имеющими вид полых цилиндров. Цилиндр является волноводом, по оси которого распространяется ЭМ волна, выходящая из него наружу. Глубина проникновения электромагнитных волн определяется строением ткани. Сантиметровые волны проникают в организм на глубину 2-6 см, а дециметровые – на глубину 7-9 см. Механизм физиологического действия микроволновой терапии, как и механизм любого другого метода, состоит из первичного и вторичного действий. Первичное действие – это непосредственное влияние микроволн на ткани, а вторичное – возникающее в ответ на первичное действие. Первичное действие имеет место непосредственно в облучаемом участке тела и состоит из теплового и нетеплового компонентов. В настоящее время наиболее разработана теория о тепловом действии СВЧ-полей на биологические объекты. Электромагнитная волна поляризует молекулы вещества и периодически меняет их ориентацию, так как они являются электрическими диполями. Она воздействует и на ионы биологических объектов и вызывает переменный ток проводимости. Таким образом, в веществе возникает как ток смещения, так и ток проводимости. Это вызывает нагревание вещества. Большую роль в нагревании вещества играют токи смещения, обусловленные переориентацией дипольных молекул воды. Поэтому наибольшее поглощение энергии происходит в тканях богатых водой – мышцы, кровь. Кости и жировые ткани нагреваются меньше. На границе раздела двух сред с разными коэффициентами поглощения электромагнитных волн, например, тканей с различным содержанием воды, могут возникать стоячие волны, создающие местный перегрев. Такие явления возникают в тканях с недостаточным кровоснабжением (хрусталик глаза, стекловидное тело).

Количество теплоты, выделяющееся в единицу времени в единице объема ткани определяется по формуле:

.

Нетепловое действие сводится к различным электрохимическим изменениям и структурным перестройкам в сложных биоколлоидных системах (изменение осмотического давления в клетках, проницаемости биомембран, коллоидного состояния цитоплазмы). Эти изменения влияют на обменные процессы в клетках. Следует отметить, что это действие изучено меньше теплового.

Что касается вторичного механизма, то он сводится в основном к влиянию поглощенной энергии на рецепторы. Раздражение от рецепторов поступает через нервные каналы в центральную нервную систему. Таким образом, локальное облучение приводит к общему физиологическому эффекту.

ЛЕКЦИЯ № 17