Физические основы действия высокочастотных колебаний на ткани организма (стр. 1 из 2)

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра ЭТТ

РЕФЕРАТ

На тему:

«Физические основы действия высокочастотных колебаний на ткани организма»

МИНСК, 2008

В основе любых механизмов лечебного действия высокочастотных колебаний лежит первичное действие их на электрически заряженные частицы (электроны атомы и молекулы) веществ, из которых состоят ткани организма. В действии высокочастотных колебаний различают две основные группы эффектов - тепловой эффект и так называемый специфический эффект.

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 «терма-селективное» 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.

Следует отметить, что механизмы «специфического» действия высокочастотных колебаний изучены еще недостаточно и в ряде случаев имеют характер гипотез, однако многие из них получили не только теоретическое, но и экспериментальное подтверждение.

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 e и удельной электрической проводимостью s.

Магнитные свойства биологических тканей выражены очень слабо и практически при рассмотрении действия высокочастотных колебаний на ткани организма могут не учитываться.

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 быть разделены на три основные группы: 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; 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 величин e и s при изменении частоты колебаний.

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 сопротивлением 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.

Ориентация полярных молекул происходит не мгновенно, а требует некоторого конечного времени-времени релаксации, имеющего определенную величину для различных молекул.

При относительно низких частотах, когда период колебаний больше времени релаксации, ориентация молекул происходит в соответствии с изменением поля и успевает завершиться, в связи с чем диэлектрические потери энергии малы, а диэлектрическая проницаемость велика. При повышении частоты ориентация молекул отстает от изменений поля и не успевает полностью завершиться. Это приводит к уменьшению диэлектрической проницаемости ткани и увеличению диэлектрических потерь (увеличение проводимости ткани).

Поскольку время релаксации молекул воды составляет около 10^-11с, изменения e и s тканей, связанные с полярными свойствами молекул воды, начинают существенно сказываться на частотах выше 1000 мГц. На рис. 1 приведены зависимости от частоты диэлектрической проницаемости e и удельного сопротивления r (величина, обратная удельной проводимости s) для мышечной и жировой тканей.

Рис 1 Зависимость диэлектрической проницаемости (а) и удельного сопротивления (б) мышечных и жировых тканей от частоты.

В соответствии с вышеуказанным, как e, так и r уменьшаются с частотой.

Эквивалентная электрическая схема диэлектрика может быть представлена в виде конденсатора С без потерь, шунтированного сопротивлением потерь R (рис. 2) . Полный ток I, текущий через диэлектрик, равен векторной сумме активной Iа и реактивной Iр составляющих:

(1)

где U-напряжение на диэлектрике, а w-угловая частота колебаний. Диэлектрик характеризуется углом потерь d, дополняющим до 90° угол сдвига фаз j между током и напряжением. Угол потерь определяется следующим соотношением:

(2)

Реактивная составляющая тока, не вызывающая потерь энергии, определяется реактивной проводимостью конденсатора, т.е. диэлектрической проницаемостью диэлектрика и частотой колебаний.

Активная составляющая тока, вызывающая потери энергии, определяется удельной проводимостью диэлектрика. Величина удельной проводимости учитывает все виды потерь в диэлектрике, как потери проводимости за счет колебательного движения ионов, так и диэлектрические потери за счет поворотов дипольных молекул.

Потери энергии в единицу времени в единице объема диэлектрика, находящегося в поле напряженностью Е, могут быть выражены либо через удельную проводимость:

либо через угол потерь:

где e₀ - диэлектрическая постоянная.

Рисунок 2 – Диэлектрик.

а - эквивалентная схема; б - векторная диаграмма токов.

Диатермия

Диатермия - один из первых методов высокочастотной терапии была введена в медицинскую практику в начале ХХ века. Сущность диатермии заключается в прогревании тканей тела высокочастотным током (1,5-2 МГц), проходящим между двумя контактно наложенными на поверхность тела металлическими электродами.

Возможность использования теплового эффекта, создаваемого значительным по силе током (до 2 А), основано на снижении раздражающего действия переменного тока с повышением его частоты.

Раздражающее действие тока обусловлено нарушением ионного равновесия между протоплазмой клетки и окружающей клетку средой, которое происходит вследствие смещения ионов от своего среднего положения.