Фізичні основи дії високочастотних коливань на тканини організму

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки
Кафедра ЕТТ
РЕФЕРАТ
На тему:
«Фізичні основи дії високочастотних коливань на тканини організму»
МІНСЬК, 2008

В основі будь-яких механізмів лікувальної дії високочастотних коливань лежить первинна дія їх на електрично заряджені частинки (електрони атоми і молекули) речовин, з яких складаються тканини організму. У дії високочастотних коливань розрізняють дві основні групи ефектів - парниковий ефект і так званий специфічний ефект.
Тепловий ефект, одержуваний під дією високочастотних коливань, відрізняється від теплового ефекту, одержуваного іншими методами (грілки, укутування, інфрачервоне опромінення та ін), рядом істотних переваг. Нагрівання тканин струмами і полями високої частоти відбувається не за рахунок передачі тепла, підведеного до поверхні тіла, а за рахунок безпосереднього виділення теплоти в розташованих усередині тіла тканинах і органах. Це дозволяє в значній мірі виключити теплоізолюючі дію шару шкіри і підшкірної жирової клітковини, а також теплорегуляционная дію системи кровообігу, значно послаблює передачу тепла вглиб з поверхні тіла.
Особливістю теплової дії високочастотних коливань є те, що кількість теплоти, що виділяється в тих чи інших органах і тканинах організму, залежить як від параметрів коливань, головним чином частоти, так і від електричних властивостей самих тканин. Тому, підбираючи відповідним чином частоту коливань, можна забезпечити в якійсь мірі «терма-селективне» дію, тобто переважне виділення тепла в певних тканинах.
Важливою перевагою високочастотних методів є можливість легко регулювати потужність коливань, що діють на об'єкт, і відповідно інтенсивність теплового ефекту, при деяких методах можливо і досить точне вимірювання цієї потужності.
Специфічний ефект від дії високочастотних коливань, найбільш явно виявляється при ультра-і надвисоких частотах, полягає в різних внутрішньомолекулярних фізико-хімічних процесах, або структурних перебудовах, які можуть змінювати функціональний стан клітин тканин.
В якості прикладів можна вказати на вибудовування в ланцюжки, орієнтовані паралельно електричним силовим лініям, еритроцитів, лейкоцитів і деяких інших клітин і частинок, орієнтування по полю поляризованих бічних гілок білкових макромолекул та ін
Слід зазначити, що механізми «специфічного» дії високочастотних коливань вивчені ще недостатньо і в ряді випадків мають характер гіпотез, проте багато з них отримали не тільки теоретичне, але і експериментальне підтвердження.
Для кращого розуміння особливостей дії на організм різних форм енергії високочастотних коливань, залежно від частоти глибини проникнення і розподілу поглиненої енергії між тканинами та ін необхідно розглянути електричні параметри тканин організму.
Електричні параметри біологічних тканин, так само як і будь-якого іншого речовини, можуть бути охарактеризовані діелектричною проникністю e і питомої електричної провідністю s.
Магнітні властивості біологічних тканин виражені дуже слабо і практично при розгляді дії високочастотних коливань на тканини організму можуть не враховуватися.
Електричні характеристики різних тканин в значній мірі залежать від вмісту в них води з розчиненими в ній солями, іони яких зумовлюють провідність як самого розчину, так і тканин, що його містять.
Всі тканини тіла відповідно до змісту в них води можуть бути розділені на три основні групи: рідкі тканини (кров, лімфа), що представляють водну суспензію клітин і білкових молекул; м'язові і їм подібні тканини внутрішніх органів (серце, нирки, печінка та ін ), також містять велику кількість води, але мають ущільнену структуру; тканини з малим вмістом води (жир, кістки).
Іонна провідність рідких середовищ в тканинах обумовлює струм провідності і відповідно втрати енергії високочастотних коливань, яка виділяється у формі джоулева тепла (втрати провідності).
Іонна провідність однорідного електроліту практично не залежить від частоти, однак, наявність у ньому суспензії клітин, оточених тонкої плохопроводящей мембраною, викликає в певному частотному діапазоні зміна величин e і s при зміні частоти коливань.
На низьких частотах (до десятків кілогерц) іонний струм протікає лише через позаклітинне середовище, яке і визначає провідність тканини. Заряджаються ємності клітинних мембран зумовлюють її значну діелектричну проникність.
Зі збільшенням частоти за рахунок зменшення ємнісного опору мембран внутрішньоклітинна середовище починає брати участь у проведенні іонного струму, що призводить до збільшення загальної провідності тканини. У той же час ємності мембран не встигають повністю заряджатися, в результаті чого діелектрична проникність тканини зменшується.
Мембрани клітин перестають впливати на електричні властивості тканин при частотах, на яких ємнісний опір мембран стає малим в порівнянні з опором внутрішньоклітинного середовища. Це відбувається на частотах вище 100 МГц.
Зазначені вище залежності справедливі і для жирової та кісткової тканин, з тією різницею, що у зв'язку з низьким вмістом електролітів їх провідність і діелектрична проникність значно нижче, ніж у тканин з великим вмістом води.
З подальшим підвищенням частоти на електричні властивості тканин починають впливати полярні молекули води, що є електричні диполі. Полярні молекули під дією електричного поля орієнтуються в напрямку поля (орієнтаційна поляризація). Осциляції полярних молекул у змінному електричному полі супроводжуються втратами енергії, які називаються діелектричними.
Орієнтація полярних молекул відбувається не миттєво, а потребує деякого кінцевого часу-часу релаксації, що має певну величину для різних молекул.
При відносно низьких частотах, коли період коливань більше часу релаксації, орієнтація молекул відбувається відповідно до зміни поля і встигає завершитися, у зв'язку з чим діелектричні втрати енергії малі, а діелектрична проникність велика. При підвищенні частоти орієнтація молекул відстає від змін поля і не встигає повністю завершитися. Це призводить до зменшення діелектричної проникності тканини і збільшення діелектричних втрат (збільшення провідності тканини).
Оскільки час релаксації молекул води становить близько 10 -11 с, зміни e і s тканин, пов'язані з полярними властивостями молекул води, починають істотно позначатися на частотах вище 1000 мГц. На рис. 1 наведені залежності від частоти діелектричної проникності e і питомого опору r (величина, зворотна питомої провідності s) для м'язової та жирової тканин.


Рис 1 Залежність діелектричної проникності (а) і питомої опору (б) м'язових і жирових тканин від частоти.
Відповідно до вищезазначеного, як e, так і r зменшуються з частотою.
Еквівалентна електрична схема діелектрика може бути представлена ​​у вигляді конденсатора С без втрат, шунтований опором втрат R (рис. 2). Повний струм I, поточний через діелектрик, дорівнює векторній сумі активної Iа та реактивної Iр складових:
(1)
де U-напруга на діелектрику, а w-кутова частота коливань. Діелектрик характеризується кутом втрат d, що доповнює до 90 ° кут зсуву фаз j між струмом і напругою. Кут втрат визначається наступним співвідношенням:
(2)
Реактивна складова струму, що не викликає втрат енергії, визначається реактивної провідністю конденсатора, тобто діелектричною проникністю діелектрика і частотою коливань.
Активна складова струму, що викликає втрати енергії, визначається питомою провідністю діелектрика. Розмір питомої провідності враховує всі види втрат в діелектрику, як втрати провідності за рахунок коливального руху іонів, так і діелектричні втрати за рахунок поворотів дипольних молекул.
Втрати енергії в одиницю часу в одиниці об'єму діелектрика, що знаходиться у полі напруженістю Е, можуть бути виражені або через питому провідність:
або через кут втрат:
де e 0 - діелектрична постійна.

Малюнок 2 - Діелектрик.
а - еквівалентна схема, б - векторна діаграма струмів.

Діатермія
Діатермія - один з перших методів високочастотної терапії була введена в медичну практику на початку ХХ століття. Сутність діатермії полягає в прогріванні тканин тіла високочастотним струмом (1,5-2 МГц), що проходить між двома контактно накладеними на поверхню тіла металевими електродами.
Можливість використання теплового ефекту, створюваного значним за силою струмом (до 2 А), засноване на зниженні дратівної дії змінного струму з підвищенням його частоти.
Подразнюючу дію струму обумовлена ​​порушенням іонної рівноваги між протоплазмою клітини і навколишнього середовища клітини середовищем, яке відбувається внаслідок зміщення іонів від свого середнього положення.
При проходженні через тканини змінного струму іони електролітів, що входять до складу тканин, приходять в коливальний рух. Зі збільшенням частоти струму час руху іонів в одному напрямку, отже, і їх максимальне зміщення зменшуються. Відповідно зменшується і подразнюючу дію струму. При частоті коливань порядку кілька сотень кілогерц зсув стає порівнянним із зсувом в процесі теплового (молекулярного) руху, і змінний струм ніякого дратівної дії на тканини організму не надає.
Теплова дія струму при діатермії визначається, в основному, іонними втратами, тобто виділенням тепла, що відбуваються при коливальному русі іонів. У зв'язку з відносно низькою частотою, використовуваної при діатермії, діелектричні втрати в тканинах невеликі. Кількість тепла q в калоріях, що виділяється за одиницю часу в одиниці об'єму однорідної тканини, може бути розраховане на підставі закону Джоуля-Ленца, де j-щільність струму, r-питомий опір тканини.
На частотах 1-2 МГц питомий опір тканин з великим вмістом рідин (кров, м'язи, тканини внутрішніх органів) становить 100-200 Ом.см, питомий опір бідних електролітами жирової та кісткової тканини значно вища і становить 2000-5000 Ом.см.
При проведенні діатермії високочастотний струм проходить послідовно через перехідний опір між електродом і шкірою, шар шкіри і підшкірної жирової клітковини, м'язові і інші глибоко лежачі тканини. У результаті відносно більш високого питомого опору шкіри і жирової клітковини в цих тканинах виділяється найбільша кількість тепла. Це небажане розподіл теплоти по верствам тканин ускладнюється і тим, що при контактному накладенні електродів безпосередньо під ними має місце підвищена щільність струму, а в глибоко розташованих тканинах шляху струму розгалужуються і щільність струму значно знижується. Переважний нагрів поверхневих шарів тканин тіла - суттєвий недолік діатермії, що обмежує можливості її застосування.
При діатермії використовують металеві електроди, форма і розмір яких знаходяться у відповідності з підлеглою впливу відповідною частиною тіла. Найбільш часто застосовуються пластинчасті електроди, які виготовляють з лудженого свинцю товщиною 0,5-1мм. Електроди розташовують зазвичай один проти одного (поперечний) так, щоб подвергаемая впливу область тіла знаходилася між ними.
Крім пластинчастих, використовують також порожнисті фігурні електроди з нержавіючої сталі: циліндричні - для кистей рук, яйцеподібні різних розмірів - для піхви, плоскі, зігнуті під тупим кутом - для простати і т. д. Для впливу на кінцівки знаходять також застосування ванночки з пластмаси, наповнені 10% розчином кухонної солі.
При проведенні діатермії протягом усього часу процедури повинен бути забезпечений хороший контакт між всією поверхнею електрода і шкірою (слизової оболонки). Для цього пластинчасті електроди щільно прибинтовують до тіла за допомогою гумового бинта (рис. 3), а при необхідності додатково притискають мішечками з піском. При порушенні контакту між частиною поверхні електрода і тілом збільшується щільність струму і відповідно нагрівання шкіри, що може призвести до опіків.

Малюнок 3 - Накладення електродів при діатермії.
За певних умов між нещільно прилеглим електродом і тілом хворого можливе виникнення високочастотних іскор. У зв'язку з випрямляючих дією іскри при цьому не виключено проходження через тканини і органи імпульсів струму низької частоти, які можуть становити небезпеку для хворого. Можливість місцевих опіків при порушенні правил накладення електродів - також істотний недолік діатермії.
Теплова дія високочастотного струму прямо пропорційно квадрату його щільності, а, отже, при певній площі електродів і області дії - квадрату сили струму. Тому дозиметрія при діатермії здійснюється вимірюванням високочастотного струму в ланцюзі пацієнта. Величина струму вибирається, виходячи з площі меншого із застосованих електродів і допустимій щільності струму, що становить в середньому 0,01-0,015 А / см 2. При використанні внутрішньопорожнинних електродів у зв'язку з поліпшенням контакту і зменшенням перехідного опору між електродом і тілом щільність струму може бути підвищена до 0,03 А / см 2.
Важливим критерієм при проведенні діатермії є відчуття, які відчувають хворим. Відчуття печіння або надмірного тепла під електродом свідчать про його нещільне прилягання або нерівній поверхні. Ці недоліки мають бути негайно усунуті.
Слід мати на увазі, що величина високочастотного струму, що проходить через тіло пацієнта, може служити тільки для непрямої оцінки енергії, що виділяється в тканинах пацієнта. Це пояснюється, перш за все тим, що загальна кількість виділився тепла при одній і тій же величині струму може коливатися в значних межах залежно від опору ділянки тканин між електродами, яке, у свою чергу, залежить від площі електродів і будови тканин тіла пацієнта в області впливу. Крім того, як вже вказувалося, при діатермії має місце вкрай нерівномірний розподіл тепла між поверхневими і глибоко розташованими шарами тканин, причому в глибині тіла струм розгалужується на паралельні гілки, що проходять через ділянки тканин з найменшим опором (кров, м'язи), обходячи кісткові і жирові тканини. Таким чином, при діатермії важко забезпечити місцевий нагрів певних ділянок тіла, особливо при їх глибокому розташуванні.
У зв'язку з зазначеними вище недоліками діатермії з появою нових більш ефективних методів діатермія поступово виходить з широкої практики, а серійний випуск апаратів для діатермії припинений.

ЛІТЕРАТУРА
1. Системи комплексної електромагнітотерапіі: Навчальний посібник для вузів / Під ред А.М. Беркутова, В. І. Жулев, Г.А. Кураєва, Є.М. Прошина. - М.: Лабораторія Базових знань, 2000р. - 376с. 2000
2. Електронна апаратура для стимуляції органів і тканин / Під ред Р. І. Утямишева і М. Брехня - М.: Вища школа, 2003.384с .. 2003
3. Лівенсон А.Р. Електромедицинська апаратура. : [Навч. посібник] - Мн.: Медицина, 2001. - 344с. 2001
4. Катона З. Електроніка в медицині: Пер. з угор. / Под ред. Н. К. Розмахіна - Мн.: Медицина 2002. - 140с. 2002
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Комунікації, зв'язок, цифрові прилади і радіоелектроніка | Реферат
30.8кб. | скачати


Схожі роботи:
Біологічний ефект дії звуку і вібрації на клітини і тканини організму
Фізичні основи теорії нетеплового дії електродинамічних
Фізичні основи принцип дії та параметри фотоелектронних приладів
Будова організму людини клітини тканини органи нервова система і мозок
Біологічний ефект дії звуку і вібрації на клітини і тканини орг
Фізичні основи мікроелектроніки
Фізичні основи електроніки
Фізичні основи напівпровідникових приладів
Фізичні основи вимірювальних перетворювачів
© Усі права захищені
написати до нас