Лечебные электронные системы.

Одним из наиболее широко распространенных методов лечения и профилактики заболеваний являются методы высокочастотной терапии. Это воздействие на ткани и органы высокочастотных электромагнитных колебаний. Получают электромагнитные колебания с помощью колебательного контура. Идеальный колебательный контур состоит из катушки индуктивности и конденсатора. Если зарядить конденсатор такого контура, то в нем возникнут периодически повторяющиеся процессы перехода электрического поля конденсатора в энергию магнитного поля катушки и обратно посредством электрического тока. При определенных условиях от колебательного контура в пространстве будет распространятся электромагнитная волна. Совокупность этих физических факторов и носит название электромагнитных колебаний. Изменение этих факторов в идеальном колебательном контуре происходит по гармоническому закону. Период колебаний в контуре определяется емкостью конденсатора и индуктивностью катушки по известной формуле Томсона Т=2pLC (LC под корнем).

В реальном колебательном контуре присутствует активное сопротивление, поэтому колебания в нем будут затухающими. Если периодически заряжать конденсатор контура, то после каждой зарядки в нем будет возникать залп высокочастотных затухающих колебаний. Воздействие на ткани и органы человека затухающими колебаниями тока называется местной дарсонвализацией. Аппарат для воздействия носит название генератор Д'Арсонваля. Периодическая зарядка конденсатора контура с ударным возбуждением осуществляется с помощью генератора прямоугольных импульсов. Частота повторения прямоугольных импульсов 50 Гц. Частота высокочастотных колебаний тока в контуре 110 кГц. Во вторичной катушке наводится ЭДС индукции напряжением 20-30 кВ. Воздействие осуществляется стеклянным электродом, заполненым воздухом при давлении 0,1-0,5 мм рт.ст. Второго электрода нет, однако цепь замкнута через воздушную среду, которую можно представить в виде конденсатора (пунктирные линии). Действующим фактором является высокочастотный разряд (ток), возникающий между электродом и поверхностью тела пациента. Интенсивность высокочастотного разряда меняется от “тихого”, вызывающего тонизирующее действие на нервные рецепторы кожи и слизистой, до слабого искрового, оказывающего уже раздражающее, а в отдельных случаях легкое прижигающее действие.

Для получения незатухающих колебаний необходимо периодически пополнять энергию контура от постороннего источника напряжения. Для этих целей используется генератор электрических колебаний.

Генератор состоит из:

1. Колебательного контура;

2. Триода с катушкой обратной связи;

3. Источника постоянного электрического напряжения.

При подключении источника питания конденсатор контура заряжается до определенного напряжения и в контуре возникает ток, изменяющийся по гармоническому закону. В первой четверти периода ток в контуре возрастет от 0 до J_max. В этот период времени в катушке связи индуцируется ЭДС, приложенная “+” к сетке, лампа открыта, происходит пополнение энергии контура. Во второй четверти периода ток уменьшается от J_max. до 0. В катушке связи возникает ЭДС, приложенная “-” к сетке, лампа закрыта. Далее процесс повторяется. Таким образом, за период лампа дважды бывает открыта, в это время и происходит пополнение энергии контура и в нем возникают незатухающие электромагнитные колебания. Лампа с катушкой обратной связи играет роль своеобразного ключа, только в определенные моменты, открывающего доступ энергии от источника питания к контуру, они играют роль механизма обратной связи. В генераторах, используемых в медицинских целях, к контуру генератора индуктивно подключается терапевтический контур. В нем возникают вынужденные колебания, частота которых определяется контуром автогенератора. Терапевтический контур и контур автогенератора настроены в резонанс. Описанный генератор используется в следующих методах высокочастотной терапии: диатермия, индуктотермия, УВЧ-терапия, микроволновая и ДВЦ-терапия.

Диатермия - это метод воздействия на ткани организма высокочастотного электрического тока. Способ воздействия контактный. Частота колебаний 1-2 МГц (в России - 1,625МГц). Эффект - тепловой, механизм выделения тепла связан с увеличением колебательного движения ионов в проводящих тканях организма при пропускании высокочастотного тока. Количество выделенного тепла определяется по формуле Q=k (s²/g), где k - коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора единиц, s=J/S - плотность тока на электродах, g - удельная проводимость ткани. Так как количество теплоты обратно пропорционально удельной проводимости, наибольший тепловой эффект происходит в плохо проводящих тканях (подкожный жировой слой, клетчатка, некоторые соединительные ткани). Теплообразование можно значительно усилить, если сделать площадь одного или обоих электродов очень малой. В этом случае под электродом ткань разрушается (разрезается). Этот эффект используется в методе хирургической диатермии. При “электрическом” разрезе одновременно происходит коагуляция кровеносных сосудов, поэтому метод хирургической диатермии называют диатермокоагуляция.

Воздействие на ткани организма переменным высокочастотным магнитным полем называется индуктотермией. Терапевтический контур для индуктотермии представлен на рис. 1.3.14. Катушка L_в в зависимости от области воздействия может иметь различную форму и размеры. Магнитное поле, создаваемое в этой катушке наводит в проводящих тканях организма высокочастотные замкнутые вихревые токи. Эти токи и вызывают эффект теплообразования. Количество выделенной теплоты определяется формулой Q=kn² В²g

Этот метод лечения используется для воздействия на хорошо проводящие ткани (мышечная, нервная ткань, кровеносные сосуды). При индуктотермии используется частота 10-15 МГц.

При УВЧ-терапии происходит воздействие переменным высокочастотным электрическим полем, частотой 40-50 МГц. При воздействии такого поля в проводящих тканях усиливается колебательное движение ионов, в непроводящих - вращательное движение дипольных молекул, в результате чего выделяется теплота. Формулы теплообразования:

для проводящих тканей:

Q=kЕ²g, Е - напряженность электрического поля,

для диэлектрических тканей:

Q=knee₀E²tgd,e₀ - диэлектрическая постоянная, e - относительная диэлектрическая проницаемость, n - частота,d - так называемый угол потерь, он определяет отставание по фазе вращения дипольных молекул от изменения электрического поля.

В микроволновой и ДЦВ-терапии используется открытый колебательный контур. В простейшем виде это обычный прямой проводник (антенна). Такой контур способен излучать направленный поток электромагнитных волн. Используемая частота 460 МГц, 2375 МГц. Эффект воздействия тепловой. Способ воздействия безконтактный

В современной физиотерапии все большее значение приобретает применение импульсных токов. Импульсы прямоугольной формы получают с помощью импульсных генераторов - мультивибраторов. Он состоит из двух одинаковых триодов. За счет обратной связи анодов с сетками противоположных триодов, ток в этих триодах “мгновенно” увеличивается до J_max, а затем также быстро уменьшается до 0. Импульсы прямоугольной формы возникают на обоих триодах, но они противофазны.

Основными характеристиками импульсных токов являются:

а. Амплиитуда тока - А,

б. Период импульса - Т,

в. Длительность импульса - t,

г. Частота повторения импульсов - n=1/T,

д. Длительность паузы между импульсами - t₀ ,

е. Скважность - это отношение периода импульса к его длительности D=Т/t;

Для получения импульсов других форм используются дифференцирующие и интегрирующие цепочки (рис.1.3.19). Это последовательно соединенные конденсатор и активное сопротивление. Цепочки характеризуются постоянной t=R C. Величина этой константы и определяет форму импульса.

Физиологический эффект воздействия импульсов тока состоит в том, что на каждый отдельный импульс ткань отвечает адекватным ответом (раздражением). Для каждой ткани в координатах амплитуда - длительность импульса определяют границу раздражения. Выше кривой существует адекватный ответ, ниже ткань не раздражается. С этой точки зрения существуют физиологические параметры раздражения:

1. Реобаза (A_m) - это минимальная амплитуда импульса при бесконечно большой его длительности, которая вызывает адекватный ответ.

2. Хроноксия (t_m) - это минимальная длительность импульса при двойной реобазе, которая вызывает адекватный ответ.

3. Лабильность (n_min) - это минимальная частота импульсов, на каждый из которых ткань отвечает адекватным ответом. Выше этой частоты (так называемый гладкий тетанус) ткань “не успевает” расслабится и находится в постоянном раздражении.

4. Адаптация (S) - связана со временем нарастания переднего фронта импульсов (крутизны). При некоторой достаточно малой крутизне ткань не отвечает адекватным ответом, хотя реобаза, хроноксия и лабильность соответствует граничной.

Врачу необходимо знать физические параметры импульсов возбудимости для грамотного и эффективного использования их для лечения заболеваний.

Электростимуляция импульсными токами используется:

1. Для компенсации временно утраченной функции (например, при потере электровозбудимости мышцы в результате травмы).

2. Для усиления функции (например, при значительной утрате функции сокращения миокарда больному “вшивают” генератор прямоугольных импульсов - стимулятор сердечной деятельности).

3. В некоторых случаях стимуляция используется при полной утрате функции.

4. Для подавления функции (аппарат электросон, электроанальгезия родов и др.).

Магнитотерапия - это воздействие на ткани организма постоянным или переменным низкочастотным магнитным полем (МП). Для этих целей используются постоянные магниты (магнитоэлласты) и соленоиды (катушки индуктивности), на которые подается постоянное или переменное, порядка 50 Гц, электрическое напряжение. Механизм размена энергии магнитного поля (первичный эффект) далеко не выяснен. Однако благодаря усилиям медиков и магнитобиологов в последние годы выявлены многие физиологические эффекты при действии магнитного поля на биообъекты. Магнитное поле действует на парамагнитные элементы тканей, такие как О, Fe, Mn, которые участвуют в окислительных реакциях, что ведет к улучшению обменных процессов. Значительно усиливаются ионизационные процессы в МП, усиливается движение заряженных частиц и силы трения о клеточную мембрану, что повышает проницаемость ее, усиливает внутриклеточный и межклеточный обмен. Обнаружено также, что магнитотерапия обладает ярко выраженным противовоспалительным, анальгезирующим и противоотечным действием, способствует улучшению трофики, ускорению процессов регенерации тканей, эпитализации язвенных поверхностей, более быстрому заживлению ран. Действие МП ведет к увеличению количества функционирующих капилляров, кровонаполнению, ускорению тканевого кровотока, улучшению насыщения артериальной крови кислородом и т. д.

В результате исследования последних лет обнаружено, что главным в механизме действия МП на молекулярном уровне является блок: белок - ионное окружение - вода, на тканевом и органном уровне основной точкой воздействия является микроциркуляторное русло.

Метод лечебного воздействия постоянным током небольшой величины (напряжение 60 - 80 В) носит название гальванизация.

Первичное действие постоянного тока на ткани организма связано с перераспределением ионов на полупроницаемых и не проницаемых тканевых перегородках - это явление называют поляризацией. Перераспределение ионов приводит к функциональным сдвигам в различных элементах тканей.

Аппарат для гальванизации (рис.1.3.21) представляет собой двухполупериодный выпрямитель 1 со сглаживающим фильтром 2 и регулирующе- регистрирующей частью 3.

При проведении процедуры, во избежание прижигающего действия продуктами электролиза и лучшего контакта с кожей, под электроды помещают марлевые прокладки, смоченные физраствором.

Оптимальный ток для проведения процедуры определяется только по ощущению пациента - легкое покалывание под электродами.

Одновременно с гальванизацией часто используют введение лекарственных и питательных веществ в организм (ионы йода, металлы, пенициллин и др.) в ионном виде. Этот метод называют ионогальванизацией или лечебным электрофорезом. Препарат вводится с электрода, знак которого имеют вводимые ионы: с катода - катионы, с анода анионы.

Воздействие ультрозвуком частотой 880 кГц и 2640 кГц называется ультрозвуковой терапией. Получение и свойства ультрозвука смотрите в разделе 1.1. Воздействие осуществляется через специальные звукопроводящие пасты. В современных УЗ-аппаратах интенсивность меняется в пределах (0,1 - 1,6) Вт/см². Различают три вида первичных эффектов при действии ультразвука на живые ткани: механический, тепловой, химический.

Механическое действие обусловлено колебанием частиц ткани (микромассаж). При этом происходит изменение взаимного расположения клеточных структур, что приводит к изменению их функций.

Тепловое действие связано с поглощением УЗ - энергии в мышечных и особенно костных тканях, в первую очередь, при кавитационных явлениях.

Химическое действие проявляется в изменении интенсивности окислительных процессов, усилении диффузии и др.

Отдельное место среди лечебных методов занимают физические явления, возникающие в газах и газовых смесях. Всем известно, что в обычных условиях атомы и молекулы газов являются нейтральными, не заряженными. Превращение нейтральных атомов в заряженные частицы осуществляется под действием физико-химических факторов, таких как реакция горения, электрические разряды, различного вида излучения. Ионизационный эффект определяется:

 Свойствами самих атомов, так называемой энергией ионизации. Эта энергия величина табличная и весьма значительно различается для различных газов.

2. Свойствами излучения - интенсивностью ионизации: количеством пар ионов, возникающих в единице объема газа за единицу времени под действием ионизатора.

В первую очередь рассмотрим процессы, возникающие в окружающей нас газовой среде - атмосферном воздухе. Известно, что в 1см³ воздуха постоянно присутствует около 1000 пар ионов, однако воздух при этих условиях не является проводником, т.к. всего в 1см³ воздуха присутствует 2, 7 10¹⁹ атомов и молекул, и 1000 пар ионов образуют слишком слабый ток. Вопрос состоит в том, откуда берутся эти ионы? Выявлено, что на молекулы воздуха постоянно действуют два вида физических факторов, так называемые постоянно действующие ионизаторы.

 В почве, воздухе, воде всегда присутствуют радиоактивные элементы, излучения которых в виде a,b,g - излучений и создают ионы воздуха. Интенсивность ионизации радиоактивного излучения 8 пар/(см³с).

 Космические лучи. Первичные космические лучи это частицы с огромной энергией (порядка 10¹⁰ - 10¹⁸ эВ), которые “прилетают” к нам из космического пространства. Они взаимодействуют только с атомами верхних слоев атмосферы, разбивая их. В результате такого взаимодействия

возникают вторичные космические лучи, которые подразделяются на жесткие и мягкие. К жестким относится: поток промежуточных по массе частиц - мезонов, к мягким - электроны, g - фотоны. Вторичные космические лучи достигают поверхности земли и создают 2 пары ионов/(см³с). Таким образом, постоянно действующие ионизаторы создают 10 пар ионов в 1см³ воздуха за 1с. В воздухе как и в любом газе существует и обратный процесс - рекомбинация. При достижении около 1000 пар ионов в 1см³ процессы ионизации и рекомбинации уравниваются.

Что же из себя представляют ионы воздуха или, как их называют, аэроионы? Различают легкие и тяжелые аэроионы. Легкие аэроионы это мелкие заряженные частицы воздуха (ионы, частицы воды), окруженные полярными молекулами воздуха. Тяжелые аэроионы это частицы дыма, пыли, на которые осаждаются легкие аэроионы. И легкие и тяжелые аэроионы, могут быть как положительными так и отрицательными. Тяжелые аэроионы оказывают отрицательное действие на организм. Из легких лечебное действие оказывают только легкие отрицательные аэроионы. Для характеристики здоровости атмосферного воздуха вводится специальная величина - коэффициент униполярности.

К=n⁺/n^-

где n⁺- концентрация легких положительных аэроионов, n^- - концентрация легких отрицательных аэроионов. В чистом загородном воздухе k=1-1,2, у фонтанов, водопадов, у моря k < 1, в пещерах, подземельях, в плохо проветриваемых помещениях k достигает 10 - 20.

Метод воздействия легкими отрицательными аэроионами с лечебными целями называют аэроионотерапией.

Аэроионы получают искусственным путем в основном 3 способами.

Чистый сухой воздух продувают через аэродинамическую трубу. В начале трубы находится радиоактивный препарат, излучение которого активно ионизирует воздух. Легкие положительные аэроионы “убираются” отрицательно заряженным цилиндром. На выходе трубы создается поток воздуха, активизированный легкими отрицательными аэроионами (рис.1.3.22).

2. Получение аэроионов возможно при механическом дроблении воды, так называемый баллоэлектрический эффект, который состоит в том, что капли воды при ударе о неподвижную преграду делятся на крупные, заряженные положительно, они опускаются на поверхность жидкости и мелкие, заряженные отрицательно, они находятся во взвешенном состоянии в воздухе и представляют собой легкие отрицательные эроионы. Прибор для этих целей называется гидроаэроионизатор.

3. Третий способ основан на электроэффлювивальном эффекте - это образование аэроионов в электрическом поле большой напряженности (свыше 20000 В/см). Получить такое поле можно на острие металлического проводника - кондуктора (рис.1.3.23). Под действием этого поля те тысяча пар ионов, которые постоянно находятся в 1см³ воздуха, начинают двигаться с такой скоростью, что при столкновении с нейтральными атомами, ионизируют их. Процесс образования новых ионов идет быстро (лавинно). Положительные ионы двигаются к острию и, подходя к нему, нейтрализуются.

Происходит явление “стекания зарядов” с острия. Отрицательные ионы двигаются от острия, захватывая и нейтральные молекулы воздуха, образуется ”электрический ветер”. Весь описанный процесс называется тихий коронный разряд. На этом принципе разработан медицинский аппарат электростатический душ, схема которого представлена на рис.1.3.24.

За счет повышающего трансформатора (ТР) и выпрямителя (D) между головным и ножным электродами создается постоянное напряжение (30-60) кВ. Головной электрод выполнен в виде тонких стержней с острием, на которых образуются легкие отрицательные аэроионы. Сопротивление R служит для безопасности пациента от поражения током. Кроме аэроионов в электростатическом душе на организм пациента действует электрическое поле высокой напряженности, которое вызывает явление поляризации в диэлектрических тканях и микротоки в проводящих тканях. Этот метод многие называют франклинизация.

Первичный эффект действия легких отрицательных аэроионов состоит в раздражающем (тонизирующем) действии на рецепторы кожи и слизистых.

Во всех лечебных учреждениях широко используется ртутно - кварцевая лампа (среди медицинских работников она называется “кварц”, “УФО”, бактерицидная лампа). Лампа представляет собой трубку из кварцевого стекла, в которую впаяны два электрода (рис.1.3.25). Трубка заполнена аргоном и содержит небольшое количество ртути. Питается трубка от сети переменного напряжения. Катушка L и конденсатор С служат для облегчения зажигания лампы (явление резонанса напряжения). В начальный момент после подключения напряжения между электродами возникает тлеющий разряд в атмосфере аргона. Он начинается за счет единичных ионов и электронов и поддерживается за счет ударной ионизации атомов аргона. Затем за счет бомбардировки ионами разогреваются электроды, повышается температура трубки, ртуть начинает испаряться. В трубке возникает мощный электрический разряд, происходит ударная ионизация атомов паров ртути.

Ионизированные атомы ртути создают излучение в ультрафиолетовой области и частично синефиолетовой части спектра. Спектр излучения линейчатый. Частота излучения зависит от давления парогазовой смеси внутри трубки. В трубках высокого давления (150 - 400) мм. рт. ст. длина волны УФ излучения 365 нм. Это излучение используется как лечебное средство и средство укрепления и закаливания организма. В трубках низкого давления (0,01-1) мм. рт. ст. длина волны 253,7 нм. Такие трубки используются как бактерицидные лампы для уничтожения бактерий, грибков, вредных микроорганизмов, а также в хирургических, стоматологических кабинетах, перевязочных и т.д.