Основы лечебного применения электромагнитных полей

И ИЗЛУЧЕНИЙ

 

ФИЗИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

 

Электромагнитное поле (ЭМП) представляет собой форму ма­ терии, посредством которой осуществляется взаимодействие электрически заряженных частиц. В ЭМП выделяют две состав­ ляющие - электрическую и магнитную. Образуемые ими поля часто обозначают как электрическое (ЭП) и магнитное (МП). Первое из них формируется покоящимися заряженными телами, а второе движущимися зарядами, намагниченными телами и пе­ ременным электрическим полем. Важнейшей силовой характери­ стикой электрического поля является его напряженность Е, еди­ ницей измерения которой является Вм~1, а магнитного - магнит­ ная индукция В, которая измеряется в теслах (Тл). Размерностью теслы является Всм" 2.

Формирующиеся при неравномерном движении и взаимо­ действии зарядов в какой-либо области среды электромагнитные поля распространяются в пространстве в виде электромагнитных волн. Вокруг источника электромагнитных колебаний выделяют две зоны: ближнюю (зону несформировавшейся волны) и даль­ нюю (зону сформировавшейся волны). Граница между ними про­ ходит на расстоянии длины волны. В зависимости от формы источника на больного, расположенного в ближней зоне, будет

40 Глава 1

 

воздействовать преимущественн о электрическа я или магнитная составляющи е электромагнитног о поля (электрическо е или маг­ нитно е поле), а в дальней - электромагнитно е излучение.

В природе и технике встречаются электромагнитные поля раз­ личных типов, совокупность которых образует спектр электромагнит­ ных излучений. В соответствии с Международным регламентом ра­ диосвязи (1976) и ГОСТ 24375-80 он разделен по длинам волн и частотному диапазону на различные области. В физиотерапии исполь­ зуют не все из них, а преимущественно электромагнитные поля ра­ диоволнового и оптического диапазонов (табл.1).

Образовавшеес я в процесс е излучения электромагнитно е поле уноси т о т систем ы зарядо в (источник а ЭМП) энергию, величина которо й определяетс я векторо м Пойнтинг а П. О н характеризуе т направление перенос а энерги и от источник а в конкретну ю точк у пространств а

 

[1-1]

где Н - векто р напряженност и магнитног о поля, связанны й с векторо м магнитно й индукци и В через магнитные проницаемост и вакуума и сред ы соотношением:

 

Количеств о электромагнитно й энерги и W, переносимо й в еди ­ ницу времени t чере з единиц у поверхност и площадь ю s, перпен­ дикулярно й направлени ю распространени я излучения, характери ­ зуется интенсивность ю электромагнитног о излучения или плотность ю поток а энерги и (ППЭ), которо е численно равно усредненном у значени ю вектор а Пойнтинг а

 

[1.2].

При распространени и электромагнитны х волн в различны х средах происходи т их отражение, преломление, рассеяние, поглощение, дифракция и интерференция. Кром е того, в тка ­ нях организм а снижаетс я скорост ь распространени я электромаг ­ нитных волн по сравнени ю с воздушно й средой, а следователь­ но уменьшается и длин а волны котора я в биологически х тка ­ нях определяетс я преимущественн о диэлектрическим и свойства­ ми составляющи х их сре д и определяется по формуле:

[1.3 ]

где - диэлектрическа я проницаемост ь биологически х тканей, f - частота электромагнитны х колебаний; с - скорост ь света в вакуу­ ме.

Основы лечебного применения ЭМП и излучений 41

 

 

Таблиц а Спектр электромагнитного излучения, используемого в физиотерапии

 

В физиотерапии к СВЧ-колебаниям традиционно относят колебания в частотном диапазоне 300 МГц-3 ГГц (область дециметровых и сантиметровых волн).

 

Интенсивность высокочастотного электромагнитного излучения при его распространении в тканях экспоненциально убывает с расстоянием (закон Бугера). Расстояние, на котором силовая характеристика поля убывает в е (2,7 раз), а величина электро­ магнитной энергии уменьшается в е2(приблизительно в 7,3 раз), называется глубиной проникновения (проникающей способ­ ностью) электромагнитного излучения в данную среду (рис. 1). Основной вклад в уменьшение интенсивности электромагнитного излучения вносит поглощение электромагнитной энергии в тканях.

42 Глава 1

 

 

Рис.1. Проникаю­ щая способность электромагнитного излучения.

По оси абсцисс расстояние х, по оси ординат - электромаг­ нитная энергия, W;

Хх-глубина проникно­

вения излучения.

 

 

Значительная часть электромагнитной энергии накапливается в системах заряженных частиц или индуцирует их перемещение. Степень преобразования различными тканями организма энергии электромагнитного поля в электрическую определяется их ем­ костным сопротивлением, а в магнитную - индуктивным. Индук­ тивное сопротивление при расчете импеданса живых тканей

(полного сопротивления переменному току) не учитывают, и он имеет только две составляющих — активное сопротивление и реактивное (емкостное). По мере увеличения частоты воздей­ ствующего электромагнитного поля емкостное сопротивление и импе­ данс биологический тканей уменьшаются. В результате увеличивается сила тока, проходящего через различные органы и ткани.

 

ЭЛЕКТРИЧЕСКИ Е И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ТКАНЕЙ ОРГАНИЗМА

 

 

Электрические свойства живых тканей

 

Характер взаимодействия электромагнитных полей с раз­ личными тканями организма определяется их электрическими и магнитными свойствами. Параметрами этих свойств являются удельная электропроводность характеризующая концентра­ цию и подвижность свободных заряженных частиц биологических тканей, а также их диэлектрическая и магнитная прони-

Основы лечебного применения ЭМП и излучений 43 цаемости. Они показывают степень уменьшения силовых харак­ теристик электрического и магнитного полей в "различных тканях по сравнению с вакуумом. На основе этих параметров можно рассчитать силовые характеристики электромагнитного поля в тканях и количественно оценить процессы, происходящие при взаимодействии ЭМП с биологическими тканями.

В состав различных тканей и сред организма входят ионы, пространственно ориентированные полярные и неполярные мак­ ромолекулы различных линейных размеров и диполи воды. Раз­ ные ткани содержат их в неодинаковой пропорции, поэтому каж­ дая из них обладает различными диэлектрическими свойствами и электропроводностью.

Электропроводность живых тканей определяется концентраци­ ей ионов и их подвижностью. В межклеточной жидкости с мак­ симальным содержанием носителей тока - ионов удельная элек­ тропроводность достаточно высока и составляет 1 (Сименс на метр). Напротив, в цитозоле, содержащем органеллы и круп­ ные белковые макромолекулы, она понижается до 0,003

Удельная электропроводность плазмолеммы и внутриклеточных мембран, составляющих до 50 % массы клетки, еще ниже — (1-3)-

 

Из-за малого количества межклеточной жидкости и выра­ женной компартментализации последних (существенно огра­ ничивающей подвижность содержащихся в них ионов), удельная электропроводность целых органов и тканей существенно мень­ ше, чем составляющих их сред. Ее наибольшие величины (0,6-2,0

имеют жидкие среды организма (кровь, лимфа, желчь, спинномозговая жидкость, моча), а также мышечная ткань (0,2

Напротив, удельная электропроводность костной, жиро­ вой, нервной ткани, а в особенности грубоволокнистой соедини­ тельной ткани и зубной эмали значительно ниже -

Электропроводность кожи зависит от ее толщины, состояния дериватов и содержания воды. Толщина эпидермиса большинства участков тела составляет 0,07-0,12 мм, а на ладонных поверхно­ стях кистей и подошвенных поверхностях стоп достигает 0,8-1,4 мм. Содержание воды в поверхностном слое составляет всего

10 % от массы клеток, тогда как в нижележащих слоях достигает

70%. Площадь потовых и сальных желез, волосяных фолликулов на разных участках тела неодинакова и составляет 0,5% поверх­ ности кожных покровов. С учетом этих особенностей удельная электропроводность отдельных участков кожи существенно раз­ личается и составляет . Известно, что сухая

44 Глава 1

 

 

кож а является плохие проводником электрического тока, тогда как влажная проводит его хорошо.

Диэлектрическая проницаемость характеризует способность к пространственному смещению структур биологических тканей и образованию обьемного дипольного момента (поляризации). Она обусловлена преимущественно связанными зарядами, полярными и неполярными макромолекулами различных линейных размеров и диполями воды. Диэлектрическая проницаемость различных биологических тканей составляет

Приведенные величины удельной электропроводности и диэ­ лектрической проницаемости измерены для постоянного элек­ трического поля. Между тем кардинальной особенностью орга­ низма человека является дисперсия электрических свойств его тканей, связанная с состоянием заряженных частиц при действии электромагнитных полей различной частоты (рис. 2).

На низких частотах (до 103Гц) клетки практически полностью экранируют электромагнитное поле, которое не проникает внутрь них и не вызывает перемещения внутриклеточных ионов. Уве­ личение удельной электропроводности тканей с нарастанием частоты (рис. 2А) обусловлено тем, что электромагнитные поля частотой 104-108Гц воздействуют и на внутриклеточные структу­ ры, что определяет участие в суммарной электропроводности тканей как ионов интерстиция, так и цитозоля (рис. 2А). На бо­ лее высоких частотах микроструктуры цитозоля не успевают сле­ довать за изменениями ЭМП и нарастание удельной электропро­ водности происходит здесь, вероятно, за счет ориентационных смещений молекул свободной воды, вклад которой в суммарную проводимость тканей экспериментально определить весьма слож­ но.

В дисперсионной зависимости диэлектрической проницаемости

(рис. 2Б) также выделяют несколько областей дисперсии, что указывает на различие механизмов поляризации тканей в разных частотных диапазонах ЭМП. Каждый из механизмов поляризации характеризуется своей частотой (характеристической частотой релаксации), вблизи которой запаздывание смещения

(поворота) различных клеточных и субклеточных структур и био­ логических молекул относительно динамики ЭМП минимально. В этих областях диэлектрическая проницаемость изменяется наи­ более резко. Выделяют три области дисперсии диэлектрической