Биофизические основы лечебного применения механических факторов

 

ФИЗИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕХАНИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

 

В основе рассматриваемых в данном разделе лечебных мето­ дов лежит воздействие на ткани организма человека механиче­ ских факторов: напряжений, вибрации, акустических колебаний и измененных параметров воздушной среды. Если механическое воздействие на ткани осуществляется при помощи рук человека, говорят о лечебном массаже. Периодические механические ко­ лебания при непосредственном контакте тканей с их источником принято называть вибрацией. При периодическом воздействии на ткани через воздух, воду и другие среды говорят об акустиче­ ских колебаниях.

Основными характеристиками механических факторов являются атмосферное парциальное звуковое давления, коле­ бательное смещение частиц среды и напряжение

Атмосферное давление - отношение силы, с которой столб воздуха давит на единицу площади земной поверхности. Едини­ ца его измерения в системе СИ - Паскаль (Па). Размерность давления Нормальное атмосферное давление у по-

Основы лечебного применения механических факторов 22 5

 

 

верхности Земли при температуре 0° С на широте 45° равно

101333 Па (1013,3 гПа). Оно непостоянно и подвержено значительным колебаниям (чаще от 958 до 1027 гПа). При подъеме на высоту атмосферное давление уменьшается, а при спуске вглубь поверхности Земли повышается. Перепады атмо­ сферного давления можно создать и на земной поверхности в ограниченных от внешней среды пространствах - барокамерах, нагнетая и откачивая из них воздух. В результате повышения общего давления воздуха или искусственной газовой смеси вы­ ше 1013 гПа в ограниченном пространстве будет возникать из­ быточное (гипербария) и недостаточное [гипобария) давление.

В связи с тем, что газовый состав атмосферы неоднороден давление воздушной газовой смеси, согласно закону Дальтона, равно:

 

[7.1]

где - атмосферное давление; р - парциальные (частичные) давления азота, кислорода, диоксида углерода и инертных га­ зов - давления, которые они бы оказывали, занимая весь объем среды.

Исходя из [7.1], парциальное давление кислорода, состав­ ляющего 21 % от газового состава атмосферы, равно 212 гПа. Перепады атмосферного давления воздуха или общего давле­ ния газовой смеси неизбежно приводят к изменению парциаль­ ных давлений составляющих их газов. При этом вместе с давле­ нием изменяется их плотность.

Содержание газа в жидкости принято характеризовать на­ пряжением, под которым понимают такое парциальное давле­ ние газа, при котором наступает равновесие между газовой смесью и жидкостью (отсутствие газообмена).

Звуковое давление - амплитуда периодических колебаний атмосферного давления, возникающих в результате сжатия и разрежения частиц среды. В областях сжатия оно больше, а в областях разрежения - меньше. Таким образом, звуковое дав­ ление - это добавочное изменение статического (атмосферного) давления. Размерностью звукового давления является Па.

Колебательным смещением частиц среды (вибропере­ мещением) называют амплитуду обусловленного механическим воздействием смещения частиц вещества по отношению к среде в целом. Единицей измерения колебательного смещения являет­ ся мкм. Колебательное смещение - векторная величина, и ха­ рактеризуется не только амплитудой, но и направлением.

226 Глава 7

 

Механические воздействия на тела принято характеризовать не приложенной к ним силой, а напряжением - частным от де­ ления приложенной к телу механической силы F на площадь его поперечного сечения s, перпендикулярную направлению силы:

 

Единицей напряжения в системе СИ является Па.

 

 

[7.2]

 

Создаваемые разнообразными механическими факторами возмущения распространяются в различных средах в виде волн, перенос и передача энергии в которых осуществляется частицами среды. При этом каждый участок среды, по которому перемещается волна, совершает небольшие колебательные смещения, тогда как сама волна распространяется на значительные расстояния. Скорость распространения меха­ нических волн в среде {скорость звука) определяется молеку­ лярной структурой среды и характером межмолекулярных вза­ имодействий. Параметрами акустической волны являются ее длина - расстояние между двумя соседними областями сжа­ тия (разрежения) и частота f - число сжатий (разрежений), происходящих в единицу времени.

Механические волны переносят энергию. При их распростра­ нении энергия передается от одной колеблющейся частицы другой. Энергетической характеристикой механических волн является интенсивность звука или плотность потока энергии

 

 

В системе СИ единицей интенсивности является

 

[7.3]

 

 

0

 

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТКАНЕЙ ОРГАНИЗМА

 

Реакции тканей организма на механические факторы опреде­ ляются их механическими свойствами. Они обусловлены про­ странственно-временным распределением частиц среды, а также типом связей между ними. Основными характеристиками ме­ ханических свойств биологических тканей являются напряжения

и деформации

Напряжение в отличие от характеристики силового воз­

действия отражает механические возмущения, разви-

Основы лечебного применения механических факторов 227 вающиеся в тканях при действии на них механических сил. Еди­ ницей его измерения также является Па.

Деформация - упругое возмущение, обусловленное изме­ нением пространственной структуры ткани. При этом происходит перенос потока энергии упругой деформации в отсутствие пере­ носа частиц среды. Деформация распространяется с волной из одной точки в другую и определяет тип механического возму­ щения. Она характеризует отношение измененных линейных размеров единичного объема ткани при возбуждении в ней ко­ лебаний к ее состоянию в покое и является функцией внешнего напряжения и колебательного смещения частиц среды:

 

[7.4]

где Е - модуль Юнга - напряжение, при котором длина еди­

ничного объема ткани увеличивается вдвое.

По реакции на внешние напряжения все ткани разделяют на упругие, неупругие (вязкие) и вязко-упругие. Критериями тако­ го разделения служат эффекты приложенного напряжения, а именно наличие или отсутствие остаточной деформации тканей. При самопроизвольном восстановлении исходного состояния с прекращением приложенного напряжения ткани относят к упругим. В случае необратимой деформации под действием внешних сил или остаточных внутренних напряжений говорят о вязких средах. Вязкость биологических сред обусловлена на­ личием в их структурной решетке узлов, образованных слабыми ван-дер-ваальсовыми силами. Обусловленные этими силами свя­ зи нарушаются при сдвиговых деформациях и восстанавливают­ ся после окончания воздействия. Разрушение этих надмолеку­ лярных связей при некоторой "пороговой" интенсивности меха­ нического фактора приводит к тиксотропии - обратимому из­ менению жидкокристаллической структуры цитозоля вследствие

разрыва слабых связей.

По плотности и типу пространственной структуры все ткани организма разделяют на твердые (костная ткань, дентин и эмаль зубов), мягкие (кожа, мышечная ткань, ткани паренхима­ тозных органов, эндотелий сосудов) и жидкие (кровь, лимфа, спинномозговая жидкость, слюна, сперма).

Структурная неоднородность биологических тканей, прису­ щая им анизотропия (различие механических свойств биоло­ гической среды в разных направлениях), существование в них различных типов волн (продольных, поперечных, сдвиговых) и активный характер изменения их упругих и вязких свойств су-

228 Глава 7 щественно усложняют пространственно-временные характери­ стики развивающихся в них напряжений и деформаций. Их ко­ личественные характеристики определяются параметрами ме­ ханических свойств его органов и тканей. К их числу относят плотность тканей скорость звука с и модуль упругости Е

(табл. 11).

 

Т а б л и ц а 1 1

Параметр ы механических свойств биологических тканей

 

* - расчетные величины

 

Среди всех биологических тканей наиболее выраженными упругими свойствами обладают кости. Для большинства мягких тканей характерны неопределенность начального и естествен­ ного состояний, несжимаемость и анизотропия внутренних на­ пряжений. Деформации мягких тканей велики и достигают

200%, а у составляющих их клеточных мембран достигают

600%. При периодическом воздействии колебания деформаций и внутренних напряжений различаются по фазе. Такие дефор­ мации обусловлены изменением пространственной ориентации и формы биологических молекул.

Нелинейный характер зависимости деформаций от приложенно­ го напряжения в диапазоне его малых и средних величин обус­ ловлен наличием в составе большинства мягких тканей колла- геновых волокон (рис. 77). Они способны к значительным де­ формациям и имеют высокий модуль упругости - до 10 1 0Па. Другой структурный компонент - эластиновые волокна - значительно растягиваются под действием приложенных на­ пряжений и их деформации превышают 200%. Модуль упру­ гости эластиновых волокон существенно ниже, чем у коллагено-

Основы лечебного применения механических факторов 22 9

 

 

 

вых - 105 -107Па, и их деформации происходят по линейному закону.

Особенности пространственного расположения коллагеновых и эластиновых волокон и определяют характер деформаций в мягких тканях. В тканях, содержащих оба типа соединитель­ нотканных волокон, начальные линейные деформации обуслов­ лены растяжением эластиновых нитей, а последующие нелиней­ ные - коллагеновых.

Для некоторых мягких биологических тканей характерна сла­ бая зависимость их упругих свойств от скорости' деформации. Поэтому при напряжениях, возникающих под действием меха­ нических факторов, вязкими свойствами мягких тканей часто пренебрегают. Однако такое допущение оправдано далеко не всегда. У кожи, мышц и мягких тканей полых органов при фик­ сированных деформациях вследствие релаксации частиц ве­ щества происходит уменьшение внутренних напряжений - проявляется текучесть среды (см. рис. 77). Такая релаксация напряжения наиболее характерна для мышечной ткани. Она не выражена у эластина и очень мала у коллагена.

Деформации кожи имеют выраженный нелинейный характер

(рис. 78А). Они обусловлены растяжением коллагена, содержа­ ние которого в коже составляет 75%, тогда как эластин состав­ ляет всего 4% от ее сухой массы. Большинство коллагеновых нитей беспорядочно ориентировано в пространстве. Их дефор­ мации в физиологических условиях невелики (=10%) и возни­ кают только под действием значительных механических напря­ жений. Сеть максимальных напряжений в коже пространствен­ но совпадает с. линиями Лангера.

230 Глава 7

 

 

Нелинейность возникающих деформаций также присуща ске­ летным мышцам (рис. 786). Кроме того, для них характерна релаксация напряжения при растяжении. Активный характер мышечного сокращения существенно влияет и на их меха­ нические свойства. Так у расслабленных мышц модуль Юнга со­ ставляет порядка 104Па, а при сокращении он увеличивается в десятки раз.

Деформации, возникающие в воздухоносных путях и сосу­ дах эластического типа, линейны. Упругость этих тканей опре­ деляется в основном эластиновыми волокнами, хотя в их со­ ставе присутствуют и коллагеновые волокна. Однако последние не имеют здесь внутреннего напряжения, так как уложены вол­ нообразно и при физиологических нагрузках только распрям­ ляются, но не растягиваются. Следовательно, упругие свойства воздухоносных путей и сосудов начинают проявляться только при значительных напряжениях, когда они сильно растягивают­ ся. Содержащиеся в их составе пространственно упорядоченные коллагеновые волокна обусловливают высокую прочность сосу­ дов и воздухоносных путей.

При деформации легкие ведут себя как пластическая среда, поглощающая значительную часть подводимой механической энергии. Содержание коллагена и эластина в легких составляет соответственно 12-20 и 5-12% от их сухой массы. Предел те­ кучести легочной паренхимы превышает Па. В мягких тка-

Основы лечебного применения механических факторов 23 1 нях паренхиматозных органов они образуют функционально целостную систему с клетками внутренних органов. По своим упругим свойствам они похожи на гидрофильный гель, основ­ ными упругими компонентами которого являются гликозоамино- гликаны (мукополисахариды) и цитозоль.

Большинство биологических жидкостей является суспензия­ ми и обладает исключительно вязкими свойствами. Для всех них характерна нелинейная зависимость деформаций от напря­ жений. Нелинейный характер их вязкостных свойств обуслов­ лен влиянием дисперсной фазы на вязкость суспензий. Ве­ личина вязкости крови зависит от свойств форменных элемен­ тов и диаметра кровеносных сосудов. Среди форменных эле­ ментов 93 % составляют эритроциты, механическими свойства­ ми которых и определяется вязкость крови. Кроме того, с уменьшением радиуса сосудов в них формируется пристеночный слой, где вязкость существенно меньше, чем в центре сосуда. Поэтому с уменьшением радиуса капилляров вязкость крови па­ дает (эффект Фареуса-Линдквиста). Характерно, что состав­ ляющие кровь элементы обладают значительными упругими свойствами. Так, модуль упругости белковых глобул составляет

(2-9)-109Па, а мембран эритроцитов человека - Ю7Па.

Итак, анизотропия и неоднородность большинства биоло­ гических тканей существенно затрудняют возможность пред­ ставления в аналитической форме параметров механических свойств тканей организма. Вместе с тем в диапазоне физиоло­ гических деформаций их зависимость от приложенных напря­ жений квазилинейна, что позволяет удовлетворительно пользо­ ваться ими при изучении реакций организма на механические лечебные факторы.

 

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ С ОРГАНИЗМОМ

 

 

Распространение вызванных механическими факторами волн в тканях организма вызывает 2 вида внутренних напряжений; упругие (обратимые) и диссипативные (необратимые). По­ следние возникают в случае, когда продолжительность восста­ новления первичной структуры ткани существенно меньше пе­ риода механических колебаний. Диссипативные напряжения об­ условливают необратимое превращение механической энергии в теплоту - поглощение звука. Оно вызывает уменьшение интен-

232 Глава 7

 

 

сивности механических волн по мере их распространения. Рас­

стояние, на котором интенсивность волны уменьшается в е2

(приблизительно в 7,3 раз), называют глубиной проникновения звука. Поглощение акустических колебаний связано с частотой квадратической зависимостью. Оно максимально для ультра­ звука и составляет для различных, тканей 7-8 см на частоте 44 кГц, 4-5 см - на частоте 880 кГц и 1-3 см на частоте 2640 кГц.

Возникающие при поглощении механической энергии дефор­ мации микроструктур тканей также распространяются с затуха­ нием. В связи с этим интенсивность механических колебаний при их распространении вглубь тела человека экспоненциально уменьшается (рис. 79).

Поглощение механических колебаний низкой частоты в большей степени определяется неоднородностью механических свойств мышц и внутренних органов человека, чем различием линейных размеров составляющих их микроструктур. Анизотро­ пия и нелинейность механических свойств мягких тканей опре­ деляет неодинаковую степень поглощения энергии механических колебаний. Напротив, на высоких частотах линейные размеры неоднородностей биологических тканей, составляющие порядок

м, сопоставимы с длинами волн распространяющихся коле-

Основы лечебного применения механических факторов 233

 

 

баний. Это приводит к существенному затуханию распростра­ няющихся упругих колебаний вследствие их значительного по­ глощения, рассеяния и отражения частицами среды. Среди них вклад поглощения наибольший.

На низких частотах, где длина волны сопоставима с размерами тела, акустические колебания распространяются в организме в виде поперечных волн. С учетом активных свойств некоторых биологических тканей механические факторы с ампли­ тудой колебательного смещения выше м являются физио­ логическими раздражителями и могут восприниматься структу­ рами, обладающими высокой чувствительностью к данному фак­ тору -- механорецепторами. Сенсорное восприятие вибрации осуществляют инкапсулированные нервные окончания кожи - клубочкообразные тельца Мейснера и тельца Пачини. Частотный диапазон вибрационной чувствительности первых из них, распо­ ложенных под базальной мембраной кожи, составляет 2-40 Гц, а пороговое виброперемещение - 35-100 мкм. Виб­ рочувствительность находящихся в дерме телец Пачини на по­ рядок выше (пороговые виброперемещения 1-10 мкм), а частотный диапазон восприятия вибрации составляет 40-250 Гц

(рис. 80).

Являясь своеобразными усилителями, механорецепторы формируют кооперативные процессы, обеспечивающие реакции, энергетический выход которых многократно превосходит энер­ гию действующего лечебного механического фактора. Он яв­ ляется адекватным раздражителем для разнообразных механо-

234 Глава 7 рецепторов, афферентных потоки с которых формируют гене­ рализованные реакции человека. Лечебные эффекты таких фак­ торов на низких частотах определяются параметрами меха­ нических свойств биологических тканей и частотными зависи­ мостями чувствительности механорецепторов.

На высоких частотах, когда длины волн значительно меньше линейных размеров тела человека, проявляется пре­ имущественно локальное компрессионное действие меха­ нических факторов в виде сжатия и растяжения тканей, и в теле распространяются продольные упругие волны. Их значительное поглощение вызывает образование тепла в облучаемых тканях, которое наиболее выражено в поле ультразвуковых волн.

Из-за неоднородности тканей организма вероятность прояв­ ления тепловых и нетепловых (специфических) эффектов уль­ тразвука различна. В жидких низкомолекулярных средах энер­ гия вызванных им колебательных и вращательных движений биомолекул не приводит к специфическим взаимодействиям и быстро превращается в тепло {тепловой эффект). Так, напри­ мер, силы взаимодействия, возникающие вследствие переиз­ лучения механических колебаний между соседними ка­ сающимися эритроцитами в плазме крови, составляют на частоте 1 МГц порядок

Напротив, в мягких высокомолекулярных тканях могут проявлять­ ся нетепловые специфические эффекты. Это подтверждает сравни­ тельный анализ колебательных скоростей молекул при меха­ нических и тепловых колебаниях. Так, например, скорость молекул воды в ультразвуковом поле при интенсивности 1 составляет

0,117 Напротив, средняя скорость тепловых колебаний воды при t=37° С для воды равна 380 мс, а для молекул ДНК с молеку­ лярной массой 107- 0,5 Следовательно, нетепловые

(специфические) эффекты могут возникать только в высокомолеку­ лярных сложноорганизованных биологических тканях. Среди них необходимо отметить различные физико-химические превращения микропотоков колеблющихся частиц, определяющих характер межмолекулярных взаимодействий.

 

ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЙ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ ВОЗДУХА НА ОРГАНИЗМ

 

 

При пребывании организма в условиях повышенного или по­

ниженного атмосферного давления на организм человека поми-

Основы лечебного применения механических факторов 235

 

Рис. 81. Зависимость парци­ ального давления кислорода в альвеолах легких от атмо­ сферного давления.

По оси абсцисс - атмосферное давление, Р, гПа; по оси орди­ нат- парциальное давление

гПа.

 

1013 899 794 700 Р

 

мо гидростатического давления» действуют присутствующие в смеси газы, имеющие различную плотность и парциальное давление. В связи с малой разностью давлений на различных участках тела газовые смеси вызывают незначительное раздражение механорецепторов кожи и связанные с ними ответы. В связи с этим основные реакции организма обусловлены вдыханием создаваемых газовых смесей. В альвеолах легких происходит обмен кислородом, диоксидом углерода и азотом между внешней средой и организмом. Среди этих газов наибольшее значение для жизнедеятельности организма имеют кислород, диоксид углерода и азот. Постоянство состава альвеолярного воздуха обеспечивается альвеолярной вентиляцией, в результате которой легочные аль­ веолы обмениваются газами с атмосферой.

Газообмен между газовой смесью альвеол и кровью ле­ гочных капилляров на альвеолокапиллярной мембране происхо­ дит под действием концентрационного градиента каждого из га­ зов путем диффузии. Кислород и диоксид углерода диффунди­ руют растворенными в фосфолипидах сурфактантной системы. Различия в парциальных давлениях и в альвеолярной газовой смеси и напряжений этих газов в венозной крови ле­ гочных капилляров (табл. 12) при фиксированной толщине аэро- гема-тического барьера (5 мкм) и площади поверхности альвеол

(70-80 м2) обусловливают массоперенос кислорода в кровь, а диоксида углерода в альвеолы. При этом, несмотря на неодина­ ковый перепад концентраций кислорода и диоксида углерода = 0,8 кПа), высокая проницаемость последнего обусловливает одинаковый массоперенос обоих га-

236 Глава 7

 

 

зов. Изменяющаяся вместе с давлением плотность различных газов (рис. 81) по воздухоносным путям имеет решающее значение в конвекции и изменении характера внешнего дыхания организма. При увеличении плотности газовой смеси дыхание становится редким и глубоким.

 

Повышение атмосферного давления (гипербария) приводит к увеличению сопротивления дыханию и снижению резервов вен­ тиляции легких. Это связано с переходом ламинарного движе­ ния воздуха в трахеобронхиальном дереве в турбулентное. Вследствие уменьшения альвеоло-капиллярного обмена кисло­ рода увеличивается парциальное давление диоксида углерода в альвеолах и напряжение в крови. Уменьшение жизненной ем­ кости м вентиляции легких сопровождается увеличением их кровенаполнения и снижением чувствительности хеморецепто- ров к гиперкапнии. Кроме того азот при значительном парци­ альном давлении (выше 3920 гПа) оказывает наркотическое действие, что также является неблагоприятным эффектом ги­ пербарии. Для их купирования применяют газовые смеси кисло­ рода с гелием (гелиокс) или тройные (гелий, кислород, азот). Они имеют меньшую вязкость и повышают максимальную венти­ ляцию легких за счет снижения сопротивления дыханию.

При понижении общего атмосферного давления (аивобарии) содержание кислорода в воздухе уменьшается и его парциаль­ ное давление в альвеолярном воздухе (см. рис. 81). В результа­ те замедления и уменьшения массопереноса газов снижается напряжение кислорода в крови и развивается кислородная не­ достаточность организма. Вследствие рефлекторного усиления альвеолярной вентиляции и вымывания из альвеол воз­ растает альвеоло-капиллярный обмен кислорода и скорость его транспорта к тканям.

Таким образом, влияние измененного давления газовой сре­ ды на организм реализуется преимущественно через систему внешнего дыхания. Суммарный эффект их действия на организм определяется многими факторами: парциальными давлениями

Основы лечебного применения механических факторов 237 газов в смеси, ее плотностью (определяющей соотношение диффузии и конвекции газов в легких и изменения их вентиля­ ции), различиями коэффициентов диффузии вдыхаемых газов. Они активируют адаптационно-приспособительные реакции ор­ ганизма, направленные на восстановление тканевого дыхания в условиях измененной газовой среды.

ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ЛЕЧЕБНОГО ПРИМЕНЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

 

 

Создаваемые в тканях апериодические напряжения применя­ ют с лечебной целью в виде массажа и мануальной терапии. Периодические колебания при непосредственном контакте с их источником (вибрации) принято разделять в соответствии с виб­ рочувствительностью воспринимающих их соматосенсорных афферентов - механорецепторов мышц и кожи. Выделяют низ­ кочастотную вибрацию в диапазоне 0-40 Гц и высокочастотную, частотный диапазон которой составляет 40-250 Гц.

Практически все существующие классификации меха­ нических колебаний связаны со слуховым восприятием человека. К слышимым звукам традиционно относят акустические колебания, распространяющиеся в атмосфере с частотой 16-20000 Гц. Механические колебаний частотой ниже

16 Гц принято называть инфразвуками, выше 20000 Гц - уль­ тразвуками. В физиотерапии используют преимущественно ме­ ханические колебания ультразвукового диапазона (ультразвук). Наряду с изменениями атмосферного давления воздуха, наи­ более широко в лечебной практике применяют газовые смеси с измененным парциальным давлением различных компонентов воздуха. Помимо изменения газового состава воздуха, в физио­ терапии используют также насыщение воздуха различными со­

лями или жидкими лекарственными веществами {аэрозоли).

В соответствии с применяемыми механическими факторами выделяют различные методы их лечебного ислользования

(табл. 13).

238 Глава 7

 

Т а б л и ц а 1 3