Використання випромінювання оптичного діапазону в медицині

Оптичне випромінювання широко використовується при лікуванні і при діагностиці ряда захворювань. Наприклад, тепловий ефект інфрачервоного випромінювання ближньої області (λ =0,76...2,5 мкм) використовують для прогрівання проверхневих шарів тіла (на глибині біля 2 см). В якості джерела використовуються спеціальні лампи. Терморегулююча система організму для охолодження нагрітої ділянки підсилює кровообертання в ньому, що і викликає терапевтичний ефект.

Невеликі дози ультрафіолетового опромінення роблять сприятливу дію на серцево-судинні, ендокринну, нейрогуморальну, дихальну системи. Однак, молекулярний механізм такого впливу ультрафіолету, в більшості випадків, точно невідомий.

Комбінована дія фотосенсибілізаторів псораленів й ультрафіолетового опромінення А -тони (так називана ПУФА-терапія) широко використовується іноді, як єдиний ефективний метод, при лікуванні ряду шкірних захворювань, наприклад псоріазу, деяких форм облисіння (гніздна плішивість). Однак, ПУФА-терапія має ряд побічних ефектів, наприклад, приводить до утворення еритеми, едеми.

Випромінювання гелій-неонового лазера (λ = 632 нм) застосовується для прискорення загоєння ран. У хірургії використаються лазерні скальпелі, здатні викликати високотемпературне руйнування тканини з одночасною коагуляцією білка. Такі операції протікають безкровно й широко практикуються при лікуванні відшарування сітківки, глаукоми (лазером проколюються мікроскопічні отвори діаметром 50-100 мкм, що викликає відтік внутрішньоочної рідини й знижує внутрішньоочний тиск).

Фотосенсибілізатор гематопоферин і його похідні використовують при лікуванні злоякісних пухлин, бо виявлено, що ці сполуки накопичуються винятково в пухлинних клітках й відсутні у здорових. Сенсибілізатори підвищують чутливість пухлини до дії видимого світла, опромінення яким призводить до її загибелі. Даний метод фотохіміотерапії викорисовують при лікуванні пухлин як шкіри, так і внутрішніх органів. В останньому випадку опромінення проводиться за допомогою спеціальних світловодів.

Нагромадження в пухлинах гематопорферинів використають і при діагностиці онкологічних захворювань, тому що люмінесценція цих молекул дозволяє визначити розміри пухлини.

Ультрафіолетове випромінювання великої потужності робить бактерицидний ефект, що використовується при стерилізації медичних інструментів і приміщень. Як джерело випромінювання, застосовуються спеціальні бактерицидні лампи.

32. З’ясуємо причину виникнення областей α,β,γ- дисперсії імпедансу. Тканина організму є структурою, що володіє властивостями провідника (електроліту) і діелектрика. Поляризація діелектрику у зовнішньому електричному полі, як відомо, відбувається не миттєво, а залежить від часу. Це свідчить про наступну залежність від часу поляризованості діелектрика (Р_е) при впливі постійного електричного поля:

Р_е = f (t) при Е = const (Е - напруженість електричного поля)

Якщо електричне поле змінюється за гармонічним законом, то поляризованість буде також змінюватись за гармонічним законом, а амплітуда полярізованості буде залежати від частоти змінних поля з запізненням по фазі:

Рem = f (ω) при Е = Еmcos ω t

(11.3.1.)

Тоді діелектрична проникність[8] ε середовища в цих умовах (за законами поведінки діелектриків в електричному струмі):

ε = 1 + Рem /ε0Еm

(11.3.2.)

Е_m – напруженість електричного поля;

ε₀ – діелектрична проникність у вакуумі;

Умова (11.3.2.) означає частотну залежність діелектричної проникності при впливі змінним (гармонійним) електричним полем: ε ₌ f (ω). Зміна діелектричної проникності зі зміною частоти електричного поля означає зміну електроємності і, як наслідок, зміну імпедансу.

Запізнення зміни поляризованості відносно зміни напруженості електричного поля залежить від механізму поляризації речовини. Найшвидший механізм – це електронна поляризація, бо маса електрону достатньо мала. Це відповідає частотам (біля 10¹⁵ Гц), які істотно перевищують області α-, β-, γ - дисперсії.

 

Запізнення зміни поляризованості відносно зміни напруженості електричного поля залежить від механізму поляризації речовини. Найшвидший механізм – це електронна поляризація, бо маса електрону достатньо мала. Це відповідає частотам (біля 10¹⁵ Гц), які істотно перевищують області α-, β-, γ - дисперсії.

Орієнтаційна поляризація води, молекули якої мають відносно малу масу, відповідає γ – дисперсії (частоти біля 20 ГГц). Великі полярні органічні молекули, наприклад білки, мають значну масу і встигають реагувати на змінне електричне поле з частотою 1-10 МГц. Це відповідає β – дисперсії. При α –дисперсії відбувається поляризація цілих клітин в результаті дифузії іонів, що займає відносно великий час, і α – дисперсії відповідає область низьких частот (0,1-10 кГц). В цій області ємкісний опір мембран дуже великий, тому переважають струми, які огинають клітини і протікають через оточуючі клітини розчини електролітів.

Таким чином, області α-, β-, γ - дисперсії імпедансу пояснюються тим, що із підвищення частоти змінного електричного поля в явище поляризації беруть участь різні структури біологічних тканин: при низьких частотах (0,1-10 кГц) на зміну поля реагують всі структури, з підвищенням частоти (1-10 МГц) реагують великі молекули – диполі органічних з’єднань і молекули води (γ - дисперсія), а при вищих (біля 20 ГГц) частотах реагують тільки молекули води (γ - дисперсія).

У всіх випадках має місце електронна поляризація. Із підвищенням частоти електричного струму (електричного поля) все менше структур буде реагувати на зміну цього поля і менше буде значення поляризованості (!!!).

Звідси, згідно (11.3.2.), з підвищенням частоти буде зменшуватися електрична проникність, а звідси і електроємність С, а це призведе до підвищення ємкісного опору R _е і імпедансу Z. Тому, на фоні загального руху залежності z = f (ω) (рис.), з’являються області з меншим – зменшеним Z при зростанні частоти (α-, β-, γ – дисперсії).

Частотна залежність імпедансу дозволяє оцінити життєздатність тканин організму, що важливо знати для пересадки (трансплантації) тканин і органів. Різниця в частотних залежностях імпедансу є і випадках здорової і хворої тканин.

Імпеданс тканин залежить також від їх фізіологічного стану. Так, при кровонаповненні судин імпеданс змінюється в залежності від стану серцево – судинної діяльності.

Через те, що параметри, які характеризують електричні властивості (електропровідність, ємність, діелектрична проникність, імпеданс т.ін.) органів і тканин, залежать від їх фізіологічного стану, то вони можуть виступати його показниками, що і використовується при різних дослідженнях. Наприклад, імпеданс ділянки тканин залежить від інтенсивності кровоточу в периферійних судинах і може виступати показником його стану. Діагностичний метод, в який заснований на реєстрації зміни імпедансу тканин, називається реографією (імпеданс-плетизмографія). При цьому реєструється зміна імпедансу певної ділянки тканин (звичайно на кінцівках), на границі якої накладені електроди. Вимірювання звичайно проводять на частоті 30 кГц.

За допомогою цього методу отримують реограми головного мозку (реоенцефалограма), серця (реокардіограма), магістралей судин, легенів, печінки і кінцівок.

Потрібно відмітити, що знання пасивних електричних властивостей біологічних тканин важливе при розробці теоретичних основ методів електрографії органів і тканин, бо електричний струм, що створюється струмковими діполями, проходить крізь них. Крім того, уява про дисперсію імпедансу дозволяє оцінити механізм дії струмів і полів, які використовуються в терапевтичних цілях.

33. 1. Електромагнітні характеристики біологічних організмів

Живий організм (кожна клітина організму) виступають джерелом електричних потенціалів (біопотенціалів). Залежність електричного потенціалу якого-небудь органу чи тканини від часу має назву електрограми, а реєстрація біопотенціалів тканин і органів з діагностичною метою – електрографією. Такий загальний термін використовується дуже рідко, більш розповсюджені конкретні назви відповідних діагностичних методів:

- електрокардіографія (ЕКГ) - реєстрація біопотенціалів, які виникають у серцевому м’язі при його збудженні;

- електроміографія - метод реєстрації біоелектричної активності м’язів;

- електроенцефалографія (ЕЕГ) – метод реєстрації біоелектричної активності головного мозку,

- електроретинографія - метод реєстрації біоелектричної активності сітчатки ока та інші.

Для вимірювання різниці потенціалів між будь-якими двома точками органа потрібно прикласти електроди. Однак, такий “прямий” метод електрографії практично не використовується. В більшості випадків біопотенціали знімаються електродами не безпосередньо з органу (серце, головний мозок), а з інших, сусідніх тканин, в яких електричні поля цим органом створюються. В клінічному відношенні це істотно спрощує саму процедуру реєстрації, роблячи її безпечною і не складною.

Фізичний підхід до електрографії заключається в створенні (виборі) моделі електричного генератора, яка відповідає картині “знімаємих” потенціалів. У зв’язку з цим тут виникають дві фундаментальні теоретичні задачі:

- розрахунок потенціалу в області вимірювання за заданими характеристиками електричного генератора (моделі) – пряма задача;

- розрахунок характеристик електричного генератора за виміряним потенціалом – зворотня задача.

Розв’язок другої задачі відіграє важливу роль в діагностиці ряда захворювань. Розглянемо фізичну сутність електрографії на прикладі електрокардіографії, одна з основних задач якої полягає у розрахунку розподілу трансмембранного потенціалу клітин серцевого м’язу за потенціалами, що виміряні зовні серця. Все серце в електричному відношенні представляється, як деякий еквівалентний електричний генератор, тобто як сукупність електричних джерел у провіднику, що має форму тіла людини. На поверхні провідника, при функціонуванні еквівалентного електричного генератора, буде електрична напруга, яка в процесі серцевої діяльності виникає на поверхні тіла людини.

Сьогодні визнано, що в мультипольному еквівалентному генераторі серця основна частина в потенціал на поверхні тіла людини вноситься його дипольною складовою. Іншими словами, при моделюванні електричної діяльності серця потрібно використовувати дипольний еквівалентний електричний генератор.

Еквівалентний генератор серця представляють у вигляді електричного диполя (джерела електрорушійної сили Е) з внутрішнім опором r, який замкнений на зовнішній опір R, причому r>>R. Можна довести, що різниця потенціалів між деякими точками є тим більшою, чим більшим є питомий опір середовища, відстань між цими точками і чим меншою є відстань цих точок до диполя [ ].

Дипольна уява про серце лежить в основі запропонованої В. Ейнтховеном теорії, згідно якої:

1) серце представляють у вигляді дипольного генератора з дипольним поментом ,

2) напрямок і величина вектора в процесі серцевої діяльності періодично змінюється у часі (відповідно з таким же періодом змінюється і різниця потенціалів між деякими двома точками тіла, до яких прикладені електроди),

3) початок вектора не змінює свого положення у просторі,

4) оточуючі серце тканини представляють собою однорідне ізотропне середовище.

За В. Ейнтховеном серце розташоване в центрі трикутника, а різниця потенціалів (відведення) знімаються між вершинами рівнобічного трикутника (рис.11.1.1.,а). Розрізняють І відведення: між правою рукою і лівою рукою (ПР-ЛР), ІІ відведення: між правою рукою і лівою ногою (ПР-ЛН) і III відведення: між лівою рукою і лівою ногою (ЛР-ЛН), які відповідають різницям потенціалів U_{1 ,} U₂, U_3.

Практично різниця потенціалів вимірюється між точками, в яких кінцівки з’єднуються з тулубом, бо кінцівки виступають як провідники. Через це дипольний момент виявляється в центрі трикутника, який приблизно вважається рівнобічним.

а) б)

Рис. 11.1.1. Схема Ейнтховена вимірювання дипольного моменту серця

 

36. Нагрівання тканини традиційними способами і нагрівання, яке викликане впливом ЗВЧ-випромінювання, істотно різняться. В першому випадку відбувається нагрівання поверхневого шару, і проникнення тепла в більш глибокі шари залежить від теплопровідності тканини, в той час як УВЧ і ЗВЧ-опромінення викликає нагрівання всього об’єму опроміненого об’єкту. Зі зменшенням довжини хвилі зменшується глибина проникнення випромінювання у тканину, що викликає нагрівання лише поверхневих шарів.

Сьогодні відомо, що тривале ЗВЧ-опромінення викликає гіпоксію (знижений вміст кисню у тканинах), зниження працездатності, підвищення втомлюваності організму, а також ряд інших зсувів, особливо в нервовій і серцево-судинній системах. Найбільш часто від подібних симптомів страждає персонал фізіотерапевтичних кабінетів, теле- і радіостанцій і т. ін.

37. З усього радіохвильового спектра (табл.12.1.) виділяються дециметровий, або ультрависокочастотний (УВЧ) діапазон (λ =1...0,01м, υ =3^.10⁸...3^.10⁹Гц), і сантиметровий, або зверхвисокочастотний (ЗВЧ) діапазон (λ =10^-1...10^-2м, υ =3^.10⁹...3^.10¹⁰Гц).

Мірою інтенсивності I мікрохвильового випромінювання є щільність потоку енергії випромінювання (модуль вектора Пойтинга):

(12.5.1.)

де Е – напружність електричного поля, Н – напружність магнітного поля. Щільність потоку вимірюється у Вт/м².

Іноді при дослідженні впливу випромінювання на речовину користуються питомими значеннями поглинутої одиницею об’єму або одиницею маси поглинаючої речовини потужності, що вимірюють відповідно у Вт/м³ або Вт/кг. Кількість поглинутої енергії одиницею маси об’єкта називають дозою опромінення (Дж/кг).

Електромагнітне випромінювання, особливо в ЗВЧ діапазоні, підвищує температуру тканини на деяку величину DT, причому DT є прямо пропорційною питомій поглиненій потужності P. Це дозволяє визначити поглинену потужність ЗВЧ-випромінювання в залежності від нагрівання тканини за наступною емпіричною формулою:

(12.5.2.)

де С – питома теплоємність речовини, t – час опромінення.

Енергія мікрохвильового випромінювання (1,24.10^-6...1,24.10^-4 еВ) є недостатньою для виникнення електронно-збуджених станів. Тому вплив мікрохвильового випромінювання на живі організми викликає теплові і нетеплові ефекти.

Тепловий ефект електромагнітного поля визначається його впливом як на іони, так і на нейтральні частинки. В першому випадку змінні поля викликають змінні струми провідності у тканинах, що супроводжується виділенням джоулева тепла. У другому випадку електричне поле викликає поляризацію нейтральних молекул і виникнення струмів зміщення.

Коливання частиць у змінному полі супроводжується тертям, а через це – виділенням теплової енергії. Зі зменшенням частоти зовнішнього поля відповідно зменшується частота коливань частиць і теплові втрати є меншими. З іншого боку, при збільшенні частоти електрони (у випадку деформаційної поляризації) або молекули (у випадку орієнтаційної поляризації) можуть не встигати змінювати своє положення у просторі, що також знижує теплові втрати. З цього маємо, що при деякому значенні частоти коливань тепловий ефект буде максимальним (резонанс поглинання). Це спостерігається у випадку співпадання частоти зовнішнього поля з зовнішньою частотою коливань частиці. Наприклад, у випадку орієнтаційної поляризації молекул води максимум поглинання знаходиться на частоті 10¹⁰Гц, тобто лежить в ЗВЧ діапазоні. Орієнтаційна поляризація молекул води вносить основний внесок у поглинання електромагнітного випромінювання живими організмами. Тому тканини, в яких вміст води є великим, нагріваються сильніше (наприклад, м’язи і кров) у порівнянні з тими, де вміст води є меншим (кісткова і жирова тканини).

Однією з важливих характеристик електромагнітного випромінювання є глибина його проникнення d у тканини. З підвищенням частоти випромінювання і діелектричної проникності тканини, глибина проникнення зменшується. Чим більшим є вміст води у тканині, тим меншим є d. Наприклад, глибина проникнення УВЧ-хвиль (υ =3^.10⁸...3^.10⁹Гц) в м’язовій тканині і шкіри складає біля 4 см, а в жировій і кістковій тканині – біля 20см. Ці ж показники для ЗВЧ-хвиль (υ =3^.10⁹...3^.10¹⁰Гц) складають вже відповідно 2 і 10 см.