Теоретические сведения. Аппараты для дмв и смв терапии

Цель работы

Аппараты для дмв и смв терапии

Лабораторная работа №3

Изучение механизмов воздействия высокочастотной энергии на ткани организма, изучение принципов работы аппаратов ДМВ и СМВ терапии, изучение устройства аппарата для ДМВ терапии «Электроника ТЕРМА», исследование температурного распределения в образце при воздействии ДМВ излучения.

В основе любых механизмов лечебного действия высокочастотных колебаний лежит первичное действие их на электрически заряженные частицы (электроны, атомы и молекулы) веществ, из которых состоят ткани организма. В действии высокочастот­ных колебаний различают две основные группы эффектов - тепловой эффект и так называемый специфический эффект.

Тепловой эффект, получаемый под действием высокочастотных колебаний, отличается от теплового эффекта, получаемого другими методами (грелки, укутыва­ния, инфракрасное облучение и др.), рядом существенных преимуществ. Нагревание тканей токами и полями высокой частоты происходит не за счет передачи тепла, подведенного к поверхности тела, а за счет непосредственного выделения теплоты в расположенных внутри тела тканях и органах. Это позволяет в значительной степени исключить теплоизолирующее действие слоя кожи и подкожной жировой клетчатки, а также теплорегуляционное действие системы кровообращения, значительно ослаб­ляющее передачу тепла вглубь с поверхности тела.

Особенностью теплового действия высокочастотных колебаний является то, что количество теплоты, выделяющееся в тех или иных органах и тканях организма, зависит как от параметров колебаний, главным образом частоты, так и от электричес­ких свойств самих тканей. Поэтому, подбирая соответствующим образом частоту колебаний, можно обеспечить в какой-то степени «терма-селективное» действие, т. е. преимущественное выделение тепла в определенных тканях.

Немаловажным преимуществом высокочастотных методов является возможность легко рейдировать мощность колебаний, действующих на объект, и соответственно интенсивность теплового эффекта, при некоторых методах возможно и довольно точное измерение этой мощности.

специфический эффект от действия высокочастотных колебаний, наиболее явно проявляющийся при ультра- и сверхвысоких частотах, заключается в различных внутримолекулярных физико-химических процессах, или структурных перестройках, которые могут изменять функциональное состояние клеток тканей.

В качестве примеров можно указать на выстраивание в цепочки, ориентирован­ные параллельно электрическим силовым линиям, эритроцитов, лейкоцитов и некоторых других клеток и частиц, ориентирование по полю поляризованных боковых ветвей белковых макромолекул и др.

Следует отметить, что механизмы «специфического» действия высокочастотных

коле6аний изучены еще недостаточно и в ряде случаев имеют характер гипотез, однако многие из них получили не только теоретическое, но и экспериментальное подтверждение.

Для лучшего понимания особенностей действия на организм различных форм энергии высокочастотных колебаний, зависимости от частоты глубины проникнове­ния и распределения поглощенной энергии между тканями и др. необходимо рассмотреть электрические параметры тканей организма.

Электрические параметры биологических тканей, так же как и любого другого вещества, могут быть охарактеризованы диэлектрической проницаемостью Е и удельной электрической проводимостью б.

Магнитные свойства биологических тканей выражены очень слабо и практически при рассмотрении действия высокочастотных колебаний на ткани организма могут не учитываться.

Электрические характеристики различных тканей в значительной степени зави­сят от содержания в них воды с растворенными в ней солями, ионы которых обусловливают проводимость как самого раствора, так и тканей, его содержащих.

Все ткани тела в соответствии с содержанием в них воды могут быть разделены на три основные группы: жидкие ткани (кровь, лимфа), представляющие водную суспензию клеток и белковых молекул; мышечные и им подобные ткани внутренних органов (сердце, почки, печень и др.), также содержащие большое количество воды, но имеющие уплотненную структуру; ткани с малым содержанием воды (жир. кости).

Ионная проводимость жидких сред в тканях обусловливает ток проводимости и соответственно потери энергии высокочастотных колебаний, которая выделяется в форме джоулева тепла (потери проводимости).

Ионная проводимость однородного электролита практически не зависит от частоты, однако наличие в нем взвеси клеток, окруженных тонкой плохопроводящиймембраной, вызывает в определенном частотном диапазоне изменение величин Б и б при изменении частоты колебаний.

На низких частотах (до десятков килогерц) ионный ток протекает только через внеклеточную среду, которая и определяет проводимость ткани. Заряжающиеся емкости клеточных мембран обусловливают ее значительную диэлектрическую проницаемость.

С увеличением частоты за счет уменьшения емкостного сопротивления мембран внутриклеточная среда начинает принимать участие в проведении ионного тела, что приводит к увеличению общей проводимости ткани. В то же время емкости мембран не успевают полностью заряжаться, в результате чего диэлектрическая проницаемость ткани уменьшается.

Мембраны клеток перестают оказывать влияние на электрические свойства тканей при частотах, на которых емкостное сопротивление мембран становятсямалым по сравнению с сопротивлением внутриклеточной среды. Это происходит на частотах выше 100 МГц.

Указанные выше зависимости справедливы и для жировой и костной тканей, с той разницей, что в связи с низким содержанием электролитов их проводимость и диэлектрическая проницаемость значительно ниже, чем у тканей с большим с. «дер­жанием воды.

С дальнейшим повышением частоты на электрические свойства тканей начинают оказывать влияние полярные молекулы воды, представляющие собой электрические диполи. Полярные молекулы под действием электрического поля ориентируются в направлении поля (ориентационная поляризация). Осцилляции полярных молекул в переменном электрическом поле сопровождаются потерями энергии, которые называются диэлектрическими.

Ориентация полярных молекул происходит не мгновенно, а требует некоторого конечного времени-времени релаксации, имеющего определенную величину для различных молекул.

При относительно низких частотах, когда период колебаний больше времени релаксации, ориентация молекул происходит в соответствии с изменением поля и успевает завершиться, в связи с чем диэлектрические потери энергии малы, а

диэлектрическая проницаемость велика. При повышении частоты ориентация молекул от­стает от изменений поля и не успевает пол­ностью завершиться. Это приводит к умень­шению диэлектрической проницаемости ткани

Рис 1 Зависимость диэлектрической проницаемости (а) и удельного сопротивления (б) мышечных и жировых тканей от частоты.

Рис.2. Диэлектрик.

а - эквивалентная схема; б векторная диаграмма токов в диэлектрике.

и увеличению диэлектрических потерь (увеличение проводимости ткани).

Поскольку время релаксации молекул воды составляет около , изменения σ

м и ε тканей, связанные с полярными свойствами молекул воды, начинают существенно сказываться на частотах выше 1000 МГц. На рис. 1 приведены зависимости от частоты диэлектрической проницаемости ε

и удельного сопротивления ρ (величина, обратная удельной проводимости σ) для мышечной и жировой тканей.

В соответствии с вышеуказанным, как ε, так и ρ уменьшаются с частотой.

Эквивалентная электрическая - схема диэлектрика может быть представлена в виде конденсатора С без потерь, шунтированного сопротивлением потерь R (рис.2). Полный ток I, текущий через диэлектрик, равен векторной сумме активной 1а и реактивной 1р составляющих:

где U-напряжение на диэлектрике, а w-угловая частота колебаний. Диэлектрик характеризуется углом потерь δ; дополняющим до 90° угол сдвига фаз φ между током и напряжением. Угол потерь определяется следующим соотношением:

Реактивная составляющая тока, не вызывающая потерь энергии, определяется реактивной проводимостью конденсатора, т. е. диэлектрической проницаемостью диэлектрика и частотой колебаний.

Активная составляющая тока, вызывающая потери энергии, определяется удель­ной проводимостью диэлектрика. Величина удельной проводимости учитывает все виды потерь в диэлектрике, как потери проводимости за счет колебательного движения ионов, так и диэлектрические потери за счет поворотов дипольных молекул.

Потери энергии в единицу времени в единице объема диэлектрика, находящегося в поле напряженностью Е, могут быть выражены либо через удельную проводимость:

либо через угол потерь:

где - диэлектрическая постоянная.

При распространении электромагнитной волны в неидеальном диэлектрике, которым являются ткани организма, происходят потери энергии, сопровождающиеся выделением тепла. На этом физическом явлении основан физиотерапевтический метод, использующий для воздействия на ткани тела больного электромагнитное: поле излучения. При этом направленный поток электромагнитной энергии создается излучателем, устанавливаемым своим раскрывом непосредственно перед облучаемойчастью тела. Поскольку размеры излучателя должны быть соизмеримы с длиной волны колебаний, метод нашел практическое применение в диапазоне дециметровых и сантиметровых волн.

После второй мировой войны на основе радиолокационной техники была сознана аппаратура для терапевтического применения микроволн с длиной волны около J 2.25 см (частота 2450 МГц). С помощью этой аппаратуры были проведены многочислен­ные исследования физиологического действия микроволн и показана их высекая терапевтическая эффективность. Метод носит название СМВ-терапия (в СНГ для СМВ-терапии выделена также частота 2375 МГц, которой соответствуем длина ванны около 12.6 см). Как показали, однако, предыдущие расчеты и экспериментальные исследования 12-сантиметровый диапазон волн не является оптимальным и при его использовании имеют место существенные ограничения метода. В связи с этим за последние годы в физиотерапии получили распространение аппараты, использующие электромагнитные колебания с длиной волны около 65 см (частота 460 МГц). Соответствующий метод получил название ДМВ-терапия (ранее в литературе метод СМВ-терапии назывался микроволновой терапией, а метод ДМВ-терапии •- ДЦВ-терапией).

В диапазоне микроволн, помимо потерь, связанных с колебаниямиионов электролитов, существенное значение приобретают потери, вызванные релаксационными колебаниями полярных молекул воды. Доля релаксационных потерь увеличивается по мере приближения к частоте релаксации молекул воды и составляет в 12-сантиметровом диапазоне волн около 50% общих потерь. В связи с этим наибольшее поглощение энергии происходит при распространении в тканях, содержащих значи­тельное количество воды, т. е. в крови, мышцах и др., а в жировой ткани и костях поглощение невелико. Это определяет особенности теплового действия микроволн на организм, существенно отличая его от теплового действия при диатермии и УВЧ-терапии.

Вследствие разницы в величине релаксационных потерь глубины проникновения электромагнитных волн в ткани тела на частотах 2375 и 460 МГц существенно различаются. При частоте 2375 МГц глубина проникновения в мышечные ткани составляет около 1 см и в жировые - около 4 см. При частоте 460 МГц глубина проникновения в мышечные ткани почти в 2 раза больше.

Возможность сравнительно более глубокого воздействия при меньшем нагреве поверхностных тканей является существенным преимуществом ДМВ-терапии по сравнению с СМВ терапией.

Следует отметить, что во всех предыдущих рассуждениях не учитывалась теплоп­роводность ткани, а также теплообмен между тканью и окружающей средой. В живом организме эти факторы, а также наличие кровотока, приводят к тому, что разница в температурах сглаживается, нагрев поверхностных тканей уменьшается, а повышение температуры отмечается на глубине в несколько раз большей, чем это следует из приведенных выше расчетных данных.

На нагревание тканей организма, вызываемое микроволнами, влияет также наличие многослойной структуры тканей (кожа-жир-мышцы). Неоднородность среды, в которой распространяется электромагнитная волна, приводит к отражению ее и появлению обратной волны. В результате их наложения возникают стоячие волны и, как следствие этого, повышенный местный нагрев в области, где имеется максимум электрической составляющей поля.

Подобные условия могут возникать в слое жира, вследствие отражения волны на границе его с мышечными тканями. Поскольку отношение длины волны, распрос­траняющейся в свободном пространстве, к длине волны в ткани равно корню квадратному из диэлектрической проницаемости ткани, то на частоте 2375 МГц длина волны в жировой ткани составляет примерно 6.5 см. При толщине подкожного жирового слоя, превышающей 1.5-2 см, в его толще укладывается более четверти длины волны и возникает возможность местных повышений температуры.

При ДМВ-терапии длина волны настолько велика, что в жировом слое уклады­вается только малая ее часть (длина волны в жире около 30 см), и стоячие волны практически не сказываются на нагреве тканей. Это также одно из важных преиму­ществ применения для терапии поля излучения более длинных волн.

излучатели, применяемые при СМВ-терапии, представляют собой питаемый по коаксиальному кабелю возбудитель (обычно диполь), установленный перед отража­ющим экраном, либо в круглом или прямоугольном волноводе. Размеры экранов и волноводов могут быть различными, обеспечивая необходимый по размерам и форме направленный поток волн. Обычно размеры излучателей находятся в пределах от 10 до 30 см.

Процедура проводится при установке излучателя на расстоянии 3-5 см от поверхности тела.

Для облучения небольших участков тела (например, для применения в оторино­ларингологии, стоматологии) используются гак называемые керамические излучатели с диаметром от 1.5 до 3.5 см. Эти излучатели представляют собой замкнутый с одной стороны возбуждаемый штырем круглый волновод, заполненный высокочастотной керамикой. Такое заполнение позволяет увеличить критическую длину волны в волноводе и соответственно уменьшить его диаметр.

Керамические излучатели применяются по контактной методике, т. е. при непосредственном соприкосновении с телом. Поскольку диэлектрическая проница­емость керамики близка к диэлектрической проницаемости кожи и мышечных тканей, то в месте контакта заметного отражения волны не происходит.

Для внутриполостных воздействий (ректальных, вагинальных) используются стержневые излучатели, представляющие собой керамический стержень, конец которого выступает из цилиндрического волновода. Стержень закрывается съемным допускающим стерилизацию колпачком и вводится в полость в непосредственном контакте с окружающими тканями.

В связи с малыми размерами керамических излучателей и отсутствием потерь на излучение, которые имеют место при облучении с зазором, мощность, необходимая для питания этих излучателей, составляет 10-15% от мощности, необходимой при использовании дистанционных излучателей. Керамическими излучателями комплек­туются переносные аппараты с выводной мощностью 20-25 Вт, тогда как для дистанционных излучателей применяются аппараты с выходной мощностью 100-200Вт.

При ДМВ-терапии используются обычно излучатели в виде диполя с экраном. Относительно большая длина волны не позволяет применить в аппаратах для ДМВ-терапии волноводные излучатели, в том числе и керамические, так как они получа­ются слишком большого размера. Трудности в создании малогабаритных излучателей ограничивают возможности ДМВ-терапии.

Дозиметрия при СМВ-терапии осуществляется по измерительному прибору на панели аппарата, показывающему величину выходной мощности аппарата.

Метод измерения основывается на практически линейной зависимости анодного тока магнетрона от генерируемой им мощности. Это позволяет использовать в качестве измерителя миллиамперметр, измеряющий ток магнетрона и проградуированный в ваттах.

Точность такого способа дозиметрии в значительной мере зависит от метода воздействия - контактного или дистанционного.

При контактном методе излучатель непосредственно соприкасается с телом больного и практически потерь энергии на излучение не происходит. В этом случае показания измерительного прибора соответствуют мощности, поглощенной тканями тела больного.

При дистанционной методике излучатель устанавливается на некотором расстоянии от поверхности тела, что вызывает значительное излучение в окружающее пространство. При этом в тканях тела больного поглощается только часть излученной мощности, и показания измерительного прибора дают только ориентировочное представление о получаемой пациентом дозе. В зависимости от расстояния до излучателя интенсивность создаваемого им поля изменяется в широких пределах, соответственно изменяется и поглощенная телом мощность. Так, при изменении расстояния от излучателя с 3 до 6 см нагрев тканей уменьшается почти в 2.5 раза.

Помимо расстояния от излучателя, на величине поглощенной тканями тела мощности сказывается отражение излученной энергии от поверхности тела больного. На частоте 2375 МГц, применяемой для СМВ-терапии, в зависимости от толщины подкожного жирового слоя (0.5-2 см) может отражаться 25-7$% энергии. В связи с этим возможна значительная разница в величине поглощенной мощности при одних и тех же показаниях измерительного прибора. Таким образом, при дистанционной методике облучения микроволнами измерительный прибор на панели аппарата может быть использован только для воспроизведения условий процедур и ориентировочной оценки поглощенной тканями тела мощности. При этом при меньших зазорах погрешность показаний прибора уменьшается.

В аппаратах для ДМВ-терапии используется метод измерения выходной мощности с помощью направленного ответвителя. Величина отдаваемой аппаратом мощнос­ти определяется по стрелочному прибору на панели аппарата, проградуированному в ваттах.

Все указанные недостатки дозиметрии при дистанционной методике относятся в полной мере и к методу ДМВ-терапии. Следует отметить, что особенности метода -большая глубина проникновения энергии при относительно меньшем нагреве богатой термочувствительными рецепторами кожи накладывают более жесткие требования к дозиметрии,

Преимуществом более длинных волн, используемых при ДМВ-терапии, является меньший разброс коэффициента отражения тела при различных толщинах подкож­ного жирового слоя (35-65%). Меньшие пределы изменений величины отраженной энергии позволяют с большей степенью точности оценивать по величине выходной мощности аппарата мощность, поглощаемую телом больного, и обеспечить тем самым более точное воспроизведение условий проведения процедур.

В заключение следует отметить, что при ДМВ-терапии и СМВ-терапии так же, как и при других высокочастотных методах, ощущения больного являются основным критерием для оценки интенсивности воздействия.

Дата добавления: 2015-04-30