Аппаратура для высокой и ультравысокой частоты

Высокочастотные токи и поля уже давно применяются для лечения (более 70 лет). Обычно мощность ВЧ аппаратов бывает значительной – десятки и сотни ватт. Так как медицинские ВЧ аппараты работают в диапазоне радиочастот, то при проектировании их рабочие частоты выбирают в диапазоне, разрешенном международным комитетом по радиовещанию и телевидению. Ниже перечисляются виды ВЧ процедур и их частоты.

1. Прогрев тканей ВЧ током (диатермия) – частота 1625 кГц ± 0,05 % (длина волны 184,6 ± 0,09 м).

2. ВЧ хирургия – частота 1666 кГц (длина волны 180 м).

3. Индуктотермия – частота 13,56 МГц (длина волны 22,12 м).

4. УВЧ терапия – частота 40,68 МГц (длина волны 7,37 м)

5. Микроволновая или терапия волнами сантиметрового диапазона (СВЧ-терапия – частота 2,375 – 2,45 ГГц длина волны 12,63 – 12,24 см).

Диатермия [ с греч. - прогреваю, жар, теплота], термопенетрация, эндотермия - названия одного метода электролечения, действие которого состоит в нагревании органов и тканей организма токами высокой частоты.

Метод лечения, основанный на нагревании органов и тканей токами высокой частоты был введён в лечебную практику в 1905 году чешским врачом Р. Цейнеком. Широко используемый сегодня термин Диатермия был предложен немецким врачом Ф. Нагельшмидтом.

При воздействии аппарата диатермии на поверхность тела (контактным путем или дистанционно) энергия ВЧ-излучения в наибольшей степени поглощается тканями с максимальным содержанием воды (лимфа, мышцы, кровь), в связи с чем глубина ее проникновения в тело составляет 3-5 см. Поглощенная энергия вызывает образование тепла в тканях (главным образом в мышцах, коже и подкожной клетчатке), на котором базируется принцип положительного воздействия микроволновой терапии.

В процессе диатермии в организме происходят следующие изменения:

· интенсификация процесса обмена веществ (при этом температура тела может повышаться на 0,1-0,2°С),

· повышение активности вегетативной нервной системы, что выражается в усилении лимфо- и кровообращения,

· повышение активности лейкоцитов, особенно в области, подвергшейся воздействию аппарата микроволновой диатермии.

ВЧ хирургия. Хирургические операции, которые выполняются с помощью тока высокой частоты, имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными методами: повышенная стерильность, меньшие потери крови и др. Схема операции с помощью ВЧ тока показана на рис. 5.3.

Рисунок 5.3 – Схема операции с помощью ВЧ токов.

«Резание» производится активным электродом, к которому подводится ток от ВЧ источника. Активный электрод имеет заостренную форму, чтобы создать большую плотность тока в месте контакта. Это вызывает сильный разогрев тканей (> 100^о С) и их разрыв. С противоположной стороны на объекте закрепляется пассивный электрод из мягкого материала, пропитанного проводящим составом. Пассивный электрод имеет большую площадь, для того чтобы плотность тока через него была маленькой и не вызывала ожогов.

Величина режущего тока может достигать 1 А при напряжении 200 В, т.е. мощность 200 Вт. Поэтому частота тока выбрана такой большой (1,66 МГц). При этом болевой порог намного превышает величину 1 А, и такой ток не вызывает никакой реакции опорно-двигательного аппарата оперируемого.(????)

Рассмотрим устройство и принцип действия аппарата для ВЧхирургии типаЭХВЧ-02, который называют также ЭС-100 (электроскальпель, максимальная мощность 100 Вт). Этот аппарат предназначен для резания и коагуляции. Причем коагуляция (?)производится модулированным током, а резание – непрерывным (почему?). Структурная схема аппарата показана на рис. 5.4.

В аппарате применен задающий LC-генератор. В режиме коагуляции переключателем подключается модулятор, который управляется мультивибратором. В качестве регулятора мощности используется простой резистивный делитель. Управление аппаратом осуществляется педалью. Блок автоматики выполнен на реле. Он, в частности, реагирует на нажатие педали и осуществляет контроль контакта пассивного электрода с объектом. Для этого пассивный электрод снабжен двумя проводниками, которые при наличии контакта с объектом образуют замкнутую цепь. В противном случае аппарат не включается. В аппарате также предусмотрена защита от возбуждения ВЧ напряжения при отсутствии контакта активного электрода с объектом.(зачем и усилитель тока и регуль. Мощности?)

Рисунок 5.4 – Структурная схема аппарата ВЧ хирургии

На рис. 5.5 приведена упрощенная принципиальная схема задающего генератора. Он выполнен по схеме с трансформаторной обратной связью. Глубина (?) ОС подбирается регулированием взаимной индуктивности М. Режим постоянного тока обеспечивается резисторами делителя R1 – R3 и эмиттерным резистором R4.

Рисунок 5.5 – Схема задающего генератора

Конденсатор С1 служит для шунтирования резистора R1 по переменному току, а индуктивность L_бл (блокировочная) – для увеличения сопротивления цепи делителя переменному току. Таким образом, уменьшаются потери усиления в цепи ОС. Диод осуществляет стабилизацию амплитуды напряжения задающего генератора. Нормально он закрыт обратным смещением, но при превышении амплитуды сигнала определенной величины он открывается, шунтируя сигнал ОС и уменьшая коэффициент петлевого усиления.

На рис. 5.6 показана связь между основными узлами аппарата ВЧ хирургии: задающим генератором, усилителем тока, выходным усилителем и модулятором.

Рисунок 5.6 – Функциональная схема аппарата ВЧ хирургии

Выходной усилитель выполнен по двухтактной схеме, которая работает в режиме В (с отсечкой тока). На выходе включен колебательный контур, согласующий выходное сопротивление усилителя с нагрузкой. Весь усилительный тракт охвачен отрицательной ОС (Woc), которая служит для защиты врача от попадания под ВЧ напряжение при отсутствии контакта активного электрода с объектом. При этом глубина ОС становится большой, а выходное напряжение – маленьким. Модулятор представляет собой диодный мост, включенный в цепь общей ОС. Коммутация моста осуществляется транзистором, который управляется мультивибратором. В положении переключателя «Резание» транзистор все время открыт от источника смещения Есм и переменный ток проходит через него в одном направлении. В режиме коагуляции импульсы от мультивибратора периодически открывают транзистор, что приводит к импульсной модуляции (манипуляции) ВЧ тока. Частота модулирующих импульсов выбирается около 16 кГц.

Рассмотрим более подробно наиболее важный узел – выходной усилитель. Его мощность достаточно большая – десятки и сотни ватт. Поэтому одним из главных требований, предъявляемых к нему, будет высокий КПД. В качестве активных элементов выходных усилителей мощных электромедицинских аппаратов все шире применяют транзисторы. При этом важной проблемой будет отвод тепла, обусловленного электрическими потерями на них. С целью получения высокого КПД целесообразно применение двухтактных каскадов, работающих в режиме В (угол отсечки 2 q = 180^о) или с бóльшим углом отсечки.

Рисунок 5.7 - Выходной усилитель аппарата ВЧ хирургии

Выходной усилитель выполнен по двухтактной схеме, работающей в режиме В, причем в плечах включено по три транзистора параллельно (соответственно VT1 – VT3 и VT4 – VT6). Они управляются независимо от отдельных трансформаторов Т1 – Т6, первичные обмотки которых подключены к вторичной обмотке трансформатора Т. Благодаря этому оказалось возможным коллекторы транзисторов заземлить. Но в таком случае в качестве радиатора можно использовать общую плиту, которая может выполнять функции несущей конструкции и быть заземленной. Таким образом, решается вопрос уменьшения массогабаритных показателей. В эмиттерные цепи транзисторов включены резисторы с небольшими сопротивлениями (около 1 Ом). Это необходимо для выравнивания характеристик транзисторов и обеспечения их равномерной токовой нагрузки.

В качестве других примеров электрохирургических аппаратов может быть приведен аппарат ЭХВЧ-300-02 российской фирмы «Эндомедиум» (рис. 2.49) и аппарат МЕ-411 немецкой фирмы MARTIN (рис. 5.7).

Рис. 5.7 – Электрохирургический аппарат ЭХВЧ-300-02

Технические характеристики ЭХВЧ-300-02:

Выходная мощность при номинальной нагрузке 500 Ом

в режиме резания, Вт - 380

Выходная мощность при номинальной нагрузке

500 Ом в режиме монополярной коагуляции, Вт – 180

Выходная мощность при номинальной нагрузке

100 Ом в режиме биполярной коагуляции, Вт – 120

Напряжение питания от сети переменного тока частотой 50 Гц, В 220 +/-22

Частота тока, кГц – 1660

Потребляемая мощность В×А – не более 900

Габаритные размеры, мм – 330´320´140

Масса, кг – 11,5

Аппарат фирмы MARTIN модели МЕ 411 имеет мощность 320 Вт и является ислючительно надежным и безопасным прибором. Два параллельных процессора обеспечивают постоянный внутренний контроль всех важнейших параметров. Многофункциональность аппарата обеспечивается большим выбором электрохирургическихх инструментов. Области применения: общая хирургия, урология, микрохирургия, сердечная и васкулярная хирургия.

Рис. 5.8 – Электрохирургический аппарат фирмы MARTIN МЕ-411

Технические характеристики аппарата МЕ 411:

Питание:	100-240 В, 50 Гц
Класс защиты	I
Тип	CF с защитой от дефибрилляции
Номинальная частота	500 кГц
Импульсная частота	65/50/30 кГц
Резание	320 Вт при 350 Ом
Биполярное резание	80 Вт при 500 Ом
Биполярная коагуляция	80 Вт при 100 Ом

Индуктотермия и УВЧ терапия. Индуктотермией называется прогрев тканей высокочастотным магнитным полем. При индуктотермии часть тела (обычно конечность) помещают в соленоид (несколько витков кабеля), по которому пропускают ток частотой 13,56 МГц (рис. 5.9).

При протекании ВЧ тока в соленоиде возникает магнитное поле, которое наводит вихревые токи в тканях. Они в свою очередь вызывают нагрев ткани в большом объеме. Наибольший нагрев испытывают жидкие среды (лимфа, кровь). Кабель наматывают на прокладку из мягкой материи (полотенце, простыня). Это делают для выравнивания напряженности магнитного поля по площади сечения объекта (постоянный шаг намотки кабеля, например на руку).

Рисунок 5.9 – Схема индуктотермии

В противном случае некоторые участки будут нагреваться сильнее и могут даже получить ожог. Кроме соленоида применяются и специальные индукторы, которые поставляются в комплекте.

Выясним, от каких параметров магнитного поля зависит тепло, выделяемое в тканях. Рассмотрим некоторое сечение S объекта условно круглой формы (рис. 5.10). Выделим в этом сечении тонкий контур радиуса r с единичным сечением.

Рисунок 5.10

Будем считать сопротивление контура чисто активным. Тогда тепловые потери, выделяющиеся в контуре, будут равны

, где Е_m – амплитуда ЭДС, наводимой в контуре, R – сопротивление контура. С учетом соотношений , - удельное сопротивление, получим

.

После интегрирования по всему объему объекта получим

, где g =1/ r.

Таким образом, тепло, выделяемое при индуктотермии, прямопропорционально квадрату частоты и напряженности магнитного поля. Мощность аппаратов для индуктотермии достаточно велика – 100 – 200 Вт.

Примером аппарата для индуктотермии может служить установка ИКВ-4. Этот аппарат выполнен на электронных лампах в 70-х годах прошлого века. Его средняя выходная мощность составляет 200 Вт. Структурная схема ИКВ-4 приведена на рис. 5.11.

Задающий генератор частотой 13,56 МГц стабилизирован кварцем. В усилителе мощности использованы генераторные пентоды ГУ-15 мощностью 1 кВт. Их анодное напряжение весьма большое (+1500 В). В буферном усилителе применены генераторные пентоды ГК-71.

Рисунок 5.11 – Структурная схема аппарата для индутотермии ИКВ-4

УВЧ терапия основана на прогреве тканей ВЧ электрическим полем за счет диэлектрических потерь в жидкостных средах тканей как электролитах. Электроды представляют собой открытые излучатели (пластины), прикладываемые к поверхности тела (рис. 5.12).

Рисунок 5.12 – Схема УВЧ терапии

Механизм лечебного действия следующий. В переменном электрическом поле происходит циклическое перемещение ионов, а также ориентация дипольных моментов диэлектриков. Как следствие часть энергии переходит в тепло. Количество теплоты, выделяющейся в единичном объеме за единицу времени, пропорционально не только частоте и напряженности электрического поля, но и диэлектрической проницаемости и тангенсу потерь биосреды.

При этом электрическое поле, действующее в большом объеме, создает электрические токи проводимости и смещения, которые и вызывают нагрев тканей. Количество тепла, образующееся в единице объема за единицу времени, определяется формулой

,

где g – активная проводимость, e_а –абсолютная диэлектрическая проницаемость e_а = e₀e, Е – напряженность электрического поля. Это выражение имеет максимум при ГГц.

В основном сейчас применяются старые аппараты для УВЧ терапии (70-х – 80-х годов прошлого века): УВЧ-66, УВЧ-350-2, «Экран-1». Все они – ламповые и работают на частоте 40,68 МГц. Аппарат УВЧ-66 имеет максимальную выходную мощность 70 ± 21 Вт, а УВЧ-350-2 и «Экран-1» – 350 Вт. На рис. 2.55 изображен упрощенный вид аппарата УВЧ-66.

Примером аппарата для УВЧ-терапии може быть УВЧ-66, который представляет собой генератор, собранный на мощных электронных лампах – триодах ГУ-48 – по двухтактной схеме. Металлические электроды (пластины) закрыты защитным пластиком и размещены на трехсуставных кронштейнах с шарнирами. Благодаря этому они имеют много степеней свободы. ВЧ напряжение подводится к электродам гибкими проводниками, которые штекерами вставляются в гнезда на боковой стенке.

Рис. 5.13 –Внешний вид УВЧ-66 и процедура с его применением.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРКТЕРИСТИКИ УВЧ-66 :
- Частота колебаний ВЧ, МГц 27,12+0,16
- Номинальная выходная мощность, Вт - 80
- Регулировка выходной мощности
- 3 ступени (дискретно):
- 1 = 20+-6 Вт
- 2 = 40+-12 Вт
- 3 = 70+-21 Вт
- Время установления рабочего режима - не более мин 3
- Время работы при максимальной мощности, час 6
- Номинальное напряжение, В 220
- Потребляемая мощность ВА 500
- Габаритные размеры, мм 610х350х330
- Масса, кг 25

Показания к применению УВЧ-терапии: острые воспалительные процессы, травмы спинного мозга и периферических нервов, радикулит, невралгия и др.

Аппараты УВЧ-350-2 и «Экран-1» имеют процедурные часы, которые отключают питание по истечении установленного времени процедуры.

На рис. 5.13 приведена схема генератора аппарата УВЧ-66.

Генератор собран на мощных электронных лампах – триодах ГУ-48 – по двухтактной схеме. Схема возбуждается за счет обратной связи через емкость анод-сетка. Напряжение ОС выделяется на индуктивностях L1, L2.

ВЧ колебания передаются на электроды через два согласующих трансформатора: первый образован индуктивностями L3, L4 и петлей коаксиального провода, второй – индуктивностями L5, L6 и L7. Помимо согласующих функций трансформаторы выполняют еще и защитные: анодное напряжение ламп весьма большое – около 1000 В.

Для устранения наводок ВЧ помех в сети и по эфиру применяется экранирование отдельных узлов, в анодной цепи установлен фильтр нижних частот, а в цепях накала – дроссели (индуктивности).

Для проверки работы аппаратов УВЧ терапии используется контур из провода, замкнутый на неоновую лампочку. При наличии ВЧ поля лампочка светится.

Тот факт, что электронные лампы до сих пор применяются в мощных электромедицинских аппаратах, говорит о том, что они конкурируют на больших мощностях с транзисторами. Хотя в настоящее время появляются аппараты на мощных полевых транзисторах с изолированным затвором. Имеются полевые транзисторы с мощностью 500 Вт и напряжением 400 – 1000 В.

Микроволновая или СВЧ терапия – это локальное воздействие направленным излучением, которое вызывает нагрев тканей в ограниченном объеме. Механизм воздействия таков. Энергия СВЧ-поля проникает через кожные покровы и поглощается тканями с большим содержанием воды (электролитов). Величина удельного теплообразования пропорциональна квадрату частоты электромагнитного поля и проводимости биосреды.

Электромагнитное излучение сантиметрового диапазона из-за сильного поглощения электромагнитной энергии водой проникает в мышечные ткани всего на 1,7 см. В жировых и костных тканях глубина проникновения значительно больше – 11,2 см. В среднем, в связи со сложным составом тканей, глубина проникновения составляет 3 – 5 см.

Рисунок 5.14 – Схема генератора аппарата УВЧ терапии УВЧ-66.

Сантиметровое электромагнитное излучение применяется с лечебными целями при многих патологических состояниях, главным образом при подострых и хронических заболеваниях, а также при дистрофических процессах.

Аппараты для СВЧ терапии обычно весьма просты, рис.5.14.

Рисунок 5.14 – Структурная схема аппаратов СВЧ-терапии.

Они имеют генератор ВЧ колебаний на магнетроне или транзисторах мощностью 5 – 20 Вт, блок питания, процедурные часы, излучатели. В качестве примера можно привести аппараты «Луч-2», «Луч-2М» и «Луч-3». Они работают на частоте 2,375 ГГц при максимальной мощности 20 Вт. Излучатели представляют собой цилиндрические волноводы, возбуждаемые излучением металлического штыря.

Рисунок 5.15 – Аппарат СВЧ-терапии, процедура с использованием аппарата и комплект излучатлей.

Выпускается более мощный аппарат «Луч-11». Он работает на частоте 2,45 ГГц при максимальной мощности 150 Вт. Генератор ВЧ колебаний выполнен на магнетроне М75. «Луч-11» снабжен большим количеством излучателей. Среди них три цилиндрической формы с диаметрами 9, 11, 14 см, один – прямоугольной формы размером 20,5´9,5 см и один облегающий для воздействия на выпуклые участки конечностей. Недостатком СВЧ терапии является опасность местного перегрева из-за возможности образования стоячих волн.

Применяется также аппаратура для дециметрововолновой терапии (ДМВ-терапия). Для аппаратов ДЦВ-терапии выделены следующие частоты: 460 МГц (Украина), 433 МГц (Европа) и 915 МГц (США). Выходная мощность, как правило, не превышает 100 Вт.

Электромагнитные волны дециметрового диапазона меньше поглощаются тканями и имеют бóльшую глубину проникновения (до 9 см). Кроме того, вследствие бóльшей длиной волны и сравнительно равномерного распределения энергии на границе двух тканей с различными диэлектрическими свойствами при этом методе не об­разуются стоячие волны и меньше опасность перегрева, чем при СВЧ-терапии.

Из аппаратов для ДМВ терапии можно назвать такие аппараты, как «Волна-2», ДМВ-20 «Ранет». Аппарат «Волна-2» является стационарным и имеет максимальную мощность 100 Вт, ДМВ-20 – переносной, максимальная мощность 20 Вт.

Дата добавления: 2014-01-05