Использование высокочастотных токов в медицине

Прогревание тканей высокочастотными токами используют в следующих физиотерапевтических процедурах.

Диатермия - метод электролечения, заключающийся в местном воздействии на организм переменным током высокой частоты и большой силы, приводящем к повышению температуры тканей.

При диатермии применяют ток частоты 1-2 МГц и силы 1-1,5 А. Свинцовые электроды накладывают на тело пациента так, чтобы прогреваемый участок находился между ними. Величина напряжения 100-150 В. Плотность тока определяется площадью электродов и общим сопротивлением ткани между ними. Сильнее нагреваются ткани с большим удельным сопротивлением (кожа, жир, мышцы). Меньше нагреваются органы, богатые кровью или лимфой (легкие, печень, лимфоузлы).

Недостаток диатермии - непродуктивное выделение теплоты в слое кожи и подкожной клетчатке.

Местная дарсонвализация - метод электролечения, заключающийся в местном воздействии на организм слабым импульсным током высокой частоты и высокого напряжения.

При дарсонвализации применяют ток частотой 100-400 кГц и напряжением в десятки кВ. При этом к телу пациента прикладывается только один стеклянный электрод, заполненный графитом (рис. 17.2).

Рис. 17.2. Дарсонвализация лица (а), десен (б)

Графит, стекло и поверхность тела, к которой приложен электрод, образуют конденсатор С₁ (рис. 17.3). Второй электрод находится внутри корпуса прибора. Этот электрод, тело пациента и находящийся между ними слой воздуха образуют конденсатор С₂. Электрическая схема подключения показана на рис. 17.3. Она включает два конденсатора и резистор R, изображающий сопротивление прогреваемого участка.

Рис. 17.3. Электрическая схема дарсонвализации

При частоте 100-400 кГц импеданс цепи обеспечивает силу тока в цепи I = 10-15 мА. В воздушном промежутке между электродом Э и поверхностью тела возникает электрический разряд, который

стимулирует в коже положительные для нее физиологические процессы и вызывает деструкцию оболочек микроорганизмов.

Токи высокой частоты используются и в хирургических целях.

Диатермокоагуляция - прижигание, «сваривание» ткани. При этом применяется ток плотностью 6-10 мА/мм², в результате чего температура ткани повышается и ткань коагулирует.

Диатермотомия - рассечение тканей при помощи электрода в форме лезвия, который дает узкий ровный разрез без капиллярного кровотечения. При этом плотность тока составляет 40 мА/мм².

Электрохирургическое воздействие сопровождается меньшими кровопотерями.

БИЛЕТ№28
1) Некоторые специальные разновидности механических волн. Ударная волна, поверхностные волны, автоволны. Эффект Доплера и его использование в медицине.

1. Ударные волны. При распространении звуковых волн скорость колебания частиц не превышает нескольких см/с, т.е. она в сотни раз меньше скорости волны. При сильных возмущениях (взрыв, движение тел со сверхзвуковой скоростью, мощный электрических разряд) скорость колеблющихся частиц среды может стать сравнимой со скоростью звука. При этом возникает эффект, называемый ударной волной.

При взрыве нагретые до высоких температур продукты, обладающие большой плотностью, расширяются и сжимают тонкий слой окружающего воздуха.

Ударная волна - распространяющаяся со сверхзвуковой скоростью тонкая переходная область, в которой происходит скачкообразное возрастание давления, плотности и скорости движения вещества.

Ударная волна может обладать значительной энергией. Так, при ядерном взрыве на образование ударной волны в окружающей среде затрачивается около 50 % всей энергии взрыва. Ударная волна, достигая объектов, способна вызвать разрушения.

2. Поверхностные волны. Наряду с объемными волнами в сплошных средах при наличии протяженных границ могут существовать волны, локализованные вблизи границ, которые играют роль волноводов. Таковы, в частности, поверхностные волны в жидкости и упругой среде, открытые английским физиком В. Стреттом (лордом Релеем) в 90-х годах 19 века. В идеальном случае волны Релея распространяются вдоль границы полупространства, экспоненциально затухая в поперечном направлении. В результате поверхностные волны локализуют энергию возмущений, созданных на поверхности, в сравнительно узком приповерхностном слое.

Поверхностные волны - волны, которые распространяются вдоль свободной поверхности тела или вдоль границы тела с другими средами и быстро затухают при удалении от границы.

Примером таких волн могут служить волны в земной коре (сейсмические волны). Глубина проникновения поверхностных волн составляет несколько длин волн. На глубине, равной длине волны λ, объемная плотность энергии волны составляет приблизительно 0,05 ее объемной плотности на поверхности. Амплитуда смещения быстро убывает при удалении от поверхности и на глубине нескольких длин волн практически исчезает.

3. Волны возбуждения в активных средах.

Активно возбудимая, или активная, среда - непрерывная среда, состоящая из большого числа элементов, каждый из которых обладает запасом энергии.

При этом каждый элемент может находиться в одном из трех состояний: 1 - возбуждение, 2 - рефрактерность (невозбудимость в течение определенного времени после возбуждения), 3 - покой. В возбуждение могут перейти элементы только из состояния покоя. Волны возбуждения в активных средах называют автоволнами. Автоволны - это самоподдерживающиеся волны в активной среде, сохраняющие свои характеристики постоянными за счет распределенных в среде источников энергии.

Характеристики автоволны - период, длина волны, скорость распространения, амплитуда и форма - в установившемся режиме зависят только от локальных свойств среды и не зависят от начальных условий. В табл. 2.2 представлено сходство и различие автоволн и обычных механических волн.

Автоволны можно сопоставить с распространением пожара в степи. Пламя распространяется по области с распределенными запасами энергии (по сухой траве). Каждый последующий элемент (сухая травинка) зажигается от предыдущего. И таким образом распространяется фронт волны возбуждения (пламя) по активной среде (сухой траве). При встрече двух очагов пожара пламя исчезает, так как исчерпаны запасы энергии - вся трава выгорела.

Описание процессов распространения автоволн в активных средах используется при изучении распространения потенциалов действия по нервным и мышечным волокнам.

Уда́рная волна́ — поверхность разрыва, которая движется внутри среды, при этом давление, плотность, температура и скорость испытывают скачок
Пове́рхностные акусти́ческие во́лны (ПАВ) — упругие волны, распространяющиеся вдоль поверхности твёрдого тела или вдоль границы с другими средами
Автоволны (англ. autowaves ^{[прим. 1]}) — это самоподдерживающиеся нелинейные волны в активных средах (т.е. содержащих распределённые источники энергии).
Эффект Доплера состоит в изменении частоты колебаний, воспринимаемой наблюдателем, вследствие относительного движения источника колебаний и наблюдателя.

Эффект наблюдается в акустике и оптике.

Получим формулу, описывающую эффект Доплера, для случая, когда источник и приемник волны движутся относительно среды вдоль одной прямой со скоростями v_И и v_П соответственно. Источник совершает гармонические колебания с частотой ν₀ относительно своего равновесного положения. Волна, созданная этими колебаниями, распространяется в среде со скоростью v. Выясним, какую частоту колебаний зафиксирует в этом случае приемник.

Возмущения, создаваемые колебаниями источника, распространяются в среде и достигают приемника. Рассмотрим одно полное колебание источника, которое начинается в момент времени t₁ = 0

и заканчивается в момент t₂ = T₀ (T₀ - период колебаний источника). Возмущения среды, созданные в эти моменты времени, достигают приемника в моменты t'₁ и t'₂ соответственно. При этом приемник фиксирует колебания с периодом и частотой:

Найдем моменты t'₁ и t'₂для случая, когда источник и приемник движутся навстречу друг другу, а начальное расстояние между ними равно S. В момент t₂ = T₀ это расстояние станет равным S - (v_И + v_П)T₀, (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Взаимное расположение источника и приемника в моменты t₁ и t₂

Эта формула справедлива для случая, когда скорости v_и и v_п направлены навстречу друг другу. В общем случае при движении

источника и приемника вдоль одной прямой формула для эффекта Доплера принимает вид

Для источника скорость v_И берется со знаком «+», если он движется в направлении приемника, и со знаком «-» в противном случае. Для приемника - аналогично (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Выбор знаков для скоростей источника и приемника волн

Рассмотрим один частный случай использования эффекта Доплера в медицине. Пусть генератор ультразвука совмещен с приемником в виде некоторой технической системы, которая неподвижна относительно среды. Генератор излучает ультразвук, имеющий частоту ν₀, который распространяется в среде со скоростью v. Навстречу системе со скоростью v_тдвижется некоторое тело. Сначала система выполняет роль источника (v_И = 0), а тело - роль приемника (v_Tl = v_Т). Затем волна отражается от объекта и фиксируется неподвижным приемным устройством. В этом случае v_И = v_Т, а v_п = 0.

Применив формулу (2.7) дважды, получим формулу для частоты, фиксируемой системой после отражения испущенного сигнала:

При приближении объекта к датчику частота отраженного сигнала увеличивается, а при удалении - уменьшается.

Измерив доплеровский сдвиг частоты, из формулы (2.8) можно найти скорость движения отражающего тела:

Знак «+» соответствует движению тела навстречу излучателю.

Эффект Доплера используется для определения скорости кровотока, скорости движения клапанов и стенок сердца (доплеровская эхокардиография) и других органов. Схема соответствующей установки для измерения скорости крови показана на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Схема установки для измерения скорости крови: 1 - источник ультразвука, 2 - приемник ультразвука

Установка состоит из двух пьезокристаллов, один из которых служит для генерации ультразвуковых колебаний (обратный пьезоэффект), а второй - для приема ультразвука (прямой пьезоэффект), рассеянного кровью.

Пример. Определить скорость кровотока в артерии, если при встречном отражении ультразвука (ν₀ = 100 кГц = 100 000 Гц, v = 1500 м/с) от эритроцитов возникает доплеровский сдвиг частоты ν_Д = 40 Гц.

Решение. По формуле (2.9) найдем:

v₀ = v_Дv /2 v₀ = 40 x 1500/(2 x 100 000) = 0,3 м/с.

2) Действие постоянного тока. Действие переменного тока (НЧ, ЗЧ, УЗЧ). Пороговые значения.

Впервые закономерности действия постоянного тока на нерв нервно-мышечного препарата исследовал в 19 веке Пфлюгер. Он установил, что при замыкании цепи постоянного тока, под отрицательным электродом, т.е. катодом возбудимость повышается, а под положительным – анодом снижается. Это называется законом действия постоянного тока. Изменение возбудимости ткани (например, нерва) под действием постоянного тока в области анода или катода называется физиологическим электротоном.

В настоящее время установлено, что под действием отрицательного электрода – катода потенциал мембраны клеток снижается. Это явление называется физическим катэлектротоном. Под положительным – анодом, он возрастает. Возникает физический анэлектртон. Так как, под катодом мембранный потенциал приближается к критическому уровню деполяризации, возбудимость клеток и тканей повышается. Под анодом мембранный потенциал возрастает и удаляется от критического уровня деполяризации, поэтому возбудимость клетки, ткани падает. Следует отметить, что при очень кратковременном действии постоянного тока (1 мс и менее) МП не успевает измениться, поэтому не изменяется и возбудимость ткани под электродами.

Постоянный ток широко используется в клинике для лечения и диагностики. Например, с помощью него производится электростимуляция нервов и мышц, физиопроцедуры: ионофорез и гальванизация.

Переме́нный ток (англ. alternating current) — электрический ток, который с течением времени изменяется по величине и направлению или, в частном случае, изменяется по величине, сохраняя своё направление в электрической цепи неизменным.
Пороговые значения силы тока. Предельный ток. Для переменного тока частотой 50 Гц установлены пороги: Ощутимый ток (1 - 3 мА). Неотпускающий ток (10 - 15 мА). Ток, вызывающий паралич дыхательных мышц (60 - 80мА). Фибрилляционный (смертельный) ток (100 мА при t > 0,5 c). Безопасная для человека сила тока составляет 0,3 мА. Предельная сила тока при времени воздействия 1 секунда составляет 50 мА, а при времени 3 с. - 6 мА.
БИЛЕТ№29
1) Энергетические характеристики механической волны. Объемная плотность энергии, поток энергии, интенсивность механической волны.

Упругая волна в процессе своего распространения вовлекает все новые и новые частицы в колебательное движение, то есть сообщает им энергию, необходимую для колебаний. Таким образом, волна переносит энергию. Эта энергия передается от одних частиц к другим со скоростью распространения волны.

Будем называть плотностью энергии w - энергию колеблющихся частиц в единице объема среды. Выберем прямоугольную площадку S, перпендикулярную направлению распространения волны и построим на ней параллепипед с длиной ребра, численно равной скорости v распространения волны (рис. 1.6).

Рис. 1.6

Волна, вошедшая в этот параллепипед через основание, пройдет его за одну секунду и сообщит всем частицам его объема Sv энергию, равную w Sv. Энергию Ф, переносимую волной в единицу времени через площадку, перпендикулярную направлению распространения волны, называют потоком энергии.

Ф = w Sv (1.31)

Поток энергии - скалярная величина (измеряется в ваттах). Поток энергии в различных точках среды может иметь разную величину. Для локальной характеристики переноса энергии вводится векторная величина j - плотность потока энергии, численно равная энергии переносимой волной в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения волны. Из определения следует, что

j = Ф/S = w v

В векторной форме

j = w v (1.32)

Вектор j плотности потока энергии упругой волны называют также вектором Умова. Среднее по времени значение j _ср плотности потока энергии называют интенсивностью I волны.

I = j _ср (1.33)

Выразим энергетические характеристики волны через рассмотренные ранее параметры - амплитуду и частоту. Для этого воспользуемся полученным ранее выражением для энергии механических колебаний (см. раздел "Свободные колебания" курса лекций "Физические основы механики"). Полная механическая энергия Е частицы массой m, колеблющейся с амплитудой А и частотой , равна

E = mA ²  ² /2 (1.34)

Рассмотрим единичный объем среды. Масса этого единичного объема равна плотности среды . Тогда плотность энергии w, то есть полная механическая энергия колебаний частиц единичного объема среды согласно (1.34) составит

w =  A ²  ² /2 (1.35)

Подставив полученную плотность энергии в (1.32) и учтя (1.33), получим для интенсивности I упругой волны выражение

I =  A ²  ² v/2 (1.36)

В процессе распространения волны в среде происходит частичное поглощение энергии. Энергия механических колебаний благодаря наличию сил трения превращается в тепло, вследствие этого интенсивность волны уменьшается. Обычно поглощаемая энергия пропорциональна интенсивности волны. Используя это условие, можно получить следующее выражение, характеризующее убывание интенсивности плоской волны вдоль направления ее распространения (вдоль оси х):

I = I ₀ e ^{- }^x (1.37)

где  - коэффициент затухания, характеризующий поглощающие свойства среды, I ₀ - начальная интенсивность в точке х = 0.

Рассмотрим теперь энергетические характеристики электромагнитных волн. Электромагнитная волна представляет собой процесс совместного распространения в пространстве электрического и магнитного полей. Каждое из этих полей обладает энергией. Следовательно, в пространстве, по которому проходит электромагнитная волна, распределена энергия. Плотность этой энергии, то есть энергия w, заключенная в единице объема, является суммой плотностей энергии электрического и магнитного полей. Напомним выражения для плотности w _E энергии электрического поля и плотности w _H энергии магнитного поля (см. разделы "Энергия электрического поля" и "Энергия магнитного поля" курса лекций "Электричество и магнетизм").

w _Е =  ₀  Е ² /2

w _H =  ₀  H ² /2

Суммарная плотность w энергии электромагнитного поля, таким образом, равна

w =  ₀  Е ² /2 +  ₀  H ² /2 (1.38)

Если учесть связь (1.25) между величинами Е и Н в электромагнитной волне, то плотность энергии w можно выразить либо через Е ², либо через Н ², либо через произведение ЕН

w =  ₀  Е ² =  ₀  H ² = = (1.39)

Плотность потока энергии электромагнитной волны обозначают буквой S. По аналогии с плотностью потока упругой волны (формула (1.32)), S выражается через плотность энергии

S = w v (1.40)

С учетом (1.39) модуль вектора S равен

S = EH (1.41) Вектор S называют вектором Пойнтинга. Он направлен в сторону распространения электромагнитной волны. Величина вектора Пойнтинга периодически меняется во времени, так как величины Е и Н являются периодическими функциями времени. На практике важной величиной является среднее по времени значение модуля вектора Пойнтинга, называемое интенсивностью I волны.

I = S _ср = w _ср v = (1.42)

Электромагнитные волны могут распространяться в вакууме. В этом случае суммарная энергия электромагнитной волны не изменяется, так как отсутствует поглощающая среда. При распространении в среде, обладающей проводимостью, электрическое поле волны передает свою энергию зарядам среды, приводя их в движение, то есть, возбуждая токи. В результате энергия волны расходуется на джоулево тепло. Электромагнитная волна может также взаимодействовать с атомами и молекулами вещества, передавая им свою энергию. Описанные процессы рассеяния энергии электромагнитной волны приводят к ее ослаблению при распространении в среде. Для плоской электромагнитной волны при невысоких интенсивностях поглощение происходит по закону, описываемому формулой (1.37).

2) Действие высокочастотного тока
Высокочастотные токи не опасны и даже применяются с лечебной целью.
В основе методов высокочастотной электротерапии лежит воздействие на организм переменных токов, электрических, магнитных и электромаг- нитных полей высокой, ультравысокой и сверхвысокой частоты. Все мето- ды высокочастотной электротерапии обладают общими признаками, что позволяет отнести их к одному разделу физиотерапии.

Во-первых, основным действующим фактором всех методов высоко- частотной терапии считается переменный ток, который либо непосредст- венно подводится к телу пациента, либо возникает в тканях и средах орга- низма под влиянием переменных высокочастотных полей.

Во-вторых, общим является способ получения действующего фактора.

С этой целью в аппаратах используется колебательный контур.

В-третьих, во многом сходен и механизм действия этих факторов на организм. В основе физиологического и лечебного действия высокочас- тотных электрических колебаний лежит их взаимодействие с электрически заряженными частицами тканей. Оно сопровождается неспецифическим (тепловым) и специфическим (осцилляторным) эффектами.

Билет №30

1. Механические волны, частота волны. Продольные и поперечные волны. Волновой фронт. Скорость и длина волны. Уравнение плоской волны.

2. Действие магнитных полей. Действие постоянного электрического поля. Действие переменного электрического поля (УВЧ). Действие электромагнитных волн (СВЧ).