Биофизическое действие высокочастотных

Физика.Лекция №2.

Биофизическое действие токов и полей на ткани организма

1.Биофизическое действие низкочастотных токов на электровозбудимые ткани:

В возбудимых тканях электрический ток низкой частоты (до 200 Гц)

сопровождается перемещением ионов в клетках, накоплением их на мембране и, как следствие, изменением на ней электрического потенциала, который может оказаться достаточным для возникновения специфического электрического импульса, называемого потенциалом действия.

Механизм возникновения начальной фазы действия.

В данном случае электрический ток оказывает раздражающее действие на биологическую ткань.

2.Электростимуляция:

Лечебный метод, использующий внешнее электрическое раздражение органов и тканей с помощью электрических импульсов с различными параметрами, называется электростимуляцией.
Электрический импульс представляет электрический ток, изменяющийся в течение некоторого конечного промежутка времени,

Параметры электрического импульса:

амплитуда импульса - ,

длительность импульса - ,
длительность паузы - ,
период следования импульсов Т = + ,

скважность импульсного тока Q = ,
крутизна фронта tg =

Закон Дюбуа-Реймона

Пороговая сила тока - это минимальная сила тока, вызывающая ответную реакцию электровозбудимой ткани, например, сокращение мышечной ткани. Чем быстрее нарастает ток (больше крутизна фронта импульса tg = ), тем меньше времени проходит до возбуждения

< и меньше пороговая сила тока <

Раздражающее действие РД - это уровень возбуждения живой ткани
электрическим током. Согласно закону Дюбуа-Реймона (1848) раздражающее действие электрического тока пропорционально скорости его нарастания:

При медленном нарастании тока через электровозбудимую ткань (случай < , ответной реакции не возникает, так как ткань привыкает к его действию. Это явление получило название аккомодации.

4.Закон Вейса-Лапика:

Минимальное количества электричества (электрический заряд), необходимое для возникновения потенциала действия:

Согласно закону Вейса-Лапика (1908) пороговая сила прямоугольного импульсного тока при его практически мгновенном возрастании обратно пропорциональна его длительности:

+ R

где - длительность прямоугольного импульса,

и R - постоянные величины.

Постоянная R называется реобазой.

Длительность импульса, при которой пороговый ток равен удвоенной реобазе, называется хронаксией .

B клеточной мембране постоянно функционирует система активного транспорта, поддерживающая постоянство градиентов концентраций ионов на мембране, например, Na-K-АТФаза.

Если - часть заряда, вынесенную из клетки активным транспортом. Тогда общее количество заряда q, которое необходимо доставить к мембране для увеличения ее потенциала до критического уровня, равно:

здесь - количество подводимого заряда, без учета работы активного транспорта.

Закон Вебера

По закону Вебера для электровозбудимой ткани раздражающее действие РД импульсного тока пропорционально логарифму его амплитуды:

6. ЗАКОН ВВЕДЕНСКОГО:

Способность разных возбудимых тканей воспроизводить электрические
импульсы с неодинаковой частотой называется лабильностью.
Показатель лабильности возбудимой ткани - это максимальное число
электрических импульсов, которое способна воспроизводить возбудимая ткань в1 с.
Согласно закону Введенского, существует диапазон частот импульсных токов,
которые вызывают оптимальную реакцию данной ткани. Ткань будет
оптимально реагировать на раздражение только, если частота следования
раздражающих импульсов не превышает показателя лабильности .

7. ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ РАЗДРАЖАЮЩЕГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА:

Для стимуляции здоровых мышц с нарушенной иннервацией используется т.н. тетанизирующий ток в виде импульсов треугольной формы. Для стимуляции сокращения пораженных мышц используются импульсы, в которых возрастание и убывание тока происходит по экспоненциальному закону. Для восстановления нервных волокон применяются импульсные токи прямоугольной формы.

8. ДЕЙСТВИЕ ГАРМОНИЧЕСКОГО НИЗКОЧАСТОТНОГО ТОКА НА ОРГАНИЗМ:

а) Порогом ощутимого тока называют наименьшую силу тока, раздражающее действие которого ощущает человек (кривая 1). В норме у мужчин порог ощутимого тока промышленной частоты 50 Гц равен 1 мА;

б) При некоторых величинах тока человек уже не может, например, разогнуть руку, если раздражается мышца, сгибающая руку. Минимальная сила тока, раздражающее действие которого человек не может преодолеть, называется порогом неотпускающего тока (кривая 2). В норме эта величина 50 мА при частоте 50 Гц. Превышение этого порога вызывает электротравму.

БИОФИЗИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ

ТОКОВ И ПОЛЕЙ НА ТКАНИ ОРГАНИЗМА:

Переменный ток очень высокой частоты (более 500 кГц) не вызывает

заметного раздражающего действия, Т.К. в этом случае смещение ионов в

тканях организма слишком мало, и они не успевают достаточно накопиться на клеточной мембране, чтобы изменить ее потенциал до критического уровня, необходимого для развития потенциала действия.

Энергия упорядоченного движения ионов превращается в тепло, и,

следовательно, основным эффектом, сопровождающим прохождение

высокочастотных токов в тканях организма, является их нагревание.

10. РАДИОЧАСТОТНАЯ ХИРУРГИЯ:

Радиочастотная хирургия - это метод использования высокочастотного тока при хирургических вмешательствах для рассечения тканей. Применяемые в данном методе токи имеют частоту около 1 МГц и амплитуду 10 мА/ . Один из электродов имеет большую площадь поверхности и является пассивным, другой «точечный», активный и представляет собой скальпель. Под активным электродом выделяется так много тепла, что ткань коагулирует и разрушается.

Среднее за период значение мощности тока, расходуемой на нагревание ткани:

где - мгновенное значение мощности тока силой I, выделяющейся на участке проводящей ткани сопротивлением R.

Если - эффективное значение силы тока, тогда

- эффективное значение плотности тока;

- сопротивление участка ткани.

где V=Sl - объем участка ткани, на котором происходит выделение тепла.

Удельная тепловая мощность - количество теплоты, выделяющееся за единицу времени в единице объема проводящей среды:

Максимальное количество теплоты будет выделяться в тканях, обладающих наибольшим сопротивлением.

11. ИНДУКТОТЕРМИЯ:

Индуктотермия – физиотерапевтический метод, использующий высокочастотное магнитное поле для целей прогревания. В методе индуктотермии электрод имеет форму катушки, по которой пропускают Высокочастотный электрический ток, вследствие чего в окружающем пространстве возникает высокочастотное
магнитное поле.
Для индуктотермии применяют переменное магнитное поле частотой 10-15 МГц. В соответствии с законом электромагнитной индукции под действием переменного магнитного поля в проводящих тканях организма возникают вихревые токи, нагревающие облучаемые ткани (пунктирные линии на рис.).

Введем - эффективное значение магнитной индукции, тогда на основе закона электромагнитной индукции можно получить следующую формулу для оценки удельной тепловой мощности тока в методе индуктотермии:

где - удельное сопротивление участка ткани.

Сильнее будут нагреваться ткани с малым сопротивлением, в которых много кровеносных сосудов, как, например, мышцы, легкие и др.

12. УВЧ-ТЕРАПИЯ:

Ультравысокочастотная (УВЧ) терапия - метод, использующий

высокочастотное электрическое поле для целей прогревания.

В данном методе электроды имеют форму пластин, которые не касаются

поверхности тела пациента. Используемая при этом частота колебаний

электрического поля составляет 40-50 МГц.

а) Высокочастотное электрическое поле в проводящих тканях вызывает появление в них токов проводимости. В этом случае среднее значение удельной тепловой мощности тока определяется из выражения:

где - эффективное значение плотности тока, - эффективное значение напряженности электрического поля, связанное с ее амплитудным значением соотношением , - удельное сопротивление. Формула для ее удельной тепловой мощности тока в проводящей ткани выглядит следующим образом:

б) В непроводящей ткани под действием высокочастотного электрического

поля происходит периодическое смещение связанных разноименных

электрических зарядов, входящих в состав молекул вещества ткани. Данное явление называют поляризацией вещества электрическом поле.

Периодическая поляризация биологической ткани вызывает ее нагревание

(энергия колебательного движения зарядов превращается в тепло).

в качестве электрической схемы, отвечающей поведению живой ткани в

переменном электрическом поле, возьмем цепь из параллельно подключенных конденсатора емкостью С и резистора сопротивлением R.

Для удельной тепловой мощности в этом случае получаем следующую формулу:

где - частота колебаний напряженности электрического поля, -

диэлектрическая проницаемость вещества ткани, - электрическая

постоянная, - разность фаз колебаний полного тока в цепи и тока в

конденсаторе.

Величину tg -называют тангенсом угла диэлектрических потерь, под

которым понимают тангенс фазового сдвига между изменениями направления внешнего электрического поля и поворотами полярных молекул в среде, на которые действует поле. Она отражает запаздывание механического процесса вращения диполей относительно колебаний внешнего электрического поля и, следовательно, характеризует инерционность среды.

13. МВ-ТЕРАПИЯ:
Микроволновая (MB) терапия -метод, применяемый ДЛЯ прогревания тканей электромагнитными волнами сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона ( — МГц).
В данном методе ткани организма попадают в зону сформировавшейся электромагнитной волны, источником которой служит волновод- излучатель. Тепловой эффект создается за счет процессов поляризации биоткани.

Под действием колеблющегося электрического поля в электромагнитной волне небольшие полярные молекулы, прежде всего молекулы воды, совершают вращательно-колебательные движения. Поэтому именно водные среды организма (мышцы, внутренние органы) поглощают энергию электромагнитных волн СВЧ диапазона в наибольшей степени.

Согласно закону поглощения электромагнитного излучения можно записать:

где - изменение интенсивности излучения в слое толщиной , І –
интенсивность излучения, падающего на слой, - показатель поглощения
вещества, зависящий от диэлектрической проницаемости среды , удельного сопротивления и частоты излучения . Учитывая, что средняя удельная тепловая мощность связана с убылью интенсивности соотношением , окончательно получаем
,
где I – интенсивность излучения, падающего на слой.
СВЧ излучение может быть опасно для организма. При работе с источниками СВЧ излучения интенсивность воздействия на человека должна быть