10

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА phter1_w. doc

Работа с физиотерапевтической аппаратурой

Цель работы:Изучить физические основы взаимодействия электромагнитного поля с биологическими тканями и приобрести навык работы на некоторых физиотерапевтических аппаратах.

Вопросы для подготовки к лабораторной работе

1. Классификация физиотерапевтической электронной медицинской аппаратуры.

2. Тепловой эффект, вызванный токами проводимости и индукционными токами. Диатермия. Индуктотермия.

3. Понятие о токах смещения. Механизм прогрева злектролитов и диэлектриков. Понятие о диэлектрических потерях.

4. Упрощенная схема УВЧ-аппарата (устройство, назначение основных блоков, рабочий процесс аппарата).

5. Дарсонвализация (физическая сущность метода, природа лечебного фактора, упрощенная схема аппарата для местной дарсонвализации, рабочий процесс).

6. Специфическое действие электромагнитного поля на биологические ткани.

Литература

1. Ливенцев Н.П., Курс физики, 1974 г., параграфы 107,108.

2. Ливенцев Н.П., Курс физики, часть 2, 1978 г., параграфы 151-153.

3. Ремизов А.Н., Курс физики, электроники и кибернетики для медицинских институтов, 1982 г., гл.24, (параграф 7), гл. 39, (параграф 3).

4. Ремизов А.Н., Медицинская и биологическая физика, 1987 г.,

гл.18 (параграф 9), гл.20, 23.

Дополнительные теоретические сведения

I. Работа с увч - аппаратом.

УВЧ-терапия - метод лечебного воздействия на ткани организма электрическим полем ультравысокой частоты (от 30 до 300 МГц).

Лечебный фактор. При УВЧ-терапии биологические ткани находятся в электрическом поле конденсатора, образованного пластинами электродов. На эти электроды подается высокочастотное ( f = 40.68 МГц) напряжение величиной в несколько сотен вольт. Для предотвращения электрического контакта пациента с электродами (и, следовательно, возникновения УВЧ-токов проводимости, нагревающих в основном поверхностные ткани с высоким удельным сопротивлением) электроды покрыты изолирующим слоем диэлектрика. Следовательно, в этом случае основным действующим фактором является ток смещения, возникающий в биологических тканях под влиянием изменяющейся напряженности электрического поля Е: j_см=e_о×e×dE/dt.

Механизм прогрева тканей. Ток смещения в постоянном электрическом поле равен нулю, с увеличением частоты колебаний (и, следовательно, скорости изменения Е ) он возрастает. Его величина существенно зависит от типов зарядов, находящихся в электрическом поле (ионов, диполей, мультиполей и т.п.), и особенностей их поведения в переменном электрическом поле.

Прогрев электролита. В переменном электрическом поле напряженностью Е ионы электролитов перемещаются в направлении действия кулоновской силы F = q×E. Учитывая характер изменения силы (Е меняется по гармоническому закону), можно предположить, что ион совершает колебательно-поступательное движение относительно положения равновесия (см. рис. 1). Кинетическая энергия W_к колеблющейся системы - (ион + гидратная оболочка) зависит от частоты и амплитуды колебаний ( W_к ~ w²×А² ). Величина амплитуды колебания А зависит от Е, w, массы системы и вязкости среды (амплитуда уменьшается при росте частоты и при увеличении вязкости электролита). Считая, что кинетическая энергия единицы объема вещества равна сумме кинетических энергий всех частиц объема, можно оценить количество тепла, выделяющегося в единице объема за единицу времени, по формуле:

q ~ n×A²(w)×w² = k(w)×w²×n×E² ,

где n - концентрация ионов, k(w) - коэффициент пропорциональности. Из этой формулы видно, что результирующий эффект нагрева зависит от частоты сложным образом - при увеличении w, c одной стороны, растет q пропорционально квадрату частоты w², а, с другой стороны, с ростом частоты уменьшается амплитуда колебаний и, следовательно, кинетическая энергия. Качественный анализ показывает, что W_к принимает максимальное значение ( см. рис. 1-Б ) в некоторой области частот [w_о ± Dw].

Рис.1 Силы, действующие на ион и диполь (А), тепловой эффект (Б)

Прогрев диэлектрика (полагаем, что молекулы диэлектрика обладают собственным дипольным моментом p = q×l ).

Полярные молекулы (молекулы воды, белков, гликолипидов и т.д.) в переменном электрическом поле под действием момента сил М =p×Е совершают колебательно-вращательное движение относительно оси, проходящей через центр массы молекул (см.рис. 1-А).

Кинетическая энергия системы в этом случае может быть оценена по частоте вращения, моменту инерции молекулы (точный расчет достаточно сложен, т.к. необходимо учитывать межмолекулярные силы взаимодействия). Приближенно количество тепла, выделяющегося в полярном диэлектрике, можно оценить по токам смещения, представляющих собой колебательно-вращательное движение диполей:

q = E×j_см = k(w)×w×e_о×e×E²

где k - коэффициент пропорциональности.

Для диэлектрика, находящегося в однородном поле конденсатора, величина q определяется по формуле:

q = k(w)×w×tgd×E²

где tgd - тангенс угла диэлектрических потерь, характеризующий отставание по фазе колебания ( угол d ) вектора дипольного момента P от колебания вектора Е. Следовательно, прогрев диэлектрика будет зависеть от амплитуды напряженности Е , диэлектрических свойств среды и частоты. Количественно прогрев диэлектрика в зависимости от частоты описывается кривой, подобной приведенной на рис. 1, но максимум сдвинут в область более высоких частот.

Количество выделенного тепла в отдельных структурах, участках ткани будет зависеть от соотношения объемов занимаемых электролитами или дипольными диэлектриками.

Кроме теплового воздействия, электрическое УВЧ поле оказывает высокоэффективное специфическое действие на биологические ткани (изменение ряда биохимических процессов в клетке за счет осцилляторного и колебательно-вращательного действия на молекулярные структуры, что приводит к уменьшению активационных барьеров субстратов, конформации белковых структур и т.п., что в конечном итоге сказывается на изменении скоростей метаболических реакций и на функциях клеточных структур и органов в целом).

Аппарат для УВЧ-терапии. Упрощенная схема аппарата представлена на рис. 2. Основные части аппарата: ламповый генератор с контуром L_к,C_к, настроенном на частоту f = 40.68 МГц, контур обратной связи L_ос для управления работой ламп. Мощность электрических колебаний регулируется напряжением на аноде ламп (переключатель П - "мощность" в блоке питания БП изменяет напряжение на выходе блока). При увеличении анодного напряжения изменяется амплитуда колебаний напряжения в контуре генератора.

Электромагнитные колебания через промежуточный контур ПК передаются посредством индуктивной связи в контур пациента (L,C+C_э). Такая связь обеспечивает безопасность пациента по отношению к низкочастотному напряжению в цепях генератора УВЧ.

Рис.2. Упрощенная схема УВЧ-аппарата

Контур пациента (ПК) состоит из индуктивности L и переменной емкости С (ручка "настройка"). В емкость контура пациента входит и переменная межэлектродная емкость С_э . Снятие максимальной мощности с контура генератора достигается при выполнении условий резонанса, т.е.:

L_k×C_k = L×(C + C_э).

Емкость терапевтического контура или контура пациента (КП) изменяется при каждой процедуре (в поле конденсатора вводятся различные части тела пациента). Изменяя величину С, можно постоянно поддерживать условие резонанса, при котором происходит максимальная передача электромагнитной энергии контура тканям пациента и, следовательно, максимальный нагрев тканей.

Степень настройки терапевтического контура в резонанс с колебательным контуром генератора определяется по яркости лампочки или отклонению стрелки индикатора на панели прибора.

Ручки управления мощностью (П-"мощность"), настройки (С-"настройка"), а также компенсатора падения напряжения сети питания прибора ("сеть" - изменение позиции переключателя компенсатора меняет число витков в силовом трансформаторе и, следовательно, напряжение на выходе блока питания) вынесены на переднюю панель прибора.

Рис.3 Лицевая панель УВЧ-аппарата

Порядок выполнения работы

Задание 1.Изучить устройство аппарата УВЧ-66 и подготовить его к работе.

Внешний вид лицевой панели аппарата приведен на рисунке 3 :

1- включатель электрической сети и регулятор входного напряжения,

2- кнопка индикации величины входного напряжения,

3- регулятор мощности УВЧ-излучения,

4 - регулятор настройки контура пациента,

5 - индикатор настройки с красным сектором для регулировки входного напряжения.Включить в сеть аппарат, нажать кнопку индикации и регулятором входного напряжения установить стрелку индикатора в центр красного сектора аппарата.Прогрейте аппарат в течение 3 - 5 минут. Установите мощность 70 Вт. Предварительно настройте аппарат по максимальному отклонению стрелки, проверяя настройку яркостью разряда неоновой лампочки.

Задание 2. Исследование изменения температуры прогрева дистиллированной воды и раствора электролита.

Поместите между электродами аппарата сосуды с дистиллированной водой и раствором поваренной соли.

Настройте аппарат по максимальному отклонению стрелки.

Через каждые 5 минут измеряйте температуру воды и раствора.

Данные занесите в таблицу. Постройте график по данным таблицы.

время, мин	0	5	10	15	20	25	30
Т°С , дист. вода
Т°С , раствор NaCl

Примечание: внимательно следите за положением стрелки индикатора в процессе прогрева, т.к. настройка контура нарушается при случайном изменении межэлектродной емкости, и требуется постоянная корректировка настройки.

Оформление работы. Протокол должен содержать: а) краткое описание физической природы лечебного фактора при УВЧ терапии, б) упрощенную схему УВЧ-аппарата с указанием основных блоков и их назначением, в) таблицу измерений температуры и графики ее изменений, г) выводы о механизмах прогрева жидкостей.

Контрольные вопросы и задачи

1. Укажите диапазон изменения частот ЭМП для УВЧ,СВЧ и КВЧ-терапии. Чему равна частота генерации электромагнитных колебаний УВЧ -аппаратом ?

2. Что такое ток смещения ? В чем состоит механизм прогрева токами смещения диэлектриков и электролитов ? Какое из этих веществ прогревается более эффективно?

3. Почему эффективность прогрева вещества зависит от частоты колебаний напряженности электрического поля ?

4. Почему действие УВЧ электрического поля не вызывает специфического эффекта раздражения, свойственного НЧ электрическому полю ?

5. Из каких основных блоков состоит УВЧ аппарат и каково их назначение ?

6. Каким образом меняется мощность генератора УВЧ колебаний?

7. Что значит настроить УВЧ-аппарат, почему в момент настройки яркость лампочки или отклонение стрелки максимальны ?