5.1. СЕМІНАР “ВЗАЄМОДІЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО ПОЛЯ З БІОЛОГІЧНИМИ ТКАНИНАМИ”

(скорочення в тексті: ЕМП – електромагнітне поле, ЕП – еле- ктричне поле, МП – магнітне поле, БТ – біологічні тканини)

Контрольні питання для підготовки до семінару

1.Основні характеристики ЕМП.

2.Основні процеси, які обумовлюють дію ЕМП на БТ: 2.1. Виникнення електричних струмів:

а) іонні струми провідності (постійні, змінні: низько- та високочас- тотні); б) індукційні струми;

в) струми зміщення.

2.2.Явища поляризації.

2.3.Резонансне поглинання енергії ЕМП.

3.Основні фізіотерапевтичні методики, які використовують елек- тричні струми; явища поляризації та резонансне поглинання енергії ЕМП з лікувальною метою.

4.Теплова дія ЕМП на БТ:

4.1.Кількість теплоти, яка виділяється при діатермії, індуктотермії, УВЧ- і НВЧ- терапії.

4.2.Механізм прогрівання тканин, котрі мають різну електро про- відність (діелектриків, низько- та високоомних провідників).

5.Специфічна дія ЕМП на БТ. Фізичні основи процесів, які виклика- ють зміну структури біологічно активних молекул, функцій біо- логічних мембран, кіне-тики ферментативних процесів тощо.

5.2.1. Основні характеристики ЕМП

Напруженість Е – векторна силова характеристика елек- тричного поля; вона чисельно дорівнює силі, яка діє на оди- ничний точковий позитивний заряд, вміщений у дану точку поля:

Е = F/q.

При дії ЕП напруженість поля є основним вражаючим (чи лікувальним) фактором, тому що саме сили електричного поля змушують рухатися заряди (чи системи зарядів) у БТ (мем- бранах, клітинах, плазмі тощо), викликаючи широкий спектр явищ: слабке подразнення, біль, опік, загибель тощо.

Вектор електричної індукції D – характеристика еле к- тричного поля, яка визначається кількістю і розташуванням джерел ЕП у просторі:

D = ε0E + P; P = ε0χE; D = ε0E + ε0χE; D = ε0εE,

де P – вектор поляризації, P = ε 0 χ E, ε – діелектрична про- никність, χ – діелектрична сприйнятливість (ε = χ + 1).

Потенціал , різниця потенціалів U = 1 – 2 – енергетич- ні характеристики ЕП; вони визначають роботу сил електрич- ного поля по переміщенню електричного заряду q з точки, потенціал якої 1, в точку з потенціалом 2:

А = q ( 1 – 2).

Електричний струм – впорядкований рух заряджених час- тинок, характеризується силою струму І = dq/dt та густиною струму j. Густина електричного струму j – характеризує вели- чину заряду, котрий переноситься за час t через оди ничний поперечний переріз S провідника:

j = I/S j = (1/S) dq/dt.

с т р у м у Іd l. В е л и ч и н а в е к т о р а В в и з н а ч а є т ь с я т а к о ж

В е к т о р Н в и з н а ч а є т о й в н е с о к у м а г н іт н у ін д у к ц ію В , я к и й д а ю т ь з о в н іш н і д ж е р е л а с т р у м у , J – х а р а к т е р и з у є м а г н іт н е п о л е , к о т р е с т в о р е н е р у х о м и м и з а р я д а м и в р е ч о в и н і. Н а п р у - ж е н іс т ь м а г н іт н о г о п о л я Н х а р а к т е р и зу є р о з п о д іл д ж е р е л М П у п р о с т о р і. В р е зу л ь т а т і м а є м о

х а р а к т е р и с т и к а м и М П (в е к т о р а м и Н і В ) іс н у є з в ’я зо к , я к и й у т е о р ії Е М П з а д а є т ь с я р ів н я н н я м и М а к с в е л л а .

5.2.2. Основні процеси, які характеризують дію ЕМП на біологічні тканини

Біологічні тканини складні за своєю природою. Склад- ність їх будови визначаєтья складністю функцій, які вони ви- конують. Деякі із тканин (м’язова, нервова) володіють рядом специфічних властивостей (наприклад, збудливістю, ско- рочуваністю тощо), основу яких становлять процеси, що ма- ють електричну природу. У тканинах (особливо внутрішнього середовища) містяться заряджені частинки (це, як правило, іони), а також інші системи зарядів типу диполів, мультиполів, цілі заряджені структури (в основному – мембрани).

Біологічні тканини не мають яскраво виражених маг- нітних властивостей, вони в основному є діамагнетиками (во- да, білки, вуглеводи тощо); для деяких біологічних молек у- лярних структур (вільні радикали, геми, що містять іони заліза, тощо) є характерним парамагнітний ефект при взаємодії із зовнішнім МП. Розглянемо коротко основні про- цеси, що характеризують дію зовнішнього ЕМП на БТ.

Виникнення іонних струмів

Перший вид струмів – іонні струми провідності. Вони ви- никають при наявності замкнутого електричного кола між біологічними тканинами та джерелом струму. Густина струму визначається за законом Ома:

jпр = σ E = –σ φ.

У фізіотерапії використовуються:

а) постійний електричний струм – виникає у тканинах при накладанні електродів, між якими підтримується постійна різниця потенціалів.

Методики, які використовують дію постійних іонних струмів: гальванізація, електрофорез.

Гальванізація – метод, в основу якого покладено пропус-

кання постійного струму малої величини через тканини ор- ганізму. Апарати для гальванізації являють собою джерело постійного струму, сила якого регулюється. Основними фун- кціональними блоками апарата є: генератор високої частоти, котрий виробляє безпечну для пацієнта високочастотну (110– 440 кГц) напругу, випрямляч, який перетворює високочастотну напругу в постійну, а також система електрич- ного захисту, яка уберігає пацієнта на випадок неполадок у ро- боті апарата. Робочі параметри процедури: діапазон зміни напруги – 0–60 В; робочий струм – 0–50 мА, гранично допустима густина струму – 0.1 мА/см2.

Лікувальниий електрофорез – введення у тканини організ- му лікарських речовин, які продисоціювали на іони, шляхом пропускання постійного струму. Широко використовується також електрофоретичний метод визначення концен трації певних видів іонів у суміші. Різна рухливість іонів дозволяє розділити їх на фракції в електричному полі.

б) змінний імпульсний струм іонного походження низької частоти.

Використовуються імпульсні струми, частота яких збіга- ється із частотою зміни електрофізіологічних сигналів (часто- та не перевищує 20 кГц).

Лікувальні методики: електростимуляція та електроім- пульсація. Для цих методик, крім частоти сигналу, важли ве значення має також і форма імпульсу. Апарати для стимуляції мають один або декілька генераторів, які створюють імпульси певної форми, частоти і тривалості. Регулятор потужності за- дає амплітуду, яка адекватна до природних фізіологічних сиг- налів біологічних тканин. Методики застосовуються для знят- тя болю, зміни секреторної та скорочувальної функцій тощо.

Високочастотні струми провідності – використовуються

для діатермії, електротомії, електрокоагуляції . При цих ме- тодиках високочастотні струми не викликають специфічного подразнення, притаманного низькочастотним струмам елек- тростимуляції. Основний діючий фактор – це теплота, яка виділяється при проходженні струму. При незначній густині струму здійснюється прогрів ділянок тканин (приємне відчуття теплоти), які знаходяться між електродами (діатермія). Збільшення густини струму може призвести до значного зростання кількості теплоти. Температура сягає зна- чень, при яких розпочинається процес коагуляції білків (елек- трокоагуляції). Цей режим використовується, зокрема, для зу- пинки кровотечі із судин при операціях. Збільшуючи густину струму між електродами, можна отримати режим, при якому за рахунок теплоти, що виділяється, почнеться процес кипіння рідини. Пара, яка створюється між електродами, розриває тка- нини (методика електротомії або діатермотомії). Подальше збільшення густини струму тканини призводить до обвуглю- вання тканин в результаті горіння.

Апарати для діатермії містять генератор високої частоти (робоча частота 1.76 або 12.56 МГц) і декілька вихідних кон- турів, індуктивно пов’язаних з контуром генератора. Виходи можуть бути біактивними і моноактивними . У пер шому ви- падку високочастотна напруга подається на два електроди з однаковою площею. Нагріву підлягають всі тканини, що розміщені між електродами. У другому випадку розрізняють активний електрод (електроніж) і пасивний, площа якого у ба- гато разів більша від площі активного електрода. У цьому разі виділення теплоти відбувається тільки під активним електро- дом. Сучасні апарати для діатермії мають у своєму складі і систему електричного захисту, яка спрацьовує при небезпеч- них для пацієнта високочастотних струмах втрат.

Щ е один вид струмів, які використовуються з лікуваль ною ме-

тою – індукційні. Ці струми виникають у провідному се редовищі, котре пронизане змінним магнітним потоком (Ф ), за рахунок навед е- ної ЕРС електромагнітної індукції

= – dФ/dt .

Величину струмів (ще їх називають вихровими струмами або струмами Фуко) оцінимо для випадку, коли магнітна ін дукція B змінюється за гармонічним законом В = B0cos t, тоді:

I = /R = –[d(B S)/dt] (1/R) = –(S/R) dB/dt;

Отже, амплітуда вихрових струмів залежить як від електричних параметрів тканини ( ), так і від характеристик зов нішнього магніт-

ного поля (B0, ).

М етодики: індуктотермія – прогрів тканин високочастот ними вихровими струмами, загальна дарсонвалізація.

Третім типом струмів, які використовуються у фізіотерапії, є струми зміщення. Із теорії електромагнітного поля ві домо, що змінне магнітне поле створює електричне, зміна якого, в свою чергу, поро д- жує магнітне поле. Струми, які обумовлені змінним у часі електрич- ним полем, мають назву струмів зміщення. Їх величина визначається за формулою:

jзм = dD/dt = ε0 dE/dt + dP/dt = ε0 ε dE/dt.

Враховуючи струми провідності і зміщення, можна визначити повний струм у середовищі:

j = σ E + ε0 ε dE/dt.

М еханізм прогріву різних середовищ

Діелектрики. Якщо молекули діелектрика володіють влас ним ди- польним моментом, то якісно струми зміщення мож на представити як коливально-обертальний рух диполів у змінному електричному полі (мал. 5.1а).

Електроліт. Дія змінного електричного поля призводить

до коливально-поступального руху іонів (мал. 5.1б). Амплітуда таких вимушених коливань залежить як від зов- нішньої сили, так і від властивостей середовища (наприклад, в’язкості електроліту, розміру молекул, ступеня гідратації іонів тощо).

М ал . 5.1. а) дипольний діелектрик, б) електроліт.

Методики: УВЧ, НВЧ і КВЧ- терапії, основу яких становить дія ультра-, над- і крайньовисокочастотного електромагнітного по- ля. Для цих методик характерна відсутність електричного контакту між електродами і тканинами пацієнта, тобто створюються умови, які попереджують виникнення струмів провідності.

Поляризація

Поляризація – процес, пов’язаний з орієнтацією зарядів у р е- човині при дії зовнішнього постійного електричного або магнітного полів. Біологічним тканинам притаманні всі типи поля- ризацій в ЕП:

а) орієнтаційна поляризація здійснюється за рахунок орієн- тації молекул або систем зарядів, які володіють власним диполь- ним моментом P = q·l, при внесенні їх в електрич не поле напру- женістю E0 0. У цьому випадку на диполь діє обертальний м о- мент сил

М ~ РЕ0;

б) електронна поляризація (зміщення електронної хмарки відносно малорухомого ядра (мал. 5.2));

в) іонна поляризація (ймовірно, цей тип поляризації харак- терний для рідкокристалічних структур у БТ, наприклад, мем- бран);

г) об’ємна поляризація, яка призводить до виникнення об’ємних зарядів за рахунок руху іонів в електрично ізольова- них середовищах (наприклад, перерозподіл іонів всередині клітини).

Методики: франклінізація – дія постійного ЕП високої на пру-

женості (104 – 106 В/м) на весь організм або окремі його ділянки. Апа- рат для франклінізації містить генератор високої частоти (400–800 кГц), випрямляч, на виході якого отримують постійну напругу порядку 400 В. Ця напруга поступає на помножувач, який являє собою ланцюг певним чином з’єднаних конденсаторів незначної ємності. Помножувач утворює на виході високу напругу порядку 40–50 кВ. Ця напруга подається на два електроди. Один з них має форму зірки з не- великими вістрями на променях. Її розміщують на відстані 10–15 см над головою пацієнта. Другий – мідний, що має форму листа, знахо- диться під ногами пацієнта на ізольованій підставці. Під дією елек- тричного поля у тканинах відбувається поляризація, а у випадку ви- никнення коронного розряду під електродом з’являються ще і мікро- струми у провідних середовищах; на поверхні тіла виникають ста- тичні заряди. Усі ці явища покладені в основу первинної дії на ор- ганізм постійного електричного поля високої напруженості.

У фізіотерапії використовують також методики, в основі

яких лежить дія постійного (або такого, яке повільно змі- нюється) магнітного поля на біологічні тканини. Ці методики відносяться до галузі магнітобіології; багато в чому вони но- сять експериментальний характер і ще не знайшли широкого клінічного застосування.

Резонансне поглинання енергії

Групи атомів, які входять до структури біологічно актив- них молекул, мають власні частоти збудження і поглинання енергії (переважно частоти відносяться до коливально- обертальної області спектра). При УВЧ і особливо при КВЧ і НВЧ методиках спостерігається резонансне поглинан ня енергії без підвищення температури, що призводить до струк- турно-функціональних змін біологічно активних молекул.

5 .2 .3 . Т е п л о в а д ія Е М П н а Б Т

Т е п л о в и й е ф е к т с т р у м ів п р о в ід н о с т і. К іл ь к іс т ь в и д іл е н о ї т е п - л о т и п р и н а я в н о с т і с т р у м ів п р о в ід н о с т і в и з н а ч а є т ь с я за за к о н о м Д ж о у л я – Л е н ц а :

Q = I 2 R t = I U t.

Т е п л о в и й е ф е к т м о ж н а о ц ін и ти з а п и т о м о ю к іл ь к іс т ю т е п л о т и ,

З ц іє ї ф о р м у л и в и п л и в а є : а ) ч и м б іл ь ш а гу с т и н а с т р у м ів п р о в ід - н о с т і у с е р е д о в и щ і, т и м е ф е к т и в н іш е в ід б у в а є т ь с я п р о гр ів а н н я т к а - н и н ; б ) п р и о д н ій і т ій с а м и й г у с т и н і с т р у м у j б іл ь ш е н а гр ів а ю т ь с я т к а н и н и , щ о м а ю т ь б іл ь ш и й п и т о м и й о п ір . В ід п о в ід н о , н а гр ів а - ю т ь с я с и л ь н іш е к іс т к и , ш к ір а т а ін ш і п о в е р х н е в і д іл я н к и т к а н и н і с л а б к о н а гр ів а ю т ь с я т к а н и н и в н у т р іш н ь о го с е р е д о в и щ а (к р о в , к л іт и н н а і п о з а к л іт и н н а р ід и н и , м ’я з и т о щ о ).

Т е п л о в и й е ф е к т д ії в и х р о в и х с т р у м ів м о ж н а о ц ін и т и з а ц ією ж ф о р м у л о ю (5 .2 ), в и зн а ч и в ш и гу с т и н у в и х р о в и х с т р у м ів з (5 .1 ):

j = I/S , q = [ω S B /R (ρ )]2 ρ = k ω 2 B 2 /ρ ,

д е k – к о е ф іц іє н т , я к и й за л е ж и т ь в ід г е о м е т р и ч н и х р о зм ір ів д іл я н к и й е л е к тр о д ів .

В и с н о в о к : ін д у к ц ій н і с т р у м и п р о г р ів а ю т ь с е р е д о в и щ а , я к і м а - ю т ь м а л и й п и т о м и й о п ір , т о б т о д іл я н к и , в я к и х в и н и к а ю т ь ц і с т р у - м и (к р о в , л ім ф а , м ’я з и т о щ о ).