Тепловий ефект струмів зміщення. Скориставшись з ако-

ном Джоуля у вигляді q = jE, для випадку гармонічного закону зміни електричного поля Е = Е0 sin t, отримаємо:

Q = I U t ~ jзм E t,

Q ~ jзм E ~ E (dD/dt) ~ ω ε ε0 E2.

Отже, прогрів тканин струмами зміщення залежить від ве- личини напруженості електричного поля, частоти його зміни і діелектричних властивостей середовища. Зокрема, для діелектрика, який знаходиться в однорідному полі конден- сатора, величина q визначається за формулою:

де – кут діелектричних втрат, який характеризує різницю фаз коливань напруженості векторів Е і дипольного моменту Р; k( ) – коефіцієнт пропорційності, який у загальному випадку залежить від частоти.

Струми зміщення викликають ефективний прогрів як тка- нин, котрі є діелектриками, так і тих, які мають добру елек- тропровідність, чим і обумовлене широке використання УВЧ-, НВЧ-методик прогріву біологічних тканин.

5.2.4. Специфічна дія ЕМП на біологічні тканини

Дія ЕМП на біологічні тканини може викликати:

1. Зміну структури біологічно активних молекул (біл ків, лі- підів, нуклеїнових кислот тощо) за рахунок:

а) виділеного тепла і нагріву тканин вище допустимої тем- ператури (наприклад, можлива денатурація білків);

б) резонансного поглинання енергії ЕМП (конформаційні зміни структури, виникнення вільних радикалів тощо);

в) поляризації (розрив водневих зв’язків, порушення гідрофоб- них і гідрофільних взаємодій).

Таблиця 5.1.

2. Зміну мембранних процесів за рахунок:

а) зміни локальних концентрацій іонів (при об’ємній поляри- зації);

б) дії зовнішнього ЕП, напруженість якого зрівняна з на- пруженістю поля мембран, що є причиною порушення роботи іонних насосів, процесів електродифузії.

3. Зміну швидкостей хімічних реакцій (зміна кінетики фер- ментативних процесів), що в кінцевому результаті призводить до порушення процесів біоенергетики, метаболізму, синтезу біологічно активних молекул та ін.

Виявом специфічної дії ЕМП на БТ є виникнення подразнення, скорочення, секреції, болю, паралічу; можлива за гибель внаслідок спотворень біологічно важливих процесів у клітинах і внутрішньоклітинних структурах під дією ЕМП.

На закінчення наведемо сумарні відомості щодо медичних ме- тодик, в яких використовуються електричне, магнітне та електро- магнітне поля (див. табл. 5.1).

Контрольні запитання та задачі

1.Назвіть основні характеристики електричного і магнітного полів та поясніть їх фізичну суть. Поясніть природу лікувального і вра- жаючого фактора при електротравмі або фізіотерапії.

2.Що таке поляризація, які види поляризації найбільш важливі при дії ЕМП на БТ? Яким чином виникають у тканинах струми провід- ності, індукційні струми і струми зміщення, від чого залежить їх величина?

3.Чим обумовлене прогрівання БТ при дії ЕМП і від яких факторів (зовнішніх і внутрішніх) залежить кількість виділеної теплоти?

4.У діапазоні яких частот змінного струму (при незмінних інших ха- рактеристиках ЕМП) електротравма найбільш небезпечна для організму?

5.Чому резонансне поглинання енергії ЕМП проявляється в області УВЧ і НВЧ?

6.Поясніть особливості специфічної дії ЕМП на БТ.

7.При яких фізіотерапевтичних методиках спостерігається найбільш ефективний прогрів внутрішніх тканин, що мають: а) добру електропровідність; б) незначну електропровідність, а також, які є діелектриками?

8.У скільки разів зміниться питома тепловіддача Q/(V·t) для методик діатермії, індуктотермії і УВЧ-терапії відповідно, якщо частота коливань зросла вдвічі, питомий опір зменшився у п’ять разів, амплітуди векторів магнітної індукції і напруженості електричного поля зменшились у два рази?

5.1. ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №1 “РОБОТА З ФІЗІО- ТЕРАПЕВТИЧНОЮ АПАРАТУРОЮ”

Мета роботи: вивчити основи взаємодії ЕМП з БТ і набу- ти навички роботи на деяких фізіотерапевтичних апаратах.

Контрольні питання для підготовки до лабораторної ро- боти

1.Класифікація фізіотерапевтичної електронної медичної апаратури.

2.Тепловий ефект, викликаний ВЧ-струмами провідності та індукцій- ними ВЧ-струмами. Діатермія. Iндуктотермія.

3.Поняття про струми зміщення. Механізм прогріву електролітів і ді- електриків. Поняття про діелектричні втрати.

4.Спрощена схема УВЧ-апарата (будова, призначення основних бло- ків, робочий процес апарата).

5.Дарсонвалізація (фізичний зміст методу, природа лікувального фактора, спрощена схема апарата для місцевої дарсонвалізації. Ро- бочий процес).

6.Специфічна дія УВЧ- і НВЧ- полів на біологічні тканини.

Додаткова література

1.Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. – М.: Высшая школа, 1992.

2.Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. – М.: Высшая школа, 1987. – Гл. 18 (параграф 9), гл. 20, 23.

3.Ремизов А.Н. Курс физики, электроники, кибернетики для меди- цинских институтов. – М.: Высшая школа, 1982. – Гл. 24 (параграф 7), гл. 39 (параграф 3).

4.Ливенцев Н.М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1978. – Т. 2 (па- раграфы 151, 152, 153).

5.Ливенцев Н.М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1974 (па- раграфы 107, 108).

Додаткові теоретичні відомості 5.3.1. Робота з УВЧ-апаратом

УВЧ-терапія – лікувальний метод, котрий використовує вплив електричного поля ультрависокої частоти (від 30 до 300 МГц) на тканини організму.

Лікувальний фактор. Біологічні тканини знаходяться в електричному полі конденсатора, обкладинки якого – ізольо- вані пластини електродів. На ці пластини подається високо- частотна ( = 40.68 МГц) напруга амплітудою декілька сотень вольт. Для уникнення електричного контакту пацієнта з елек- тродами (і, як наслідок, виникнення УВЧ-струму провідності) електроди вкриті ізолюючим шаром діелектрика. Основним діючим фактором при цьому є струми зміщення, що виника- ють у біологічних тканинах під впливом електричного поля змінної напруженості Е:

jзм = ε0 ε dE/dt.

Механізм прогріву тканин. Струм зміщення існує, якщо напруженість електричного поля змінюється з часом. При збільшенні частоти (а, отже і швидкості зміни Е) струм зр о- стає. Величина струму зміщення суттєво залежить від типів за- рядів, які знаходяться в електричному полі (іонів, диполів, мультиполів тощо), і особливостей їх поведінки у змінному електричному полі.

Прогрів електроліту. У змінному електричному полі на- пруженості Е іони електролітів зміщуються у напрямку дії ку- лонівської сили F = q·E. Якщо вважати, що сила, так само як і напруженість, змінюється за гармонічним законом, то можна припустити, що іон здійснює коливально-поступальний рух відносно положення рівноваги (див. мал. 5.4).

Мал. 5.4.

Кінетична енергія коливальної системи W k (іон + гідратна

оболонка) залежить від частоти й амплітуди коливань (W k

2A2), величина амплітуди коливання А залежить від Е, , м а- си системи та в’язкості середовища. Врахувавши, що кіне- тична енергія одиниці об’єму рідини дорівнює сумі енергій усіх частинок об’єму, можна показати, що кількість теплоти, яка була виділена в одиниці об’єму за одиницю часу, визн а- чається за формулою:

q ~ n A2(ω) ω2 = k(ω) ω2 n E2,

де n – концентрація іонів, k( ) – коефіцієнт пропорційності. Iз цієї формули видно, що результуючий ефект нагрівання зале- жить від частоти складним чином – при збільшенні , з одного боку, збільшується q пропорційно квадрату частоти 2; з др у- гого боку, із збільшенням частоти зменшується амплітуда ко- ливань і, як наслідок, зменшується кінетична енергія. Якісний аналіз показує, що W k набуває макси мальне значення (мал.

5.4б) у деякому інтервалі частот [ 0 ].

Прогрів діелектрика (вважаємо, що молекули діелектрика мають власний дипольний момент Р = q·l). Полярні мо лекули (молекули води, білків, ліпідів тощо) у змінному елек- тричному полі під впливом моменту сил М ~ РЕ здійс нюють коливально-обертальний рух відносно осі, яка проходить че- рез центр маси молекули (див. мал. 5.4а).

Апарат для УВЧ-терапії. Спрощена схема приладу зображена

на мал. 5.5. Основні частини приладу: ламповий ге нератор з кон- туром Lк, Ск, що налагоджений на частоту = = 40.68 МГц, контур зворотного зв’язку Lоз для керування роботою ламп. Потужність

електричних коливань регулюється напругою на аноді ламп (пере- микач П – “потужність” у блоці живлення (БЖ) змінює напругу на виході блоку живлення). При збільшенні анодної напруги зміню- ється амплітуда коливань у контурі генератора.

Завдяки індуктивному зв’язку електромагнітні коливан ня че- рез проміжний контур ПК передаються у контур пацієнта (L, С, Се). Такий зв’язок забезпечує безпеку пацієнта по відношенню до низькочастотної напруги у колах генератора УВЧ.

Контур пацієнта складається з котушки індуктивності L і змінної ємності С (перемикач – “налагодження”). В ємність конту- ру пацієнта входить також і міжелектродна ємність Се. Зняття мак- симальної потужності з контуру генератора досягається при вико- нанні умов резонансу, тобто при

Lk Ck = L (C + Cе).

Ємність терапевтичного контуру або контуру пацієнта (КП) змінюється при кожній процедурі (у поле конденсатора вводяться різні частини тіла пацієнта). Змінюючи величину С, можна постійно підтримувати резонанс, при якому відбувається макси- мальна передача електромагнітної енергії контуру тканинам пацієнта.

Ступінь налагодження терапевтичного контуру у резонанс з коливальним контуром генератора визначається за яскравістю лампочки або за відхиленням стрілки індикатора на панелі прила- ду.

Перемикачі керування потужністю (П – “потужність”), нал а- годження (С – “налагодження”), а також компенсатора падіння на- пруги кола живлення приладу (“мережа”), винесені на передню па- нель приладу. Зміна положення перемикача компенсатора змінює кількість витків у силовому трансформаторі і, відповідно, напругу на виході блока живлення.

Завдання до лабораторної роботи

Завдання 1. Вивчити будову апарата УВЧ-66 і підготува- ти його до роботи.

Зовнішній вигляд передньої панелі апарата приведено на мал. 5.6:

1 – вмикач електричного кола і регулятор вхідної напруги;

2 – кнопка індикації величини вхідної напруги;

3 – регулятор потужності УВЧ-випромінювання;

4 – регулятор налагодження кола пацієнта; 5 – індикатор налагодження з червоним сектором для ре-

гулювання вхідної напруги.

Увімкніть апарат у мережу. Натисніть кнопку індикації і регулятором вхідної напруги встановіть стрілку індикатора апарата в центрі червоного сектора.

Мал. 5.6. Зовнішня панель УВЧ-66.

Прогрійте апарат протягом 3–5 хвилин. Встановіть потуж- ність 70 Вт. Спочатку налагодьте апарат за максимальним відхиленням стрілки, перевірте налагодження за яскравістю розряду неонової лампочки.