laboratornye_raboty / №13 Изучение аппарата УВЧ-терапии

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ им. Н.Н. БУРДЕНКО"

КАФЕДРА МЕДИЦИНСКОЙ ФИЗИКИ

Методические указания студентам по теме лабораторного занятия

ИЗУЧЕНИЕ АППАРАТА УВЧ-ТЕРАПИИ

Воронеж 2009

РАЗДЕЛ: МЕДИЦИНСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА.

ТЕМА: Изучение аппарата УВЧ-терапии.

ЦЕЛЬ: В результате выполнения данной лабораторной работы студент должен освоить теоре-

тические вопросы действия электромагнитного поля на биологические объекты, уметь объяснять физические основы поглощения энергии различными веществами в поле УВЧ.

ПРАКТИЧЕСКИЕ НАВЫКИ: Студенты должны знать устройство аппарата УВЧ-66, усвоить технику безопасности при работе с ним, уметь управлять аппаратом УВЧ-66 при его ра-

боте.

МОТИВАЦИЯ ТЕМЫ: УВЧ-терапия широко применяется для местного лечебного воздействия электрического поля ультравысокой частоты в клиниках терапевтического, неврологиче-

ского, хирургического, психиатрического, акушерско-гинекологического профиля, в пе-

диатрии и стоматологии. Энергия, поглощенная различными клетками и клеточными структурами, под действием электрического поля определяется их физико-химическими свойствами. В результате происходит неодинаковый нагрев клеточных элементов. Ус-

пешное применение в медицинской практике УВЧ-терапии обусловлено следующими факторами:

а) усиленно развивается соединительная ткань, что способствует быстрому росту грануляций, повышается и активность фагоцитов;

б) благодаря усилению крово- и лимфотока улучшается питание тканей и они могут лучше противостоять вредным влияниям;

в) повышается проницаемость сосудов, что способствует уменьшению отечности тка-

ней;

г) усиливается и активнее протекает обмен в организме.

Побочным явлением УВЧ-терапии является развитие активной гиперемии, увеличение кровоточивости, что неоходимо учитывать при предоперационном назначении УВЧ-

терапии.

I. САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА СТУДЕНТОВ ВО ВНЕУРОЧНОЕ ВРЕМЯ.

Задание 1.

Изучить теоретический материал занятия, используя рекомендованную литературу и настоя-

щую методическую разработку, по следующей логической структуре учебного материала:

1.Понятие о теории Максвелла:

а) токи проводимости;

б) токи смещения.

2

2.Воздействие переменным электрическим полем:

а) количество теплоты, выделяющееся

–в проводниках,

–в диэлектриках;

б) угол диэлектрических потерь;

в) эффективная напряженность электрического поля;

г) выбор частоты тока при УВЧ-терапии.

3.Аппарат УВЧ-терапии (УВЧ-66):

а) элементы схемы аппарата;

б) терапевтический контур;

в) последовательность операций при подготовке аппарата к работе;

г) меры предосторожности при работе с аппаратом;

д) необходимость наличия резонанса колебаний контура пациента с колебаниями генера-

тора.

Средства для самоподготовки студентов во внеурочное время

1.Учебная и методическая литература а) основная

– Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика / А.Н. Ремизов, А.Г. Максина, А.Я.

Потапенко. – М.: Дрофа, 2007. – С. 291-293.

–Физика и биофизика / Под ред. В.Ф. Антонова. – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2008. – С. 63-72.

–Лекционный материал по разделу "Медицинская электроника".

б) дополнительная

–Эссаулова И.А. Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике: учебное пособие / И.А.Эссаулова. – М.: Высшая школа, 1987. – С. 198-201.

–Агапов Б.Т. Лабораторный практикум по физике: учебное пособие / Б.Т. Агапов. – М.:

Высшая школа, 1982. – С. 306-307.

2. Консультации преподавателей (еженедельно по индивидуальному графику).

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ПО ТЕМЕ ЗАНЯТИЯ

Первичным действием переменного тока и электромагнитного поля на биообъекты при частотах более 500 кГц является тепловое воздействие. Лечебное прогревание высокочастот-

ными электромагнитными колебаниями обладает рядом преимуществ перед традиционным в виде грелки:

3

а) ВЧ-прогревание обеспечивает образование тепла во внутренних частях организма, в то же время при нагревании грелкой это достигается лишь с помощью теплопроводности наруж-

ных тканей – кожи и подкожно-жировой клетчатки;

б) подбирая соответствующую частоту, легко вызвать воздействие на нужные ткани и орга-

ны, так как они обладают различными свойствами (диэлектрическая проницаемость и удельное сопротивление);

в) регулируя мощность генератора, можно управлять мощностью тепловыделения во внут-

ренних органах, а иногда и дозировать это нагревание;

г) помимо теплового эффекта электромагнитные колебания вызывают и внутримолекуляр-

ные процессы, приводящие к некоторым специфическим реакциям.

Физиологическое воздействие электрического поля УВЧ основано на действии перемен-

ного электрического поля на молекулы и ионы в тканях организма. В результате этого воздей-

ствия в тканях выделяется значительное количество теплоты, что приводит к активизации био-

химических и физиологических процессов.

Количество выделяемой теплоты зависит от диэлектрической проницаемости тканей, их удельного сопротивления и частоты электромагнитных колебаний. Подбирая соответствующую частоту можно осуществить преимущественное выделение теплоты в нужных тканях и органах.

Рассмотрим механизм действия УВЧ электрического поля на растворы электролитов и диэлектриков.

Для оценки эффективности действия поля УВЧ надо рассчитать количество теплоты,

выделяющееся в проводниках и диэлектриках.

В тканях, находящихся в переменном электрическом поле, возникают токи смещения и токи проводимости (рис. 1).

Iпр. Iсм.

C

Рис.1. Эквивалентная схема биологической ткани в переменном электрическом поле

Нагревание электролитов в поле УВЧ происходит за счет движения ионов, т.е. тока про-

водимости.

При помещении между электродами (без касания) тела, проводящего электрический ток,

4

где E – напряженность электрического поля, l – расстояние между электродами, R ρ l – со- S

противление участка тела, S – площадь тела, ρ – удельное сопротивление тела электрическому

току, E Emax – эффективная напряженность электрического поля. 2

Количество теплоты, выделяющееся за 1 с в 1м3 ткани можно выразить как

Под действием высокочастотного электрического поля в диэлектрике происходит непре-

рывная переориентация дипольных молекул. Колебания диполей отстают по фазе от колебаний напряженности электрического поля.

Поместим между электродами диэлектрик с относительной диэлектрической проницае-

мостью ε. В нашем случае ткань носит емкостный характер, поэтому количество теплоты, вы-

деляющееся в 1 м3 ткани за 1 с

где ω – циклическая (круговая) частота тока; εr – относительная диэлектрическая проницае-

мость среды; ε0 – электрическая постоянная; tg δ – тангенс угла диэлектрических потерь.

В состав организма входят ткани, обладающие свойствами как электролитов, так и ди-

электриков, следовательно, под воздействием поля УВЧ в тканях выделяется количество тепло-

ты q = q1 + q2.

Сравнивая формулы (1) и (2) для проводника и диэлектрика нетрудно отметить, что в обоих случаях выделяемое количество теплоты пропорционально квадрату эффективной на-

пряженности электрического поля и зависит от характеристики среды:

–ρ – для проводника;

–ε, tg δ – для диэлектрика.

Для диэлектрика важное значение имеет и частота электрического поля. В России в ап-

паратах УВЧ-терапии используется частота 40,68 МГц, при этом диэлектрические ткани орга-

низма нагреваются интенсивнее проводящих.

Многочисленные исследования показали, что частотные характеристики проводимостей и диэлектрических постоянных тканей сходны между собой, однако костная, мозговая и жиро-

вая ткани составляют исключение.

Костная ткань содержит большое количество кристаллов фосфата кальция и обладает более высоким импедансом, чем мягкие ткани.

Жировая ткань характеризуется более высоким удельным сопротивлением и более низ-

кой диэлектрической постоянной, чем ткани, имеющие большой процент воды.

5

Ткань мозга имеет удельное сопротивление, близкое по значению к удельному сопро-

тивлению жировых тканей, а диэлектрическая постоянная тканей мозга близка к диэлектриче-

ской постоянной тканей с большим содержанием воды.

При воздействии электрического поля максимальный нагрев происходит на разных час-

тотах поля, обусловленных частотой максимальных колебаний дипольных молекул.

Например, для крови: 1,6 1010 Гц = 1,6 104 МГц. Диэлектрическая постоянная крови: ε = 7350 (на низких частотах), ε = 160 (на высоких частотах) и зависит от многих факторов (час-

тота, температура, показатель гематокрита, размеры эритроцитов, скорость течения и др.).

II. РАБОТА СТУДЕНТОВ ВО ВРЕМЯ ПРАКТИЧЕСКОГО ЗАНЯТИЯ.

Задание 1.

Получить допуск к занятию. Для этого необходимо:

– иметь конспект в рабочей тетради, содержащий название работы, основные теоретические понятия изучаемой темы, задачи эксперимента, таблицу по образцу для внесения экспери-

ментальных результатов;

–успешно пройти контроль по методике проведения эксперимента;

–получить у преподавателя разрешение выполнять экспериментальную часть работы.

Задание 2.

Выполнение лабораторной работы, обсуждение полученных результатов, оформление конспек-

та.

Приборы и принадлежности

1.Аппарат УВЧ-66.

2.Сосуды с исследуемыми жидкостями (электролит и диэлектрик).

3.Спиртовые термометры.

4.Дипольная антенна.

5.Измерительная головка (микроамперметр).

Описание лабораторной установки

В работе используется аппарат УВЧ-66 (рис. 2). Принципиальная схема аппарата изо-

бражена на рис. 3.

Аппарат УВЧ-66 состоит из двухтактного лампового генератора (ЛГ) и терапевтического контура (ТК). Основными частями генератора являются: колебательный контур, включенный в анодную цепь, в котором возбуждаются незатухающие электромагнитные колебания, частота

6

которых определяется индуктивностью LА и емкостью СА контура; источник электрической энергии А, за счет которого в контуре поддерживаются незатухающие колебания; электронные лампы Л1 и Л2, с помощью которых регулируется подача энергии от источника в контур, и ка-

тушка обратной связи LС, посредством которой осуществляется подача переменного напряже-

ния из выходной цепи на сетке ламп.

Рис. 2. Общий вид аппарата УВЧ-66 1 – провода электродов; 2 – кронштейн; 3 – ручка "настройка"; 4 – ручка переключателя "мощ-

ность"; 5 – ручка переключателя "напряжение"; 6 – кнопка "контроль"; 7 – индикаторный при-

бор; 8 – индикаторная лампа; 9 – панель "пациент"; 10 – фиксатор; 11 – электрододержатель; 12

– электроды.

Л2

– A+

Рис. 3. Принципиальная схема аппарата УВЧ-66

7

Воздействие электрическим полем УВЧ на пациента производится посредством электро-

дов пациента (ЭП), которые включены в терапевтический контур, индуктивно связанный с анодным колебательным контуром генератора. Индуктивная связь исключает возможность по-

падания больного под высокое постоянное напряжение, которое всегда имеется в генераторе.

Наибольшая мощность выделяется в терапевтическом контуре при условии резонанса,

т.е. тогда, когда частота собственных колебаний терапевтического контура совпадает с часто-

той колебаний, возникающих в анодном колебательном контуре генератора. Частота собствен-

ных колебаний контура зависит от его индуктивности L и емкости С: ω 1 . Емкость тера- L C

певтического контура складывается из емкости между электродами пациента и емкости пере-

менного конденсатора С. Так как при различных процедурах емкость между электродами паци-

ента меняется, то каждый раз необходимо производить настройку терапевтического контура в резонанс, изменяя емкость переменного конденсатора.

Вся электрическая схема аппарата смонтирована в металлическом корпусе. Отдельные элементы схемы экранированы. Элементы управления находятся на передней панели и имеют соответствующие надписи.

Переключатель "напряжение" служит для регулировки рабочих режимов аппарата в ус-

ловиях колебания напряжения в сети. Контроль напряжения сети осуществляется при нажатии кнопки "контроль". Для изменения мощности, отдаваемой генератором, служит переключатель

"мощность", имеющий четыре положения: 0, 20, 40, 70 Вт.

Емкость переменного конденсатора терапевтического контура изменяется ручкой "на-

стройка", расположенной на передней панели аппарата. Контроль настройки терапевтического контура осуществляется с помощью стрелочного измерительного прибора. На правой боковой стенке аппарата укреплены два кронштейна для установки электрододержателей, имеющих шарнирные соединения, обеспечивающие установку электродов в различные положения.

Распределение напряженности электрического поля между электродами пациента зави-

сит от размеров электродов, расстояния между ними и от их взаимного расположения. Это рас-

пределение можно исследовать с помощью дипольной антенны, представляющей собой два проводника, между которыми включен полупроводниковый диод. Дипольная антенна соедине-

на с микроамперметром.

Сила тока, возникающая в контуре дипольной антенны, пропорциональна напряженно-

сти электрического поля УВЧ. Дипольная антенна располагается в конце деревянной рейки, ко-

торая может двигаться по направляющим в двух взаимно-перпендикулярных направлениях. На направляющих через каждый сантиметр нанесены деления. Это позволяет определить положе-

ние дипольной антенны относительно электродов пациента.

8

Для изучения теплового воздействия электрического поля УВЧ на электролиты и ди-

электрики между электродами устанавливаются сосуды с исследуемыми жидкостями. Измене-

ние температуры фиксируется термометрами, укрепленными в крышках сосудов.

Меры безопасности

1.К работе с аппаратом допускаются лица, изучившие описание и сдавшие допуск к занятию.

2.ЗАПРЕЩАЕТСЯ при включенном аппарате:

–работать без заземления;

–проводить замену электродов и проводов;

–подносить к работающим электродам и проводам металлические предметы.

3.Не включать аппарат без разрешения преподавателя.

Подготовка аппарата к работе

1. Исходное положение органов управления:

а) ручка переключателя "напряжение" – в положении "выкл";

б) ручка переключателя "мощность" – в положении "0".

2.Подключить шнур питания к сетевой розетке.

3.Перевести ручку переключателя "напряжение" в положение "1" , при этом должна загореться сигнальная лампочка.

4.Нажать кнопку "контроль" и ручкой переключателя "напряжение" установить стрелку инди-

каторного прибора в пределах красного сектора.

5.Дать аппарату прогреться в течение 1,5-2 минуты.

6.Ручку переключателя "мощность" установить в положение "20" Вт.

7.Выключить прибор (перевести ручку переключателя "мощность" в положение "0").

Выполнение работы

1.Исследование распределения электрического поля УВЧ:

1.1.Установить электроды на расстоянии и расположить в центре между ними дипольную антенну (ДА).

1.2.Включить аппарат УВЧ (пункты 3–6 раздела "Подготовка аппарата к работе").

1.3.Ручкой "настройка" добиться максимального отклонения стрелки индикатора

(ВНИМАНИЕ: в процессе выполнения работы следить, чтобы стрелка индикатора при-

бора показывала максимальное отклонение вправо, что соответствует настройке контура пациента в резонанс с колебаниями генератора).

9

1.4.Перемещая ДА в направлении влево–вправо от центра на расстояние LХ, через каждый сантиметр измерить силу тока I (ВНИМАНИЕ! Усиками ДА не касаться поверхностей электродов пациента).

1.5.Перемещая ДА в направлении вверх–вниз от центра на расстояние LУ, через каждый сан-

тиметр измертть силу тока I.

1.6.Результаты измерений занести в таблицу 1.

1.7.Выключить прибор, для этого переключатель "мощность" перевести в положение "0".

1.8.Построить графики зависимости I = f (Lx) и I = f (Lу).

2.Получение резонансных кривых терапевтического контура:

2.1.Установить электроды пациента на расстояние 10 см и поместить ДА в центре между ними.

2.2.Включить аппарат УВЧ (пункты 3–6 раздела "Подготовка аппарата к работе").

2.3.Вывести ручку "настройка" в крайнее левое положение.

2.4.Вращая ручку "настройка", снять показания микроамперметра I при изменении положе-

ния ручки через каждое деление "n" шкалы настройки.

2.5.Провести аналогичные измерения при расстоянии между электродами, равном 20 см.

2.6.Данные измерений занести в таблицу 2.

2.7.Выключить прибор, для этого переключатель "мощность" перевести в положение "0".

2.8.Построить графики зависимости I = f (n) при двух расстояниях между электродами.

3.Исследование теплового воздействия поля УВЧ на электролиты и диэлектрики:

3.1.Поместить сосуды (вместе с деревянным каркасом) с раствором поваренной соли (элек-

тролит) и растительным маслом (диэлектрик) между электродами аппарата

(ВНИМАНИЕ! Электроды пациента расположить вплотную к сосудам; следить, чтобы электроды не соприкасались с деревянным каркасом, в который помещены сосуды, и

столом).

3.2.Измерить начальные температуры T1 и T2 жидкостей в сосудах.

3.3.Включить аппарат УВЧ (пункты 3 – 6 раздела "Подготовка аппарата к работе").

3.4.Переключатель "мощность" перевести в положение "70" Вт.

3.5.Настроить контур в резонанс (по максимальному отклонению индикатора) с помощью ручки "настройка".

3.6.Снять показания термометров через каждые 5 мин в течение 25 мин.

3.7.Результаты измерений занести в таблицу 3.

3.8.Выключить прибор, для этого переключатель "мощность" перевести в положение "0".

10