План Дія постійного та змінного електричного струму на біооб’єкти. Індукційні струми, теплові ефекти. 2

Лекція № 5 ФІЗИЧНІ ОСНОВИ МЕТОДІВ ЕЛЕКТРОЛІКУВАННЯ План 1. Дія постійного та змінного електричного струму на біооб’єкти. Індукційні струми, теплові ефекти. 2. Дія електромагнітного поля на біооб’єкти. УВЧ-терапія, НВЧ-терапія, мікрохвильова резонансна терапія тощо. 3. Магнітні властивості речовин. Фізичні основи магнітобіології. Магнітотерапія, індуктотермія. 1. Дія постійного та змінного електричного струму на біооб’єкти. Індукційні струми, теплові ефекти. Дія електричного струму й електромагнітних випромінювань може призвести до негативних наслідків для людини, в тому числі й до летальних. Незважаючи на це, струм та електромагнітне випромінювання мають цілий ряд властивостей, завдяки яким вони широко застосовуються в медицині: як в терапії, так й в діагностиці. Під впливом електричного струму в живих організмах відбувається рух заряджених частинок, поляризація тканин й їх нагрівання (тепловий ефект). Постійний струм й змінний струм, частота якого нижче 105 Гц, здатні створювати небезпеку для організму. Небезпека обумовлюється струмом, а не напругою. Безпечною вважають силу струму нижчу за 0,01 А (хоча навіть слабкі струми впливають на функціонування нервової системи); струм вище 0,1 А є небезпечним для життя. Ступінь небезпеки, обумовлений струмом, залежить від шляхів розповсюдження струму організмом, наприклад, від того, проходить він через серце або ні. Електричний струм, якій проходить крізь м’яз, викликає її скорочення. При цьому реакція м’язів залежить як від сили струму, так й від довго тривалості його впливу. Сила струму нижче деякої порогової величини не викликає скорочення, так як і надто короткочасний імпульс. Якщо імпульс був поодинокий, то за скороченням наступає розслаблення, тобто м’яз здригнеться. Для того щоб м’яз після скорочення повністю розслабився потрібний деякий час. Якщо імпульси надходять один за одним, то м’яз не встигає розслабитися й її скорочення триває на протязі часу подання імпульсів. Такий стан м’яза називається тетанусом. Імпульси постійного струму (імпульсний струм) мають схожий на вплив змінного струму вплив на живий організм. Електричний струм невеликої сили (0,01, - 0,025 А) може призвести до порушення дихання (у випадку скорочення дихальних м’язів), серцебиття, тощо; струм більшої сили (від 0,1 А) – до зупинки серця. Дія електричного струму також здатна викликати денатурацію білків, опіки, як результат теплового ефекту. Опір біологічної системи електричному струму визначається опорами її окремих частин, які змінюються в дуже широких діапазонах (табл.. 1). Опір організму, перш за все, визначається опором шкіри, що в свою чергу залежить від її стану (товщина, вологість). Всередині тіла струм в основному розповсюджується кровоносними й лімфатичними судинами, м’язами й оболонками нервових волокон. Опір тканин залежить від стану організму. Наприклад, опір збільшується під час запальних процесів, які супроводжуються набуханням клітин так як при цьому зменшується переріз міжклітинних з’єднань. Зменшення опору відбувається під час стану підвищеної пітливості. Таблиця 1. Питомий опір деяких тканин й рідин організму Тканина або рідина Питомий опір, Ом·м Спиномозкова рідина 0,55 Кров 1,66 М’язи 2 Мозкова й нервова тканини 14,3 Жирова тканина 33,3 Суха шкіра 105 Кістка 107 Опір будь-якої системи змінному струму визначається активним й реактивним (індуктивним й ємнісним) опорами. В живих системах в якості конденсаторів виступають біологічні мембрани, а системи, які проявляють індуктивні якості, відсутні. Тому повний опір – імпеданс – біологічних систем визначається тільки омічним й ємнісним опорами: , (1) де R – омічний опір, XС – ємнісний опір. А прикладена напруга відстає за фазою від сили струму на кут φ: . (2) Значення кутів зсуву фаз для біологічних об’єктів наведені в табл..2. Таблиця 2. Кут зсуву фаз для різних біологічних об’єктів (при частоті 1 кГц) Біологічний об’єкт Кут зсуву фаз, градус Шкіра людини, жаби 55 Нерв жаби 64 М’яз кролика 65 Залежність імпедансу від частоти змінного струму відрізняються для здорових, хворих та мертвих тканин. На мал.1 наведений якісний вигляд частотної залежності імпедансу здорової (крива 1) та мертвої (кривої 2) тканин, в якій внаслідок впливу зовнішніх факторів (наприклад, термічний вплив) зруйновані мембрани, тобто відсутній ємнісний опір. Дослідження частотних залежностей імпедансу використовують в трансплантології, де вони проводяться перед пересадкою тканин та органів. Імпеданс тканин та органів змінюється під час наповнення кровоносних судин, тобто залежить від стану серцево-судинної системи. Реєстрація імпедансу тканин й органів в процесі серцевої діяльності лежить в основі діагностичного методу, які має назву реографія (імпеданс-плетизмографія). Знімають реограми серця (реокардіограми), головного мозку (реоенцефалограми), магістральних судин, легенів, печінки й кінцівок. Як правило, дослідження проводять на частоті 30 кГц. Z 1 2 0 lnω Мал.1 Подразнення здатний викликати тільки струм, довго тривалість якого перевищує деякий мінімальний час, потрібний для збудження м’язового волокна. Так як зі зростанням частоти струму довго тривалість подразнення зменшується, то після досягнення деякої порогової величини частоти ( ~ 105 Гц) струм вже не викликає скорочення м’язів. В цьому випадку виникає тільки тепловий ефект. Проходження електричного струму через провідник, якій має активний опір, супроводжується нагріванням останнього, так як прискоренні електричним полем носії заряду, зіштовхуючись з іншими частинками, передають їм частину своєї кінетичної енергії, що призводить до збільшення теплового руху частинок, внаслідок чого підвищується температура провідника. Кількість виділеного тепла розраховується за законом Джоуля-Ленца: Q = I2Rt, (3) де І – сила струму, R – опір, t – час впливу струмом. Розділивши даний вираз на об’єм й час, отримаємо кількість теплоти, яка виділяється в одиниці об’єму тканини за одиницю часу: q = j2ρ, (4) де j – щільність струму, ρ – питомий опір. Тепловий ефект електричного струму широко застосовується в медицині для прогрівання тканин, для чого використовують струм силою 10 – 15 мА, частотою ν ≥ 500 кГц (зсув іонів, який він викликає, безпечне для організму), напругою ~ 10 кВ. Високочастотні струми застосовуються в хірургії для з’єднання (діатермокоагуляції) й розсічення (діатермотомія) тканин. Постійний струм використовується для введення лікарських засобів – електрофорез. Під впливом електричного поля іони лікарського засобу проникають через шкіру в тканини. Від’ємно зарядженні частинки речовини (аніони) вводять з катоду, позитивні (катіони) – з аноду. Електрофорез має ряд переваг у порівнянні зі звичайними методами введення лікарських засобів, так як дозволяє вводити їх безпосередньо в тканини, обминаючи травневий тракт й кров. Гальванізація – це застосування з лікувальною метою постійного електричного струму малої сили (до 50 мА) і низької напруги (30-80 В) контактним методом.  Постійний струм отримують з допомогою апаратів для гальванізації: настінних АГН-1, АГН-2, портативних ГОП-3, АГП-33, апаратів ГР-2, ГР-1М, “Потік-1”. Гальванізацію проводять на поверхні тіла і в порожнинах. Методика електротерапії, в тому числі гальванізації і електрофорезу можуть бути місцеві (при дії на вогнище ураження), загальні, сегментарні (коли діють на ділянку проекції сегмента спинного мозку), і методики дії на рефлексогенні зони. Імпульсні струми застосовуються для стимуляції серця, нервових волокон, м’язів з метою відновлення їх скорочувальної або провідної функції. Так, пропускання через серце короткочасних імпульсів струму силою 10 А викликає рівномірну деполяризацію мембран й сприяє виникненню синхронного скорочення м’язів міокарда. Під час реанімації з цією метою використовують дефібрилятор. 2. Дія електромагнітного поля на біооб’єкти. УВЧ-терапія, НВЧ-терапія, мікрохвильова резонансна терапія тощо. Зі спектра ЕМ хвилі радіочастотного діапазону відокремлюють дециметровий або ультрависокочастотний (УВЧ) діапазон (λ = 1…0,1 м, ν = 3·108….3·109 Гц), й сантиметровий або надвисокочастотний (НВЧ) діапазон (λ = 10-1…10-2 м, ν = 3·109…3·1010 Гц), які мають найбільш виражений вплив на біологічні об’єкти. Мірою інтенсивності І мікрохвильового випромінювання є модуль вектора Пойтинга або щільність потоку енергії випромінювання: , (5) де Е – напруженість електричного поля, Н – напруженість магнітного поля. Щільність потоку енергії вимірюється в Вт/м2. Іноді під час дослідження впливу випромінювання на речовину використовують питомі значення потужності, яка поглинається одиницею об’єму або одиницею маси речовини, яка поглинає, вимірюються відповідно в Вт/м3 або Вт/кг. Дозою опромінення називається кількість енергії, яка поглинається одиницею маси об’єкта (Дж/кг). Дозиметрія мікрохвильового опромінення є досить складною, так як жива тканина негомогенна, від межі розділу (наприклад, шкіра-жирова тканина, жирова тканина – м’язова тканина)відбувається відображення випромінення, що призводить до виникнення стоячих хвиль в середовищі. ЕМ випромінення, особливо в НВЧ-діапазоні, підвищує температуру тканин на деяку величину ΔТ, причому ΔТ прямо пропорційна питомій потужності, яка поглинається, Р. Це дозволяє визначити потужність НВЧ-випромінення, яка поглинається, в залежності від нагрівання тканини: , (6) де Р – питома потужність, яка поглинається, ΔТ – зміна температури тканини, С – питома теплоємність речовини, t – час опромінення. Енергії мікрохвильового випромінення (1,24·10-6…1,21·10-4 еВ) недостатньо для виникнення електронно-збуджених станів. Тому вплив мікрохвильового випромінення на живі організми викликає теплові та нетеплові ефекти. Тепловий ефект ЕМ поля визначається його впливом як на іони, так і на нейтральні частинки. В першому випадку змінні поля викликають змінні струми провідності в тканинах, що супроводжується виділенням тепла Джоуля. В другому випадку електричне поле викликає поляризацію нейтральних молекул й виникнення струмів зсуву. Коливання частинок в змінному полі супроводжується тертям, і як наслідок, виділення теплової енергії. Зі зменшення частоти зовнішнього поля відповідно зменшується частота коливань частинок й теплові втрати зменшуються. З іншого боку, під час збільшення частоти електрони (у випадку деформаційної поляризації) або молекули (у випадку орієнтаційної поляризації)не встигають змінювати своє розташування в просторі, що також зменшує теплові втрати. Тобто при деякому значення частоти коливань тепловий ефект буде максимальним (резонанс поглинання). Це спостерігається коли співпадають частоти зовнішнього поля з власною частотою коливання частинок. Наприклад, у випадку орієнтаційної поляризації молекул води максимум поглинання знаходиться на частоті 1010 Гц, тобто в ПВЧ-діапазоні. Орієнтаційна поляризація молекул води є основним внеском в поглинання ЕМ випромінювання живими організмами. Тому тканини, в яких міститься багато води (м’язи, кров) нагріваються сильніше у порівняні з тими тканинами в яких води мало (кісткова та жирова тканини). Зміна енергії ЕМ поля в одиниці об’єму речовини за одиницю часу (питома потужність) складає: , (7) де σ – провідність, Е – напруженість електричного поля, ω – частота змінного електричного струму, ε – діелектрична проникність, tgδ – тангенс кута діелектричних втрат. В гомогенному просторі потужність випромінення зменшується в залежності від відстані за експоненціальним законом. Якщо в деякій точці простору з координатою х = 0 середнє значення потужності випромінення складає Р0, то в точці з координатою х воно складає: , (8) де α – коефіцієнт згасання. Однією з важливих характеристик ЕМ випромінювання є глибина його проникнення в тканини, тобто відстань, на якій потужність падаючої енергії зменшується в е раз. Глибина проникнення зворотно пропорційна коефіцієнту згасання: . (9) Зі збільшенням частоти випромінення й діелектричної проникності тканини глибина проникнення зменшиться. Чим більший вміст води в тканинах, тим менше d. Глибина проникнення УВЧ-хвиль (v = 3·108….3·109 Гц) в м’язовій тканині й шкірі складає 4 см, а в жировій й кістковій тканинах – близько 20 см. Нагрів тканин традиційними способами й нагрів, викликаний впливом ПВЧ-випромінювання, суттєво відрізняються. В першому випадку відбувається нагрів поверхневих шарів, й проникнення тепла в більш глибокі шари залежить від теплопровідності тканини, в той час як УВЧ- та НВЧ-опромінення викликають нагрів всього об’єму об’єкта, який опромінюється. Саме цей об’ємний тепловий ефект використовують в медицині. Нагрів, викликаний УВЧ- та НВЧ-випроміненням, неоднорідний внаслідок неоднорідності самого організму. Найбільш чутливими органами є ті, які мають хорошу теплоізоляцію й/або недостатнє кровозабеспечення, наприклад, внутрішні органи, кришталик й скловидне тіло ока. Пухлини погано забезпечуються кров’ю, що зменшую розсіювання тепла. Тому при НВЧ-опромінюванні пухлина нагрівається сильніше, ніж здорові тканини. На цьому основується лікування онкологічних захворювань НВЧ-прогріванням. В останній час виявлений вплив на організм випромінення малої інтенсивності, який не призводить до суттєвого підвищення температури тканин. Наприклад, зміна проникності мембран еритроцитів спостерігалось при інтенсивності опромінення 10-1 Вт/м2, тобто в умовах які виключають значний нагрів тканин. Довготривале НВЧ-опромінення викликає гіпоксію, зниження працездатності, підвищення стомленості, а також ряд інших порушень, особливо в нервовій й серцево-судинній системах. Для осіб, професійно пов’язаних з НВЧ-опроміненням, інтенсивність неперервного випромінення на протязі 8 годин не повинна перевищувати 0,1 Вт/м2. 3. Магнітні властивості речовин. Фізичні основи магнітобіології. Магнітотерапія, індуктотермія. Магнітне поле існує завжди і скрізь, де відбувається упорядкований рух електрично заряджених частинок речовини. Магнітне поле створюється лише рухомими зарядами і діє лише на рухомі заряди. Сила, з якою магнітне поле діє на провідник зі струмом, називається силою Ампера - FА. Розділивши силу Ампера на силу струму І й активну довжину провідника l дізнаємося з якою силою магнітне поле діє на провідник зі струмом у 1 А й активною довжиною 1 м. Цю величину назвали індукцією магнітного поля: . Індукція магнітного поля є векторною величиною. За напрям вектора приймають напрям позитивної нормалі встановленого в магнітному полі пробного контуру зі струмом. Обертальний момент, якій діє на контур, пропорційний до сили струму І в ньому й площі S контуру й не залежить від його форми. Добуток , називається магнітним моментом, це векторна величина, напрям якої співпадає з напрямом позитивної нормалі до даного контуру: , де - псевдовектор, якій дорівнює за модулем площі контуру, а за напрямом співпадає з напрямом позитивної нормалі. Закон Ампера: сила, з якою магнітне поле діє на провідник зі струмом, пропорційна індукції магнітного поля, силі струму в провіднику, його активній довжині та синусу кута між напрямами струму й магнітної індукції: . Магнітний момент, зумовлений обертанням електрона навколо ядра, називають орбітальним магнітним моментом електрона р. Орбітальний магнітний момент електрона, як і його електричний заряд, уже не ділиться на дрібніші порції й, отже, виконує роль елементарного магнітного моменту – магнетон Бора: μБ = 9,27·1024 А·м2. Крім орбітального електрон має також і власний момент імпульсу, якій має назву спін. Отже крім орбітального магнітного моменту електрон має також спіновий магнітний момент який теж дорівнює магнетону Бора. За своїми магнітними властивостями речовини поділяються на три групи: діамагнітні; парамагнітні; феромагнітні. До діамагнетиків належать такі речовини, молекули або атоми яких не мають власного магнітного моменту. Зовнішнє магнітне поле не підсилюється в діамагнетиках, а навпаки, індукція магнітного поля струму дещо ослаблюється. Магнітне сприйняття діамагнетиків від’ємне, мале за модулем й практично не залежить від температури, а відносна магнітна проникність менша за одиницю. До чистих діамагнетиків належать інертні гази, срібло, золото, цинк, мідь, Se, Р, С, вода, білки, вуглеводи. Парамагнетиками є речовини, молекули (або атоми) яких при відсутності зовнішнього магнітного поля мають відмінний від нуля магнітний момент. До парамагнетиків відносять повітря, Cr, Mn, Sn, Al, Pt, Na, K, O, N, NO. До феромагнетиків відносять речовини, розділенні на малі області (домени), всередині яких магнітні моменти атомів або молекул цієї речовини самовільно розташовані паралельно один до одного. До феромагнетиків відносять Fe, Co, Ni та їх поєднання. Широко застосовуються в медицині, наприклад, для видалення магнітного пилу й частинок з очей або ран; в хірургії для поєднання кінців прооперованої кишки. Живі тканини організму людини в основному належать до діамагнетиків, поряд з цим є невелика кількість молекул та іонів яким притаманні властивості парамагнетиків. Феромагнетиків в організмі людини немає.

Схожі: