Глава 19. Физические процессы в тканях при воздействии током и электромагнитными полями

Все вещества состоят из молекул, каждая из них является системой зарядов, поэтому состояние тел существенно зависит от протекающих через них токов и от воздействующего электромагнитного поля. Электрические свойства биологических тел сложнее, чем свойства неживых объектов, ибо организм - это еще и совокупность ионов с переменной концентрацией в пространстве. Первичный механизм воздействия токов и электромагнитных полей на организм - физический, он и рассматривается в главе применительно к медицинским лечебным методам.

19.1. ПЕРВИЧНОЕ ДЕЙСТВИЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА НА ТКАНИ ОРГАНИЗМА. ГАЛЬВАНИЗАЦИЯ. ЭЛЕКТРОФОРЕЗ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ВЕЩЕСТВ

Человеческий организм в значительной степени состоит из биологических жидкостей, содержащих большое количество ионов, которые участвуют в различных обменных процессах.

Под влиянием электрического поля ионы движутся с разной скоростью и скапливаются около клеточных мембран, образуя встречное электрическое поле, называемое поляризационным. Таким образом, первичное действие постояннного тока связано с движением ионов, их разделением и изменением их концентрации в разных элементах тканей.

Воздействие постоянного тока на организм зависит от силы тока, поэтому весьма существенно электрическое сопротивление тканей и прежде всего кожи. Влага, пот значительно уменьшают сопротивление, что даже при небольшом напряжении может вызвать значительный ток через организм.

Непрерывный постоянный ток напряжением 60-80 В используют как лечебный метод физиотерапии (гальванизация).

Источником тока обычно служит двухполупериодный выпрямитель - аппарат для гальванизации. Применяют для этого электроды из

листового свинца или станиоля толщиной 0,3-0,5 мм. Так как продукты электролиза раствора поваренной соли, содержащегося в тканях, вызывают прижигание, то между электродами и кожей помещают гидрофильные прокладки, смоченные, например, теплой водой.

Дозируют силу постоянного тока по показаниям миллиамперметра, при этом обязательно учитывают предельно допустимую плотность тока - 0,1 мА/см².

Постоянный ток используют в лечебной практике также для введения лекарственных веществ через кожу или слизистые оболочки. Этот метод получил название электрофореза лекарственных веществ.

Для этой цели поступают так же, как и при гальванизации, но прокладку активного электрода смачивают раствором соответствующего лекарственного вещества.

Лекарство вводят с того полюса, зарядом которого оно обладает: анионы вводят с катода, катионы - с анода.

Введение лекарственных веществ с помощью постоянного тока хорошо иллюстрирует следующий опыт. Двум кроликам выбривают участки кожи на обоих боках и к выбритым местам прикрепляют фланелевые прослойки; одни из них смочены раствором азотнокислого стрихнина, другие - раствором поваренной соли (рис. 19.1). На фланель накладывают электроды и пропускают по цепи ток силой 50 мА. Спустя некоторое время кролик, у которого стрихнин на аноде, погибает при типичных явлениях отравления этим веществом. Другой же кролик, у которого стрихнин на катоде, не погибает, но если изменить направление тока, то и он погибнет.

Гальванизацию и электрофорез лекарственных веществ можно осуществлять с помощью жидкостных электродов в виде ванн, в которые погружаются конечности пациента.

19.2.ВОЗДЕЙСТВИЕ ПЕРЕМЕННЫМИ (ИМПУЛЬСНЫМИ) ТОКАМИ

Действие переменного тока на организм существенно зависит от его частоты. При низких, звуковых и ультразвуковых частотах (см. 18.9) переменный ток, как и постоянный, вызывает раздражающее действие на биологические ткани. Это обусловлено смещением ионов растворов электролитов, их разделением, изменением их концентрации в разных частях клетки и межклеточного пространства.

Раздражение тканей зависит и от формы импульсного тока, длительности импульса и его амплитуды. Так, например, увеличение крутизны фронта импульса уменьшает пороговую силу тока, который вызывает сокращение мышц. Это свидетельствует о том, что мышцы приспосабливаются к изменению силы тока, наступают ионные компенсационные процессы. Крутизна прямоугольного импульса очень большая (теоретически - бесконечная), поэтому для таких импульсов пороговая сила тока меньше, чем для других. Существует определенная связь между пороговой I_max амплитудой и длительностью прямоугольного импульса, который вызывает раздражение (рис. 19.2). Каждой точке кривой и точкам, лежащим выше кривой, соответствуют импульсы, которые вызывают сокращение мышц. Точки, расположенные ниже кривой, отображают импульсы, не вызывающие раздражения. Кривая на рисунке называется характеристикой возбуждения. Она специфична для разных мышц.

Так как специфическое физиологическое действие электрического тока зависит от формы импульсов, то в медицине для стимуляции центральной нервной системы (электросон, электронаркоз), нервно-мышечной системы, сердечно-сосудистой системы (кардиостимуляторы, дефибрилляторы) и т.д. используют токи с различной временной зависимостью.

Ток с импульсами прямоугольной формы с длительностью импульсов т_и = 0,1-1 мс и диапазоном частот 5-15 0 Гц используют для лечения электросном, токи с т_и = 0,8-3 мс и диапа-

зоном частот 1-1,2 Гц применяют во вживляемых (имплантируемых) кардиостимуляторах. Ток с импульсами треугольной формы (рис. 19.3, а; т_и = 1-1,5 мс, частота 100 Гц), а также ток экспоненциальной формы, импульсы которого медленно нарастают и

сравнительно быстро спадают (рис. 19.3, б; т_и = 3-60 мс, частоты 8-80 Гц) применяют

для возбуждения мышц, в частности при электрогимнастике. Для разных видов электролечения используют диадинамические токи, предложенные Бернаром. На рис. 19.3, в показана форма одного из видов такого импульсного тока, частота следования импульсов около 100 Гц.

Действие переменного (гармонического) тока на организм при низких, звуковых и ультразвуковых частотах оценивается следующими пороговыми значениями: порогом ощутимого тока и порогом неотпуска-ющего тока.

Порогом ощутимого тока называют наименьшую силу тока, раздражающее действие которого ощущает человек. Эта величина зависит от места и площади контакта тела с подведенным напряжением, частоты тока, индивидуальных особенностей человека (пол, возраст, специфика организма). Для однородных групп испытуемых порог ощутимого тока подчиняется закону нормального распределения со средним значением около 1 мА на частоте 50 Гц у мужчин для участка предплечье-кисть, на рис 19.4 (кривая 1) показана зависимость среднего значения порога ощутимого тока для этой группы испытуемых от частоты тока.

Если увеличивать силу тока от порога ощутимого его значения, то можно вызвать такое сгибание сустава, при котором человек не сможет самостоятельно разжать руку и освободиться от проводника - источника напряжения. Минимальную силу этого тока называют порогом неот-пускающего тока. Токи меньшей силы являются отпускающими. Порог неотпускающего тока - важный параметр, его превышение может быть губительным для человека. Значения порога неотпускающего тока также подчиняются закону нормального распределения. На рис. 19.4 (кривая 2) графически представлена зависимость среднего по группе испытуемых мужчин значения порога неотпускающего тока от частоты.

Воздействуя на сердце, ток может вызвать фибрилляцию желудочков, которая приводит к гибели человека. Пороговая сила тока, вызы-

вающего фибрилляцию, зависит от плотности тока, протекающего через сердце, частоты и длительности его действия.

При частотах приблизительно более 500 кГц смещение ионов становится соизмеримым с их смещением в результате молекулярно-теплового движения, поэтому ток или электромагнитная волна не будет вызывать раздражающего действия. Основным первичным эффектом в этом случае является тепловое

воздействие. Лечебное прогревание высокочастотными электромагнитными колебаниями обладает рядом преимуществ перед таким традиционным и простым способом, который реализуется грелкой.

Прогревание грелкой внутренних органов осуществляется за счет теплопроводности наружных тканей - кожи и подкожножировой клетчатки. Высокочастотное прогревание происходит за счет образования теплоты во внутренних частях организма, т.е. его можно создать там, где оно нужно. Выделяемая теплота зависит от диэлектрической проницаемости тканей, их удельного сопротивления и частоты электромагнитных колебаний. Подбирая соответствующую частоту, можно осуществлять «термоселективное» воздействие, т.е. преимущественное образование теплоты в нужных тканях и органах.

Прогревание высокочастотными колебаниями удобно и тем, что, регулируя мощность генератора, можно управлять мощностью тепловыделения во внутренних органах, а при некоторых процедурах возможно и дозирование нагрева. Кроме теплового эффекта электромагнитные колебания и волны при большой частоте вызывают и внутримолекулярные процессы, которые приводят к некоторым специфическим воздействиям.

Чтобы нагреть ткани, необходимо пропускать большой ток.

Как уже было отмечено, в этих случаях постоянный ток или ток низкой, звуковой и даже ультразвуковой частот может привести к электролизу и разрушению ткани. Поэтому для нагревания токами используются токи высокой частоты (см. 18.9).

Мощность тока, расходуемую на нагревание тканей, вычислим по формуле Р = I²R. Преобразуем ее, считая, что биологическая ткань расположена между двумя плоскими электродами с площадью S, находящимися на расстоянии l вплотную к ним (аналогично тому, что изображено на рис. 15.2).

Как и следовало ожидать, q зависит от плотности тока и удельного сопротивления ткани.

Пропускание тока высокой частоты через ткань используют в физиотерапевтических процедурах, называемых диатермией и местной дарсонвализацией.

При диатермии применяют ток частотой около 1 МГц со слабозатухающими колебаниями, напряжение 100-150 В; сила тока несколько ампер. Так как наибольшим удельным сопротивлением обладают кожа, жир, кости, мышцы, то они и нагреваются сильнее. Наименьшее нагревание у органов, богатых кровью или лимфой, - легкие, печень, лимфатические узлы. Недостаток диатермии - большое количество теплоты непродуктивно выделяется в слое кожи и подкожной клетчатке.

В последнее время диатермия уходит из терапевтической практики и заменяется другими методами высокочастотного воздействия. Это обусловлено повышенной опасностью диатермии: неисправность аппарата, случайное искрение в месте наложения электродов при прямом двухполюсном касании биометаллического объекта и значительном то-

ке могут привести к трагическим последствиям.

Для местной дарсонвализации применяют ток частотой 100-400 кГц, напряжение его - десятки киловольт, а сила тока небольшая -10-15 мА.

Ток к пациенту П (рис. 19.5) поступает от источника высокочастотных колебаний И через вакуумный или заполненный графитом стеклянный электрод Э. Второго электрода нет, так как цепь замкнута (пунктирное изображение конденсатора) через те-

ло пациента и окружающую среду токами смещения. Действующим фактором является не только импульсный ток высокой частоты, но и электрический разряд, возникающий между кожей пациента и электродом.

Токи высокой частоты используются и для хирургических целей (электрохирургия). Они позволяют прижигать, «сваривать» ткани (диа-термокоагуляция) или рассекать их (диатермотомия).

При диатермокоагуляции применяют плотность 6-10 мА/мм², в результате чего температура ткани повышается и ткань коагулирует. При диатермотомии плотность тока доводят до 40 мА/мм², в результате чего острым электродом (электроножом) удается рассечь ткань. Электрохирургическое воздействие имеет определенные преимущества перед обычным хирургическим вмешательством.

19.3. ВОЗДЕЙСТВИЕ ПЕРЕМЕННЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ

В 17.4 было показано, что в массивных проводящих телах, находящихся в переменном магнитном поле, возникают вихревые токи. Эти токи могут использоваться для прогревания биологических тканей и органов. Такой лечебный метод - индуктотермия - имеет ряд преимуществ перед методом, изложенным в 19.2.

Рассмотрим, от каких факторов зависит степень нагревания тканей при индуктотермии. Схема воздействия показана на рис. 19.6. Из формул (17.6) и (16.7) можно приближенно записать для вихревых токов:

где k₁ - некоторый коэффициент, учитывающий геометрические размеры образца (ткани). Предположим, что магнитная индукция поля изменяется по гармоническому закону В = В_тах coscoi, тогда

19.4. ВОЗДЕЙСТВИЕ ПЕРЕМЕННЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ

В тканях, находящихся в переменном электрическом поле (см. схематическое изображение на рис. 19.7), возникают токи смещения и токи проводимости. Обычно для этой цели используют электрические поля ультравысокой частоты, поэтому соответствующий физиотерапевтический метод получил название УВЧ-терапии. Для того чтобы оценить эффективность действия поля УВЧ, необходимо рассчитать количество теплоты, выделяющееся в проводниках и диэлектриках.

Пусть тело, проводящее электрический ток, находится в переменном электрическом поле. В данном случае электроды не касаются тела. Поэтому выделяющееся в теле количество теплоты целесообразно выразить не через плотность тока на электродах [см. (19.2)], а через напряженность Е электрического поля в проводящем теле.

В этом примере (см. векторную диаграмму на рис. 18.6, б) мощность не поглощается в конденсаторе и ток смещения полностью реактивный. В реальном диэлектрике небольшой ток проводимости и периодическое изменение поляризации вызывают поглощение подводимой электрической мощности, диэлектрик нагревается, на что расходуется часть энергии переменного электрического поля, т.е. имеют место диэлектрические потери.

Как видно из формулы (19.7), наличие потерь в диэлектрике означает, что между силой тока и напряжением будет сдвиг по фазе φ Φ π/2

(рис. 19.8).

Представим вектор тока I двумя составляющими: реактивной 1_р и активной 1_а. Реактивная составляющая сдвинута по фазе относительно напряжения ина π/2 и не вызывает диэлектрических потерь, активная составляющая направлена вдоль вектора напряжения, она и обусловливает диэлектрические потери. Угол δ между Iи 1_р называют углом диэлектрических потерь. Как видно на рис. 19.8, чем больше этот угол, тем больше активная составляющая силы тока. На практике реактивную и

¹ Эффективная напряженность электрического поля, аналогично силе тока и напряжению, связана с максимальным значением соотношением E = E_max / V2.

(под Е следует понимать эффективную напряженность электрического поля).

Сопоставляя формулы (19.6) и (19.13), можно заметить, что в обоих случаях выделяемое количество теплоты пропорционально квадрату эффективной напряженности электрического поля. Она также зависит от характеристик среды, а для диэлектрика - и от частоты поля.

В России в аппаратах УВЧ используют частоту 40,58 МГц, в случае токов такой частоты диэлектрические ткани организма нагреваются интенсивнее проводящих.

19.5. ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ВОЛНАМИ

Физиотерапевтические методы, основанные на применении электромагнитных волн СВЧ-диапазона, в зависимости от длины волны получили два названия: микроволновая терапия (частота 2375 МГц, длина волны 12,6 см) и ДЦВ-терапия, т.е. терапия дециметровых волн (частота 460 МГц, длина волны 65,2 см).

Наиболее разработана в настоящее время теория о тепловом действии СВЧ-полей на биологические объекты. Электромагнитная волна поляризует молекулы вещества и периодически переориентирует их как электрические диполи. Кроме того, электромагнитная волна воздействует на ионы биологических систем и вызывает переменный ток проводимости. Таким образом, в веществе, находящемся в электромагнитном поле, есть как токи смещения, так и токи проводимости. Все это приводит к нагреванию вещества. Большое значение имеют токи смещения, обусловленные переориентацией молекул воды. В связи с этим максимальное поглощение энергии микроволн происходит в таких тканях, как мышцы и кровь, а в костной и жировой ткани воды меньше, они меньше и нагреваются.

На границе сред с разными коэффициентами поглощения электромагнитных волн, например на границе тканей с высоким и низким содержанием воды, могут возникнуть стоячие волны, обусловливая местный перегрев тканей. Наиболее подвержены перегреву ткани с недоста-

точным кровоснабжением и, следовательно, плохой терморегуляцией, например хрусталик глаза, стекловидное тело и др.

Электромагнитные волны могут влиять на биологические процессы, разрывая водородные связи и влияя на ориентацию макромолекул ДНК

и РНК.

При попадании электромагнитной волны на участок тела происходит ее частичное отражение от поверхности кожи. Степень отражения зависит от различия диэлектрических проницаемостей воздуха и биологических тканей. Если облучение электромагнитными волнами осуществляется дистанционно (на расстоянии), то может отражаться до 75% энергии электромагнитных волн. В этом случае невозможно по мощности, генерируемой излучателем, судить об энергии, поглощаемой пациентом в единицу времени. При контактном облучении электромагнитными волнами (излучатель соприкасается с облучаемой поверхностью) генерируемая мощность соответствует мощности, воспринимаемой тканями организма.

Глубина проникновения электромагнитных волн в биологические ткани зависит от способности этих тканей поглощать энергию волн, которая, в свою очередь, определяется как строением тканей (главным образом содержанием воды), так и частотой электромагнитных волн. Так, сантиметровые электромагнитные волны, используемые в физиотерапии, проникают в мышцы, кожу, биологические жидкости на глубину около 2 см, а в жир, кости - около 10 см. Для дециметровых волн эти показатели приблизительно в 2 раза выше.

Учитывая сложный состав тканей, условно считают, что при микроволновой терапии глубина проникновения электромагнитных волн равна 3-5 см от поверхности тела, а при ДЦВ-терапии - до 9 см.