ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 17.12.2021
Просмотров: 1004
Скачиваний: 3
Л. І. Григор’єва, Ю. А. Томілін
214
супроводжуються витратами енергії на подолання сил зв’язку між
молекулами, які утримують молекули в рівноважному стані. Ці
діелектричні втрати визначаються за 9.3.2. Співвідношення між
кількостями тепла, котре виділяється у розчині електроліту і в
діелектрику, залежить як від їхньої природи (для розчину електроліту
ще й від концентрації), так і від частоти поля.
При частоті поля, прийнятій у терапевтичному методі (40 МГц),
при невисокій концентрації тканинних електролітів і при відносно
значних втратах у тканинах-діелектриках нагрівання діелектричних
тканин організму відбувається більш інтенсивно, ніж тканин, котрі
проводять струм. Цим, наприклад, тепловий ефект при УВЧ-терапії
відрізняється від інтуктотермії.
Обертальні коливання полярних молекул або окремих частин
органічних молекул, які виникають у змінному (УВЧ) електричному
полі, здійснюють значний вплив на фізіологічний стан клітини (цю дію
поля називають
осциляторною
), тому при УВЧ-терапії тепловий ефект
не завжди є головною метою процедури. У багатьох випадках важливим є
значний вплив на фізіологічний стан клітини, що змінюється під
впливом коливань полярних молекул або окремих частин органічних
молекул у змінному УВЧ електричному полі.
Використання змінного магнітного поля в медичних цілях.
Якщо розмістити біологічну тканину у змінному магнітному полі, яке
утворюється струмом, що протікає з частотою 10-15 МГц по спіралі з
гибкого кабелю, яка охоплює певну ділянку тіла і служить своєрідним
електродом (
рис. 8.3.2.
), то внаслідок явища електромагнітної індукції
в тканинах, які проводять струм, утворюються
вихрові струми
(струми Фуко), які і нагрівають цю тканину. Нагрівання області тіла
при дії високочастотного поля (частота 10-15 МГц) називається
і н д у к т о т е р м і є ю .
Рис. 8.3.2.
Схема розміщення біологічної тканини (ділянки тіла) при
індуктотермії
Основи біофізики і біомеханіки
215
На
рис. 8.3.3.
пунктиром показані лінії магнітного струму, а
нероздільними лініями – вихрові потоки. Вихрові струми утворюються
переважно в тканинах, що проводять струм та які містять електроліти.
Метод індуктотермії є тим ефіективнішим, чим вищою є частота
змінного магнітного поля тіла. При індуктотермії сильніше нагріваються
тканини з невеликим питомим опором: тканини, які багаті на судини,
наприклад, м’язи; а слабше нагріваються жирові тканини.
Зазвичай при індуктотермії застосовують місцевий вплив змінного
магнітного поля, використовуючи спіралі або плоскі згорнуті кабелі.
Для впливу на кінцівки застосовують циліндричну спіраль, на тулуб –
плоску спіраль, яка накладється на відповідну ділянку тіла.
Рис. 8.3.3.
Схема утворення вихрових струмів при індуктотермії
Кількість тепла, що виділяється у тканинах при індуктотерімії, є
пропорційною квадратам частоти і індукції змінного магнітного поля
і зворотно пропорційна питомому опору
:
q
=
t
B
k
t
B
k
m
m
2
2
2
2
2
2
2
sin
sin
,
(8.3.4)
де
k
– коефіцієнт, який залежить від розмірів тканини,
В
– магнітна
індукція у всіх точках,
ρ
– питомий опір тканини,
ω
– частота струму.
Лікування вихровими струмами можливо також при
з а г а л ь н і й
д а р с о н в а л і з а ц і ї
. В цьому випадку пацієнта розміщують у
клітці-соленоїді, крізь витки якої пропускають імпульсний струм
високої частоти.
Використовується також індуктотермія при УВЧ магнітному полі.
Л. І. Григор’єва, Ю. А. Томілін
216
§ 8.4. БІОЛОГІЧНА ДІЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО
ВИПРОМІНЮВАННЯ РАДІОЧАСТОТНОГО ДІАПАЗОНУ ТА
ВИКОРИСТАННЯ В МЕДИЦИНІ
Біологічні тканини і органи, як складні біологічні системи з
певними електричними властивостями, піддаються також впливу
електромагнітного випромінювання, а деякі ефекти від цього впливу
використовується у медичних цілях (
табл. 8.4.1
.).
Механізм біологічної дії електромагнітних хвиль радіочастотного
діапазону.
Природними джерелами хвиль радіочастотного діапазону є
Сонце, планети та інші космічні об’єкти. З них найбільшу інтенсивність
має сонячне випромінювання, щільність потоку енергії якого при
входженні до атмосфери Землі складає 1 360 Вт/м
2
. У радіозв’язку,
промисловості, медицині широко використовують штучні джерела
радіовипромінювання. Вплив мікрохвильового випромінювання на
біооб’єкти вивчають, використовуючи в якості джерел електромагнітного
випромінювання клістрони, магнетрони та ін.
З усього радіохвильового спектра (табл. 12.1.) виділяються деци-
метровий, або ультрависокочастотний (УВЧ) діапазон (
λ
= 1...0,01м,
υ
=
3
.
10
8
...3
.
10
9
Гц), і с а н т и м е т р о в и й , або зверхвисокочастотний
(ЗВЧ) діапазон (
λ
= 10
-1
...10
-2
м,
υ
= 3
.
10
9
...3
.
10
10
Гц).
Мірою інтенсивності
I
мікрохвильового випромінювання є
щільність
потоку енергії випромінювання (модуль вектора Пойтинга
):
,
H
E
I
(8.4.1.)
де
Е
– напружність електричного поля,
Н
– напружність магнітного
поля. Щільність потоку вимірюється у Вт/м
2
.
Іноді при дослідженні впливу випромінювання на речовину корис-
туються питомими значеннями поглинутої енергії в одиниці об’єму або
одиниці маси речовини, що вимірюють відповідно у Вт/м
3
або Вт/кг.
Кількість поглинутої енергії одиницею маси об’єкта називають
д о з о ю
о п р о м і н е н н я
(Дж/кг).
Електромагнітне випромінювання, особливо у ЗВЧ діапазоні, підвищує
температуру тканини на деяку величину
T
, причому
T
є прямо
пропорційною питомій поглиненій потужності
P
. Це дозволяє визначити
поглинену потужність ЗВЧ-випромінювання в залежності від нагрівання
тканини за формулою:
,
4186
t
T
C
P
(8.4.2.)
де
С
– питома теплоємність речовини,
t
– час опромінення.
Основи біофізики і біомеханіки
217
Таблиця 8.4.1
Електромагнітне випромінювання: дія на біологічні об’єкти і застосування в медицині [33]
Радіохвилі довгі,
середні, короткі,
УВЧ, ЗВЧ
Інфрачервоне
випромінювання
Видиме світло
Іонізуюче випромінювання
Ультрафіолетове
Рентгенівське
Гамма-
випромінювання
Довжина хвилі, м
10
8
...10
-3
10
-3
...7,6
.
10
-7
7,6
.
10
-7
...3,8
.
10
-7
3,8
.
10
-7
... 10
-8
10
-7
... 10
-12
10
-10
... 10
-13
і менше
Полоса частот, м
3...3
.
10
11
3
.
10
11
... 3,95
.
10
11
3,95
.
10
11
...
7,9
.
10
14
7,9
.
10
14
... 3
.
10
16
3
.
10
16
... 3
.
10
20
3
.
10
18
... 3
.
10
21
і більше
Енергія кванту,
еВ
1,24
.
10
-14
...1,24
.
10
-3
1,24
.
10
-3
...1,63
1,63...3,27
3,27...1,24
.
10
2
12,4...1,24
.
10
6
1,24
.
10
4
... 1,24
.
10
7
Дія на речовину
Виникнення
струмів
провідності;
поляризація
діелектриків.
Тепловий ефект
Коливання ядер і
обертання молекул
Збудження
молекул
Збудження і іонізація
молекул
Іонізація
за
рахунок
фото- і комптон-ефектів
Іонізація за рахунок
фото-
і
комптон-
ефектів, утворення пар
Біологічний
ефект
Порушення
водневих зв’язків і
гідрофобних
взаємозв’язків;
зміна гідратації і
конформації
макромолекул
Тепловий ефект.
Активація
терморецепторів у
тварин
Зоряна реакції
у тварин;
фотосинтез у
рослин
Синтез вітамину
D
і
пігменту меланіну у
людини.
Канцерогенез.
Бактерицидний ефект
Первинні і вторинні радіобіологічні ефекти, які
призводять до пошкодженню окремих
біологічних молекул і організму в цілому
Застосування в
терапії
Лікувальне
прогрівання УВЧ- і
СВЧ-хвилями
(УВЧ- і СВЧ-
терапія)
ІЧ-прогрівання
Лазерна
терапія
УФ-терапія шкіряних і
онкологічних
захворювань
Рентгенотерапія
Гамма-терапія
Застосування в
клінічній
діагностиці
Тепловізійні методи діагностики
Методи діагностики, які засновані на
явищі люмінісценції
Рентгендіагностика;
рентгенографія і
рентгеноскопія,
компьютерна томографія
Радіонуклідні методи
діагностики
218
Енергія мікрохвильового випромінювання (1,24.10
-6
...1,24.10
-4
еВ) є
недостатньою для виникнення електронно-збуджених станів. Тому
вплив мікрохвильового випромінювання на живі організми викликає
теплові і нетеплові ефекти.
Тепловий ефект електромагнітного поля визначається його
впливом як на іони, так і на нейтральні частинки. У першому випадку
змінні поля викликають змінні струми провідності у тканинах, що
супроводжується виділенням
джоулева тепла
. У другому випадку
електричне поле викликає поляризацію нейтральних молекул і
виникнення
струмів зміщення
.
Коливання частиць у змінному полі супроводжується тертям, а
через це – виділенням теплової енергії. Зі зменшенням частоти
зовнішнього поля відповідно зменшується частота коливань частиць і
теплові втрати є меншими. З іншого боку, при збільшенні частоти
електрони (у випадку деформаційної поляризації) або молекули (у
випадку орієнтаційної поляризації) можуть не встигати змінювати своє
положення у просторі, що також знижує теплові втрати. З цього маємо,
що при деякому значенні частоти коливань тепловий ефект буде
максимальним (
резонанс поглинання
). Це спостерігається у випадку
співпадання частоти зовнішнього поля із зовнішньою частотою коливань
частиці. Наприклад, у випадку орієнтаційної поляризації молекул води
максимум поглинання знаходиться на частоті 10
10
Гц, тобто лежить у
зверхчастотному (ЗВЧ) діапазоні. Орієнтаційна поляризація молекул
води здійснює основний внесок у поглинання електромагнітного
випромінювання живими організмами. Тому тканини, в яких вміст
води є великим, нагріваються сильніше (наприклад, м’язи і кров)
порівняно з тими, де вміст води є меншим (кісткова і жирова тканини).
Однією з важливих характеристик електромагнітного випромінювання
є глибина його проникнення
d
у тканини. З підвищенням частоти
випромінювання і діелектричної проникності тканини, глибина
проникнення зменшується. Чим більшим є вміст води у тканині, тим
меншим є
d
. Наприклад, глибина проникнення ультрависокочастотних
(УВЧ) хвиль (
υ
= 3
.
10
8
...3
.
10
9
Гц) у м’язовій тканині і шкірі складає біля
4 см, а в жировій і кістковій тканині – біля 20 см. Ці ж показники для
ЗВЧ-хвиль (
υ
= 3
.
10
9
...3
.
10
10
Гц) складають вже відповідно 2 і 10 см.
Нагрівання тканини традиційними способами і нагрівання, яке
викликане впливом ЗВЧ-випромінювання, істотно відрізняються. В
першому випадку відбувається нагрівання поверхневого шару, і
проникнення тепла у більш глибокі шари залежить від теплопро-
відності тканини, в той час як УВЧ і ЗВЧ-випромінювання викликають
нагрівання усього об’єму опроміненого об’єкта. Зі зменшенням довжини