Электрическое и магнитное поля. Их влияние на биологические ткани. Электропроводность биологических тканей и жидкостей при постоянном...

Электрическое и магнитное поля. Их влияние на биологические ткани. Электропроводность биологических тканей и жидкостей при постоянном...

Электрическое и магнитное поля. Их влияние на биологические ткани. Электропроводность биологических тканей и жидкостей при постоянном...

Электрическое и магнитное поля. Их влияние на биологические ткани.

Поляризация диэлектриков в электрическом поле

Поляризацией вещества в электрическом поле называют явление, упорядочивания связанных электрических зарядов, которые ориентируются так, что образуемое ими дополнительное электрическое поле направлено в сторону, противоположную внешнему полю.

1.Ориентационная поляризация. У некоторых диэлектриков (молекулы воды, солей, щелочей и кислот, спиртов, белков и других биополимеров) молекулы и при отсутствии внешнего поля всегда несимметричны в электрическом отношении, т.е. являются дипольными. Дипольные молекулы расположены в диэлектрике беспорядочно, и векторная сумма всех дипольных моментов в диэлектрике равна нулю. Под действием электрического поля все дипольные молекулы повернутся так, что их оси расположатся приблизительно вдоль силовых линий напряженности поля. В результате диэлектрик поляризуется.

Установление поляризации происходит через время, которое называется временем релаксации t. Для ориентационной поляризации t находится в пределах от 10-11 до 10-12с.

2.Электронная поляризация. Молекулы, в которых заряды электронов и ядер расположены так, что "центры тяжести" положительных и отрицательных зарядов совпадают, не обладают дипольными моментами. Под действием внешнего электрического поля положительный заряд смещается в направлении поля, а электронная оболочка вытягивается в противоположную сторону. Время релаксации 10-14-10-16с.

3.Ионная поляризация. Это процесс, происходящий в кристаллических диэлектриках с ионными решетками (NaCl, CsCl и др.). Под действием электрического поля положительные ионы смещаются в направлении вектора напряженности, а отрицательные - в противоположную сторону. Время релаксации 10-12-10-13с.

Электропроводность биологических тканей и жидкостей при постоянном токе

Биологические ткани и органы являются образованиями с различными электрическими сопротивлениями, которые могут изменяться при действии электрического тока. По проводимости организм неоднороден, в нем чередуются хорошо проводящие участки (нервные ткани, биологические жидкости) и участки с низкой проводимости (кожа, костная ткань, мембраны).

Сопротивление кожи определяется ее состоянием: толщиной, возрастом, влажностью и т.д. Электропроводность тканей и органов зависит от их функционального состояния и, следовательно, может быть использована как диагностический показатель.

Примерные значения удельного сопротивления тканей и жидкостей организма. Таблица 1.

Вещество

ρ, Ом м

Вещество

ρ, Ом м

Спинномозговая жидкость

0,55

Ткань мозговая и нервная

14,3

Сыворотка крови

0,71

Жировая ткань

33

Кровь

1,7

Кожа сухая

105

Мышцы

2,0

Кость без надкостницы

107

Печень

3,3

Серебро

1,6 10-8

Причины трудности измерения электросопротивления тканей и органов:

  1. Формула для вычисления сопротивления R=ρl/S применима для проводников, имеющих цилиндрическую форму. Биологические объекты имеют самую различную конфигурацию, и при вычислении их удельного сопротивления необходимы сложные расчеты.

  2. Органы и ткани неоднородны по своему составу. При наложение электродов на участок тела линии тока проходят через кожу, кровеносные сосуды, жировую и мышечную ткани.

  3. Параметры живых объектов изменяются как с физиологическими процессами, протекающими в организме, так и под воздействием протекающего через них тока.

  4. При измерении электросопротивления живых объектов необходимо использовать как можно меньшие токи, а это снижает точность измерения.

Поляризация в растворах электролитов

1.Электролитическая поляризация.

Жидкие среды организмов содержат слабые растворы различных электролитов, общая концентрация которых эквивалентна 0,9% раствору хлористого натрия. Рассмотрим процессы, происходящие на электродах, погруженных в слабый раствор хлористого натрия, к которым приложено постоянное напряжение. Происходят реакции диссоциации молекул в растворе:

1. NaClNa+ + Cl-

2. H2OH+ + OH-.

Под действием приложенного напряжения ионы натрия и водорода движутся к катоду. На катоде ионы водорода присоединяют электрон и превращаются в атомы водорода. Атомы соединяются в молекулы Н2 и выделяются в виде пузырьков газа:

3. H+ + e- → H.

Н+ + Н+ → Н2

Ионы натрия с ионами гидроксила образуют едкую щелочь:

4. Na+ + OH- → NaOH

Ионы хлора отдают электрон во внешнюю цепь и превращаются в атомы хлора:

5. Cl- → Cl + e-

Часть атомов Сl соединяется в молекулы и выделяется в виде пузырьков на электроде, другая часть, реагируя с водой, образует соляную кислоту с выделением О2.

В результате вторичных реакций на электродах пузырьки газа уменьшают их активную поверхность, ток в цепи с раствором электролита (при неизменном напряжении) с течением времени постепенно уменьшается. При физиологических исследованиях для того, чтобы исключить поляризацию, применяют неполяризующие электроды. Эти электроды изготовляются из того же металла что и раствор (например, в раствор соли того же металла). В этом случае на электродах происходит или растворение (на аноде), или выделение (на катоде) металла, из которого состоят электроды, и вторичные реакции не происходят.

2. Макроструктурная поляризация. Возникает в растворах электролитов на объектах, обладающих значительной электрической неоднородностью (например, на клетках или их органеллах). Положительные и отрицательные ионы, перемещаясь под действием внешнего электрического поля в противоположных направлениях, как в цитоплазме, так и во внеклеточной среде, доходят до поверхности мембраны и скапливаются около нее, так как мембрана не пропускает многие ионы. В результате клетка и ее органеллы приобретают дипольные моменты. Время релаксации макроструктурной поляризации 10-8 - 10-3с.

Физиологическое действие постоянного тока

Физиологическое действие постоянного тока сильно связано с процессами, происходящими в электролитах, заполняющих клетки и ткани. Если приложить к поверхности тела два электрода, то даже при слабых токах ощущается жжение, а при увеличении тока на коже появляется ожог. Для предупреждения этого явления используют неполяризующие электроды, а также помещают между металлическими электродами и кожей марлевую прокладку, смоченную физиологическим раствором.

Изменение концентрации ионов в тканях лежит в основе первичного действия постоянного тока на организм и используется в лечебном методе, называемом гальванизацией. Чаще всего гальванизацию совмещают с введением при помощи постоянного тока в ткани организма лекарст-венных веществ, образующих в растворе ионы или заряженные частицы. Растворами этих веществ смачиваются прокладки под электродами. Процедура называется лечебным электрофорезом.

Таблица 2. Некоторые вещества, вводимые путем электрофореза.

Движутся с анода

Движутся с катода

Натрий

Хлор

Кальций

Бром

Магний

Иод

Хинин (из хлористой соли)

Радикал фосфорной кислоты

Новокаин (из хлористой соли)

Радикал салициловой кислоты


Пенициллин (из натриевой или калиевой соли)

Что касается теплового эффекта, то при гальванизации он ничтожно мал, так как при терапевтических процедурах применяют токи, плотность которых не более 0,5 мА/см2.

Электрофорез – это движение частиц в электрическом поле по направлению к противоположно заряженному электроду.

Методы электрофореза применяют в основном для разделения и исследования электрохимических свойств коллоидных растворов, суспензий различных клеток: эритроцитов, лейкоцитов, бактерий, половых клеток и др., а также клеточных органоидов.

Переменный ток в биологических объектах

Переменным током называют ток, периодически изменяющийся по величине и направлению. Самый распространенный – синусоидальный переменный ток, мгновенные значения которого изменяются по гармоническому закону: u=Umsinw t или i=Imsinω t, где Um и Im - max значения напряжения и тока, ω=2πn - круговая частота переменного напряжения или тока.

Электросопротивление (или электропроводность) тесно связано со свойствами клеточных и межклеточных жидкостей. Измеряя относительные изменения их электросопротивления можно определить начало воспалительных процессов, что следует использовать в диагностике. В начале воспалительного процесса происходит набухание клеток и тканей, уменьшается сечение межклеточных промежутков, что ведет к возрастанию активного сопротивления. При дальнейшем развитии воспаления химический состав и структура клеток изменяются, и это ведет к уменьшению полного сопротивления. Таким образом, сильное уменьшение электросопротивления ткани на низких частотах может свидетельствовать о развитии воспалительного процесса.

Физические процессы в тканях при воздействии током и электромагнитными полями

1. Воздействие переменными токами.

Действие переменного электрического тока на организм существенно зависит от его частоты. При низких, звуковых и ультразвуковых частотах переменный ток, как и постоянный, вызывает раздражающее действие на биологические ткани:

– При низких частотах порядка 50-100 Гц смещения ионов достаточны, чтобы вызвать изменение их концентрации по обе стороны клеточной мембраны, сопровождающееся раздражающим действием на клетку.

– При средних частотах раздражающее действие тока уменьшается.

– При достаточно высокой частоте порядка сотен килогерц смещения ионов становятся настолько малыми и соизмеримыми со смещением при тепловом движении, что уже не вызывают заметного изменения их концентрации и не оказывают раздражающего действия.

Снижение раздражающего действия переменного тока и соответствующее увеличение его пороговой величины в зависимости от частоты было установлено Нернстом. При частоте 0,1 3 кГц пороговый ток iП увеличивается прямо пропорционально корню квадратному из частоты: . При частоте 50 - 300 кГц пороговый ток iП2u , где К1 и К2 - постоянные.

Переменный ток частотой 4 - 5 кГц применяется, подобно импульсным токам, для целей электростимуляции, а частотой 20 - 30 кГц (при небольших силах тока) - при измерении, например, полного сопротивления тканей организма. При частоте 200 кГц и выше переменный ток не оказывает раздражающего действия, но оказывает тепловое действие, в связи, с чем высокочастотные токи применяется для тепловых лечебных процедур - прогревание глубоко лежащих тканей организма. Наибольшим удельным сопротивлением обладают кожа, жир, кости, мышцы, то они нагреваются сильнее. Наименьшее нагревание у органов, богатых кровью или лимфой – печень, легкие, лимфатические узлы.

Воздействуя на сердце, ток может вызвать фибрилляцию желудочков, которая приводит к гибели человека. Пороговая сила тока, вызывающая фибрилляцию, зависит от плотности тока, протекающего через сердце, частоты и длительности его действия.

Электрические колебания подразделяются по частоте на несколько диапазонов:

– Низкочастотные - частота ниже 20 Гц;

– Звуковой частоты - 20Гц - 20кГц;

– Ультразвуковые частоты (УЗ) - 20 - 200кГц и выше;

– Высокочастотные (ВЧ) - 0,2 - 30МГц;

– Ультравысокочастотные (УВЧ) - 30 300МГц;

– Сверхвысокочастотные (СВЧ) - свыше 300МГц.

Дарсонвализация, оказывает тонизирующее влияние на нервные рецепторы, используется воздействие через кожу и доступные слизистые оболочки слабым высокочастотным разрядом, который образуется между поверхностью тела и специальным электродом в виде фигурного стеклянного баллона с разреженным воздухом. К электроду подводится импульсный ток с частотой от 200 до 500кГц при напряжении до 20кВ; сила тока в тканях не превышает 15-20мА.

Нагрев тканей при дарсонвализации практически незаметен. Более существенное действие оказывают поляризационные эффекты на клеточных мембранах. При дарсонвализации происходит раздражение кожных рецепторов мелкими искрами, проскакивающими между телом и электродом. Это приводит к рефлекторным ответным реакциям со стороны внутренних органов: расширяются артериолы и капилляры в зоне действия электродов, повышает тонус венозных стенок, усиливает циркуляцию крови. Это стимулирует заживление ран и язв, оказывает болеутоляющий эффект.

Терапевтическая диатермия имеет целью получение теплового эффекта в глубоко лежащих тканях, (частота тока порядка 1-2МГц, сила тока при различных процедурах до 1-3 А. Напряжение 200 - 250В). Диатермия позволяет повысить локальную температуру тканей на 2-5оС, причем незначительно повышается и температура всего тела. На поверхность тела накладывают металлические электроды, размер и форма которых соответствует прогреваемому органу. Сами электроды при прохождении тока практически не нагреваются. Количество теплоты, выделяющееся при прохождении тока, пропорционально квадрату плотности тока и удельному сопротивлению ткани в следующем порядке для тканей: кровь, мышцы, печень, сухая кожа, легкие, жировые ткани, кости. При диатермии желательно располагать электроды поперек направления крупных кровеносных сосудов. Диатермическое повышение температуры приводит к расширению кровеносных сосудов, то есть к увеличению кровоснабжения, а также к активизации ряда биохи-мических процессов. Под влиянием прогрева повышаются бактерицидные свойства тканей. Диатермию применяют при болезнях органов дыхания, нефритах, артритах.

Хирургическая диатермия. Хирургическое воздействие высокочастотным током на ткани с целью их рассечения или коагуляции.

При электрорезании, или электротомии, рассечение тканей осуществляется не за счет механического воздействия режущего инструмента, а в результате интенсивного парообразования тканевой жидкости в области, прилегающей к электроду. Плотность тока при электротомии доходит до 40 кА/м2. Тепло, возникающее при прохождении тока через ткань, приводит к коагуляции белков, в результате чего происходит "оплавление" рассекаемой поверхности и "сваривание" кровеносных сосудов. Операционное поле при электротомии, если не задеты крупные кровеносные сосуды, бескровное. Большая плотность тока достигается тем, что площадь контакта скальпеля или иглы с поверхностью тела очень мала.

Разновидность электрохирургии - электрокоагуляция, при которой коагуляционный эффект используют для сварки кровеносных сосудов и альвеол, для крепления сетчатки к сосудистой оболочке глаза при ее отслоении и пр. Электрокоагуляцию применяют также для выжигания злокачественных опухолей. Плотность тока при коагуляции от 5 до 10кА/м2. Общая сила тока при электрохирургии не более 1А.

Электрохирургия имеет перед обычной хирургии следующие преимущества:

1) малая потеря крови вследствие коагуляции стенок кровеносных сосудов;

2) малые послеоперационные боли вследствие сваривания нервных окончаний;

3) бактерицидное действие, обусловленное закупоркой кровеносных сосудов, куда не могут проникать бактерии, а также гибелью бактерий под действием тока;

4) меньшая реакция организма на подлежащие рассасыванию инородные вещества.

Все это делает данный метод более целесообразным, чем другие современные методы: лазерная, ультразвуковая или криохирургия.


2. Воздействие импульсными токами.

Раздражение тканей зависит также и от формы импульсного тока (преимущественное значение имеет крутизна нарастания - tg), длительности импульса tИ и его амплитуды.

Раздражение вызывается при изменении силы тока и зависит от скорости, с которой это изменение происходит. Это связано со свойством возбудимых тканей повышать порог ("приспосабливаться") к постепенно нарастающей силе раздражения.

Способность к аккомодации у возбудимых тканей зависит от их функционального состояния. Например, у патологически измененных мышц способность к аккомодации снижается и для них более физиологическими являются постепенно нарастающие импульсы.

Ток с импульсами прямоугольной формы с длительностью импульсов tИ = 0,1 - 1 мс и диапазоном частот 5 - 150 Гц используют для лечения электросном, токи с tИ = 0,8 - 3 мс и диапазоном частот 1 - 1,2 Гц применяют в имплатируемых кардиостимуляторах. Ток с импульсами треугольной формы с tИ = 1 - 1,5 мс и частотой 100 Гц применяют для возбуждения мышц, в частности при электрогимнастике.

Действие переменного (гармонического) тока на организм при низких, звуковых и ультразвуковых частотах оценивается порогом ощутимого тока и порогом неотпускающего 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, индивидуальных особенностей человека.

Если увеличить 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 неотпускающего тока. Токи меньшей силы являются отпускающими.

3. Воздействие переменным магнитным полем.

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 называется индуктотермия.

Можно показать, что количество теплоты q, выделяющееся в тканях, пропорционально квадратам частоты w и индукции переменного магнитного поля В и обратно пропорционально удельному сопротивлению ρ , где k - коэффициент пропорциональности.

Количество выделяемой теплоты обратно пропорционально удельному сопротивлению ткани. Следовательно, при индуктотермии больше нагреваются ткани с меньшим удельным сопротивлением (кровь, печень, мышцы). Физиологическое действие индуктометрии в основном мало отличается от действия диатермии, но она дает более глубокое и равномерное прогревание, так как проводится на более высоких частотах (10-15 МГц).

Для прогревания внутренних органов катушки имеют вид плоской спирали; если же требуется прогревание конечностей, то вокруг них обматывают 1-2 витка изолированного кабеля, соединенного с ВЧ генераторм.

4. Воздействие переменным электрическим полем.

УВЧ терапия. В тканях, находящихся в переменном электрическом поле возникают токи смещения и токи проводимости. Для этой цели используют электрические поля ультравысокой частоты, поэтому соответствующий физиотерапевтический метод получил название УВЧ-терапии.

Количество теплоты, выделяющееся в диэлектрических тканях, рассчитывается

Q = ω E2εε0tg .

Количество теплоты, выделяющее в диэлектрике, характеризуется тангенсом угла потерь tg. Если =0, то потери энергии отсутствуют. Если  = π /2, то вся энергия расходуется на нагревание. Чем меньше тангенс угла потерь, тем лучше диэлектрические свойства материала, так как в нем меньше потери энергии, вызывающие нагрев диэлектрика и приводящие к его разрушению.

Среду считают проводящей, если tg >> 1, полупроводящей, если tg = 1, и диэлектрической при tg << 1. Так как tg зависит от частоты, то одна и та же среда, может проявлять то диэлектрические, то проводящие свойства. Так, морская волна (по свойствам близкая к физиологическому раствору) при частоте до 10 МГц ведет себя как проводник (tg = 100), а при частоте более 10 ГГц - как диэлектрик (tg = 0,01).

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

При УВЧ терапии используют электрическое поле с частотой от 30 до 300 МГц. При УВЧ терапии нагрев костной, мышечной и жировой тканей происходит интенсивнее, чем нагрев кровеносных сосудов, лимфатических узлов

УВЧ терапию применяют при острых воспалительных процессах в суставах, при маститах, гайморитах, фурункулезе и многих других заболеваниях.

5. Воздействие электромагнитными волнами.

Микроволновая терапия. 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). Микроволновая терапия оказывает на биологические объекты тепловое действие.

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

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, проникают в мышцы, кожу, биологические жидкости на глубину около 2 см, а 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.

При микроволновой терапии используют сверхвысокочастотные электромагнитные колебания (СВЧ), которым соответствуют дециметровые и сантиметровые волны. Электромагнитные волны направляют на соответствующий участок тела специальными излучателями, имеющими вид полых цилиндров. Цилиндр является волноводом, в котором вследствие многократного отражения от стенок и интерференции электромагнитных волн образуется результирующая волна, распространяющаяся по оси волновода и выходящая из него наружу.

Сантиметровые волны проникают в организм на глубину 2-6 см, а дециметровые - на глубину 7-9 см. Энергия волн в основном расходуется на диэлектрические потери, так как даже вода при столь высоких частотах обнаруживает диэлектрические свойства (tgd<<1). Поэтому наибольшее поглощение энергии и выделение тепла происходит в тканях, богатых водой (мышцы, кровь). Кости и жировые ткани нагреваются меньше. Первичное действие микроволновой терапии - это непосредственное влияние микроволн на ткани, вторичное - возникающее в ответ нейрорефлекторные и нейрогуморальные реакции организма. Первичное действие имеет место непосредственно в облучаемом участке тела и состоит из теплового и нетеплового компонентов.

Наибольшее выделение теплоты в водосодержащих тканях происходит еще и потому, что частота собственных колебаний молекул воды находится в СВЧ диапазоне. Вторичный механизм сводится в основном к влиянию поглощенной энергии на рецепторы. Раздражение от рецепторов поступает через нервные каналы в центральную нервную систему, что создает рефлекторные реакции. Под действием микроволн образуются и биологические активные вещества (гистамин, ацетилхолин и др.), которые, проникая вне зоны облучения с потоками крови и лимфы, вызывают раздражение рецепторов далеко от места облучения. Таким образом, локальное облучение приводит к общему физиологическому эффекту.

Микроволновое облучение применяют при заболеваниях периферической нервной системы, гинекологических заболеваниях и др.

6