Методическая разработка

В медицине электрические колебания делятся по частоте на несколько диапазонов, которые используются при различных лечебных методах:

Раздражающее действие переменного тока обусловлено ускорением ионов тканевых электролитов. Поэтому в процедурах электростимуляции, амплипульстерапии, диадинамотерапии необходимо применение переменных электрических токов.

Мгновенное значение переменного синусоидального напряжения
U (значение в данный момент времени) выражается формулой:

, (3)

где U₀ — амплитуда, t — время, φ ₀ — начальная фаза, ω — круговаz

частота (, тота).

Основными характеристиками синусоидального напряжения являются: U₀ — амплитуда, U_ЭФФ – эффективное значение напряжения (), ν — линейная частота. Эти характеристики не изменяются в течение всего времени процесса.

Амплитудно-модулированные (а.м.) синусоидальные сигналы образуются, когда амплитуда основного несущего синусоидального сигнала с частотой ν _нес — подвергается модуляции (изменению) воздействием другого сигнала, называемого модулирующим и имеющим частоту ν _мод. При этом ν _нес» ν _мод.

То есть амплитудная модуляция — это изменение амплитуды несущего сигнала по определенному закону. Модуляция происходит в электронном устройстве, называемом модулятором, на которое подаются напряжения U_нес и U_мод. На выходе модулятора образуется амплитудно-модулированное напряжение U_ам. Модулятор - это усилитель несущего сигнала, коэффициент усиления К_нес которого зави­сит от напряжения модулирующего сигнала U_мод.

, (4)

Основной сигнал с частотой ν _нес представлен на рис.1а, модулирующий

сигнал с частотой ν _мод представлен на рис.16, амплитудно-модулированное напряжение — на рис.1в.

Рис.1. Характеристики амплитудно-модулированного сигнала

Основная особенность амплитудно-модулированного напряжения U_ам — изменение амплитуды напряжения от минимального до максимального значения. Изменение амплитуды характеризу­ется коэффициентом глубины модуляции:

, (5)

m может изменяться от 1 до 0. Коэффициент глубины модуоляции можно выразить в %:

, (6)

Если = 0, то получим m=100%.

Импульсный смодулированный сигнал представляет собо непрерывную последовательность импульсов, которые могут иметь различную форму: а) прямоугольную, б) треугольную, в) трапецеидальную и др. (рис.2).

Рис.2. Основные характеристики импульсного немодулированного сигнала:

амплитуда - U₀ ; период – Т_имп (или ν _имп), где ν _имп =1/ Т_имп; длительность импульса – t_имп; длительность паузы – t_п ; длительность переднего фронта – τ _п.ф; длительность заднего фронта – τ _з.ф.

Характеристики импульсного немодулированного сигнала являются постоянными величинами в течение всего времени процесса.

Амплитудно-модулированные (а.м.) импульсные сигналы образуются, если на непрерывную последовательность импульсов чистотой ν _имп, воздействовать модулирующим сигналом с частотой ν _мод. Всегда выполняется условие ν _имп > ν _мод (или Т_мод > Т_имп). Модулирующий сигнал может быть и синусоидальным и импуль­сным. В первом случае получаем последовательность импульсов с меняющейся амплитудой, во втором случае — серии импульсов, чере­дующиеся с паузами. Такая серия называется посылкой (рис. 3).

Рис.3. Посылка импульсов

Для а.м. импульсного сигнала сохраняются все характеристики импульсного немодулированного сигнала и вводятся две новые характеристики: длительность посылки t_{посылки} и длительность паузы между посылками t_паузы.

Для подачи электрических сигналов на пациента к выходу физио- терапевтических аппаратов подключаются электроды. Электроды накладываются на кожу пациента через гидрофильные прокладки, смоченные водой, которые служат для защиты кожи пациента от воздействия продуктов электролиза. При различных процедурах (амплипульстерапия, электростимуляция, диадинамотерапия) через электроды на пациента подаются электрические сигналы различной формы. Охарактеризуем подробнео эти процедуры.

а) Амплипульстерапия — лечение синусоидальными моду­лированными токами с ν _нес = 5000 Гц, ν _мод от 30 Гц до 150 Гц.

Модуляция может осуществляться и синусоидальными, и импуль­сными сигналами. Применение амплипульстерапии улучшает фун­кциональное состояние нервной и мышечной системы, производит болеутоляющее действие, улучшает периферическое кровообращение и т.д.

Так как при амплипульстерапии частота ν _нес = 5000 Гц, сопротивление кожи невелико, что объясняется небольшим сопротивлением емкостной составляющей слоя кожи.

Частота 5000 Гц является только несущей. Напряжение (ток) с частотой 5000 Гц само по себе оказывает очень слабое раздражающее действие на ткани. Модуляция переменного напряжения с ν _нес = 5000 Гц низкими частотами обеспечивает наличие низкочастотной состав­ляющей с ν _мод в электрическом сигнале, которая и оказывает лечебное действие при амплитудах тока I₀ = 5 - 6 мА.

б) Электростимуляция — применение электрического тока для возбуждения или усиления деятельности отдельных органов или сис­тем. Для электростимуляции используют модулированные и немодулированные импульсные сигналы. Наибольшее распространение в клинике имеет электростимуляция мышц опорно-двигательно­го аппарата, применяемая для предупреждения атрофии, напри­мер, при травматическом поражении нервного ствола. Применяется электростимуляция при недостаточности мышц внутренних органов (кишечника, мочевого пузыря и др.). Особое место занимает в клинике электростимуляция сердечной мышцы. К методам электростимуля­ции относят методы воздействия импульсным током на центральную нервную систему (головной мозг), электросон, электронаркоз.

Опыт показывает, что для стимуляции разных мышц и тканей оптимальные характеристики стимулирующего тока различны по форме, частоте и длительности импульсов.

в) Диадинамотерапия (ДДТ) — терапия импульсными или а.м. импульсными токами низкой частоты и низкого напряжения, кото­рое оказывает выраженное обезболивающее действие, улучшает периферическое кровообращение. Применяется при острых болях, связанных с нарушениями периферического кровообращения, заболеваниями периферической нервной системы, заболеваниями и пов­реждениями опорно-двигательного аппарата. Токи ДДТ со стороны кожи встречают очень большое сопротивление, что обусловлено низкой частотой импульсных сигналов ν = 50 - 300Гц. Емкостная составляющая импеданса кожи для токов ДДТ значительно больше, чем при амплипульстерапии. Основными путями проникновения токов ДДТ через роговой слой кожи являются протоки потовых и сальных желез, где создается большая плотность тока. Вследствие этого на роговом слое кожи создается значительный градиент электрического потенциала qradφ (значи­тельная напряженность электрического поля Е) и возникают ощу­щения жжения и покалывания под электродами. Для получения лечебного эффекта в глубоко расположенных тканях требуются относительно большие амплитуды переменного тока I ≈ 30 мА.

Первичные механизмы действия переменных электрических токов в физиотерапевтических процедурах следующие:

при действии переменных электрических токов возникает измене­ние концентрации ионов у оболочек клеток, что приводит к измене­нию биопотенциалов на мембранах клеток, а следовательно, к изме­нению функционального состояния клеток. Как следствие изменения функционального состояния клеток происходит цепь физиологичес­ких процессов, в результате которых наблюдаются: усиление притока крови к возбуждаемым волокнам и ее оттока; возбуждение чувстви­тельных двигательных и вегетативных нервных волокон; активизация различных видов обменных процессов.

Метод высокочастотной терапии с использованием электрического поля УВЧ имеет наибольшее распространение. При этом методе, называемом терапия электрическим полем УВЧ (или просто УВЧ - терапия), соответствующая область тела помещается между двумя плоскими изолированными электродами, образующими конденсатор и подключенными к выводам терапевтического контура аппарата. При этом ткани организма подвергаются действию высокочастотного (с частотой колебаний порядка 30 — 50 МГц) электрического поля, образующегося между электродами.

Физиологическое воздействие электрического поля УВЧ основано на действии переменного электрического поля на молекулы и ионы в тканях организма. В результате этого воздействия в тканях выделяется значительное количество теплоты, что приводит к активизации биохимических и физиологических процессов.

Следует, однако, указать на существенное различие в действии высокочастотного тока и поля на электролиты и диэлектрики. Живое вещество является сложной системой, содержащей как элементы типа электролитов, проводящие ток и характеризующиеся электропроводимостью или омическим сопротивлением, так и другие элементы, являющиеся диэлектриками, изоляторами, характеризующимися определенным значением диэлектрической проницаемости ε. В электролитах при наличии электрического поля возникает, как и во всяком проводнике, перемещение свободных заряженных частиц, т.е. обычный ток проводимости.

В диэлектриках, при помещении их в электрическое поле, возникает смещение первоначально уравновешенных положительных и отрицательных зарядов молекул (образование электрических диполей) или ориентация уже существующих в диэлектриках жестких диполей вдоль силовых линий поля.

При наличии быстропеременного электрического поля в диэлектрике происходит непрерывное периодическое изменение ориентации полюсов диполей с соответствующей частотой. Такое смещение электрических зарядов внутри диэлектрика, выражающееся в образовании диполей или их повороте, является током особого рода, называемым током смещения.

Как ток проводимости, так и ток смещения в тканях сопровождаются превращением энергии тока или поля в тепловую энергию.

Рассматривая ткани живого организма как однородный, несовершенный диэлектрик с определенными значениями диэлектрической проницаемости ε и электропроводимости γ, нужно, очевидно, учитывать в тканях действие двух различных механизмом нагревания: выделения тепла за счет тока проводимости (как в электролитах) и за счет тока смещения (как в диэлектриках).

Рассмотрим этот вопрос подробнее.

В растворах электролитов высокочастотное поле вызывает ток проводимости, который сопровождается выделением тепла. Количество теплоты Δ Q_е, выделяющееся в единице объема раствора электролита в единицу времени, пропорционально удельной электропроводности γ и квадрату напряженности Е² электрического поля:

Δ Q_е = к₁γ Е², (7)

где k₁ – коэффициент пропорциональности.

В диэлектриках под действием электрического поля происходит ориентационная и структурная поляризация молекул. Вращательные колебания поляризованных молекул, вызываемые переменным высокочастотным электрическим полем, сопровождаются потерями энергии, затрачиваемой на преодоление сил связи, удерживающих молекулы в положениях равновесия.

Эти потери, называемые диэлектрическими, зависят от природы диэлектрика, и характеризуются тангенсом угла потерь (угла отставания по фазе колебаний молекул от колебаний напряженности электрического поля) tgδ.

Количество теплоты Δ Q_д, выделяющееся в единице объема диэлектрика в единицу времени из-за диэлектрических потерь, пропорционально относительной диэлектрической проницаемости ε, частоте ν изменения знака поля, квадрату напряженности поля Е² и тангенсу угла потерь tgδ:

Δ Q_д = k₂ε ν E²tgδ, (8)

где k₂ - коэффициент пропорциональности.

Соотношение между количествами теплоты, которые выделяются в растворе электролита и диэлектрике под действием высокочастотного электрического поля, зависит как от их природы (для раствора электролита еще и от концентрации), так и от частоты поля.

При частоте поля, принятой в УВЧ-методе, при невысокой концентрации тканевых электролитов и при относительно значительных потерях в тканях-диэлектриках нагревание последних происходит более интенсивно, чем токопроводящих тканей, Этим тепловой эффект при УВЧ-терапии отличается от индуктотермии.

Вращательные колебания полярных молекул или отдельных частей органических макромолекул, возникающие в переменном (УВЧ) электрическом поле, оказывают значительное влияние на физиологическое состояние клетки.

Такое действие электрического поля называется осцилляторным.

Поэтому при УВЧ-терапии тепловой эффект не всегда является главной целью процедуры и во многих случаях ограничиваются «слаботепловой» дозировкой.

Для усиления «осцилляторного» эффекта при УВЧ-терапии используется импульсный режим воздействия электрическим полем, при котором кратковременные импульсы электрическогополя высокой напряженности разделены в тысячи раз более длительными паузами. В этом случае сохраняется необходимое осцилляторное действие, а тепловой эффект снижается до ничтожной величины. Для УВЧ-терапии в импульсном режиме применяются особые аппараты.