общ_физиотерапия

Рис.1. Проникаю­ щая способность электромагнитного излучения.

По оси абсцисс расстояние х, по оси ординат - электромаг­ нитная энергия, W; Хх-глубина проникно­ вения излучения.

Значительная часть электромагнитной энергии накапливается в системах заряженных частиц или индуцирует их перемещение. Степень преобразования различными тканями организма энергии электромагнитного поля в электрическую определяется их ем­ костным сопротивлением, а в магнитную - индуктивным. Индук­ тивное сопротивление при расчете импеданса живых тканей (полного сопротивления переменному току) не учитывают, и он имеет только две составляющих — активное сопротивление и реактивное (емкостное). По мере увеличения частоты воздей­ ствующего электромагнитного поля емкостное сопротивление и импе­ данс биологический тканей уменьшаются. В результате увеличивается сила тока, проходящего через различные органы и ткани.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ТКАНЕЙ ОРГАНИЗМА

Электрические свойства живых тканей

Характер взаимодействия электромагнитных полей с раз­ личными тканями организма определяется их электрическими и магнитными свойствами. Параметрами этих свойств являются

удельная электропроводность характеризующая концентра­ цию и подвижность свободных заряженных частиц биологических тканей, а также их диэлектрическая и магнитная прони-

цаемости. Они показывают степень уменьшения силовых харак­ теристик электрического и магнитного полей в "различных тканях по сравнению с вакуумом. На основе этих параметров можно рассчитать силовые характеристики электромагнитного поля в тканях и количественно оценить процессы, происходящие при взаимодействии ЭМП с биологическими тканями.

В состав различных тканей и сред организма входят ионы, пространственно ориентированные полярные и неполярные мак­ ромолекулы различных линейных размеров и диполи воды. Раз­ ные ткани содержат их в неодинаковой пропорции, поэтому каж­ дая из них обладает различными диэлектрическими свойствами и электропроводностью.

Электропроводность живых тканей определяется концентраци­ ей ионов и их подвижностью. В межклеточной жидкости с мак­ симальным содержанием носителей тока - ионов удельная элек­ тропроводность достаточно высока и составляет 1 (Сименс на метр). Напротив, в цитозоле, содержащем органеллы и круп­ ные белковые макромолекулы, она понижается до 0,003 Удельная электропроводность плазмолеммы и внутриклеточных мембран, составляющих до 50% массы клетки, еще ниже — (1-3)-

Из-за малого количества межклеточной жидкости и выра­ женной компартментализации последних (существенно огра­ ничивающей подвижность содержащихся в них ионов), удельная электропроводность целых органов и тканей существенно мень­ ше, чем составляющих их сред. Ее наибольшие величины (0,6-2,0 имеют жидкие среды организма (кровь, лимфа, желчь, спинномозговая жидкость, моча), а также мышечная ткань (0,2 Напротив, удельная электропроводность костной, жиро­ вой, нервной ткани, а в особенности грубоволокнистой соедини­ тельной ткани и зубной эмали значительно ниже -

Электропроводность кожи зависит от ее толщины, состояния дериватов и содержания воды. Толщина эпидермиса большинства участков тела составляет 0,07-0,12 мм, а на ладонных поверхно­ стях кистей и подошвенных поверхностях стоп достигает 0,8-1,4 мм. Содержание воды в поверхностном слое составляет всего 10% от массы клеток, тогда как в нижележащих слоях достигает 70%. Площадь потовых и сальных желез, волосяных фолликулов на разных участках тела неодинакова и составляет 0,5% поверх­ ности кожных покровов. С учетом этих особенностей удельная электропроводность отдельных участков кожи существенно раз­ личается и составляет . Известно, что сухая

кожа является плохие проводником электрического тока, тогда как влажная проводит его хорошо.

Диэлектрическая проницаемость характеризует способность к пространственному смещению структур биологических тканей и образованию обьемного дипольного момента (поляризации). Она обусловлена преимущественно связанными зарядами, полярными

инеполярными макромолекулами различных линейных размеров

идиполями воды. Диэлектрическая проницаемость различных биологических тканей составляет

Приведенные величины удельной электропроводности и диэ­ лектрической проницаемости измерены для постоянного элек­ трического поля. Между тем кардинальной особенностью орга­ низма человека является дисперсия электрических свойств его тканей, связанная с состоянием заряженных частиц при действии электромагнитных полей различной частоты (рис. 2).

На низких частотах (до 103 Гц) клетки практически полностью экранируют электромагнитное поле, которое не проникает внутрь них и не вызывает перемещения внутриклеточных ионов. Уве­ личение удельной электропроводности тканей с нарастанием частоты (рис. 2А) обусловлено тем, что электромагнитные поля частотой 104-108 Гц воздействуют и на внутриклеточные структу­ ры, что определяет участие в суммарной электропроводности тканей как ионов интерстиция, так и цитозоля (рис. 2А). На бо­ лее высоких частотах микроструктуры цитозоля не успевают сле­ довать за изменениями ЭМП и нарастание удельной электропро­ водности происходит здесь, вероятно, за счет ориентационных смещений молекул свободной воды, вклад которой в суммарную проводимость тканей экспериментально определить весьма слож­ но.

В дисперсионной зависимости диэлектрической проницаемости (рис. 2Б) также выделяют несколько областей дисперсии, что указывает на различие механизмов поляризации тканей в разных частотных диапазонах ЭМП. Каждый из механизмов поляризации характеризуется своей частотой (характеристической частотой релаксации), вблизи которой запаздывание смещения (поворота) различных клеточных и субклеточных структур и био­ логических молекул относительно динамики ЭМП минимально. В этих областях диэлектрическая проницаемость изменяется наи­ более резко. Выделяют три области дисперсии диэлектрической

Р и с . 2. Частотная зависимость удельной электропроводности (А) и диэлек­ трической проницаемости (Б) тканей теплокровных при температуре 37° С.

1 - ткани, богатые водой; 2 - ткани, бедные водой.

Структуры, избирательно поглощающие энергию ЭМП. А. 1 - ионы интерстиция; 2 - ионы интерстиция и цитозоля; 3 - ионы и диполи интерстиция и цитозоля. Б. 1- двойной электрический слой плазмолеммы; 2 - компартменты; 3 - интегральные белки мембран; 4 - гликолипиды и гликопротеиды; 5 - фосфолипиды; 6 - сахара; 7 - белковые цепи; 8 - диполи связанной • воды; 9 - диполи свободной воды; 10 - беспорядочные колебания диполей воды.По оси абсцисс частота электромагнитного поля, f, Гц; по оси ординат А - удельная электропроводность, ; Б - диэлектрическая проницаемость, отн.ед.

проницаемости — (рис. 2Б), которые соответствуют ха­ рактеристический частотам релаксации 80, и Гц.

Область -дисперсии диэлектрической проницаемости обус­ ловлена поляризацией клеток и компартмелтов. В ней участвует двойной электрический слой, формирующийся вблизи поверх­ ности мембран (рис. 2Б). Одна его часть образована отрицатель­ ными зарядами гидроксильных и карбоксильных групп мем­ бранных гликопротеидов, а вторая - электрически связанными с ними подвижными положительными зарядами (противоионами). При наложении внешнего ЭМП последние смещаются вдоль по­ верхности мембраны и увлекают за собой приповерхностный относительно клетки слой воды. Этот феномен и определяет макроскопическую поверхностную поляризацию клеток. Область (охватывающая частоты Гц) обусловлена

структурной поляризацией клеточных мембран, в которой участвуют белковые макромолекулы, а на ее верхней границе глобулярные водорастворимые белки, фосфолигшды и мельчайшие субклеточные структуры. Участок у-дисперсии соот­ носят с процессами ориентационного поворота (смещения) моле­ кул свободной и связанной воды (соответственно на частотах 108-109 Гц и 2*1010 Гц), а также низкомолекулярных веществ типа Сахаров и аминокислот (в частотном интервале 109-1010 Гц).

При анализе механизмов биологического действия электро­ магнитных полей необходимо учитывать, что их проникающая способность на разных частотах ЭМП обусловлена прежде всего электропроводящими свойствами различных тканей организма, а не характеристиками поляризации.

Магнитные свойства живых тканей

Б" отличие от электрического поля, биологические ткани ослабляют внешнее магнитное поле в очень малой степени (порядка Большинство из них относится к (сумма магнитных моментов составляющих их биологических

молекул равна нулю), которые слабо преобразуют энергию маг­ нитного поля. Так, например, энергия магнитного поля, погло­ щаемая плазмолеммой, не превышает Дж. Магнитная про­ ницаемость клеток и практически всех жидкостей организма составляет 0,99995. Лишь некоторые вещества, входящие в со­ став различных структур организма (кислород, соли железа, не­ которые гидроперекиси и радикалы), имеют собственный маг­ нитный момент, не зависящий от внешнего магнитного поля. Та-

Рис. З. Схема поляризации биологических молекул в электрическом поле. А - электронная поляризация неполярных биологических молекул; Б - ориентационкое смещение полярных биологических молекул.

кие низкомолекулярные соединения относят к парамагнетикам, магнитная проницаемость которых составляет 1,00005. Различие магнитных проницаемостей диа- и парамагнетиков существенно не изменяет характера взаимодействия последних с внешним магнитным полем, так как их величины имеют одинаковый порядок.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ И ИЗЛУЧЕНИЙ С ОРГАНИЗМОМ

Под действием ЭМП радиочастотного диапазона в различных тканях и средах организма происходит направленное перемеще­ ние заряженных частиц ионов, а также перераспределение элек­ трических зарядов и формирование объемного дипольного мо­ мента (поляризация тканей). Упорядоченное и направленное движение ионов в тканях создает в них ток проводимости. Инди­ видуальные процессы частотнозависимой поляризации субкле­ точных структур и клеток, а также колебательного смещения ди­ полей воды и биологических макромолекул во внешнем ЭМП формируют ток смещения.

Известно, что основной характеристикой взаимодействующего с организмом ЭМП является удельная поглощенная мощности. Однако методы ее непосредственного измерения . громоз­ дки и в физиотерапии практически не используются. Исходя из

Рис. 4. Схема враща­ тельного перемещения клетки в постоянном электрическом поле.

этого дозирование процедур включает совокупность методов опреде­ ления тех характеристик ЭМП, от которых зависят лечебные эффекты в организме.

Постоянные электрические поля вызывают однонаправленные движения ионов к полюсам. Кроме того, происходит смещение электронных облаков атомов и молекул {электронная поля­ ризация, рис. ЗА) или ориентация дипольных молекул {ориентационное смещение, рис. ЗБ). В результате перераспределяется содержание ионов в компартментах различных гканей. За счет движения связанных ионов возможно и вращательное смещение клеток в ЭП {рис. 4). -

Переменные электромагнитные поля вызывают разнонаправ­ ленные маятникообразные движения ионов и колебательные смещения дипольных молекул, поляризация которых пропорцио­ нальна электрической напряженности поля, а также зависит от его частоты и линейных размеров биологических молекул.

Биологические эффекты ЭМП низкой частоты (f << 105 Гц) обусловлены преимущественно током проводимости, основными носителями которого являются ионы. Однако плотность тока в тканях при наведении в них внешнего ЭМП ничтожно мала и не превышает в интерстиции и в плазмолемме. При подведении к поверхности тела ЭМП с помощью элек­ тродов-антенн (металлических проводников с высокой удельной электропроводностью) в теле человека возникают значительные токи проводимости, способные вызвать изменение функциональ­ ных свойств нервной и мышечной тканей организма, клетки кото­ рых обладают возбудимыми мембранами.

Пороговое значение тока проводимости, вызывающее возбуж­ дение нервной и мышечной тканей, определяется частотой воз-

действующего ЭМП. С ее увеличением пороговая величина тока нарастает, и, начиная с частоты Гц, при приложении пере­ менного тока к коже человека возбуждения его нервов и мышц не возникает. В силу малого поглощения электромагнитной энер­ гии в низкочастотном диапазоне не происходит и заметного на­ грева тканей, так как выделяемое тепло существенно меньше метаболической теплопродукции организма ( ) и не превышает мощности рассеяния тепловой энергии биоло­ гическими тканями.

Напротив, электромагнитные излучения высокой частоты, по­ мимо токов проводимости, вызывают в организме значительные токи смещения. Последние определяют преобразование электро­ магнитной энергии в тепловую, в основном за счет колебательновращательного смещения ориентирующихся во внешнем ЭМП биологических макромолекул и диполей воды. Физиологические механизмы теплоотдачи организма (теплопроводность, конвек­ ция, испарение и излучение) не компенсируют возникающую в высокочастотном диапазоне теплопродукцию, в результате чего происходит нагревание облучаемых тканей организма. В частотном диапазоне Гц как ток проводимости, так и ток смещения способны вызывать гипертермию. Напротив, в частотном диапазоне ЭМП, превышающем Гц, ведущую роль в нагревании тканей играет ток смещения.

Кроме того, в тканях с высоким содержанием воды длина электромагнитных волн уменьшается в 6,5-8,5 раз по сравнению с воздухом. В тканях с низким содержанием воды указанные закономерности выражены существенно меньше и длина волны уменьшается в 2-2,5 раза. Таким образом, на частотах ЭМП выше Гц длина волны электромагнитного излучения меньше раз­ меров тела человека, что обусловливает возможность только локального воздействия электромагнитных излучений сверхвысо­ кой частоты на организм больного.

В силу высокой диэлектрической проницаемости тканей с большим содержанием воды коэффициент поглощения энергии электромагнит­ ных волн в них в 60 раз выше, а проникающая способность в 10 раз меньше, чем в тканях с малым содер-жанием воды в областях дисперсии диэлектрической проницаемости.

Вокруг распространяющихся в тканях организма токов фор­ мируются магнитные поля. Максимальная величина магнитной индукции в тканях с высокой электропроводностью, находящихся

взаимодействовать с биологическими молекулами различных тканей организма'и их влиянием можно пренебречь.

При помещении в постоянное магнитное поле тканей организма входящие в их состав надмолекулярные жидкокристаллические структуры ориентируются относительно вектора магнитной индукции. В результате такого ориентационного смещения формируются собственные магнитные поля надмолекулярных комплексов, направлен­ ные, в соответствии с правилом Ленца, против внешнего магнитного поля и ослабляющие его. Такой диамагнитный эффект наиболее выражен в фосфолипидных компонентах биологических мембран. Вследствие этого в них возникает собственный механический вращающий момент, и они способны перемешаться в мембранах и цитозоле. Вместе с тем, в силу выраженной вязкости цитоплазмы и компартментализации клеток, ампли­ туда таких перемещений не может быть значительной.

Сегодня большинство авторов при рассмотрении гипотез механизмов взаимодействия переменного магнитного поля с организмом считают одним из его ведущих действующих факторов вихревое электрическое поле, возникающее вследствие электромагнитной индукции. Вектора напряженности электрических полей, индуцируемых в биологических тканях переменными магнитными полями, всегда направлены перпендику­ лярно векторам магнитной индукции, а их силовые линии имеют форму замкнутых витков вихрей. В модельных экспериментах напряженности вихревых электрических полей, индуцированных магнитным полем часто­ той 50 Гц и индукцией 10 Тл в поверхностных тканях организма, дости­ гают 22-42 . Электрические поля такой напряженности способны вызвать перемещение заряженных частиц через мембрану, что сущест­ венно изменяет их поляризацию и активирует биофизические и биохими­ ческие процессы в различных тканях организма

Плотность распределения индуцированного электрического поля, определяемая топографией его силовых линий (касательные к кото­ рым определяют направление вектора Е в каждой точке организма), пропорциональна напряженности магнитного поля и зависит от на­ правления вектора магнитной индукции (рис. 5). На результирующую картину индуцируемого электрического поля в организме оказывают влияние и потенциальные электрические поля, возникающие в резуль­ тате взаимодействия заряженных частиц с вихревыми электриче­ скими полями на границах раздела проводящих и слабопроводящих тканей.

Рис. 5. Распределе­ ние электрического поля и вихревых токов, индуцирован­ ных переменным магнитным полем, в теле человека при различном направле­ нии вектора магнит­ ной индукции .

В - вектор магнитной индукции

Указанные особенное™ приводят к изменению жидкокристаллического со­ стояния фоофолипидных компонентов биологических мембран, снижению электрокинегического дзета-) потенциала и индуции фазовых гель-золь пе­ реходов в цитоплазме клеток. Таким образом, переменные магнитные поля способны модулировать физико-химические свойства, а также метаболическую и ферментативную активность клеток и тканей организма С повышением часто­ ты магнитного поля возникающие вихревые токи эффективно поглощаются проводящими тканями, что может вызвать их значительный нагрев.

ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ЛЕЧЕБНОГО ПРИМЕНЕНИЯ ФАКТОРОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ПРИРОДЫ

Воздействие электромагнитных полей на организм человека может осуществляться как через различные физические среды (например, воз­ дух, воду), так и путем непосредственного контакта тканей с находящи­ мися под напряжением металлическими проводниками (электродами). В связи с этим методы лечебного использования электромагнитных полей и излучений по взаиморасположению их источника и организма условно могут быть разделены на контактные и дистантные. В первом случае говорят о воздействии на больного электрического тока, который может изменяться по силе, направлению, форме и частоте. В методах второй группы при расположении больного в ближней зоне на него воздейству­ ют электрическое и магнитное поля, а в дальней - электромагнитные из­ лучения, которые также могут изменяться по амплитуде силовых характеристик, форме и частоте (табл. 2).