5.2 Аппаратура для высокой и ультравысокой частоты
Высокочастотные токи и поля уже давно применяются для лечения (более 70 лет). Обычно мощность ВЧ аппаратов бывает значительной – десятки и сотни ватт. Так как медицинские ВЧ аппараты работают в диапазоне радиочастот, то при проектировании их рабочие частоты выбирают в диапазоне, разрешенном международным комитетом по радиовещанию и телевидению. Ниже перечисляются виды ВЧ процедур и их частоты.
1. Прогрев тканей ВЧ током (диатермия) – частота 1625 кГц 0,05 % (длина волны 184,6 0,09 м).
2. ВЧ хирургия – частота 1666 кГц (длина волны 180 м).
3. Индуктотермия – частота 13,56 МГц (длина волны 22,12 м).
4. УВЧ терапия – частота 40,68 МГц (длина волны 7,37 м)
5. Микроволновая или терапия волнами сантиметрового диапазона (СВЧ-терапия – частота 2,375 – 2,45 ГГц длина волны 12,63 – 12,24 см).
Диатермия [ с греч. - прогреваю, жар, теплота], термопенетрация, эндотермия - названия одного метода электролечения, действие которого состоит в нагревании органов и тканей организма токами высокой частоты.
Метод лечения, основанный на нагревании органов и тканей токами высокой частоты был введён в лечебную практику в 1905 году чешским врачом Р. Цейнеком. Широко используемый сегодня термин Диатермия был предложен немецким врачом Ф. Нагельшмидтом.
При воздействии аппарата диатермии на поверхность тела (контактным путем или дистанционно) энергия ВЧ-излучения в наибольшей степени поглощается тканями с максимальным содержанием воды ( лимфа, мышцы, кровь), в связи с чем глубина ее проникновения в тело составляет 3-5 см. Поглощенная энергия вызывает образование тепла в тканях (главным образом в мышцах, коже и подкожной клетчатке), на котором базируется принцип положительного воздействия микроволновой терапии.
В процессе диатермии в организме происходят следующие изменения:
интенсификация процесса обмена веществ (при этом температура тела может повышаться на 0,1-0,2°С),
повышение активности вегетативной нервной системы, что выражается в усилении лимфо- и кровообращения,
повышение активности лейкоцитов, особенно в области, подвергшейся воздействию аппарата микроволновой диатермии.
ВЧ хирургия. Хирургические операции, которые выполняются с помощью тока высокой частоты, имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными методами: повышенная стерильность, меньшие потери крови и др. Схема операции с помощью ВЧ тока показана на рис. 5.3.
Рисунок 5.3 – Схема операции с помощью ВЧ токов.
«Резание» производится активным электродом, к которому подводится ток от ВЧ источника. Активный электрод имеет заостренную форму, чтобы создать большую плотность тока в месте контакта. Это вызывает сильный разогрев тканей (> 100о С) и их разрыв. С противоположной стороны на объекте закрепляется пассивный электрод из мягкого материала, пропитанного проводящим составом. Пассивный электрод имеет большую площадь, для того чтобы плотность тока через него была маленькой и не вызывала ожогов.
Величина режущего тока может достигать 1 А при напряжении 200 В, т.е. мощность 200 Вт. Поэтому частота тока выбрана такой большой (1,66 МГц). При этом болевой порог намного превышает величину 1 А, и такой ток не вызывает никакой реакции опорно-двигательного аппарата оперируемого.(????)
Рассмотрим устройство и принцип действия аппарата для ВЧ хирургии типа ЭХВЧ-02, который называют также ЭС-100 (электроскальпель, максимальная мощность 100 Вт). Этот аппарат предназначен для резания и коагуляции. Причем коагуляция (?)производится модулированным током, а резание – непрерывным (почему?). Структурная схема аппарата показана на рис. 5.4.
В аппарате применен задающий LC-генератор. В режиме коагуляции переключателем подключается модулятор, который управляется мультивибратором. В качестве регулятора мощности используется простой резистивный делитель. Управление аппаратом осуществляется педалью. Блок автоматики выполнен на реле. Он, в частности, реагирует на нажатие педали и осуществляет контроль контакта пассивного электрода с объектом. Для этого пассивный электрод снабжен двумя проводниками, которые при наличии контакта с объектом образуют замкнутую цепь. В противном случае аппарат не включается. В аппарате также предусмотрена защита от возбуждения ВЧ напряжения при отсутствии контакта активного электрода с объектом.(зачем и усилитель тока и регуль. Мощности?)
Рисунок 5.4 – Структурная схема аппарата ВЧ хирургии
На рис. 5.5 приведена упрощенная принципиальная схема задающего генератора. Он выполнен по схеме с трансформаторной обратной связью. Глубина (?) ОС подбирается регулированием взаимной индуктивности М. Режим постоянного тока обеспечивается резисторами делителя R1 – R3 и эмиттерным резистором R4.
Рисунок 5.5 – Схема задающего генератора
Конденсатор С1 служит для шунтирования резистора R1 по переменному току, а индуктивность Lбл (блокировочная) – для увеличения сопротивления цепи делителя переменному току. Таким образом, уменьшаются потери усиления в цепи ОС. Диод осуществляет стабилизацию амплитуды напряжения задающего генератора. Нормально он закрыт обратным смещением, но при превышении амплитуды сигнала определенной величины он открывается, шунтируя сигнал ОС и уменьшая коэффициент петлевого усиления.
На рис. 5.6 показана связь между основными узлами аппарата ВЧ хирургии: задающим генератором, усилителем тока, выходным усилителем и модулятором.
Рисунок 5.6 – Функциональная схема аппарата ВЧ хирургии
Выходной усилитель выполнен по двухтактной схеме, которая работает в режиме В (с отсечкой тока). На выходе включен колебательный контур, согласующий выходное сопротивление усилителя с нагрузкой. Весь усилительный тракт охвачен отрицательной ОС (Woc), которая служит для защиты врача от попадания под ВЧ напряжение при отсутствии контакта активного электрода с объектом. При этом глубина ОС становится большой, а выходное напряжение – маленьким. Модулятор представляет собой диодный мост, включенный в цепь общей ОС. Коммутация моста осуществляется транзистором, который управляется мультивибратором. В положении переключателя «Резание» транзистор все время открыт от источника смещения Есм и переменный ток проходит через него в одном направлении. В режиме коагуляции импульсы от мультивибратора периодически открывают транзистор, что приводит к импульсной модуляции (манипуляции) ВЧ тока. Частота модулирующих импульсов выбирается около 16 кГц.
Рассмотрим более подробно наиболее важный узел – выходной усилитель. Его мощность достаточно большая – десятки и сотни ватт. Поэтому одним из главных требований, предъявляемых к нему, будет высокий КПД. В качестве активных элементов выходных усилителей мощных электромедицинских аппаратов все шире применяют транзисторы. При этом важной проблемой будет отвод тепла, обусловленного электрическими потерями на них. С целью получения высокого КПД целесообразно применение двухтактных каскадов, работающих в режиме В (угол отсечки 2 = 180о) или с бóльшим углом отсечки.
Рисунок 5.7 - Выходной усилитель аппарата ВЧ хирургии
Выходной усилитель выполнен по двухтактной схеме, работающей в режиме В, причем в плечах включено по три транзистора параллельно (соответственно VT1 – VT3 и VT4 – VT6). Они управляются независимо от отдельных трансформаторов Т1 – Т6, первичные обмотки которых подключены к вторичной обмотке трансформатора Т. Благодаря этому оказалось возможным коллекторы транзисторов заземлить. Но в таком случае в качестве радиатора можно использовать общую плиту, которая может выполнять функции несущей конструкции и быть заземленной. Таким образом, решается вопрос уменьшения массогабаритных показателей. В эмиттерные цепи транзисторов включены резисторы с небольшими сопротивлениями (около 1 Ом). Это необходимо для выравнивания характеристик транзисторов и обеспечения их равномерной токовой нагрузки.
В качестве других примеров электрохирургических аппаратов может быть приведен аппарат ЭХВЧ-300-02 российской фирмы «Эндомедиум» (рис. 2.49) и аппарат МЕ-411 немецкой фирмы MARTIN (рис. 5.7).
Рис. 5.7 – Электрохирургический аппарат ЭХВЧ-300-02