Медицинская электроника

Развитие современной медицины обусловлено в большой сте­пени использованием методов, в ос­нове которых лежат электрон­ные приборы и уст­ройства. Поэтому для грамотного управления и правильного использования электронной диагно­стической и ле­чебной аппаратуры про­фессио­нальное образование врача ставит своими зада­чами:

1. Изучение медико-биологических и техниче­ских характерис­тик объекта исследования.

2. Физико-технических характеристик электрон­ных устройств, применяемых в медицине.

В курсе нашей дисциплины для частичного ре­шения указан­ных задач введен раздел "Меди­цинская электроника".

Медицинская электроника — это область электротехники, которая занимается разра­боткой, изготовлением и эксплуата­цией элек­тронных приборов для диагностики, лечения и профи­лактики заболеваний.

Диагностические электронные системы

Устройства съема медицинской информации (УСМИ) — это устройства, обеспечивающие получение сигналов, связан­ных с явлениями и процессами, происходящими в живых орга­низмах.

Основные требования, предъявляемые к УСМИ.

1. Минимум искажения полезного сигнала.

2. Максимальная помехозащитность.

3. Удобство размещения в необходимом для из­мерения месте.

4. Отсутствие раздражающего действия.

5. Возможность многократного использования и стерилизации без изменения характеристик.

Электроды - это проводники специальной формы для съе­ма электрических сигналов ре­ально существующих в организме.

Классификация усми

Различного вида электроды используются и для подведения к организму внешнего воздействия.

Электроды как устройства съема различа­ются:

1.По виду регистрируемого сигнала (ЭКГ, ЭМГ, ЭЭГ, ЭГГ, ЭОГ и др.).

2.По материалу (металлические, угольные, стек­лянные). Стек­лянные правильно называть элек­тролитическими, т. к. проводни­ком является рас­твор электролита (КС1 и др.), который заключен в стеклянную канюлю.

3.По конструкции (плоские, игольчатые, много­точечные).

4.По площади (чем меньше площадь, тем более локально от­водятся биопотенциалы).

5.По назначению: одноразовые — используются в кабинете функциональной диагностики; дли­тельного наблюдения - в пала­тах реанимации; динамического наблюдения - в физиологии тру­да и спорта; экстренного применения - скорая по­мощь.

6.По месту расположения (поверхностные и вка­лывающие). Поверхностные электроды должны иметь контактное сопротивле­ние 10-15 кОм, по­этому их накладывают через токопрово­дящие пасты и прокладки.

Очень часто приходится регистрировать измене­ние характери­стик организма и окружающей среды, которые по своей природе не являются электрическими. Их называют входные неэлек­тричес­кие величины, обусловленные жизнен­ными функциями, к ним от­носятся:

1. Механические (перемещение, скорость, уско­рение, акусти­ческие параметры, давление, виб­рации и др.).

2. Физические (тепловые: температура, энергия, количество теплоты; электрические: характери­стики электрического (Е, ε, у), магнитного поля (B, μ ,v), импеданс и др.; оптические: показатель преломления, сила света, освещенность, яркость; атомные и ядер­ные: спектральный состав, масса атомов и ядер, активность излу­чения, дозы и др.).

3. Химические (химический состав, концентра­ция, рН).

4. Физиологические (кровенаполнение, пульс и др.).

Для измерения этих величин используются дат­чики (преобра­зователи).

ДАТЧИКИ— это УСМИ, которые своим чув­ствительным элементом реагируют на воз­действие измеряемой величины и осущест­в­ляют преобразование этого воздействия в форму, удобную для последующего усиления, регистрации, обработки (как правило в элек­трические сигналы)

В энергетических датчиках создается смодули­рованный (с неменяющимися параметрами) по­ток энергии. Измеряемый пара­метр изменяет этот поток (модулирует), эти изменения регистри­руются чувствительным элементом. Та­ким образом, общую схе­му измерения энерге­ти­ческими датчиками можно представить так: ис­точник энергии - объект исследования - чувстви­тельный элемент.

В фотоэлектрическом датчике (1) создается световой поток Фо. При прохождении через ткани организма поток меняется, в качестве реги­стрирующего устройства может использо­ваться фо­торезистор, фотоэлемент, фотопла­стинка. В рентгеновских датчиках (аппаратах) (2) в каче­стве излу­чения используются рентге­новские лучи, а в качестве чувстви­тельного элемента - фотопластинка, люминесцентный экран, рентге­ночувстительный экран. При ультразвуковом исследовании - (УЗИ) (3) использует­ся поток УЗ-волн, а для регистрации, как правило, пьезо­датчики. В биоуправляемых активных (гене­раторных) датчиках под воз­действием измеряе­мой величины генерируются пропорциональ­ные ей электрические сигналы. Наиболее часто упот­ребляемые датчики: термо­пары (1), тензодатчики (2), индукционные (3), полу­проводниковые вен­тильные фотоэлементы (4).

В термопарах имеются два спая, в которых со­единяются два различных проводника или полу­проводника. В каждом из спаев создаются кон­тактные разности потенциалов. Суммарная раз­ность потенциалов определяет ЭДС термо­пары. ЭДС пропорциональна разности темпера­тур спаев ε = к (Т1 - Т2), где к зависит от типа со­еди­няемых проводников или полупроводников. В тензодатчиках используется прямой пьезо­элек­трический эффект - при воздействии на некото­рые кристаллы (кварца, титанат бария и других) внешней силой, в результате структур­ной поля­ризации, на поверхности этих кристал­лов появ­ляется разность потенциалов, пропор­циональная приложенной силе. В индукцион­ных датчиках, при перемещении постоянного магнита относи­тельно катушки, возникает ЭДС индукции, кото­рая определяется по закону Фарадея ε = - ∆Ф/∆t. В конечном итоге ЭДС пропорциональна скоро­сти перемещения постоянно­го магнита. В полу­проводниковых вентильных фотоэлементах исполь­зуются кристаллы селена. Внутри селено­вой пластины за счет тех­нологии изготовления создается запи­рающий слой, который не пропус­кает основных носителей заряда. При освещении фотоэле­мента в верхнем слое возникают пары электрон-дырка. За счет за­пирающего слоя они разделяются и образуется фото ЭДС, про­пор­циональная световому потоку.

Биоуправляемые пассивные (па­раметриче­ские) датчики представляют собой замкнутую электрическую цепь, в состав которой входят: ис­точник постоянного или переменно­го напря­же­ния, измерительный при­бор (амперметр) и со­противление R, величина которого меняется пропор­ционально изменению измеряемого

неэлектрического сигнала организма. По закону Ома пропорцио­нально изменяется и ток в цепи, поэтому шкала измерительного прибора градуи­руется в единицах измеряемой неэлектрической ве­личины. По виду сопротивления параметриче­ские датчики подраз­деляются на: резистивные, емкостные, индуктивные и контактные.

В резистивных датчиках используются: актив­ное переменное сопротивление, движок которого перемещается пропорциональ­но механическому перемещению органов тела человека; термо­рези­стор, величина которого меняется пропор­цио­нально темпе­ратуре измеряемого объекта; фото­резистор, его сопротивление меняется при изме­нении светового потока; в качестве сопротив­ле­ния можно подключать непосредст­венно ткани организма. В этом случае измеряется импеданс (общее сопротивление ткани перемен­ному току). В емкостных датчиках сопротивле­нием является конденсатор. Как известно емкость конденсатора определяется формулой: C = (εε₀S)/(4πd),

а величина емкостного сопротивления R = 1/(ωC)

Таким образом, емкостное сопротивление будет меняться при изменении относительной диэлек­трической проницаемости (е), площади пластин (S), расстояния между пластинами (d). Величина этих параметров меняется, либо при механиче­ской перемещении частей тела, либо при измене­нии влажности и температуры среды между пла­стинами конденсатора. В индуктивных датчи­ках используется катушка с ферромаг­нитным сердечником. Ее индуктивность (L) зависит от магнитной проницаемости сердечника (μ), числа витков катушки (n), разме­ров катушки (d,l). Ве­личина индуктивного сопротивления опреде­ля­ется формулой R_L = ωL. В контактных датчиках вместо сопротивления используются два кон­такта, которые замыкаются или размы­каются при периоди­ческом движении, например, при изме­нении размеров грудной клетки при вдохе и вы­дохе. Для правильного использования датчиков необходимо знать их метрологические характе­ристики. Датчики должны периоди­чески прове­ряться метрологическими службами. К метроло­ги­ческим характеристикам относятся:

1. Чувствительность - это изменение выходного сигнала при изменении входного сигнала на еди­ницу. Например, чувствитель­ность термо­пары определяется формулой: k =∆ε/∆t

2. Предел чувствительности - минимальное зна­чение измене­ния входного сигнала, которое можно зарегистрировать с помо­щью датчика.

3. Динамический диапазон - диапазон входных неэлектричес­ких величин от предела чувстви­тельности до максимального зна­чения, регистри­руемого датчиком без искажения.

4. Погрешность - разность между измеренным и действи­тельным значением величины.

5. Время реакции (инерционность) показывает, на сколько ве­личина выходного сигнала датчика отстает по времени (по фазе) от входного.

В качестве примеров использования датчиков рассмотрим из­мерение температуры, параметров системы дыхания и сердечно­сосудистой сис­темы. Различают температуру поверхности и температуру ядра тела. Температура поверхности тела зависит не только от состояния организма, но и от внешней среды: температуры и давления воз­духа, его влажности. Поэтому, как правило, температуру поверх­ности измеряют с точки зре­ния симметричности температурных полей левой и правой области тела человека. Темпера­тура ядра является более стабильным показате­лем и она определяется в ос­новном состоянием внут­ренней среды организма. Измеряют тем­пературу ядра непосредственным помещением датчика в мышцу и отдельные органы, ректаль­ную темпе­ратуру, в полости рта, в подмышечной впадине, паховой области, пупочной ямке. Для из­мерения температуры человеческого тела в качестве дат­чиков ис­пользуются: полупроводни­ковые термо­сопротивления (термисторы), и термоэлементы (термопары).

Основными параметрами, измеряемыми в сис­теме дыхания, являются частота дыхания и глу­бина дыхания. Измерение этих па­раметров про­изводится по механическому перемещению грудной клетки и по противоположно направ­ленным потокам воздуха при вдохе и выдохе, имеющими разную температуру и влажность. Механические перемещения грудной клетки оценивают контакт­ными и резистивными (с ак­тивным сопротивлением) датчиками. Потоки воздуха измеряют емкостными датчиками, тер­мисторами, термопарой. Для оценки деятель­но­сти сердечно-сосудистой системы ис­пользу­ются неэлектрические параметры: частота пульса, па­рамет­ры пульсовой волны, систоличе­ское и диа­столическое давление, тоны и шумы сердца, ме­ханические перемещения органов и тка­ней, свя­занные с одномоментым выбрасыва­нием удар­ного объе­ма крови из левого желу­дочка и др. Частоту пульса и пульсовые волны (сфигмогра­фия) измеряют тензодатчиками. Механические перемещения грудной клетки в области верху­шечного толчка (сейсмография) оценивают ин­дукционными датчиками. Тоны и шумы сердца (фонокардиография) измеряют с помощью мик­ро­фонов, которые по сути пред­ставляют также датчики индукцион­ной системы. Для измерения давления используют тензодат­чики, основанные на пьезоэффекте. Эти датчики вносят в крупные кро­веносные сосуды и в полости сердца. Иссле­дование кровенапол­нения и оценка тонуса кро­веносных сосудов (плетизмо­графия) произво­дится импедансометрическими датчиками, энер­гетичес­кими, фотоэлектриче­скими и тензодатчи­ками. Определение ско­рости кровотока произво­дится энергетическими ультразвуковыми датчи­ками, метод измерения основан на эффекте Доп­плера.

Электрические сигналы на выходе УСМИ, как правило, имеют малую величину (амплитуду). Для регистрации их необходимо усилить. Для этих целей используются устройства усиления (УУ).

Устройства усиления напряжения, тока, мощности элект­рических колебаний за счет энергии постороннего источника называются усилителем колебаний.

Элементной основой усилителя является триод, вакуумный или полупроводнковый (транзистор). Не вдаваясь в подробности работы усилителя, рассмотрим общие принципы усилителя на­пря­жения.

1.Колебания входного напряжения на сетке лампы создают пропорциональные колебания анодного тока (в случае использо­вания транзи­стора колебания тока в цепи эммитер-коллектор).

2. Изменяющийся анодный ток создает на нагру­зочном со­противлении R пульсирующее напря­жение, состоящее из посто­янной и пере­менной составляющей.

3. Переменная составляющая этого напряжения, выделенная с помощью разделительного конден­сатора, и является усиленным выходным напря­жением.

Из рассмотренного видно, что принципиальные схемы и принцип работы вакуумного и транзи­сторного усилителей иден­тичны. Главным пара­метром усилителя является коэффициент усиле­ния. Он показывает во сколько раз ампли­туда выходного напряже­ния больше амплитуды входного напряжения.

k = U_mвых/U_mвх

Приведенные схемы усилителей являются одно­каскадными. Для регистрации электриче­ских сигналов одного каскада, как правило, бывает не­достаточно. Поэтому используют усилители, со­стоящие из нескольких каскадов, которые под­ключаются пос­ледовательно друг с другом. Ко­эффициент усиления многокас­кадного усилителя равен произведению коэффи­циентов усиле­ния всех каскадов.

K = k₁*k₂*k₃

При использовании усилителей в медицине важно, чтобы форма выходного напряжения со­ответствовала форме входного напряжения, го­ворят, чтобы усилитель не искажал усиливае­мый сигнал. В противном случае будут возникать серьезные ошибки в диагностике заболеваний. Различают три вида искажения сигналов в уси­лителях: амплитудные, за счет сеточных токов, частотные. Эти искажения устраняются разра­ботчиками усилителей, соглас­но представ­ленной информации о параметрах усиливаемых сиг­на­лов. Частотные искажения связаны с так назы­ваемой полосой пропускания усилителей. Для каждого усилителя определяется ча­стотная ха­рактеристика — это зависимость коэффици­ента усиле­ния от частоты гармонического сигнала, подаваемого на вход усилителя. Частот­ная харак­теристика представлена в графической форме.

Полоса частот от v, до v2, в пределах которой ко­эффициент усиления практи­чески не меняется, называется полосой пропускания усилителя. Биологические сигналы не явля­ются гармониче­скими, однако их можно разложить на сумму гар­моник, различающихся по часто­те и ампли­туде. Если все частоты гармоник входят в полосу про­пускания, то искажений не будет. Если хотя бы одна гармоничес­кая составляющая выходит за пределы полосы пропускания, то сигнал на выходе не будет соответствовать сигналу на входе, произойдет искажение сигнала. Так как биологические кривые различаются по гармони­ческому спектру, то усилители для одного сиг­нала, например ЭКГ, не мо­гут использоваться для усиления другого вида сигналов - ЭЭГ, ЭМГ и др. Для того, чтобы использовать усилители для усиления элект­рических потенциалов, возни­кающих в организме человека и жи­вотных, необ­ходимо четко представлять себе биоэлек­триче­скую активность органов человека и их характе­ристики.

Биоэлектрическая активность характеризуется следующими параметрами:

1. Диапазон амплитуд электрических колебаний составляет от единиц мкВ до единиц мВ.

2. Диапазон частот охватывает область частот от долей Гц до 10 кГц.

3. Внутреннее сопротивление ткани не является чисто актив­ным и составляет порядка тысяч и де­сятков тысяч Ом.

Кроме этого при регистрации биопотенциалов приходится иметь дело со следующими особен­ностями:

а) регистрация биоэлектрических процессов, как правило, производится при одновременной за­писи нескольких сигналов.

б) при регистрации объект находится в поле дей­ствия различ­ного рода полей, которые иногда достигают большого уровня по сравнению с уровнем регистрируемого потенциала.

Весьма низкие амплитуды биопотенциалов с од­ной стороны и большие напряжения, которые необходимо подать на регистриру­ющие устрой­ства, с другой стороны, заставляют конструиро­вать усилители с большим коэффициентом уси­ления (до нескольких миллионов раз). Малые входные напряжения приводят к тому, что в уси­лите­лях приходится считаться с собствен­ными шумами входных каска­дов, а из-за боль­шого ко­эффициента усиления со склонностью та­ких усилителей к самовозбуждению. Необхо­димость пропускания очень низких частот усложняет пи­тание усилителя от одного общего источника пи­тания. Это де­лает усилитель очень чувствитель­ным к медленным изменени­ям напряжения ис­точников питания, а работу усилителя не­устой­чивой. В связи с большим сопротивлением ткани входное сопротив­ление усилителя должно быть большим. Одновремен­ная регистрация несколь­ких процессов на одном объекте приводит к тому, что входы усилителей оказываются со­еди­ненными между собой через сопротивление тка­ней. Для борьбы с помехами экранируются как сам объект, так и входные элементы усилителей и сами усилители.

Входные каскады усилителей должны удов­летворять следую­щим требованиям:

1. Уровень собственных шумов должен быть очень низок.

2. Входное сопротивление каскада и собственно всего усили­теля должно быть большим.

3. Каскад должен быть защищен от механиче­ских колебаний.

4. Схема каскада должна давать возможность производить ре­гистрацию нескольких процессов и без экранирующей камеры.

В таблице перечислены основные параметры электрогра­фических сигналов.

Устройства отображения и регистрации ме­дицинской инфор­мации (УОРМИ) позво­ляют получать в графической или иной форме харак­теристики параметров контролируемого объекта. Устройства отображения осуществляют времен­ное представ­ление информации, а устрой­ства ре­гистрации позволяют длитель­ное время хранить информацию и многократно обращаться к ней для последующей обработки и более глубокого анализа.

Класси­фикация УОРМИ

.

Аналоговые регистрирующие и отображающие устройства применяются для представления ин­формации об изменении одно­го или несколь­ких параметров, которые желательно контролиро­вать непрерывно (например, при регистрации ЭКГ). Действие аналоговых УОРМИ основано на об­щем принципе действие по­стоянного магнитного поля на проводник с током. Проволочную рамку помещают между полюсами постоянно­го маг­нита.

На клеммы рамки подается переменное напря­жение от устройства усиления, по форме соот­ветствую­щее изменению регистрируемого пара­метра организма челове­ка. В рамке возни­кает ток, пропорциональный приложенному напря­жению. В левой и правой части рамки токи про­тивопо­ложно направлены. Возникает пара сил, которые поворачивают рамку вокруг оси. Угол поворота пропорционален приложенно­му на­пряжению. Приборы, основанные на этом прин­ципе, называются приборами электромаг­нитной системы. В показывающих (стрелоч­ных) при­борах рамка соединена со стрелкой, которая по­ворачива­ется вместе с рамкой и указы­вает на шкале величину регист­рируемого параметра. Шкала прибора проградуирована в единицах из­мерения регистри­руемого параметра. В светолу­чевых регистраторах на рамку наклеивают лег­кое зеркальце. На зеркальце посыла­ется луч света. Отраженный луч вычерчи­вает на движу­щейся фо­топленке или фотобумаге график изме­нения во времени регист­рируемой величины. Этот вид регистраторов имеет наи­меньшую из аналоговых инерционность и используется для регистрации быстроменяю­щихся параметров. В самописцах рамка соеди­няется со специальным пером, ко­торое вычерчи­вает на движущейся бу­маге развернутую диа­грам­му контролируемой величины.

- в перьевых самописцах перо представляет стержень, запол­ненный чернилами (можно ис­пользовать стержень авторучки);

- в струйных самописцах перо не касается бу­маги, чернила выбрасываются под давлением из специального отверстия.

- при тепловой и электрохимической регистра­ции пером служит заостренный металлический стержень. В этих видах записи используется спе­циальное покрытие бумаги, которое разлага­ется и меняет цвет по следу, в тепловых в резуль­тате трения пера о бу­магу, в электрохимических под действием напряжения, приложен­ного между пером и бумагой.

В дискретных УОРМИ измеряемый параметр регистрируется в буквенном или цифровом виде не непрерывно, а через опреде­ленные проме­жутки времени. В цифропечатающих устройст­вах буквы или цифры отобра­жаются на обычной бумаге. При последовательной печати печа­тание каждого знака требует одного механического пе­ремещения литеры. При параллельной печати при однократном механичес­ком перемещении может печататься слово, строка, абзац, лист, что значительно сокращает время печати.

Цифровые индикаторы отображают цифры, буквы, знаки на экране.

- оптические регистраторы отображают инфор­мацию на обычном стекле путем просвечивания через трафарет (в совре­менных приборах прак­тически не используются);

- газоразрядные индикаторы основаны на прин­ципе свече­ния разряженных газов вокруг про­водника, на который подается достаточно высо­кое постоянное напряжение. Проводником явля­ется обычная проволока, изогнутая по форме бу­квы или цифры;

- наиболее часто в современных регистраторах используется люминесцентная индикация. Экран такого индикатора представля­ет совокупность кристалликов, которые меняют цвет или контрас­тность, если на них подается постоянное напря­жение. Совокуп­ность таких контрастных кри­сталликов и создает изображение бук­вы или цифры.

В комбинированных УОРМИ информация может отображать­ся как непрерывно, так и дис­кретно. Электронно - лучевая трубка использу­ется для отображения информации в электрон­ных осцилографах и видеоприемниках. Принцип действия их достаточно хорошо известен. Ос­новным до­стоинством этих регист­раторов явля­ется их малая инерционность, они способны ре­гистрировать самые быстро меняю­щиеся про­цессы. Принцип магнитной записи основан на том, что записываю­щая головка создает пере­менное магнитное поле пропорцио­наль­ное вели­чине регистрируемого сигнала. Магнитное поле соответ­ственно меняет состоя­ние магнитного порошка на магнитной ленте или диске. Магнит­ная запись это единственное УОРМИ, ко­торое не требует преобразования регистрируемой инфор­мации для дальнейшей передачи и обработки информации на ЭВМ. В современных диагнос­тических системах исполь­зуются в комплексе все виды рассмот­ренных электронных устройств, начиная от УСМИ и кончая СОМИ. Примером может служить УЗИ, компьютерная томогра­фия, видеомониторинго­вые системы.

Лечебные электронные системы

Одним из наиболее широко распространенных методов лече­ния и профилактики заболеваний являются методы высокочастот­ной терапии. Это воздействие на ткани и органы высокочастотных электромагнитных колебаний. По­лучают элек­тромагнитные колеба­ния с помощью колеба­тельного контура.

Идеальный колебательный контур состоит из ка­тушки индуктивности и конден­сатора. Если за­рядить конденсатор такого контура, то в нем воз­никнут периодически повторяющиеся процессы перехода электрического поля конден­сатора в энергию магнитного поля катушки и обратно по­средством электрического тока. При определен­ных условиях от колебательного контура в про­странстве будет распространятся электромагнит­ная волна. Совокупность этих физических фак­торов и носит название электро­магнитных коле­баний. Изменение этих факторов в идеальном колебательном контуре происходит по гар­мони­ческому закону. Период колебаний в контуре оп­ределяется емкостью конденсатора и индуктив­ностью катушки по известной формуле Томсона Т = 2π(LC)^1/2

В реальном колебательном контуре присутствует активное со­противление, поэтому колебания в нем будут затухающими. Если периодически за­ряжать конденсатор контура, то после каждой за­рядки в нем будет возникать залп высокочас­тот­ных затухающих колебаний. Воздействие на ткани и органы человека затухающими колеба­ниями тока называется местной дарсонвализа­цией. Аппа­рат для воздействия носит название генератор Д'Арсонваля. Периодическая зарядка конденсатора контура с ударным возбуждением осуществляется с помощью генератора прямо­угольных импульсов. Частота повто­рения пря­моугольных импульсов 50 Гц. Частота высоко­частотных колебаний тока в контуре 110 кГц. Во вторичной катушке наво­дится ЭДС индукции напряжением 20 - 30 кВ. Воздействие осу­ществ­ляется стеклянным электродом, запол­неным воз­духом при давлении 0,1 - 0,5 мм. рт. ст. Второго электрода нет, однако цепь замкнута через воз­душную сре­ду, которую можно пред­ставить в виде конденсатора (пунктирные линии). Дейст­вующим фактором является высокочастотный разряд (ток), возникающий между элект­родом и поверхностью тела па­циента. Интенсивность вы­сокоча­стотного разряда меняется от "тихого", вы­зывающего тонизи­рующее действие на нервные ре­цепторы кожи и слизистой, до слабого искро­вого, оказы­вающе­го уже раздражающее, а в от­дельных случаях легкое прижига­ющее действие. Для получения незатухающих колебаний необхо­димо периоди­чески пополнять энергию конту­ра от постороннего источника напряжения. Для этих целей ис­пользуется генератор электри­чес­ких колебаний.

Генератор состоит из:

1.Колебательного контура;

2.Триода с катушкой обратной связи;

3.Источника постоянного электрического напря­жения.

При подключении источника питания конденса­тор контура за­ряжается до определенного на­пряжения и в контуре возникает ток, изме­няю­щийся по гармоническому закону. В первой чет­вер­ти периода ток в контуре возрастет от 0 до Jmax. В этот период времени в катушке связи ин­дуцируется ЭДС, приложенная "+" к сетке, лампа открыта, происходит пополнение энергии кон­тура. Во второй четверти периода ток умень­ша­ется от Jmax. до 0. В ка­тушке связи возникает ЭДС, приложенная "-" к сетке, лампа зак­рыта. Далее процесс повторяется. Таким образом, за период лам­па дважды бывает открыта, в это время и происходит пополнение энергии контура и в нем возникают незатухающие электромаг­нитные колебания. Лампа с катушкой обратной связи играет роль своеобразного ключа, только в определенные моменты, открыва­ющего доступ энергии от источника питания к контуру, они иг­ра­ют роль механизма обратной связи. В генера­торах, используемых в медицинских целях, к контуру генератора индуктивно под­ключа­ется терапевтический контур. В нем возникают вы­нужденные ко­лебания, частота которых опреде­ляется контуром автогенератора. Терапевтиче­ский контур и контур автогенера­тора настроены в ре­зонанс. Описанный генера­тор используется в следующих методах высоко­частотной терапии: диатермия, индуктотермия, УВЧ-терапия, мик­роволновая и ДВЦ-терапия.

Диатермия — это ме­тод воздействия на ткани организма высокочастот­ного электрического тока. Способ воз­действия контактный. Час­тота колебаний 1-2 МГц (в России - 1,625 МГц).

Эффект - тепловой, механизм выделения тепла связан с увеличе­нием колебательного движения ионов в проводящих тканях орга­низма при про­пускании высокочастотного тока. Количество выде­ленного тепла определяется по формуле

Q = kσ²/γ

где k - коэффициент пропорциональности, зави­сящий от выбора единиц, σ = J / S — плот­ность тока на электродах, γ - удельная проводи­мость ткани. Так как количество теплоты обратно про­порционально удельной проводимости, наи­больший тепловой эф­фект происходит в плохо проводящих тканях (подкожный жировой слой, клетчатка, некоторые соединительные ткани). Теплообразо­вание можно значительно усилить, если сделать площадь одного или обоих электро­дов очень малой. В этом случае под электро­дом ткань разрушается (разрезается). Этот эффект ис­пользуется в методе хирургиче­ской диатермии. При "электрическом" разрезе одновременно про­исходит коагуляция кровенос­ных сосудов, по­этому метод хирургической диатермии называют диатермокоагуляция. Воздействие на ткани орга­низма переменным высокочастот­ным магнит­ным полем называется индуктотермией.

Ка­тушка L_B в зависимости от области воздейст­вия может иметь раз­личную форму и размеры. Магнитное поле, создаваемое в этой катушке на­водит в проводящих тканях организма высо­ко­частот­ные замкнутые вихревые токи. Эти токи и вызывают эффект теп­лообразования. Количе­ство выделенной теплоты определяется форму­лой Q = kv²B²γ . Этот метод лечения используется для воздействия на хорошо проводящие ткани (мы­шечная, нервная ткань, кровеносные сосу­ды). При индуктотермии используется частота 10 - 15 МГц.

При УВЧ - терапии происходит воздействие пе­ременным высокочастотным электрическим по­лем, частотой 40 - 50 МГц.

При воздей­ствии такого поля в проводящих тка­нях усиливается колебательное движение ионов, в непроводящих - вращательное движение ди­польных молекул, в результате чего выделя­ется теплота. Формулы теплообразования:

- для проводящих тканей: Q = kЕ²γ , Е - напря­женность электрического поля,

- для ди­электрических тканей: Q = kvεε₀E²tg δ , ε ₀ - диэлектрическая постоянная, ε - относительная диэлектрическая проницаемость, v - частота, δ - так называемый угол потерь, он определяет от­ставание по фазе вращения дипольных моле­кул от изменения электрического поля.

В микроволновой и ДЦВ-терапии использу­ется открытый ко­лебательный контур. В про­стейшем виде это обычный прямой проводник (антенна). Такой контур способен излучать на­правлен­ный поток электромагнитных волн.

Используемая ча­стота 460 МГц , 2375 МГц. Эф­фект воздействия тепловой. Способ воздейст­вия бесконтактный.

В современной физиотерапии все большее зна­чение приобре­тает применение импульсных токов. Импульсы прямоугольной формы полу­чают с помощью импульсных генераторов — муль­тивибраторов.

Он состоит из двух одинаковых триодов. За счет обратной связи анодов с сетками противополож­ных триодов, ток в этих триодах "мгновенно" увели­чивается до Jmax, а затем также быстро уменьшается до 0. Импуль­сы прямоугольной формы возникают на обоих триодах, но они про­тивофазны.

Основными характеристиками импульсных токов являются:

а. Амплитуда тока - А,

б. Период импульса - Т,

в. Длительность импульса - t,

г. Частота повторения импульсов - v = 1/Т,

д. Длительность паузы между импульсами - t₀,

е. Скважность — это отношение периода им­пульса к его дли­тельности

∆ = T/t

Для получения импульсов других форм исполь­зуются диффе­ренцирующие и интегрирующие цепочки. Это после­довательно соединенные кон­денсатор и активное сопротивление. Цепочки ха­рактеризуются

постоянной τ = R С. Величина этой константы и определяет форму импульса. Физиологический эффект воздействия импульсов тока состоит в том, что на каждый отдельный импульс ткань от­вечает адекват­ным ответом (раздражением). Для каждой ткани в координатах амплитуда — дли­тельность импульса определяют границу раздра­жения.

Выше кривой существует адекватный ответ, ниже ткань не раздражается. С этой точки зрения существуют фи­зиологические параметры раз­дражения:

1. Реобаза (Аm) - это минимальная амплитуда импульса при бесконечно большой его длитель­ности, которая вызывает адекват­ный ответ.

2. Хроноксия (tm) - это минимальная длитель­ность импульса при двойной реобазе, которая вызывает адекватный ответ.

3. Лабильность (vmin) - это минимальная частота импульсов, на каждый из которых ткань отвечает адекватным ответом. Выше этой частоты (так на­зывае­мый гладкий тетанус) ткань "не успевает" расслабится и находится в постоянном раз­драже­нии.

4. Адаптация (S) - свя­зана со временем нараста­ния переднего фронта им­пульсов (крутизны). При не­которой достаточно малой крутизне ткань не отвечает адекватным ответом, хотя реобаза, хроноксия и лабильность соот­ветствует гранич­ной.

Врачу необходимо знать физические параметры импульсов возбудимости для грамотного и эф­фективного использования их для лечения забо­леваний.

Электростимуляция импульсными токами ис­пользуется:

1. Для компенсации временно утраченной функ­ции (например, при потере электровозбуди­мости мышцы в результате травмы).

2. Для усиления функции (например, при значи­тельной утрате функции сокращения миокарда больному "вшивают" генератор прямоугольных импульсов — стимулятор сердечной деятельно­сти).

3. В некоторых случаях стимуляция использу­ется при полной утрате функции.

4. Для подавления функции (аппарат электросон, электро­анальгезия родов и др.).

Магнитотерапия - это воздействие на ткани ор­ганизма по­стоянным или переменным низко­час­тотным магнитным полем (МП). Для этих целей используются постоянные магниты (магни-тоэл­ласты) и соленоиды (катушки индуктивности), на которые по­дается постоянное или переменное, порядка 50 Гц, электрическое напряжение. Ме­ханизм размена энергии магнит­ного поля (пер­вичный эффект) далеко не выяс­нен. Однако бла­годаря усилиям медиков и магнитобиологов в последние годы выявлены многие физиологиче­ские эффекты при действии магнитного поля на био­объекты. Магнитное поле действует на пара­магнитные элементы тканей, такие как О, Fe, Mn, которые участвуют в окислительных реакциях, что ведет к улучшению обменных процессов. Значи­тельно усиливаются ионизационные про­цессы в МП, усиливается движение заряженных частиц и силы трения о клеточную мембрану, что повышает проницае­мость ее, усиливает внутри­клеточ­ный и межкле­точный обмен. Обнаружено также, что магнито­терапия обладает ярко выра­женным противовос­палительным, анальгези­рующим и противоотеч­ным действием, способ­ствует улучшению трофики, ускорению процес­сов регенерации тканей, эпитализации язвенных поверхностей, более быстрому заживле­нию ран. Действие МП ведет к увеличению количества функцио­нирую­щих капилляров, кровонаполне­нию, ускорению тканевого кровотока, улучше­нию насыщения артериальной крови кислоро­дом и т. д. В резуль­тате исследования последних лет обнаружено, что главным в механизме действия МП на молекулярном уровне явля­ется блок: бе­лок — ионное окружение — вода, на тканевом и органном уровне основной точкой воздействия является микро-циркуляторное русло.

Метод лечебного воздействия постоянным током небольшой величины (напряжение 60—80 В) но­сит название гальванизация. Первичное дейст­вие постоянного тока на ткани организма связано с перераспределением ионов на полу­проницае­мых и не проницаемых тканевых перегородках — это явление называют по­ляризацией. Пере­распределение ионов приводит к функциональ­ным сдвигам в различных элемен­тах тканей. Ап­парат для гальванизации представ­ляет собой двухполупериодный выпрямитель 1 со сглажи­вающим фильтром 2 и регулирующе- регистри­рующей частью 3.

При проведении процедуры, во избежание при­жигающего действия продуктами электро­лиза и лучшего контакта с кожей, под электроды поме­щают марлевые прокладки, смоченные физ­рас­твором. Оптимальный ток для проведения про­цедуры определяется толь­ко по ощущению па­циента - легкое покалывание под электродами. Одновременно с гальванизацией часто исполь­зуют введение лекарственных и питательных веществ в организм (ионы йода, ме­таллы, пени­циллин и др.) в ионном виде. Этот метод назы­вают ионогальванизацией или лечебным электрофорезом. Препарат вводится с элек­трода, знак которого имеют вводимые ионы: с ка­тода - катионы, с анода анионы.

Воздействие ультразвуком частотой 880 кГц и 2640 кГц назы­вается ультразвуковой терапией. Воздействие осуществляется через специальные звукопроводящие пасты. В современных УЗ-ап­паратах

интенсивность меняется в пределах (0,1 - 1,6) Вт / см². Разли­чают три вида первичных эффектов при действии ультразвука на живые ткани: меха­нический, тепловой, химический. Механи­ческое действие обусловлено колебанием частиц ткани (микромассаж). При этом происходит изменение взаимного рас­положения клеточных структур, что приводит к изменению их функ­ций. Тепло­вое действие связано с поглощением УЗ - энер­гии в мышечных и особенно костных тканях, в первую очередь, при кавитационных явлениях. Химическое действие проявляется в изменении интенсивности окислительных процессов, усиле­нии диффузии и др. Отдельное место среди ле­чебных методов занимают физические явления, возникающие в газах и газовых смесях. Всем из­вестно, что в обычных условиях атомы и моле­кулы газов являются нейтральными, не заряжен­ными. Превращение нейтральных атомов в заря­женные частицы осуществляется под действием физико-химиче­ских факто­ров, таких как реакция горения, электрические разряды, различного вида излуче­ния. Ионизационный эффект определя­ется:

1. Свойствами самих атомов, так называемой энергией иони­зации. Эта энергия величина таб­личная и весьма значительно раз­личается для различных газов.

2. Свойствами излучения - интенсивностью ио­низации: коли­чеством пар ионов, возникаю­щих в единице объема газа за еди­ницу времени под действием ионизатора.

В первую очередь рассмотрим процессы, возни­кающие в ок­ружающей нас газовой среде — ат­мосферном воздухе. Известно, что в 1см³ воздуха постоянно присутствует около 1000 пар ионов, однако воздух при этих условиях не является проводником, т.к. всего в 1см³ воздуха присутст­вует 2, 7 10¹⁹ атомов и молекул, и 1000 пар ионов образуют слишком слабый ток. Вопрос состоит в том, откуда берутся эти ионы? Выявлено, что на молекулы возду­ха постоянно действуют два вида физических факторов, так назы­ваемые постоянно действующие иониза­торы.

1. В почве, воздухе, воде всегда присутствуют радиоактивные элементы, излучения которых в виде α, β, γ, - излучений и созда­ют ионы воздуха. Интенсивность ионизации радиоактивного излу­чения 8 пар/ (см³с).

2. Космические лучи. Первичные космические лучи это час­тицы с огромной энергией (порядка 10'°- 10¹⁸ эВ), которые "при­летают" к нам из кос­мического пространства. Они взаимодейству­ют только с атомами верхних слоев атмосферы, раз­бивая их. В ре­зультате такого взаимодействия возникают вторичные космические лучи, кото­рые подразделяются на жесткие и мягкие. К же­стким относится: поток промежуточ­ных по массе частиц - мезонов, к мягким - электроны, γ - фо­тоны. Вторичные космические лучи дости­гают поверхности земли и создают 2 пары ионов/ (см³с). Таким образом, постоянно действующие ионизаторы создают 10 пар ионов в 1см³ воздуха за 1 с. В воздухе как и в любом газе существует и обратный процесс - рекомбинация. При дости­жении около 1000 пар ионов в 1см³ процессы ио­низации и рекомбинации уравниваются. Что же из себя представляют ионы воздуха или, как их называ­ют, аэроионы? Различают легкие и тяже­лые аэроионы. Легкие аэроионы это мелкие за­ряженные частицы воздуха (ионы, части­цы воды), окруженные полярными молекулами воз­духа. Тяжелые аэроионы это частицы дыма, пыли, на которые осаждаются лег­кие аэроионы. И легкие и тяжелые аэроионы, могут быть как по­ложительными так и отрицательными. Тяже­лые аэроионы оказы­вают отрицательное дейст­вие на организм. Из легких лечебное действие оказывают только легкие отрицательные аэро­ионы. Для характеристики здоровости атмосфер­ного воздуха вводится специ­альная величина - коэффициент униполярности.

k = n⁺/n^-

где n⁺ - концентрация легких положительных аэ­роионов, n^- — концентрация легких отрица­тель­ных аэроионов. В чистом загородном воздухе k = 1-1,2, у фонтанов, водопадов, у моря k < 1, в пе­щерах, подземельях, в плохо проветри­ваемых помещениях к дос­тигает 10—20.

Метод воздействия легкими отрицатель­ными аэроионами с лечебными целями назы­вают аэроионотерапией.

Аэроионы получают искусственным путем в ос­новном 3 спо­собами.

1.Чистый сухой воздух продувают через аэроди­намическую трубу. В начале трубы находится радиоактивный препарат, излу­чение которого ак­тивно ионизирует воздух. Легкие положитель­ные аэроионы "убираются" отрицательно заряжен­ным цилинд­ром. На выходе трубы создается по­ток воздуха, активизирован­ный легкими отрица­тельными аэроионами.

2.Получение аэроионов возможно при механиче­ском дробле­нии воды, так называемый балло­электрический эффект, который состоит в том, что капли воды при ударе о неподвижную пре­гра­ду делятся на крупные, заряженные положи­тельно, они опускают­ся на поверхность жидко­сти и мелкие, заряженные отрицательно, они на­ходятся во взвешенном состоянии в воздухе и представля­ют собой легкие отрица­тельные эрои­оны. Прибор для этих целей называется гидроаэ­роионизатор.

3. Третий способ основан на электроэффлюви­вальном эффек­те - это образование аэроионов в электрическом поле большой напряженности (свыше 20000 В/см). Получить такое поле можно на острие металлического проводника - кондук­тора. Под действием этого поля те тысяча пар ионов, которые постоянно находятся в 1 см3 воз­духа, начинают двигаться с такой скорос­тью, что при столкновении с нейтральными атомами, ио­низиру­ют их. Процесс образования новых ионов идет быстро (лавинио). Положительные ионы двигаются к острию и, подходя к нему, ней­трали­зуются. Происходит явление "стекания зарядов" с острия. Отрицатель­ные ионы двига­ются от ост­рия, захватывая и нейтральные молеку­лы воз­духа, образуется "электрический ветер". Весь описанный процесс называется тихий коронный разряд. На этом принципе разработан медицин­ский аппарат электростати­ческий душ. За счет повышающего трансформа­тора (ТР) и выпрями­теля (D) между головным и ножным электро­дами создается постоян­ное напряжение (30-60) кВ. Головной электрод выполнен в виде тонких стержней с острием, на которых образуются лег­кие отри­цательные аэроионы. Сопротивление R служит для безопас­ности пациента от поражения током. Кроме аэроионов в электростати­ческом душе на орга­низм пациента действует электриче­ское поле высокой напряженности, которое вы­зывает явление поляризации в диэлектрических тканях и микротоки в проводящих тканях. Этот метод многие называют франклинизация. Пер­вичный эффект действия легких отрицательных аэроио­нов состоит в раздражающем (тонизи­рующем) действии на рецепто­ры кожи и слизи­стых. Во всех лечебных учреждениях широко использу­ется ртутно - кварцевая лампа (среди медицин­ских работников она называет­ся "кварц", "УФО", бактерицидная лампа). Лампа представляет собой трубку из кварцевого стекла, в которую впаяны два элект­рода.

Трубка заполнена аргоном и содержит неболь­шое количество ртути. Питается трубка от сети переменного на­пряжения. Катушка L и конден­сатор С служат для облегчения за­жигания лампы (явление резонанса напряжения). В начальный момент после подключения напряжения между электродами воз­никает тлеющий разряд в атмо­сфере аргона. Он начинается засчет единич­ных ионов и электронов и поддержива­ется за счет ударной иони­зации атомов аргона. За­тем за счет бомбардиров­ки ионами разогреваются элек­троды, повышается температура трубки, ртуть начинает испаряться. В трубке возникает мощ­ный электрический разряд, про­исходит ударная ионизация атомов паров ртути. Ионизи­рованные атомы ртути создают излучение в ультрафи­оле­товой области и частично синефио­летовой части спектра. Спектр излучения линейчатый. Частота излучения зависит от дав­ления парогазовой смеси внутри трубки. В трубках высокого дав­ле­ния (150 - 400) мм. рт. ст. длина волны УФ излу­чения 365 нм. Это излуче­ние используется как лечебное средство и средство ук­репления и зака­ливания организма. В трубках низкого давления (0,01 - 1) мм. рт. ст. длина волны 253,7 нм. Такие трубки использу­ются как бактерицидные лампы для уничтоже­ния бактерий, гриб­ков, вредных микроорганиз­мов, а также в хирургических, сто­мато­логиче­ских кабинетах, перевязочных и т.д.