Медицинская электроника

Классификации частотных интервалов, принятая в медицине

В медицине принято следующее условное разделение электромагнитных колебаний  на частотные интервалы:

1. Низкие (НЧ) до 20 Гц

2. Звуковые (34) 20 Гц - 20 КГц

3. Ультразвуковые (УЗЧ) 20 КГц - 200 КГц

4. Высокие (ВЧ)...._ 200 КГц - 30 МГц

5. Ультравысокие (УВЧ) 30 - 300 МГц

6. Сверхвысокие (СВЧ) свыше 300 МГц

Зависимость действия переменного  тока от частоты

При низких, звуковых и ультразвуковых частотах переменный ток, как и постоянный, оказывает раздражающее действие на биологические ткани. Это обусловлено  смещением ионов растворов электролитов, их разделением, изменением их концентрации в разных частях клетки и межклеточного пространства. Пороговое значение тока проводимости, вызывающего возбуждение, зависит от частоты тока, а в диапазоне от 0,1 до 3,0 КГц пороговое значение тока пропорционально корню квадратному от частоты тока, а в диапазоне от 5 до 100 КГц - пропорционально частоте.

Приложением переменного тока частотой свыше 3 КГц практически не удаётся  возбудить нервы и мышцы. При  непосредственном действии на нервы  и мышцы этот частотный предел отодвигается к 200 КГц, но ткани на этой частоте возбуждаются только сильным током.

Возбуждение нервной и мышечной ткани под действием ЭМП (электромагнитных полей) служит биофизическим механизмом электротравмы. Её причиной может быть как постоянный, так и переменный (ниже 100 КГц) электрический ток. Вызванные несвоевременно и в ритме, не свойственном организму, процессы возбуждения нарушают нормальную жизнедеятельность. Особенно опасны такие нарушения в сердце, дыхательной мускулатуре, центральной нервной системе. Наибольшую опасность при этом представляет область между 30 и 300 Гц.

Поражающий эффект определяется не напряжением, приложенным к телу человека, а током, протекающим через  него за определённое время. Поэтому  не должно удивлять поражение человека электрическим током, текущим под  напряжением 12 В.

Действие на организм низкочастотных ЭМП не вызывает заметного нагрева  тканей, так как тепловая энергия, поглощаемая при этом тканями, меньше метаболической теплопродукции.

Механизм действия электрического и магнитного полей токов ВЧ на организм

В отличие от реакций организма  на ЭМП низкой частоты, высокочастотные биологические эффекты электромагнитных излучений обусловлены главным образом тепловой энергией, выделяющейся в подвергшихся облучению тканях.

В диапазоне от 1 до 300 МГц механизмы  взаимодействия ЭМП с организмом определяется как током проводимости, так и током смещения, причём на частоте порядка 1 МГц ведущая роль принадлежит току проводимости, а на частотах более 20 МГц - току смещения. Выделяемая теплота при этом зависит от диэлектрической проницаемости тканей, их удельного сопротивления, частоты электромагнитных колебаний. Подбирая частоту, можно осуществлять термоселективное воздействие.

Кроме теплового эффекта возможно атермическое действие (особенно в  СВЧ-диапазоне). Электромагнитные колебания  и волны при совпадении их частоты  с частотой собственных колебаний  молекул приводят к разрыву химических связей и образованию свободных радикалов.

Механизм действия импульсных токов на организм

Живые организмы и все клетки обладают способностью отвечать на воздействие импульсными токами или нарушением своего состояния, или изменением своей структуры, или усилением или ослаблением своей активной деятельности и т.д.

Так как специфическое физиологическое  действие электрического тока зависит от формы импульсов, то в медицине для стимуляции центральной нервной системы (электросон, электронаркоз), нервно-мышечной системы (электрогимнастика, болеутоляющее действие), сердечно-сосудистой системы (кардиостимуляторы, дефибрилляторы) и т.д. используют токи с различной временной зависимостью.

 

6.Использование  электромагнитных полей в физиотерапии (УВЧ - терапия, диатермия, дарсонвализация). Механизм действия на организм.

Дарсонвализация - метод лечения с использованием переменного тока частотой 100 - 400 КГц. При этом используется напряжение 1000 -

Постоянный ток I = ОД А и переменный ток низкой частоты уже смертельны для человека. Токи же высокой частоты  до 2-3 А можно пропускать через  человека. Они оказывают только тепловое действие.

10000 В и токи особой формы  силой несколько миллиампер. При  дарсонвализации производится воздействие через кожу и доступные слизистые оболочки слабым высокочастотным разрядом, который образуется между поверхностью тела и электродом в виде фигурного стеклянного баллона с разреженным воздухом.

Действующим фактором при этом являются импульсный высокочастотный ток  и электрический разряд. Такие  токи вызывают функциональные изменения  в центральной нервной системе. Они благоприятно влияют на плохо  заживающие раны и язвы, устраняют боли в сердце, головные боли. При этом наблюдается понижение кровяного давления.

Тепловой эффект высокочастотных  полей используется в качестве лечебного средства. Среди методов высокочастотной электротерапии различают диатермию, УВЧ-терапию и микроволновую терапию.

При диатермии (рис. 5.4) применяют ЭМП частотой 0,5 - 2,0 МГц. Биологический эффект определяется электрической составляющей ЭМП, так как электроды имеют пластинчатую форму и накладываются через прокладки, смоченные физиологическим раствором, непосредственно на кожу человека. Количество теплоты, выделяющееся при этом в облучаемой ткани, можно вычислить по формуле:

Q = J² • Р ,

где J - плотность электрического тока; р - удельное сопротивление ткани.

Метод диатермии в настоящее  время в чистом виде не применяется, так как при плохом контакте электродов с телом пациента есть возможность  получения сильных ожогов. Поэтому в клинике распространены частные методики диатермии: диатермокоагуляция и диатермотомия.

Диатермотомия - рассечение тканей с применением токов высокой частоты. При этом наступает полная анестезия, гемостаз, стерилизация и уничтожение опухолевых клеток.

Диатермокоагуляция - прижигание током высокой частоты. Применяется при операциях для «прижигания» кровеносных сосудов.

Принцип диатермии

Метод индуктотермии основан на применении ЭМП частотой 10-15 МГц. Пациент при этом находится в зоне несформировавшейся волны,

Под действием магнитного поля в  тканях возникают вихревые токи, нагревающие объект облучения. Выделяющееся в нём тепло определяется по формуле:

Q = k • ω²/ρ • В² ,

где ω - циклическая частота, ρ - удельное сопротивление ткани, В - индукция магнитного поля, k - коэффициент пропорциональности.

Принцип индуктотермии.

Обычно при индуктотермии применяется  местное воздействие на орган, например, конечность 1, переменным магнитным  полем (силовые линии 3) с использованием катушки из толстого электрического провода 2 (индуктора).

При этом возникают замкнутые вихревые токи 4. Индуктор выполняется в виде охватывающей конечность спирали (соленоида). Такой индуктор применяется для воздействия на суставы конечностей. Возможен индуктор в виде плоской спирали, налагаемой на поверхность тела, например, на грудь, индуктор в виде одного длинного витка, используемый при воздействии на область позвоночника и т.д.

Для УВЧ-терапии \ применяют ЭМП частотой 40 - 50 МГц. Как и в предыдущих методах, пациент находится в зоне несформировавшейся волны. Поскольку электроды имеют форму пластин и изолированы от тела человека, биологическое действие обусловлено электрической составляющей ЭМП, причём тепло образуется под действием тока проводимости (Q = к • Е² / ρ , где Е - напряжённость электрического поля), так и тока смещения (Q = ε • ε₀ • ω •  Е² • tgδ , где δ - угол диэлектрических потерь). Тем не менее при УВЧ- терапии вклад тока смещения в тепловой эффект значительно преобладает над вкладом в него тока проводимости.

В электрическом поле УВЧ диполи стремятся следовать за изменением направления электрического поля и  совершают колебания с частотой колебаний поля. Между отдельными диполями диэлектрика действуют силы взаимного притяжения. Для преодоления этих сил внешнее поле совершает работу, следствием чего является нагревание диэлектрика.

В отличие от диэлектриков, в растворах  электролитов имеются свободные  электрические заряды - ионы. В поле УВЧ ионы придут в колебание с  частотой, равной частоте поля. За счёт энергии электрического поля произойдёт нагревание раствора.

При микроволновом терапии тепловой эффект создаётся только током смешения, который возникает в организме человека под действием СВЧ излучений. Для физиотерапевтических процедур обычно пользуются волнами длиной 12,7 см. Они действуют на человека в зоне сформировавшейся волны. Поэтому тепловой эффект определяется плотностью потока электромагнитной волны (П):

Q = k • ε • ω • П²

Поскольку в частотный диапазон СВЧ излучений попадает характеристическая частота релаксации воды, то именно водные среды организма поглощают энергию СВЧ полей в наибольшей степени.

Наиболее характерной особенностью специфического действия ЭМП на организм состоит в том, что биологические  системы реагируют на излучение  крайне низкой интенсивности, недостаточной  для нагревания и возбуждения, но такие реакции возникают не во всём диапазоне, а на отдельных частотах. Этот эффект, проявляющийся в восприятии биосистемами слабых электромагнитных излучений, исследован недостаточно. Его  происхождение связано, видимо, с  тем, что в процессе эволюции биологических  систем ЭМП определённых частот выполняли по отношению к ним миссию носителя информации об окружающей среде.

 

7, 8. Механизм действия постоянного магнитного поля на организм. Механизм термического и атермического действия полей СВЧ на организм

В основе биофизического механизма  действия постоянного магнитного поля лежит его действие на воду, которая в большом количестве находится в тканях. Вода диамагнитная. Она не имеет собственного магнитного момента и приобретает его под действием магнитного поля. В жидкой воде есть структуры, сходные со структурой льда - кластеры. Время жизни кластера 10^-11 - 10^-12 сек. Они то возникают, то исчезают.

В обычной жидкой воде одновременно существует плотно упакованная и  квазикристаллическая вода. При помещении  воды в постоянное магнитное поле происходит сдвиг в сторону образования  квазикристаллической воды. Это уменьшает  растворимость веществ, изменяет проницаемость  клеточных мембран, конформацию белков.

Термическое действие полей СВЧ на организм человека связано с релаксацией молекул и током проводимости.

Ощущение тепла (тепловой порог) возникает  при интенсивности поля СВЧ порядка 10 мВт/см². Болевой порог возникает при интенсивности - 0,6 - 0,8 Вт/см².

Атермическое (физико-химическое) действие поля СВЧ: при определённых частотах возникает явление резонанса, и рвутся водородные связи, изменяется ориентация ДНК и РНК. Это действие проявляется даже при интенсивностях ниже теплового порога.

Тепловой эффект определяется плотностью потока электромагнитной волны (П):

Q = k • ε • ω • П²

 

9. Блок-схема диагностического прибора, работающего в масштабе реального времени. Назначение отдельных блоков

Масштаб реального времени - характеристика скорости обработки информации, протекающей в темпе, обеспечивающем обслуживание некоторого внешнего процесса, не зависящего от вычислительной машины. Применительно к медицине - выдача обработанной информации со скоростью, необходимой для обслуживания лечебно-диагностического процесса.

Именно так работают вычислительные машины на летательных аппаратах, космических  кораблях. Так может быть и должна быть построена работа медицинского диагностического прибора.

Рассмотрим блок-схему и принцип  работы такого диагностического прибора

 

Б - больной; СМИ - средства съёма медицинской  информации; УБП - усилитель биопотенциалов; УОР - устройство отображения и регистрации информации; СО - система обработки медицинской информации; УУ - управляющее устройство; СУ - сигнализирующее устройство; И У - исполнительное устройство.

СО и У У входят в состав микропроцессора. Микропроцессор - это специализированное вычислительное устройство, которое запоминает информацию о больном, сравнивает её с эталоном н ставит вероятностный диагноз либо дает функциональную характеристику деятельности того или иного органа. Кроме того, микропроцессор может управлять работой сигнализирующего устройства, выдающего световой или звуковой сигнал при выходе регистрируемого параметра за угрожающие пределы, или работой исполнительного устройства, например, автоматического инъектора, который в автоматическом режиме может вводить тот или иной лекарственный препарат.

 

10. Электроды. Основные требования к электродам. Классификация

Электроды - это средства съёма  электрической информации.

Рассмотрим основные требования, предъявляемые к электродам.

1. Низкое переходное сопротивление  «электрод-кожа». Для сухой кожи  это сопротивление составляет  порядка 100 КОм. Покажем, что  при уменьшении данного сопротивления  увеличивается сигнал, который подаётся  на усилитель биопотенциалов. С  этой целью рассмотрим эквивалентную  схему входной цепи диагностического  прибора:

Эквивалентная схема входной цепи диагностического прибора.

Е - ЭДС источника биопотенциалов; R_э-к - переходное сопротивление «электрод-кожа»; R_вх - входное сопротивление усилителя биопотенциалов; I_ВХ - величина входного тока, обусловленного напряжением входного сигнала E; U_вх - величина входного напряжения УБП.