Лечение электромагнитным полем

Рис. 2. Частотная зависимость удельной электропроводности (А) и диэлектрической 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, Л, См·м^-1; Б - диэлектрическая проницаемость, е, отн.ед.

 

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 биологических молекул относительно динамики ЭМП минимально. В этих областях диэлектрическая проницаемость изменяется наиболее резко. Выделяют три области дисперсии диэлектрической проницаемости -- α, β и γ (рис. 2Б), которые соответствуют характеристическим частотам релаксации 80, 3·10⁵ и 2·10¹⁰ Гц.

Область а-дисперсии диэлектрической проницаемости обусловлена поляризацией клеток и компартментов. В ней участвует двойной электрический слой, формирующийся вблизи поверхности мембран (рис. 2Б). Одна его часть образована отрицательными зарядами гидроксильных и карбоксильных групп мембранных гликопротеидов, а вторая - электрически связанными с ними подвижными положительными зарядами (противоионами). При наложении внешнего ЭМП последние смещаются вдоль поверхности мембраны и увлекают за собой прйповерхноетный относительно клетки слой воды. Этот феномен и определяет макроскопическую поверхностную поляризацию клеток. Область  
β-дисперсии (охватывающая частоты 10⁴ 10⁸ Гц) обусловлена структурной поляризацией  клеточных мембран,  в которой участвуют белковые макромолекулы, а на ее верхней границе глобулярные водорастворимые белки, фосфолипиды и мельчайшие субклеточные структуры. Участок  
γ-дисперсии соотносят с процессами ориентационного поворота (смещения) молекул 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 электромагнитных 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

В отличие от электрического поля, биологические ткани ослабляют внешнее магнитное поле в очень малой степени (порядка 10 "⁵). Большинство из них относится к диамагнетикам (сумма магнитных моментов составляющих их биологических молекул равна нулю), которые слабо преобразуют энергию магнитного поля. Так, например, энергия магнитного поля, поглощаемая плазмолеммой, не превышает 10^-16 Дж. Магнитная проницаемость клеток и практически всех жидкостей организма составляет 0,99995. Лишь некоторые вещества, входящие в состав различных структур организма (кислород, соли железа, некоторые гидроперекиси и радикалы), имеют собственный магнитный момент, не зависящий от внешнего магнитного поля. Такие низкомолекулярные соединения относят к парамагнетикам, магнитная проницаемость которых составляет 1,00005. Различие магнитных проницаемостей диа- и парамагнетиковсущественно не изменяет характера взаимодействия последних с внешним магнитным полем, так как их величины имеют одинаковый порядок.

 

Рис. 3. Схема поляризации биологических молекул в электрическом поле. А - электронная поляризация неполярных биологических молекул;  
Б - ориентационное смещение полярных биологических молекул

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ И ИЗЛУЧЕНИЙ С ОРГАНИЗМОМ

 

Под действием ЭМП радиочастотного диапазона в различных тканях и средах организма происходит направленное перемещение заряженных частиц ионов, а также перераспределение электрических зарядов и формирование объемного дипольного момента (поляризация тканей). Упорядоченное и направленное движение ионов в тканях создает в них ток проводимости. Индивидуальные процессы частотнозависимой поляризации субклеточных структур и клеток, а также колебательного смещения диполей воды и биологических макромолекул во внешнем ЭМП формируют ток смещения.

Известно, что основной характеристикой взаимодействующего с организмом ЭМП является удельная поглощенная мощность. Однако методы ее непосредственного измерения весьма громоздки и в физиотерапии практически не используются. Исходя из этого дозирование процедур включает совокупность методов определения тех характеристик ЭМП, от которых зависят лечебные эффекты в организме.

Рис. 4. Схема вращательного перемещения клетки в постоянном электрическом поле

 

Постоянные электрические поля вызывают однонаправленные движения ионов к полюсам. Кроме того, происходит смещение электронных облаков атомов и молекул (электронная поляризация,  
рис. 3А) или ориентация дипольных молекул (ориента-ционное смещение, рис. 3Б). В результате перераспределяется содержание ионов в компартментах различных тканей. За счет движения связанных ионов возможно и вращательное смещение клеток в ЭП (рис. 4).

Переменные электромагнитные поля вызывают разнонаправленные маятникообразные движения ионов и колебательные смещения дипольных молекул, поляризация которых пропорциональна 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  
2,3·10^-3 А·м в интерстиции и 10 А·м в плазмолемме. При подведении к поверхности тела ЭМП с помощью электродов-антенн (металлических проводников с высокой удельной электропроводностью) в теле человека возникают значительные токи проводимости, способные вызвать изменение функциональных свойств нервной и мышечной тканей организма, клетки которых обладают возбудимыми мембранами.

Пороговое значение тока проводимости, вызывающее возбуждение нервной и мышечной тканей, определяется частотой воздействующего ЭМП. С ее увеличением пороговая величина тока нарастает, и, начиная с частоты 3 - 10³ Гц, при приложении переменного тока к коже человека возбуждения его нервов и мышц не возникает. В силу малого поглощения электромагнитной энергии в низкочастотном диапазоне не происходит и заметного нагрева тканей, так как выделяемое тепло существенно меньше метаболической теплопродукции организма (1,3 Вт·кг^-1) и не превышает мощности рассеяния тепловой энергии биологическими тканями.

Напротив, электромагнитные излучения высокой частоты, помимо токов проводимости, вызывают в организме значительные токи смещения. Последние определяют преобразование электромагнитной энергии в тепловую, в основном за счет колебательно-вращательного смещения ориентирующихся во внешнем ЭМП биологических макромолекул и диполей воды. Физиологические механизмы теплоотдачи организма (теплопроводность, конвекция, испарение и излучение) не компенсируют возникающую в высокочастотном диапазоне теплопродукцию, в результате чего происходит нагревание облучаемых тканей организма. В частотном диапазоне 10⁶ - 2·10⁷ Гц как ток проводимости, так и ток смещения способны вызывать гипертермию. Напротив, в частотном диапазоне ЭМП, превышающем 2·10⁷ 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 3·10⁸ Гц длина волны электромагнитного излучения меньше размеров тела человека, что обусловливает возможность только локального воздействия электромагнитных излучений сверхвысокой частоты на организм больного.

В силу высокой диэлектрической проницаемости тканей с большим содержанием воды коэффициент поглощения энергии электромагнитных вопи в них в 60 раз выше, а проникающая способность в 10 раз меньше, чем в тканях с малым содержанием воды в областях α и β-дисперсии диэлектрической проницаемости.

Вокруг распространяющихся в тканях организма токов формируются магнитные поля. Максимальная величина магнитной индукции в тканях с высокой электропроводностью, находящихся в переменном ЭМП, не превышает 10^-10 Тл в интеретиции и 10^-13 Тл в плазмолемме. Анализ величин магнитной индукции позволяет заключить, что такие поля не могут эффективно взаимодействовать с биологическими молекулами различных тканей организма и их влиянием можно пренебречь.

При помещении в постоянное магнитное поле тканей организма входящие в их состав надмолекудярные жидкокристаллические структуры ориентируются относительно  вектора  магнитной  индукции. В результате  такого ориентационного смещения формируются собственные магнитные поля надмолекулярных комплексов, направленные, 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 перемещаться в мембранах и цитозоле. Вместе с тем, в силу выраженной вязкости цитоплазмы и компартментализации клеток, амплитуда 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 перпендикулярно векторам магнитной индукции, а их силоввте линии имеют форму замкнутых витков вихрей. В модельных экспериментах напряженности вихревых электрических полей, индуцированных магнитным полем частотой 50 Гц и индукцией 10 Тл в поверхностных тканях организма, достигают 22 - 42 В·м^-1. Электрические поля такой напряженности способны вызвать перемещение заряженных частиц через мембрану, что существенно изменяет их поляризацию и активирует биофизические и биохимические процессы в различных тканях организма.

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

Рис. 5. Распределение электрического поля и вихревых токов, индуцированных переменным магнитным полем, в теле человека при различном направлении вектора магнитной индукции . В - вектор магнитной индукции

Указанные особенности приводят к изменению жидкокристаллического состояния фосфолипидных компонентов биологических мембран, снижению электрокинетического (ζ дзета-) потенциала и индукции фазовых гель-золь переходов 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 частоты магнитного поля возникающие вихревые токи эффективно поглощаются проводящими тканями» что может вызвать их значительный нагрев.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЛЕЧЕБНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ (ФОТОТЕРАПИЯ)

Оптические свойства тканей организма

 

При взаимодействии с поверхностью тела человека часть оптического излучения отражается, другая рассеивается во все стороны, третья поглощается, а четвертая проходит сквозь различные слои биологических тканей. Отношения этих частей к падающему потоку излучения характеризуют коэффициентами отражения, рассеяния, поглощения и пропускания тканей и сред. Чаще всего объектом взаимодействия оптического излучения с организмом является кожа. Коэффициент его отражения слабопигментированной кожей достигает 43 - 55% и зависит от многих причин. Так, например, у мужчин он на 5 - 7% ниже, чем у женщин. Пигментированная кожа отражает свет на 6 - 8% слабее (рис. 6). Нарастание угла падения  света  на  поверхность  кожи, увеличивает коэффициент отражения до 90%.

 

Рис. 6. Зависимость коэффициента отражения светлой (1) и темной (2) кожи человека от длины волны оптического излучения

 

По оси абсцисс; длина волны оптического излучения, X, мкм; по оси ординат коэффициент отражения R, отн.ед.