Лечение электромагнитным полем

Фотобиологические реакции возникают вследствие поглощения электромагнитной энергии, которая определяется энергией световых квантов и возрастает с уменьшением длины волны. Характер взаимодействия оптического излучения с биологическими тканями определяется его проникающей способностью. Различные слои кожи неодинаково поглощают оптическое излучение разной длины волны (рис. 7). Глубина проникновения света нарастает при переходе от ультрафиолетового излучения до оранжевого с 0,7-0,8 до 2,5 мм, а для красного излучения составляет 20-30 мм. В ближнем диапазоне инфракрасного излучения (на длине волны 950 нм) проникающая способность достигает максимума и составляет 60-70 мм, а в среднем и дальнем диапазонах резко снижается до 0,3-0,5 мм.

 

Рис. 7. Проникающая способность оптического излучения в различные слои кожи человека. По оси абсцисс: длина волны оптического излучения. К, мкм; по оси ординат - проникающая способность, I мм

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯСБИОЛОГИЧЕСКИМИ ТКАНЯМИ

 

Взаимодействие электромагнитных волн оптического диапазона с биологическими объектами проявляется как в волновых, так и квантовых эффектах, вероятность формирования которых изменяется в зависимости от длины волны. При оценке особенностей лечебного действия оптического излучения, наряду с такими закономерностями его волнового распространения, как отражение, рассеяние и поглощение, необходимо также учитывать корпускулярные эффекты - фотохимический, фотоэлектрический, фотолитический и другие.

В механизме фотобиологического действия оптического излучения определяющим является поглощение энергии световых квантов атомами и молекулами биологических тканей (закон Гротгуса-Дрейпера). В результате образуются электронновозбужденные состояния молекул с переносом энергии кванта (внутренний фотоэффект) и происходит электролитическая диссоциация и ионизация биологических молекул. Характер первичных фотобиологических реакций определяется энергией квантов оптического излучения. В инфракрасной области энергии фотонов ((1,6-2,4)·10^-19 Дж) достаточно только для увеличения энергии коле-бательных процессов биологических молекул. Видимое излучение, энергия фотонов которого составляет (3,2-6,4)·10^-19 Дж, способно вызвать их электронное возбуждение и фотолитическую диссоциацию. Наконец, кванты ультрафиолетового излучения с энергией (6,4-9,6)·10^-19 Дж вызывают ионизацию молекул и разрушение ковалентных связей (рис. 8).

На следующем этапе энергия оптического излучения трансформируется в тепло или образуются первичные фотопродукты, выступающие пусковым механизмом фотобиологических процессов. Первый тип энергетических превращений присущ в большей степени инфракрасному, а второй - ультрафиолетовому излучению. Анализ природы происходящих процессов позволяет утверждать, что специфичность лечебных эффектов различных участков оптического излучения зависит от длины волны.

Рис. 8. Фотохимические реакции квантов оптического излучения

 

Степень проявления фотобиологических эффектов в организме зависит от интенсивности оптического излучения, которая обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника до облучаемой поверхности. Исходя из этого, в клинической практике определяют не интенсивность, а дозу облучения на определенном расстоянии от источника путем измерения времени облучения.

Таким образом, электромагнитные поля и излучения имеют определенное пространственно-временное распределение энергии, которая при взаимодействии ЭМП с биологическими тканями трансформируется в другие виды (механическую, химическую, тепловую и др.). Вызванные возбуждением или нагреванием тканей организма процессы служат пусковым звеном физико-химических и биологических реакций, формирующих конечный терапевтический эффект. При этом каждый из типов рассмотренных электромагнитных полей и излучений вызывает присущие только ему физико-химические процессы, которые определяют специфичность их лечебных эффектов и методов применения (табл. 2).

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 2.

Методы лечебного применения электромагнитных излучений оптического диапазона

Характер излучений применения   Инфракрасное излучение Видимое излучение Ультрафиолетовое излучение - длинноволновое (ДУФ) - средневолновое СУФ) - коротковолновое (КУФ) Монохроматическое когерентное излучение

Методы лечебной   ИК-облучение Хромотерапия УФ-облучение -длинноволновое -средневолновое - коротковолновое Лазеротерапия Фотодинамическая терапия

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

БИОФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЛЕЧЕБНОГО ПРИМЕНЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

Физическая характеристика механических факторов

 

В основе рассматриваемых в данном разделе лечебных методов лежит воздействие на ткани организма человека механических факторов: напряжений, вибрации, акустических колебаний и измененных параметров воздушной среды. Если механическое воздействие на ткани осуществляется при помощи рук человека, говорят о лечебном массаже. Периодические механические колебания при непосредственном контакте тканей с их источником принято называть вибрацией. При периодическом воздействии на ткани через воздух, воду и другие среды говорят об акустических колебаниях.

Основными характеристиками механических факторов являются атмосферное (Р_а), парциальное (р_г), звуковое (р) давления, колебательное смещение частиц среды (ξ) и напряжение (σ).

Атмосферное давление - отношение силы, с которой столб воздуха давит наединицу площади земной поверхности. Единица его измерения в системе СИ - Паскаль (Па). Размерность давления 1 Па = Н·м². Нормальное атмосферное давление у поверхности Земли при температуре 0°С на широте 45° равно 101333 Па (1013,3 гПа). Оно непостоянно и подвержено значительным колебаниям (чаще от 958 до 1027 гПа). При подъеме на высоту атмосферное давление уменьшается, а при спуске вглубь поверхности Земли повышается. Перепады атмосферного давления можно создать и на земной поверхности в ограниченных от внешней среды пространствах - барокамерах, нагнетая и откачивая из них воздух. В результате повышения общего давления воздуха или искусственной газовой смеси выше 1013 гПа в ограниченном пространстве будет возникать избыточное (гипербария) и недостаточное (гипобария) давление.

В связи с тем, что газовый состав атмосферы неоднороден давление воздушной газовой смеси, согласно закону Дальтона, равно:

 

                                   [1]

 

где Ра - атмосферное давление; р - парциальные (частичные) давления азота, кислорода, диоксида углерода и инертных газов - давления, которые они бы оказывали, занимая весь объем среды.

Исходя из [1], парциальное давление кислорода, составляющего 21% от газового состава атмосферы, равно 212 гПа. Перепады атмосферного давления воздуха или общего давления газовой смеси неизбежно приводят к изменению парциальных давлений составляющих их газов. При этом вместе с давлением изменяется их плотность.

Содержание газа в жидкости принято характеризовать напряжением, под которым понимают такое парциальное давление газа, при котором наступает равновесие между газовой смесью и жидкостью (отсутствие газобмена).

Звуковое давление - амплитуда периодических колебаний, атмосферного давления, возникающих в результате сжатия и разрежения частиц среды. В областях сжатия оно больше, а в областях разрежения - меньше. Таким образом, звуковое давление - это добавочное изменение статического (атмосферного) давления. Размерностью звукового давления является Па.

Колебательным смещением частиц среды (виброперемещением) называют амплитуду обусловленного механическим воздействием смещения частиц вещества по отношению к среде в целом. Единицей измерения колебательного смещения является мкм. Колебательное смещение - векторная величина, и характеризуется не только амплитудой, но и направлением.

Механические воздействия на тела принято характеризовать не приложенной к ним силой, а напряжением - частным от деления приложенной к телу механической силы F на площадь его поперечного сечения s, перпендикулярную направлению силы:

 

                                                     [2]

 

Единицей напряжения в системе СИ является Па.

Создаваемые разнообразными механическими факторами возмущения распространяются в различных средах в виде волн, перенос и передача энергии в которых осуществляется частицами среды. При этом каждый участок среды, по которому перемещается волна, совершает небольшие колебательные смещения, тогда как сама волна распространяется на значительные расстояния. Скорость распространения механических волн в среде (скорость звука) определяется молекулярной структурой среды и характером межмолекулярных взаимодействий. Параметрами акустической волны являются ее длина λ - расстояние между двумя соседними областями сжатия (разрежения) и частота f - число сжатий (разрежений), происходящих в единицу времени.

Механические волны переносят энергию. При их распространении энергия передается от одной колеблющейся частицы другой. Энергетической характеристикой механических волн является интенсивность звука или плотность потока энергии

 

/=p²/2ρc                                                         [3]

 

В системе СИ единицей интенсивности является Вт·м^-2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТКАНЕЙ ОРГАНИЗМА

 

Реакции тканей организма на механические факторы определяются их механическими свойствами. Они обусловлены пространственно-временным распределением частиц среды, а также типом связей между ними. Основными характеристиками механических свойств биологических тканей являются напряжения (σ_int) и деформации (ε).

Напряжение Оцл , в отличие от характеристики силового воздействия (Oext), отражает механические возмущения, развивающиеся в тканях при действии на них механических сил. Единицей его измерения также является Па.

Деформация ε - упругое возмущение, обусловленное изменением пространственной структуры ткани. При этом происходит перенос потока энергии упругой деформации в отсутствие переноса частиц среды. Деформация распространяется с волной из одной точки в другую и определяет тип механического возмущения. Она характеризует отношение измененных линейных размеров единичного объема ткани при возбуждении в ней колебаний к ее состоянию в покое и является функцией внешнего напряжения и колебательного смещения частиц среды:

 

ε = σ_ext/Е                                                           [4]

 

где Е - модуль Юнга - напряжение, при котором длина единичного объема ткани увеличивается вдвое.

По реакции на внешние напряжения все ткани разделяют на упругие, неупругие (вязкие) и вязко-упругие. Критериями такого разделения служат эффекты приложенного напряжения, а именно наличие или отсутствие остаточной деформации тканей.

При самопроизвольном восстановлении исходного состояния с прекращением приложенного напряжения ткани относят к упругим. В случае необратимой деформации под действием внешних сил или остаточных внутренних напряжений говорят о вязких средах. Вязкость биологических сред обусловлена наличием в их структурной решетке узлов, образованных слабыми ван-дер-ваальсовыми силами. Обусловленные этими силами связи нарушаются при сдвиговых деформациях и восстанавливаются после окончания воздействия. Разрушение этих надмолекулярных связей при некоторой "пороговой" интенсивности механического фактора приводит к тиксотропии - обратимому изменению жидкокристаллической структуры цитозоля вследствие разрыва слабых связей.

По плотности и типу пространственной структуры все ткани организма разделяют на твердые (костная ткань, дентин и эмаль зубов), мягкие (кожа, мышечная ткань, ткани паренхиматозных органов, эндотелий сосудов) и жидкие (кровь, лимфа, спинномозговая жидкость, слюна, сперма).

Структурная неоднородность биологических тканей, присущая им анизотропия (различие механических свойств биологической среды в разных направлениях), существование в них различных типов волн (продольных, поперечных, сдвиговых) и активный характер изменения их упругих и вязких свойств существенно усложняют пространственно-временные характеристики развивающихся в них напряжений и деформаций. Их количественные характеристики определяются параметрами механических свойств его органов и тканей. К их числу относят плотность тканей ρ, скорость звука с и модуль упругости Е  
(табл. 3).

Среди всех биологических тканей наиболее выраженными упругими свойствами обладают кости. Для большинства мягких тканей характерны неопределенность начального и естественного состояний, несжимаемость и анизотропия внутренних напряжений. Деформации мягких тканей велики и достигают 200%, а у составляющих их клеточных мембран достигают 600%. При периодическом воздействии колебания деформаций и внутренних напряжений различаются по фазе. Такие деформации обусловлены изменением пространственной ориентации и формы биологических молекул.

 

 

 

 

 

 

 

Табл. 3

Параметры механических свойств биологических тканей

Ткани	ρ, кг-м'3	с, мc-1	Е, Па
Твердые ткани
Костная -компактная -спонгиозная	1920-1990 240	1200-2000	(12,3-40.7)·109 2.2·109
Мягкие ткани
Кожа Скелетные мышцы Миокард Головной мозг Паренхима легких	1048-1066 1041-1100 1030 1 030-1041 400	90-100* 150 120-150 100-120* 30-60	109 (2-7,6)·104 7,6·104 3-27·104
Жидкости
Кровь	1048-1066	1500