Фізичні основи струмів високої частоти, довідник лікаря

Змінним називають струм, періодично змінюється за величиною і напрямком. Протягом одного коливання сила струму наростає до максимуму, потім спадає до нуля, змінюючи напрямок на протилежне, знову наростає до максимуму і знову досягає нульового значення.

Відрізок часу (Т), протягом якого відбувається одне коливання, називається періодом. Величина, зворотна періоду, т. Е. 1 / Т, носить назву частоти. якщо період

Т виражений в секундах, то частота - це кількість коливань в секунду. Частота, відповідна одному коливанню в секунду, прийнята за одиницю і на честь фізика Herz отримала назву герц (гц).

Якщо коливання відбувається за законом синуса, то графічним зображенням коливального процесу є синусоїда. Такі коливання отримали назву гармонійних.

При проходженні змінного струму по провіднику навколо останнього виникають електромагнітні коливання, що поширюються в просторі у всіх напрямках; вони утворюють електромагнітні хвилі. Електромагнітні хвилі поширюються в пустоті зі швидкістю світла - 300 000 км / сек (3 * 10 10 см / сек), а в різних середовищах з трохи меншою швидкістю.

Відстань, яку проходить електромагнітна хвиля за час одного періоду, називають довжиною хвилі.

В даний час електромагнітні хвилі так званої радіочастоти ділять на довгі - 3000 м і більше, середні - від 3000 до 200 м, проміжні - від 200 до 50 м, короткі - від 50 до 10 м, ультракороткі - менше 10 л, а останні на метрові - від 10 до 1 м, дециметрові - від 1 м до 10 см і сантиметрові - від 10 до 1 см.

Токи будь-якої частоти, в тому числі високої, отримують за допомогою коливального контуру, який складається з конденсатора (електричної ємності - С) і індуктивності (дротяної котушки - L, при токах високої частоти без залізного сердечника).

Якщо конденсатору коливального контуру повідомити заряд, то він починає розряджатися через індуктивність: при цьому навколо неї за рахунок енергії струму виникає магнітне поле. Коли конденсатор повністю розрядиться, струм повинен припинитися, але в міру того, як струм слабшає, енергія магнітного поля, накопичена в індуктивності, переходить назад в ток того ж напрямку; в результаті конденсатор знову зарядиться, але знак заряду на його обкладках зміниться на зворотний. Отримавши заряд, конденсатор знову починає розряджатися через індуктивність, але струм його розрядки буде вже протилежного напрямку. Проходження струму через індуктивність буде знову супроводжуватися виникненням магнітного поля, енергія якого в міру ослаблення розрядного струму буде переходити в енергію наведеного струму того ж напрямку. Обкладки конденсатора виявляться знову зарядженими, і заряд їх буде того ж знака, що і на початку. Енергія, накопичена тепер в конденсаторі, менше первісної, так як частина її йде на подолання омічного опору контуру. Йдучи спочатку в одному напрямку, а потім в зворотному, ток розрядки конденсатора робить одне коливання.

Отримавши знову заряд, хоча і менший початкового, конденсатор знову почне розряджатися через індуктивність. З кожним коливанням амплітуда струму буде зменшуватися. Це буде тривати до тих пір, поки вся енергія, накопичена в конденсаторі, не витратиться на подолання омічного опору контуру і частково на випромінювання електромагнітних хвиль - виникає група згасаючих коливань. Для того щоб коливання були малозатухающімі або незатухающими, необхідно періодично подавати енергію в коливальний контур, заповнювати її втрати. В сучасних медичних апаратах високої частоти це здійснюється за допомогою електронних ламп, що застосовуються в генераторних схемах.

Найбільш простий генераторної лампою є тріод. Він має 3 електроди: катод, керуючу сітку і анод. При напруженні катод виділяє електрони. Якщо подати на анод позитивний потенціал, а на катод негативний, то між анодом і катодом виникає електричне поле, під впливом якого негативно заряджені електрони притягуються до анода, що має позитивний потенціал. Проникаючи між витками керуючої сітки, розташованої між катодом і анодом, електрони досягають анода, в результаті чого в ланцюзі анода проходить струм. Керуюча сітка розташована ближче до катода і надає на електрони більш сильний вплив, ніж анод. Коли на керуючій сітці є позитивний потенціал, рух електронів прискорюється - в одиницю часу більшу кількість їх потрапляє на анод, струм посилюється; коли ж на сітці є негативний потенціал, вона відштовхує електрони, не пропускаючи їх до анода - анодний струм стає слабкішим.

Тріод має ряд недоліків, а це змусило перейти до більш досконалим лампам - тетродах, променевим тетродах, пентода і ін. Ці лампи застосовують в медичних високочастотних генераторах, що працюють на самозбудженні зі зворотним зв'язком.

Анодний струм, що проходить в ланцюзі генераторної лампи, заряджає конденсатор коливального контуру, що веде до виникнення електричних коливань в анодному коливальному контурі. Коливання струму створюють в котушці індуктивності коливального контуру змінне магнітне поле, силові лінії якого перетинають витки поруч розташованої котушки індуктивності керуючої сітки, наводячи на неї змінні потенціали. В результаті цього коливальний контур в ланцюзі анода через зв'язок з сіткою лампи починає керувати годує його анодним струмом. Такий зв'язок називається зворотною. При наявності зворотного зв'язку (якщо включити харчування в генератор) в анодному коливальному контурі виникають коливання, генератор самовозбуждается. Такий принцип роботи генератора на самозбудженні.

Практично в апаратах високої і ультрависокої частоти пристрій коливального контуру значно складніше. В апаратах високої частоти спочатку коливання виникають в малопотужному заданому генераторі. Виникаючі в ньому коливання передаються зазвичай індуктивним шляхом в проміжний підсилювач, а потім у вихідний підсилювач, зібраний на більш потужних лампах. Принцип посилення полягає в тому, що коливання з попереднього контуру надходять на керуючі сітки більш потужних ламп подальшого контуру, що веде до збільшення потужності коливань.

Терапевтичний контур, який служить для проведення лікувальної процедури, пов'язаний з попереднім контуром, який зазвичай є вихідний підсилювач тільки індуктивно, щоб убезпечити хворого від високої напруги, під яким знаходяться попередні контури.

Всі контури повинні бути налаштовані в резонанс, т. Е. На одну і ту ж частоту. При цьому перехід енергії з одного контуру в інший здійснюється найбільш повно.

Раніше для отримання струмів високої частоти користувалися іскровими генераторами. В даний час вони зняті з виробництва, так як не генерують стабільної частоти, що створює радіоперешкоди.

Всякому електричного струму, в тому числі високочастотного, властиво теплову дію. Це тепло виникає всередині тканин, а тому отримало назву ендогенного на відміну від екзогенного, коли тепло проникає в тканини зовні, як це відбувається при впливі лікувальної грязі, парафіну, грілки.

Для того щоб зрозуміти причину появи тепла всередині тканин при токах високої частоти, необхідно розібрати механізм їх проходження через тканини. У тканинних рідинах і всередині клітин є іони, переважно натрію і хлору, на які дисоціює основна сіль, що міститься в організмі, - хлористий натрій. Крім іонів натрію і хлору, в організмі в меншій кількості присутні і інші іони (кальцію, магнію, фосфору і т. П.), А також містяться білкові молекули, що несуть на собі електричний заряд.

Крім заряджених частинок, в тканинах організму знаходяться полярні молекули (диполі), у яких електричні заряди усередині молекули зміщені і можна розрізняти два полюси - позитивний і негативний. До дипольним молекулам (диполь) відносяться, зокрема, молекули води.

При підведенні до тканин організму високочастотного напруги в них в просторі між електродами виникає високочастотне електричне поле. Під його впливом всі заряджені частинки приходять в рух: негативні направляються до позитивного, позитивні - до негативного полюса. Дипольні молекули починають повертатися вздовж поля, щоб негативним полюсом бути зверненими в бік позитивно зарядженого, позитивним - в сторону негативно зарядженого електрода.

Ледве іони і інші заряджені частинки встигнуть зрушити з місця, як змінюється напрямок електричного поля, що змушує їх змінити напрямок руху на зворотне. З кожним періодом високочастотного струму процес цей буде повторюватися. Заряджені частинки почнуть коливатися з дуже малою амплітудою близько середнього положення з частотою коливань високочастотного струму. Такий струм, при якому виникає рух заряджених частинок, в даному випадку коливальний, носить назву струму провідності.

При своїх коливальних рухах заряджені частинки зустрічають опір як при зіткненні один з одним, так і з оточуючими частинками тканин, що супроводжується утворенням тепла. Поворот дипольних молекул теж зустрічає опір з боку оточуючих частинок і супроводжується виділенням тепла (так звані діелектричні втрати). Поворот в високочастотному електричному полі диполів, що несуть на кінцях заряди, носить назву струму зміщення (поляризації). Тканини людського тіла володіють електричної ємністю і провідникові, включеними паралельно, що схематично представлено на рис. 40. Індуктивний опір у тканин практично відсутній.

Клітинні мембрани є діелектриками, хоча і недосконалими, а міжтканинні рідини і протоплазма клітин мають іонну провідність. В результаті виникають мікроскопічні конденсатори (два провідника, розділені шаром діелектрика). Загальна ємність людського тіла досить значна і становить 0,01-0,02 мкф.

При відносно невеликих частотах (для струмів високої частоти до декількох мільйонів герц в секунду) переважає іонна електропровідність, виникає струм провідності, при великих же частотах (кілька десятків мільйонів герц) збільшується струм поляризації. При надвисоких частотах, що перевищують 1 млрд. Гц, ток поляризації зростає ще більше, виражено стають явища, які відносять за рахунок осцілляторного (коливального) дії струмів високої частоти; до них належать фізико-хімічні зрушення, зокрема збільшення дисперсності білків. Іонний склад і число полярних молекул в різних тканинах відрізняються один від одного, тому при одній і тій же частоті, а отже, і довжині хвилі в тканинах виникатиме неоднакове кількість тепла. Фактично будуть грітися все тканини, хоча дещо більше та, для якої довжина хвилі ближче лежить до селективної (виборчої). За Н. Н. Малову, виборчої для м'язів є довжина хвилі 2,1 м, для крові - 2,6 м, для шкіри - 6 м, для печінки - 5,5 м, для мозку - 11 м, для жиру - 35 м. Слід зазначити, що частота і відповідно довжина хвилі коливань, що генеруються сучасними медичними апаратами високої частоти, не є достатньо селективними для тканин людського тіла. Незважаючи на це, відмінність в нагріванні тканин проявляється в тій чи іншій мірі. Внаслідок дуже малого зсуву іонів від середнього положення під час коливання не відбувається вираженого зміни концентрації іонів на кордоні клітинних мембран як поза, так і всередині клітини; цим можна пояснити відсутність дратівної дії високочастотного струму на тканини.

Больова чутливість при дії струмів високої частоти зменшується, що в основному не залежить від виникає тепла, а є результатом осцілляторного коливального ефекту струмів високої частоти. Можливо, що при цьому порушується зв'язок між елементами нервового закінчення, що сприймає біль, що веде до зниження його збудливості; чим вище частота струму, тим більш виражено його болезаспокійливу дію.