Физические обоснования и методики проведения процедур высокочастотной терапии

6.1.1. Физические основы действия высокочастотных колебаний на ткани организма

В основе любых механизмов лечебного действия высокочастотных колебаний лежит первичное действие их на электрически заряженные частицы (электроны атомы и молекулы) веществ, из которых состоят ткани организма. В действии высокочастотных колебаний различают две основные группы эффектов - тепловой эффект и так называемый специфический эффект.

Тепловой эффект, получаемый под действием высокочастотных колебаний, отличается от теплового эффекта, получаемого другими методами (грелки, укутывания, инфракрасное облучение и др.), рядом существенных преимуществ. Нагревание тканей токами и полями высокой частоты происходит не за счет передачи тепла, подведенного к поверхности тела, а за счет непосредственного выделения теплоты в расположенных внутри тела тканях и органах. Это позволяет в значительной степени исключить теплоизолирующее действие слоя кожи и подкожной жировой клетчатки, а также теплорегуляционное действие системы кровообращения, значительно ослабляющее передачу тепла вглубь с поверхности тела.

Особенностью теплового действия высокочастотных колебаний является то, что количество теплоты, выделяющееся в тех или иных органах и тканях организма, зависит как от параметров колебаний, главным образом частоты, так и от электрических свойств самих тканей. Поэтому, подбирая соответствующим образом частоту колебаний, можно обеспечить в какой-то степени «терма-селективное» действие, т.е. преимущественное выделение тепла в определенных тканях.

Немаловажным преимуществом высокочастотных методов является возможность легко регулировать мощность колебаний, действующих на объект, и соответственно интенсивность теплового эффекта, при некоторых методах возможно и довольно точное измерение этой мощности.

Специфический эффект от действия высокочастотных колебаний, наиболее явно проявляющийся при ультра- и сверхвысоких частотах, заключается в различных внутримолекулярных физико-химических процессах, или структурных перестройках, которые могут изменять функциональное состояние клеток тканей.

В качестве примеров можно указать на выстраивание в цепочки, ориентированные параллельно электрическим силовым линиям, эритроцитов, лейкоцитов и некоторых других клеток и частиц, ориентирование по полю поляризованных боковых ветвей белковых макромолекул и др.

Следует отметить, что механизмы «специфического» действия высокочастотных колебаний изучены еще недостаточно и в ряде случаев имеют характер гипотез, однако многие из них получили не только теоретическое, но и экспериментальное подтверждение.

Для лучшего понимания особенностей действия на организм различных форм энергии высокочастотных колебаний, зависимости от частоты глубины проникновения и распределения поглощенной энергии между тканями и др. необходимо рассмотреть электрические параметры тканей организма.

Электрические параметры биологических тканей, так же как и любого другого вещества, могут быть охарактеризованы диэлектрической проницаемостью e и удельной электрической проводимостью s.

Магнитные свойства биологических тканей выражены очень слабо и практически при рассмотрении действия высокочастотных колебаний на ткани организма могут не учитываться.

Электрические характеристики различных тканей в значительной степени зависят от содержания в них воды с растворенными в ней солями, ионы которых обусловливают проводимость как самого раствора, так и тканей, его содержащих.

Все ткани тела в соответствии с содержанием в них воды могут быть разделены на три основные группы: жидкие ткани (кровь, лимфа), представляющие водную суспензию клеток и белковых молекул; мышечные и им подобные ткани внутренних органов (сердце, почки, печень и др.), также содержащие большое количество воды, но имеющие уплотненную структуру; ткани с малым содержанием воды (жир, кости).

Ионная проводимость жидких сред в тканях обусловливает ток проводимости и соответственно потери энергии высокочастотных колебаний, которая выделяется в форме джоулева тепла (потери проводимости).

Ионная проводимость однородного электролита практически не зависит от частоты, однако, наличие в нем взвеси клеток, окруженных тонкой плохопроводящей мембраной, вызывает в определенном частотном диапазоне изменение величин e и s при изменении частоты колебаний.

На низких частотах (до десятков килогерц) ионный ток протекает только через внеклеточную среду, которая и определяет проводимость ткани. Заряжающиеся емкости клеточных мембран обусловливают ее значительную диэлектрическую проницаемость.

С увеличением частоты за счет уменьшения емкостного сопротивления мембран внутриклеточная среда начинает принимать участие в проведении ионного тока, что приводит к увеличению общей проводимости ткани. В то же время емкости мембран не успевают полностью заряжаться, в результате чего диэлектрическая проницаемость ткани уменьшается.

Мембраны клеток перестают оказывать влияние на электрические свойства тканей при частотах, на которых емкостное сопротивление мембран становится малым по сравнению с сопротивлением внутриклеточной среды. Это происходит на частотах выше 100 МГц.

Указанные выше зависимости справедливы и для жировой и костной тканей, с той разницей, что в связи с низким содержанием электролитов их проводимость и диэлектрическая проницаемость значительно ниже, чем у тканей с большим содержанием воды.

С дальнейшим повышением частоты на электрические свойства тканей начинают оказывать влияние полярные молекулы воды, представляющие собой электрические диполи. Полярные молекулы под действием электрического поля ориентируются в направлении поля (ориентационная поляризация). Осцилляции полярных молекул в переменном электрическом поле сопровождаются потерями энергии, которые называются диэлектрическими.

Ориентация полярных молекул происходит не мгновенно, а требует некоторого конечного времени-времени релаксации, имеющего определенную величину для различных молекул.

При относительно низких частотах, когда период колебаний больше времени релаксации, ориентация молекул происходит в соответствии с изменением поля и успевает завершиться, в связи с чем диэлектрические потери энергии малы, а диэлектрическая проницаемость велика. При повышении частоты ориентация молекул отстает от изменений поля и не успевает полностью завершиться. Это приводит к уменьшению диэлектрической проницаемости ткани и увеличению диэлектрических потерь (увеличение проводимости ткани).

Поскольку время релаксации молекул воды составляет около 10^-11с, изменения e и s тканей, связанные с полярными свойствами молекул воды, начинают существенно сказываться на частотах выше 1000 мГц. На рис. 6.1 приведены зависимости от частоты диэлектрической проницаемости e и удельного сопротивления r (величина, обратная удельной проводимости s) для мышечной и жировой тканей.

Рис 6.1 Зависимость диэлектрической проницаемости (а) и удельного сопротивления (б) мышечных и жировых тканей от частоты.

В соответствии с вышеуказанным, как e, так и r уменьшаются с частотой.

Эквивалентная электрическая схема диэлектрика может быть представлена в виде конденсатора С без потерь, шунтированного сопротивлением потерь R (рис. 6.1.2) . Полный ток I, текущий через диэлектрик, равен векторной сумме активной Iа и реактивной Iр составляющих:

(6.1)

где U-напряжение на диэлектрике, а w-угловая частота колебаний. Диэлектрик характеризуется углом потерь d, дополняющим до 90° угол сдвига фаз j между током и напряжением. Угол потерь определяется следующим соотношением:

(6.2)

Реактивная составляющая тока, не вызывающая потерь энергии, определяется реактивной проводимостью конденсатора, т.е. диэлектрической проницаемостью диэлектрика и частотой колебаний.

Активная составляющая тока, вызывающая потери энергии, определяется удельной проводимостью диэлектрика. Величина удельной проводимости учитывает все виды потерь в диэлектрике, как потери проводимости за счет колебательного движения ионов, так и диэлектрические потери за счет поворотов дипольных молекул.

Потери энергии в единицу времени в единице объема диэлектрика, находящегося в поле напряженностью Е, могут быть выражены либо через удельную проводимость:

либо через угол потерь:

где e₀ - диэлектрическая постоянная.

Рисунок 6.2 – Диэлектрик.

а - эквивалентная схема; б - векторная диаграмма токов.

6.1.2. Диатермия

Диатермия - один из первых методов высокочастотной терапии была введена в медицинскую практику в начале ХХ века. Сущность диатермии заключается в прогревании тканей тела высокочастотным током (1,5-2 МГц), проходящим между двумя контактно наложенными на поверхность тела металлическими электродами.

Возможность использования теплового эффекта, создаваемого значительным по силе током (до 2 А), основано на снижении раздражающего действия переменного тока с повышением его частоты.

Раздражающее действие тока обусловлено нарушением ионного равновесия между протоплазмой клетки и окружающей клетку средой, которое происходит вследствие смещения ионов от своего среднего положения.

При прохождении через ткани переменного тока ионы электролитов, входящих в состав тканей, приходят в колебательное движение. С увеличением частоты тока время движения ионов в одном направлении, следовательно, и их максимальное смещение уменьшаются. Соответственно уменьшается и раздражающее действие тока. При частоте колебаний порядка несколько сотен килогерц смещение становится соизмеримым со смещением в процессе теплового (молекулярного) движения, и переменный ток никакого раздражающего действия на ткани организма не оказывает.

Тепловое действие тока при диатермии определяется, в основном, ионными потерями, т.е. выделением тепла, происходящим при колебательном движении ионов. В связи с относительно низкой частотой, используемой при диатермии, диэлектрические потери в тканях невелики. Количество тепла q в калориях, выделяемое за единицу времени в единице объема однородной ткани, может быть рассчитано на основании закона Джоуля-Ленца, где j-плотность тока, r- удельное сопротивление ткани.

На частотах 1-2 МГц удельное сопротивление тканей с большим содержанием жидкостей (кровь, мышцы, ткани внутренних органов) составляет 100-200 Ом.см, удельное сопротивление бедных электролитами жировой и костной ткани значительно выше и составляет 2000-5000 Ом.см.

При проведении диатермии высокочастотный ток проходит последовательно через переходное сопротивление между электродом и кожей, слой кожи и подкожной жировой клетчатки, мышечные и другие глубоко лежащие ткани. В результате относительно более высокого удельного сопротивления кожи и жировой клетчатки в этих тканях выделяется наибольшее количество тепла. Это нежелательное распределение теплоты по слоям тканей усугубляется и тем, что при контактном наложении электродов непосредственно под ними имеет место повышенная плотность тока, а в глубоко расположенных тканях пути тока разветвляются и плотность тока значительно снижается. Преимущественный нагрев поверхностных слоев тканей тела - существенный недостаток диатермии, ограничивающий возможности ее применения.

При диатермии используют металлические электроды, форма и размер которых находятся в соответствии с подлежащей воздействию соответствующей частью тела. Наиболее часто применяются пластинчатые электроды, которые изготавливают из луженого свинца толщиной 0,5-1мм. Электроды располагают обычно друг против друга (поперечно) так, чтобы подвергаемая воздействию область тела находилась между ними.

Кроме пластинчатых, используют также полые фигурные электроды из нержавеющей стали: цилиндрические - для кистей рук, яйцевидные разных размеров - для влагалища, плоские, изогнутые под тупым углом - для простаты и т. д. Для воздействия на конечности находят также применение ванночки из пластмассы, наполненные 10% раствором поваренной соли.

При проведении диатермии в течение всего времени процедуры должен быть обеспечен хороший контакт между всей поверхностью электрода и кожей (слизистой оболочкой). Для этого пластинчатые электроды плотно прибинтовывают к телу с помощью резинового бинта (рис.6.3), а при необходимости дополнительно прижимают мешочками с песком. При нарушении контакта между частью поверхности электрода и телом увеличивается плотность тока и соответственно нагрев кожи, что может привести к ожогам.

Рисунок 6.3 – Наложение электродов при диатермии.

При определенных условиях между неплотно прилегающим электродом и телом больного возможно возникновение высокочастотных искр. В связи с выпрямляющим действием искры при этом не исключено прохождение через ткани и органы импульсов тока низкой частоты, которые могут представить опасность для больного. Возможность местных ожогов при нарушении правил наложения электродов - также существенный недостаток диатермии.

Тепловое действие высокочастотного тока прямо пропорционально квадрату его плотности, а, следовательно, при определенной площади электродов и области воздействия - квадрату силы тока. Поэтому дозиметрия при диатермии осуществляется измерением высокочастотного тока в цепи пациента. Величина тока выбирается, исходя из площади меньшего из примененных электродов и допустимой плотности тока, составляющей в среднем 0,01-0,015 А/см². При использовании внутриполостных электродов в связи с улучшением контакта и уменьшением переходного сопротивления между электродом и телом плотность тока может быть повышена до 0,03 А/см².

Важным критерием при проведении диатермии являются ощущения, испытываемые больным. Ощущения жжения или чрезмерного тепла под электродом свидетельствуют о его неплотном прилегании или неровной поверхности. Эти недостатки должны быть немедленно устранены.

Следует иметь в виду, что величина высокочастотного тока, проходящего через тело пациента, может служить только для косвенной оценки энергии, выделяемой в тканях пациента. Это объясняется прежде всего тем, что общее количество выделившегося тепла при одной и той же величине тока может колебаться в значительных пределах в зависимости от сопротивления участка тканей между электродами, которое, в свою очередь, зависит от площади электродов и строения тканей тела пациента в области воздействия. Кроме того, как уже указывалось, при диатермии имеет место крайне неравномерное распределение тепла между поверхностными и глубоко расположенными слоями тканей, причем в глубине тела ток разветвляется на параллельные ветви, проходящие через участки тканей с наименьшим сопротивлением (кровь, мышцы), обходя костные и жировые ткани. Таким образом, при диатермии трудно обеспечить местный нагрев определенных участков тела, особенно при их глубоком расположении.

В связи с указанными выше недостатками диатермии с появлением новых более эффективных методов диатермия постепенно выходит из широкой практики, а серийный выпуск аппаратов для диатермии прекращен.

6.1.3. Электрохирургия

Тепло, образующееся в тканях тела при прохождении через них высокочастотного тока, используется не только для терапевтических, но и для хирургических целей - разделения или разрушения тканей.

Рисунок 6.4 – Схема монополярной электрохирургии.

а - коагуляция; б - резание.

Необходимое для электрохирургии значительно более интенсивное образование тепла в области воздействия обеспечивается применением активного электрода с поверхностью в тысячи и десятки тысяч раз меньшей, чем поверхность второго (пассивного) электрода (так называемая монополярная методика). Соответственно возрастает плотность тока в месте прикосновения активного электрода к тканям тела, что и обусловливает необходимый эффект действия тока.

Имеется два основных вида электрохирургии: сваривание ткани - электрокоагуляция и рассечение ткани - электротомия.

При электрокоагуляции активный электрод в форме шара или диска (рис.6.4, а) плотно прижимается к ткани, после чего на несколько секунд включается высокочастотный ток. Ткань под электродом нагревается до температуры 60-80⁰С, при которой происходит необратимое свертывание тканевых белков. Внешне это проявляется в побелении ткани около краев электрода. Глубина действия электрокоагуляции обычно не превышает диаметра примененного электрода, что объясняется резким уменьшением плотности тока с увеличением расстояния от электрода.

Электрокоагуляция используется для удаления папиллом, бородавок, грануляций, в стоматологии для умерщвления нерва зуба, в косметике и других случаях. Важной областью применения электрокоагуляции является остановка кровотечений при операциях.

Распространена и биполярная методика электрокоагуляции, при которой оба выхода генератора соединены с двумя активными электродами, конструктивно объединенными в один биполярный электрод. Биполярная методика особенно удобна при коагуляции выступающих над поверхностью тела участков тканей, а также при остановке кровотечений. С этой целью применяется биполярный пинцет (рис. 6.5), которым захватывается конец кровоточащего сосуда. Для биполярной методики характерна локальность распространения высокочастотного тока, что выгодно отличает ее от монополярной.

Рисунок 6.5 – Биполярный пинцет

При электротомии (см. рис. 6.4, б) активный электрод имеет форму тонкого лезвия, которым прикасаются к телу и после включения высокочастотного тока проводят без давления по поверхности рассекаемой ткани. Применяются также активные электроды в виде иглы или проволочного кольца.

Вследствие интенсивного нагрева ткани под электродом ее клеточная и межклеточная жидкости мгновенно (со взрывом) испаряются и разрывают ткань. Величина тока и скорость движения активного электрода определяют глубину разреза (обычно несколько миллиметров) и степень коагуляции тканей.

При более быстром движении электрода по краям раны остается только тончайший слой коагулированной ткани и разрез почти не отличается от разреза скальпелем. В случае необходимости одновременно с разрезом получить струп, например, при операциях на сильно кровоточащих тканях, активный электрод перемещают медленнее.

Электротомия имеет ряд преимуществ по сравнению с обычным хирургическим разрезом с помощью скальпеля. При электротомии получается почти бескровный разрез. Малые сосуды свариваются и закупориваются в процессе резания. Для коагуляции более крупного сосуда он захватывается кровоостанавливающим зажимом, к которому прикасаются активным электродом.

Коагуляция краев раны вместе с сосудами, помимо устранения потерь крови и облегчения работы хирурга, исключает также проникновение инфекции в кровяное русло и лимфатические пути. Частицы ткани, попадающие на активный электрод, разрушаются, что сохраняет стерильность электрода и исключает возможность переноса злокачественных клеток на здоровый участок ткани.

При электрохирургическом разрезе оказываются коагулированными также окончания нервных волокон в полости раны, в связи с чем значительно уменьшаются боли в послеоперационный период.

При проведении электротомии или электрокоагуляции активный электрод закрепляется в цанговом зажиме держателя, соединенного проводом с выходной клеммой аппарата. Для включения и выключения высокочастотного тока на держателе устанавливается кнопочный прерыватель. Применяется также управление с помощью ножной педали.

Пассивный электрод - свинцовая пластина толщиной около 1 мм крепится обычно на конечности оперируемого. Для исключения ожогов под пассивным электродом он не должен иметь складок и других неровностей и должен плотно прилегать к телу. Иногда под электрод подкладывают матерчатую прокладку, смоченную подсоленной водой. В этом случае необходимо следить за влажностью прокладки, не допуская ее высыхания во время операции.

Применяются также гибкие пассивные электроды из тонкой (около 0,2 мм) пластины нержавеющей стали. Такой электрод может быть подложен под пациента или обернут вокруг конечности. Края таких электродов покрывают изоляционным материалом.

Площадь пассивного электрода должна быть достаточной для рассеивания тепла находящимися под электродом тканями тела без заметного повышения их температуры. Расчет необходимой площади электрода может быть произведен исходя из удельной высокочастотной мощности 1,5 Вт/см².

При использовании аппаратов малой мощности (до 10 Вт) возможно проведение электрохирургических вмешательств и без пассивного электрода. Цепь высокочастотного тока замыкается при этом через распределенную емкость пациента относительно земли. Соответствующий метод высокочастотной электрохирургии называется монополярным.

Большинство электрохирургических аппаратов не имеют приборов для измерения высокочастотной мощности или тока. Необходимая для проведения электрохирургического вмешательства величина выходной мощности подбирается обычно хирургом экспериментально до операции. Для этой цели можно использовать кусок мяса. Дополнительная регулировка выходной мощности производится по указанию хирурга во время операции.

При применении высокочастотной электрохирургии особое внимание должно быть уделено опасности высокочастотных ожогов. Это связано с использованием значительных величин высокочастотного тока, контактным наложением электродов и отсутствием у находящегося под наркозом больного нормальной реакции на тепловое действие тока.

Среди большого количества причин, вызывающих высокочастотный ожог, наиболее распространенной является нарушение цепи высокочастотного тока из-за плохого прилегания пассивного электрода или обрыва провода, соединяющего пассивный электрод с заземленным по высокой частоте выходом аппарата. В этом случае цепь высокочастотного тока может замкнуться через место касания тела пациента с каким-либо заземленным предметом. В связи с малой площадью контакта в месте касания возмещен высокочастотный ожог. Учитывая особую важность непрерывности цепи пассивного электрода, в аппаратах с выходной мощностью более 50 Вт применяется автоматическое устройство, отключающее высокочастотный генератор при нарушении соединения пассивного электрода с выходом аппарата.

Высокочастотный ожог может возникнуть и при исправной цепи пассивного электрода, если на пациента при проведении операции налощен заземленный электрод какого-либо диагностического прибора, например, электрокардиографа. Часть высокочастотного тока, проходя через этот электрод, может вызвать под ним ожог.

Для исключения высокочастотных ожогов при подготовке к операции и ее проведении должны строго выполняться правила, приведенные в инструкции по эксплуатации электрохирургического аппарата.

В связи с возможностью появления высокочастотных искр между активным электродом и телом пациента значительную опасность представляет также воспламенение и детонация ряда газообразных наркотиков, а также жидких дезинфицирующих веществ. По этой причине при работе аппарата для электрохирургии не допускается применение таких взрывоопасных наркотических веществ, как эфир, циклопропан и некоторые другие. Не следует приступать к операции до того, как будут убраны куски ваты, марли и другие гигроскопические материалы, пропитанные спиртом или иным горючим дезинфицирующим веществом.

6.1.4. Дарсонвализация и терапия током надтональной частоты

Дарсонвализация была первым методом высокочастотной терапии, предложенным еще в конце прошлого столетия французским врачом и физиком д’Арсонвалем (отсюда и название метода).

Д’Арсонваль предложил использовать с лечебной целью воздействие на организм электромагнитными колебаниями, которые в то время получались с помощью искровых генераторов и имели частоту в пределах 200-500 кГц. Колебания, использовавшиеся д’Арсонвалем, имеют резко затухающий характер и следуют отдельными сериями с паузой между ними. Вследствие этого средняя мощность колебаний при дарсонвализации незначительна и тепловой эффект в тканях организма полностью отсутствует. При этом первые колебания в каждой серии имеют достаточно высокое напряжение и ими обусловливается основное физиологическое действие.

Д’Арсонвалем было предложено как общее, так и местное воздействие, различающееся по технике проведения.

В настоящее время дарсонвализация рассматривается как метод воздействия высокочастотными колебаниями в импульсном режиме, а общее и местное воздействие, как два самостоятельных метода с различным механизмом физиологического действия на организм.

Источником колебаний при обоих методах является электронно-ламповый генератор, работающий на выделенной частоте и создающий импульсно-модулированные высокочастотные колебания высокого напряжения.

При общем воздействии пациент помещается внутри большой катушки (соленоида), включенной в колебательный контур генератора.

Таким образом, при общей дарсонвализации пациент находится в зоне действия электромагнитного поля (поле индукции), возбуждаемого в соленоиде высокочастотным током. В соответствии с формой тока и поле имеет импульсный характер. Каких-либо ощущений при проведении процедуры общей дарсонвализации больной не испытывает. Для суждения о наличии колебаний ему в руку дается неоновая индикаторная лампа, которая светится под действием поля.

Так как аппараты для общей дарсонвализации являются мощным источником радиопомех, эксплуатация их производится в экранированной кабине. В связи с этим общая дарсонвализация, несмотря на создание новой электронной аппаратуры широкого распространения не получила.

Рисунок 6.6 – Схема проведения процедуры местной дарсонвализации.

При местной дарсонвализации (рис. 6.6) воздействие осуществляется с помощью стеклянного электрода, наполненного воздухом при давлении 0,1-0,5 торр (рис. 6.7). На электрод подаются импульсы высокочастотных колебаний с пиковым напряжением до 20-30 кВ. Такое высокое напряжение создается с помощью повышающего трансформатора, который помещается либо в самом аппарате, либо в электрододержателе, используемом в качестве ручки. При проведении процедуры электрод перемещается по поверхности подвергаемого воздействию участка тела, либо (при действии на слизистые оболочки полостей, например, при использовании ректального электрода) устанавливается неподвижно. При этом для высокочастотного тока между цоколем электрода и телом больного образуется следующая цепь: ионизированный газ внутри электрода, емкость его стеклянной стенки и слой воздуха между электродом и поверхностью кожи (или слизистой), в котором возникает коронный разряд в форме «тихого» или слабого искрового. Благодаря ограничивающему ток, действию малой емкости стеклянной стенки электрода, разряд не достигает интенсивности, при которой он мог бы оказать раздражающее действие или вызвать болевое ощущение.

Если электрод отдалять от поверхности тела, то, увеличивая таким образом долю напряжения, приходящегося на воздушную прослойку, можно несколько повысить интенсивность разряда и получить более заметное искрение под электродом.

Для замыкания цепи высокочастотного тока второй электрод не применяется. Ток проходит через распределенную емкость пациента на землю, как это условно показано на рис. 6.6, где обозначено: 1 - аппарат, 2-электрод, 3-пациент, 4-силовые линии высокочастотного поля.

При местной дарсонвализации ощущается легкое раздражение кожи и весьма незначительное поверхностное тепло. При увеличении длины искр возникает более сильное раздражение, но, как правило, без заметных явлений прижигания. Для прижигающего действия может применяться специальный электрод с металлическим острием на конце.

Таким образом, действующим фактором при местной дарсонвализации является высокочастотный электрический разряд, возникающий между электродом и поверхностью тела больного и изменяющийся по интенсивности от «тихого», почти не вызывающего особых ощущений, до слабого искрового, оказывающего уже раздражающее, а в отдельных случаях и легкое прижигающее воздействие.