Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике. Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологическо. Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике красноярск 2004
 Скачать 10.98 Mb.
|
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬАппараты, применяемые для лечения электрическим полем ультравысокой частоты (УВЧ), представляют собой генераторы электрических колебаний с частотой 40,68 МГц. Рассмотрим принцип действия такого генератора. Одним из основных элементов прибора является колебательный контур. Он представляет собой в идеальном случае цепь из параллельно включенных емкости С и индуктивности Lи не содержит активного сопротивления R. Колебания в таком колебательном контуре будут незатухающими. Однако реальный контур обладает и активным сопротивлением, поэтому колебания в нем будут со временем затухать. Для получения незатухающих электрических колебаний применяют генераторы. Технической основой генератора могут быть электронные лампы, транзисторы и интегральные схемы. Электронные лампы применяются там, где требуется высокая мощность (десятки и сотни ватт), например, в физиотерапевтической аппаратуре. Исследуем принцип работы такого прибора на примере однотактного лампового генератора на триоде, в котором колебательный контур соединен с трехэлектродной лампой и источником питания (рис. 1). Для того, чтобы обеспечить в колебательном контуре незатухающие колебания, необходимо постоянно пополнять в нем энергию колебаний, теряемую на активном сопротивлении контура. Эти условия обеспечиваются в генераторе следующим образом. Катушка L колебательного контура индуктивно связана с так называемой катушкой связи К, подключенной к сетке и катоду лампы.  Рис. 1. Схема однотактного лампового генератора (идеальный колебательный контур). Прохождение анодного тока через лампу и образование напряжения на колебательном контуре происходит в тот момент, когда на сетку лампы поступает по катушке связи положительный потенциал. Врезультате полученная энергия поддерживает только половину периода колебаний в контуре. Поэтому генератор называется однотактным. Анодный ток, возникающий в цепи, имеет ту же частоту, что и колебания в контуре. Когда требуется увеличить мощность колебаний, применяется двухтактный ламповый генератор (рис. 2). Вновь для простоты рассмотрим генератор с идеальным колебательным контуром.  Рис. 2. Схема двухтактного лампового генератора. Схема в определенной степени симметрично повторяет рис. 1.В самом деле, теперь к колебательному контуру подключены две лампы (Л1 и Л2), причем анодный ток каждой из них проходит через соответствующую половину (L1 и L2) катушки контура. При этом положительный полюс источника питания подключается к среднему отводу катушки, а отрицательный - к общей точке катодов ламп. Индуктивности К1 и К2 симметрично подключаются через резистор Rc к общей точка катодов ламп. Каждое из плеч двухтактного генератора работает аналогично однотактовому генератору, пополняя энергией колебательный контур в соответствующую половину периода колебаний. В результате колебательный контур в течение периода пополняется энергией дважды. Генератор электрических колебаний составляет основу аппаратов для высокочастотной терапии, в том числе и УВЧ-терапии. Особенностью этих аппаратов является наличие специального терапевтического контура - отдельного колебательного контура, к которому подключаются электроды, располагаемые у тела больного (рис. 3).  Рис. 3. Схема подключения терапевтического контура к двухтактному ламповому генератору (Lт - катушка индуктивности терапевтического контура, Ст - конденсатор переменной емкости, Э - электроды). Терапевтический контур подключается к генератору индуктивно. Такое соединение позволяет перенести на электроды высокочастотные колебания и исключить возможность попадания на пациента высокого напряжения, присутствующего в генераторе. В связи с тем, что между электродами могут помещаться разные части тела больного, имеющие различные электрические параметры, терапевтический контур должен при каждой процедуре подстраиваться в резонанс с генератором. Делается это с помощью подстроечного конденсатора переменной емкости Cт. Аппарат УВЧ, используемый для выполнения данной лабораторной работы, представляет собой двухтактный ламповый генератор, соединенный с терапевтическим контуром. ПРИМЕНЕНИЕ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОЛЕБАНИЙ В МЕДИЦИНЕ Электрические и магнитные колебания, используемые с лечебной целью, подразделяют по частоте на несколько диапазонов; 1) низкочастотные: - низкой частоты (НЧ) - до 20 Гц, - звуковой частоты (3Ч) - 20-20000 Гц, 2) высокочастотные: - ультразвуковой частоты (УЗЧ) - 20-200 кГц, - высокой частоты (ВЧ) – 0,2 - 30 МГц, - ультравысокой частоты (УВЧ) - 30-300 МГц, - сверхвысокой частоты (СВЧ) - 300-3000 МГц, - крайне высокой частоты (КВЧ) - свыше 3000 МГц. Основные методы, использующие колебания высокой частоты (ВЧ): 1) дарсонвализация (воздействие слабых электрических разрядов при частотах до 500 кГц на нервные рецепторы кожи и слизистой оболочки стерапевтической целью), 2) диатермия (нагревание тканей при прохождении тока до 1,5 А с частотой 1-2 МГц); - в терапии (прогревание глубоко расположенных тканей организма) - в настоящее время не применяется в связи с недостатками метода и появлением новых приемов;
- диатермокоагуляция (сваривание кровеносных сосудов для уменьшения потери крови при операциях и т.д.). - электротомия (рассечение мягких тканей); 3) индуктотермия (прогревание токопроводящих тканей с помощью магнитного поля при частоте 10-15 МГц, вызывающего в тканях вихревые электрические токи) обеспечивает выделение джоулева тепла в единице объема мощностью (Р):  ,где k - коэффициент пропорциональности, - удельная электропроводность, - круговая частота, В - эффективное значение магнитной индукции. 4) УВЧ-терапия (воздействие на ткани электрического поля с частотой 30-300 МГц); 5) СВЧ-терапия (микроволновая терапия при частоте 2000-3000 МГц, преимущественно прогреваются водосодержащие ткани); 6) КВЧ-терапия (применение электромагнитных полей с частотой свыше 3000 МГц, низкоэнергетическое воздействие на рецепторные зоны, биологически активные точки с целью управления, коррекции функции внутренних органов). ПЕРВИЧНОЕ ДЕЙСТВИЕ ПОЛЯ УВЧ НА ТКАНИ ОРГАНИЗМАРассмотрим, как действует электрическое поле УВЧ на электролит и диэлектрик. В растворе электролита в поле УВЧ возникает колебательное движение ионов согласно изменениям направления напряженности внешнего поля. Возникновение тока проводимости сопровождается выделением теплоты Q, причем за единицу времени в единице объема выделится:  , (2)где k - коэффициент пропорциональности; Е - напряженность электрического поля; - удельное сопротивление электролита. Под действием поля УВЧ в диэлектрике возникает изменение положения (вращательные колебания) полярных молекул-диполей или заряженных участков макромолекул в соответствии с переориентацией внешнего электрического поля (рис. 4).  Рис. 4. Движение молекулы-диполя и ионов между электродами Э при изменении электрического поля УВЧ. При этом движение диполей отстает по фазе от колебаний напряженности электрического поля Е, что сопровождается образованием сил трения. В результате в единице объема диэлектрика за единицу времени выделится количество теплоты  : , (3)где k - коэффициент пропорциональности; - круговая частота; Е - напряженность электрического поля; - относительная диэлектрическая проницаемость; - угол диэлектрических потерь, зависящий от природы диэлектрика и частоты воздействия. Ткани организма содержат как электролиты, так и диэлектрики. Поэтому при определении воздействия поля УВЧ не ткани необходимо учитывать суммарный эффект:  (4) Необходимо отметить, что в зависимости от выбранной частоты колебаний электрического поля можно оказывать преимущественное (избирательное) воздействие или на электролиты, или на диэлектрики. Частота аппарата для УВЧ-терапии (40,86 МГц) обеспечивает наиболее эффективное нагревание тканей-диэлектриков. Хорошо кровоснабжаемые ткани содержат большое количество электролитов. В связи с этим к тканям-электролитам можно отнести ткани мышц, печени, сердца, селезенки и т.д. Аналогичный подход позволяет в качестве тканей-диэлектриков указать жировую, костную ткани, сухожилия и др. Часто при УВЧ-терапии используют не тепловой эффект, оказывающий массированное, высокоэнергетическое воздействие, а так называемый осцилляторный эффект. В этом случае на ткани действуют высокочастотным электрическим полем низкой интенсивности, основное влияние оказывается на положение в тканях ионов и молекул. В результате физиологическое состояние клеток изменяют с помощью более тонкого механизма, внося меньшие возмущения в клетки с нарушенным равновесием обменных процессов. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬЗадание 1. Подготовить прибор к работе. 1. Ознакомьтесь с органами управления аппарата для УВЧ-терапии: - переключатель "Напряжение" служит для включения прибора и установки рабочего напряжения для конкретного сетевого напряжения, - кнопка "Контроль" используется при установке рабочего напряжения прибора, - переключатель "Мощность" позволяет выбрать мощность, отдаваемую генератором, - ручка "Настройка" устанавливает резонанс в терапевтическом контуре. - стрелочный индикатор показывает: - уровень сетевого напряжения (при отключенном терапевтическом контуре) или - уровень мощности, отдаваемой генератором при включенном терапевтическом контуре. ВНИМАНИЕ! ПЕРЕД ВКЛЮЧЕНИЕМ ПРИБОРА В СЕТЬ ПОВЕРНИТЕ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ "НАПРЯЖЕНИЕ" И "МОЩНОСТЬ" ПРОТИВ ЧАСОВОЙ СТРЕЛКИ В КРАЙНЕЕ ПОЛОЖЕНИЕ! 2. Включите прибор, повернув переключатель "Напряжение" на одну позицию по часовой стрелке. 3. Нажмите кнопку "Контроль" и с помощью переключателя "Напряжение" установите стрелку индикатора на красном секторе. 4. Переключатель "Мощность" установите в положение "20". 5. Меняя положение ручки "Настройка", получите максимально возможное отклонение стрелки индикатора вправо (резонанс). Задание 2. Определить распределение электрического поля между электродами аппарата для УВЧ-терапии. 1. Установите между электродами аппарата УВЧ электрический диполь (дипольную антенну) (рис. 5) так, чтобы он находился в центре электродов.  Рис. 5. Блок-схема дипольной антенны (1- антенна, 2 – выпрямитель, 3- миллиамперметр). 2. Исследуйте распределение напряженности электрического поля между электродами, перемещая диполь из центрального положения в вертикальном и горизонтальном направлениях и регистрируя ток миллиамперметра. Данные занесите в таблицу 1.
Таблица 1
Задание 3. Изучить динамику нагревания электролита и диэлектрика в поле УВЧ. 1. Поместите между электродами терапевтического контура электролит (физиологический раствор) и диэлектрик (костную ткань). 2. В пробирку с электролитом и в костный препарат поместите термометры, определите исходную температуру объектов. 3. Включите аппарат для УВЧ-терапии и в течение 5-10 минут регистрируйте показания термометров. Данные занесите в таблицу 2. Таблица 2
4. На основании полученных данных постройте графики изменения температуры со временем. Объясните полученные данные. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
ЛИТЕРАТУРА1. Ливенцев Н.М. Курс физики. М: Высшая школа, 1978. – Т. 1. – С. 188-199. – Т. 2. – С. 172-181. 2. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. – М.: Высшая школа, 1999. – С.315–318; 337–347. 3. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. – М.: Высшая школа, 1987. – С. 323-324, 402-403, 411-413. 4. Эссаулова И.А., Блохина М.Е., Гонцов Л.Д. Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике. М.: Высшая школа, 1987. – С. 198-201. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||