Светлана Резникова – Образование тепла в тканях при разных методах физиотерапии (страница 3)
Молекула воды представляет собой классический диполь. Атомы водорода расположены под углом друг к другу, и электронная плотность смещена к атому кислорода, в результате чего один конец молекулы несет частичный отрицательный заряд, а противоположный — частичный положительный. Подобной полярностью обладают также боковые группы многих аминокислот, входящих в состав белков, и фосфолипиды клеточных мембран. В постоянном электрическом поле диполи просто выстраиваются вдоль силовых линий, но в переменном поле, когда направление поля меняется с высокой частотой, диполи вынуждены непрерывно поворачиваться, синхронизируясь с этими изменениями. Каждый такой поворот требует энергии на преодоление межмолекулярного трения и сил вязкости. Затраченная энергия поля не возвращается обратно в электрическую цепь, а безвозвратно рассеивается в виде тепла. Этот процесс называют релаксационными потерями или диэлектрическим нагревом.
Принципиально важно понимать, что интенсивность диэлектрического нагрева неодинакова для разных тканей и зависит от частоты поля. На относительно низких частотах, характерных для аппаратов УВЧ терапии, молекулы воды успевают полностью повернуться вслед за изменениями поля. Потери здесь умеренные, но поскольку вода присутствует практически во всех тканях, нагрев оказывается достаточно равномерным. Особенность заключается в том, что в плотных белковых структурах, таких как сухожилия или костная ткань, крупные белковые молекулы и связанная с ними вода ограничены в подвижности. Их поворот требует значительно больших затрат энергии и сопровождается сильным внутренним трением. Поэтому в поле УВЧ костная и фиброзная ткани могут нагреваться даже интенсивнее, чем окружающие мышцы, что составляет суть феномена избирательного нагрева диэлектриков.
При переходе в диапазон сверхвысоких частот, используемый в СВЧ терапии, ситуация меняется. Частота колебаний поля становится настолько высокой, что тяжелые белковые молекулы просто не успевают реагировать на него и остаются практически неподвижными. В то же время маленькие и подвижные молекулы свободной воды продолжают интенсивно вращаться, поглощая энергию поля. Здесь вступает в силу эффект резонансного поглощения, когда частота внешнего воздействия совпадает с собственной частотой релаксации молекул воды. Следовательно, в микроволновом диапазоне максимальный нагрев наблюдается в тканях с высоким содержанием свободной воды, а именно в мышцах и паренхиматозных органах, тогда как жир и кость остаются относительно интактными. Это принципиальное отличие необходимо четко осознавать, поскольку оно объясняет разницу в глубине и локализации прогревания между процедурами УВЧ и СВЧ.
Третий механизм эндогенного теплообразования реализуется при ультразвуковой терапии. Источником энергии здесь служат высокочастотные механические колебания, распространяющиеся в среде в виде продольных волн разрежения и сжатия. По своей физической сути ультразвук представляет собой акустические волны, выходящие за пределы слышимого диапазона. При прохождении такой волны через ткань частицы среды совершают колебательные движения относительно положения равновесия. Между соседними слоями ткани, колеблющимися с разной амплитудой и фазой, возникает внутреннее трение. Кроме того, часть акустической энергии поглощается крупными белковыми макромолекулами, которые приходят в состояние вибрации. Преобразование механической энергии колебаний в тепловую происходит наиболее эффективно в структурах с высоким акустическим сопротивлением, в первую очередь в коллагенсодержащих тканях. Именно поэтому при ультразвуковом воздействии максимальный нагрев регистрируется на границе раздела сред с разной плотностью, например в области надкостницы, в местах прикрепления сухожилий к кости, в фиброзных капсулах суставов и в рубцовой ткани. Этот механизм, основанный на поглощении акустических волн и трансформации их в тепло, называют термальным компонентом ультразвукового воздействия.
Таким образом, эндогенное тепло в физиотерапии может образовываться тремя принципиально разными путями. Первый путь состоит в джоулевых потерях при прохождении ионных токов через электропроводящие жидкие среды. Второй путь реализуется через диэлектрические потери при повороте полярных молекул в переменных электромагнитных полях, причем в зависимости от частоты поля акцент нагрева смещается либо на фиксированные белковые диполи плотных тканей, либо на свободные молекулы воды. Третий путь заключается в поглощении механических акустических колебаний с трансформацией их в теплоту внутреннего трения. Четкое понимание этих трех физических механизмов служит фундаментом для осознанного выбора метода физиотерапии, поскольку каждый из них адресует тепловую энергию строго определенным гистологическим структурам.
Глава 2. Классификация физиотерапевтических методов по механизму теплопередачи
После того как рассмотрены базовые физические принципы превращения различных видов энергии в теплоту, а также первичные физиологические реакции тканей на нагревание, возникает необходимость систематизировать полученные знания. Многообразие существующих физиотерапевтических методик на первый взгляд способно дезориентировать начинающего специалиста. Однако если в основу классификации положить не внешние признаки вроде формы электродов или названия аппарата, а фундаментальный способ доставки энергии и механизм ее конверсии в тепло, вся система методов приобретает стройность и логическую завершенность. Именно такой подход позволяет сформировать клиническое мышление, при котором выбор процедуры становится осознанным и прогнозируемым по результату.
Все методы физиотерапии, связанные с образованием тепла в тканях, можно разделить на три большие группы в зависимости от того, каким путем тепловая энергия появляется в организме. Первую группу составляют методы, основанные на проведении электрического тока через ткани пациента. Здесь тепло выделяется непосредственно в проводящих структурах тела по закону Джоуля Ленца, и глубина, локализация нагрева определяются распределением токовых линий и электрическим сопротивлением различных анатомических образований. Вторая группа объединяет методы, использующие переменные электромагнитные поля высокой, ультравысокой и сверхвысокой частоты. При этих воздействиях ткани нагреваются не за счет прямого прохождения тока между электродами, а благодаря колебаниям заряженных частиц и дипольных молекул, захваченных переменным полем. Третья группа представлена ультразвуковой терапией, где источником тепла служит механическая энергия акустических волн, трансформирующаяся в теплоту за счет внутреннего трения колеблющихся структур.
Первую классификационную группу уместно обозначить как кондуктивный нагрев, или нагрев проводимости. Ключевым физическим условием здесь выступает наличие замкнутой электрической цепи, частью которой становится тело пациента. Между двумя электродами, наложенными на кожу, протекает электрический ток, и выделение тепла происходит в соответствии с величиной силы тока и сопротивлением тканевого участка, находящегося на пути заряженных частиц. К этой группе относятся классическая гальванизация, диадинамотерапия, амплипульстерапия и другие разновидности низкочастотной и импульсной электротерапии. Тепловой эффект данных методик обычно выражен слабо, поскольку сила тока ограничена требованиями безопасности и комфорта пациента, а большая часть напряжения падает на роговом слое эпидермиса, обладающем максимальным сопротивлением. Тем не менее при определенных параметрах, особенно при использовании токов надтональной частоты или при глубоком расположении электродов в полостных методиках, джоулево тепло может вносить значимый вклад в суммарный лечебный эффект. Отдельного упоминания в рамках этой группы заслуживает индуктотермия. Она формально относится к высокочастотным методам, однако физическая сущность нагрева здесь та же джоулева. Разница лишь в том, что электрический ток не подводится извне через контактные электроды, а наводится переменным магнитным полем прямо в толще тканей по принципу электромагнитной индукции. Возникающие вихревые токи Фуко циркулируют в хорошо проводящих жидких средах, и тепло выделяется там, где электропроводность выше всего.
Вторую классификационную группу формируют методы диэлектрического нагрева. Они не требуют непосредственного электрического контакта с телом, а используют энергию переменного электромагнитного поля, которое создается между обкладками конденсатора или излучается антенной в пространство. Ткани при этом ведут себя не как проводники, включенные в цепь, а как совокупность диэлектриков, помещенных в быстро меняющееся электрическое поле. Нагрев происходит благодаря двум параллельно идущим процессам. С одной стороны, ионы, содержащиеся в тканевых жидкостях, колеблются с частотой поля, и эти колебания, встречая сопротивление среды, дают небольшой джоулев компонент. С другой стороны, полярные молекулы, прежде всего молекулы воды и боковых групп аминокислот, совершают вынужденные повороты, отставая по фазе от изменения поля. Энергия, затрачиваемая на преодоление межмолекулярного трения при этих вращениях, рассеивается в виде тепла, причем ее количество определяется диэлектрическими свойствами конкретной ткани и частотой колебаний. К данной группе относятся УВЧ терапия, использующая конденсаторные пластины и работающая в диапазоне ультравысоких частот, а также микроволновая терапия, подразделяющаяся на сантиметроволновую и дециметроволновую. Принципиальное различие между УВЧ и СВЧ методами внутри одной группы состоит в том, какая именно ткань становится преимущественной мишенью нагрева. На ультравысоких частотах активно колеблются не только мелкие молекулы воды, но и крупные белковые диполи, поэтому хорошо прогреваются плотные соединительнотканные образования. На сверхвысоких частотах тепловым акцептором выступает практически исключительно свободная вода, что смещает максимум нагрева в мышцы и паренхиму.