Pola i promieniowanie elektromagnetyczne
Seminarium_3
Seminarium_3
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
Seminarium 3<br />
<strong>Pola</strong> i <strong>promieniowanie</strong> <strong>elektromagnetyczne</strong><br />
1. <strong>Pola</strong> i <strong>promieniowanie</strong> <strong>elektromagnetyczne</strong>: pole elektryczne, dipol elektryczny,<br />
kondensator i jego pojemność elektryczna, pole magnetyczne, biomagnetyzm,<br />
<strong>promieniowanie</strong> <strong>elektromagnetyczne</strong>, współczynnik absorpcji swoistej (SAR).<br />
2. Właściwości elektryczne materii. Elektryczny model tkanki: dielektryk, przewodność<br />
jonowa, prąd elektryczny, model elektryczny tkanki.<br />
3. Krzywa pobudliwości włókien nerwowych i mięśniowych.<br />
4. Działanie prądu elektrycznego na organizm człowieka - porażenia prądem.<br />
5. Wybrane zastosowania prądu elektrycznego w medycynie: defibrylator, elektrokoagulacja,<br />
nanoknife, rozrusznik serca.<br />
6. Elektroterapia - klasyfikacja stosowanych metod.<br />
7. Elektroencefalografia (EEG) i elektromiografia (EMG).<br />
8. Magnetoterapia, hipertermia magnetyczna.<br />
9. Fale radiowe - antena i jej charakterystyka.<br />
10. Mikrofale - zastosowania medyczne (TRIMprobe)<br />
11. Promieniowanie podczerwone - prawo Wiena i prawo Stefana-Boltzmanna.<br />
12. Zastosowanie promieniowania IR w medycynie.<br />
13. Światło widzialne i <strong>promieniowanie</strong> ultrafioletowe.<br />
14. Budowa lasera i właściwości promieniowania laserowego.<br />
15. Zastosowanie laserów w stomatologii (LANAP).<br />
16. Endometr stomatologiczny<br />
1
Indeks oznaczeń.<br />
A - amper<br />
AC – prąd zmienny<br />
B – indukcja magnetyczna<br />
B ind - wyindukowane pole magnetyczne<br />
B zew - zewnętrzne pole magnetyczne/ pole magnesujące<br />
C – pojemność elektryczna kondensatora<br />
CT – tomografia komputerowa<br />
DC – prąd stały<br />
E – wektor natężenia pola elektrycznego<br />
E - energia<br />
EEG - elektroencefalografia<br />
EM - <strong>promieniowanie</strong> <strong>elektromagnetyczne</strong><br />
EMG - elektromiografia<br />
E p – energia potencjalna<br />
f/ – częstotliwość sygnału/fali <strong>elektromagnetyczne</strong>j<br />
F B- siła Lorentza<br />
GP – głębokość wnikania światła laserowego<br />
H – natężenie pola magnetycznego<br />
I – natężenie prądu elektrycznego<br />
IR – zakres podczerwieni EM<br />
l – długość przewodnika<br />
N - namagnesowanie<br />
p - elektryczny moment dipolowy<br />
q – ładunek elektryczny<br />
R – opór elektryczny (przewodnościowy)<br />
R c – opór pojemnościowy<br />
- opór właściwy<br />
S – powierzchnia przekroju poprzecznego przewodnika<br />
T – temperatura<br />
U – napięcie prądu elektrycznego<br />
USG – ultrasonografia<br />
UV – zakres ultrafioletu EM<br />
V – potencjał elektryczny<br />
VIS – zakres widzialny EM<br />
v - prędkość<br />
W- praca w polu elektrycznym<br />
Z - zawada<br />
- współczynnik absorpcji<br />
o- przenikalność elektryczna próżni<br />
r – względna przenikalność elektryczna<br />
T - całkowita zdolność emisyjna ciała doskonale czarnego<br />
0 – przenikalność magnetyczna próżni<br />
r – względna przenikalność magnetyczna<br />
- długość fali<br />
max - długość fali o maksymalnej mocy promieniowania<br />
- stała Stefana-Boltzmanna<br />
- częstość sygnału<br />
2
Spis treści<br />
<strong>Pola</strong> i <strong>promieniowanie</strong> <strong>elektromagnetyczne</strong>. ........................................................................................................... 3<br />
Pole elektryczne. ................................................................................................................................................. 4<br />
Dipol elektryczny. ............................................................................................................................................... 5<br />
Kondensator. Pojemność elektryczna kondensatora. .......................................................................................... 6<br />
Pole magnetyczne. ............................................................................................................................................... 7<br />
Biomagnetyzm. ................................................................................................................................................. 12<br />
Promieniowanie <strong>elektromagnetyczne</strong>. ............................................................................................................... 13<br />
Współczynnik absorpcji swoistej (Specyfic Absorption Rate). ........................................................................ 14<br />
Właściwości elektryczne materii. Elektryczny model tkanki. ............................................................................... 16<br />
Dielektryk. ......................................................................................................................................................... 17<br />
Przewodnictwo jonowe. .................................................................................................................................... 19<br />
Prąd elektryczny. ............................................................................................................................................... 19<br />
Model elektryczny tkanki. ................................................................................................................................. 21<br />
Działanie prądu elektrycznego na organizm człowieka – porażenia prądem. ....................................................... 23<br />
Wybrane zastosowania prądu elektrycznego w medycynie. ................................................................................. 24<br />
Defibrylator. ...................................................................................................................................................... 25<br />
Elektrokoagulacja. ............................................................................................................................................. 26<br />
Nanoknife. ......................................................................................................................................................... 27<br />
Elektroencefalografia (EEG). ................................................................................................................................ 28<br />
Elektromiografia (EMG). ...................................................................................................................................... 30<br />
Magnetoterapia i hipertermia magnetyczna. ......................................................................................................... 31<br />
Mikrofale – zastosowanie medyczne (TRIMprobe, Tissue Resonance Interaction Methods). ............................. 33<br />
Promieniowanie podczerwone – prawo Wiena i prawo Stefana-Boltzmanna. ...................................................... 34<br />
Budowa lasera i właściwości promieniowania laserowego. .................................................................................. 36<br />
Zastoswanie laserów w stomatologii (LANAP) .................................................................................................... 40<br />
Endometr stomatologiczny ................................................................................ Błąd! Nie zdefiniowano zakładki.<br />
3
<strong>Pola</strong> i <strong>promieniowanie</strong> <strong>elektromagnetyczne</strong>.<br />
Pojęcie pola <strong>elektromagnetyczne</strong>go odnosi się do przestrzeni, w której istnieje zarówno<br />
jego składowa elektryczna (pole elektryczne o natężeniu E) oraz składowa magnetyczna (pole<br />
magnetyczne o indukcji magnetycznej B). Obydwa rodzaje pól zostaną scharakteryzowane<br />
z osobna.<br />
Pole elektryczne.<br />
Ładunki elektryczne oddziałują ze sobą za pośrednictwem pola elektrycznego. Każdy<br />
ładunek wytwarza wokół siebie określone pole elektryczne. Wzajemne oddziaływanie<br />
pomiędzy ładunkiem źródłowym Q a ładunkiem próbnym q (znak ładunku próbnego<br />
przyjmuje się za dodatni) znajdujących się w próżni w odległości r od siebie, opisuje prawo<br />
Coulomba:<br />
F = (1/40) (Qq/r 2 ) r (1)<br />
gdzie r = r/r jest wektorem jednostkowym, mającym kierunek i zwrot wektora r, 0 oznacza<br />
przenikalność elektryczną w próżni (stała fizyczna, uzgadniająca jednostki we wzorze (1)).<br />
Siła F jest skierowana od ładunku punktowego (jeśli jest on dodatni) do ładunku punktowego<br />
(jeśli jest on ujemny), podobnie jak wektor natężenia pola elektrycznego E (E = F/q), który<br />
definiuje wartość tego pola w danym punkcie i jest wyrażony w układzie SI w niutonach na<br />
coulomb (N/C), Rys. 1.<br />
Rys. 1. Układ dwóch ładunków punktowych różnoimiennych wraz z oznaczonym kierunkiem i zwrotem wektora<br />
natężenia pola elektrycznego E.<br />
4
Z rysunku 1 wynika, iż pole elektryczne można przedstawić graficznie za pomocą linii pola<br />
elektrycznego, do których w dowolnym punkcie tego pola wektor E jest styczny. Wielkość<br />
pola elektrycznego w danym obszarze odzwierciedla zagęszczenie linii pola (tam, gdzie linie<br />
pola przebiegają blisko siebie pole jest silniejsze).<br />
Inną wielkością opisującą pole elektryczne jest potencjał pola elektrycznego V. Potencjał<br />
jest wielkością skalarną, zdefiniowaną w każdym punkcie pola elektrycznego jako stosunek<br />
energii potencjalnej ładunku próbnego q umieszczonego w tym punkcie, do wartości tego<br />
ładunku i wyrażona w woltach (1V = J/C). Energia potencjalna oddziaływania dwóch<br />
ładunków znajdujących się w odległości r w próżni, wyrażona jest jako:<br />
Ep = Qq/40r (2)<br />
i dąży do zera, dla r . Jeśli pole elektryczne jest wytwarzane przez większa liczbę<br />
ładunków punktowych, wypadkowy potencjał określa suma algebraiczna potencjałów<br />
pochodzących od poszczególnych ładunków. Miejsca geometryczne punktów pola<br />
elektrycznego o tym samym potencjale, tworzą tzw. powierzchnie ekwipotencjalne.<br />
Pole elektryczne jest polem zachowawczym, co oznacza iż praca wykonywana przy<br />
przemieszczaniu ładunku w polu elektrycznym, nie zależy od drogi, a tylko od wielkości<br />
ładunku i różnicy potencjałów w punktach początkowym i końcowym V = V k<br />
- V p<br />
, zwanej<br />
napięciem U:<br />
W<br />
kp<br />
= E<br />
p<br />
k<br />
- Ep<br />
p<br />
= (Vk - V<br />
p<br />
)q = Uq (3)<br />
gdzie: p – punkt początkowy, z którego przemieszczany jest ładunek; k – punkt końcowy,<br />
w którym umieszczany jest ładunek.<br />
Dipol elektryczny.<br />
Rysunek 1 przedstawia linie pola elektrycznego wokół tzw. dipola elektrycznego, czyli układu<br />
dwóch ładunków punktowych o przeciwnych znakach i jednakowych wartościach,<br />
znajdujących się w określonej od siebie odległości (Rys. 2). Dla dipola elektrycznego<br />
definiuje się elektryczny moment dipolowy p, który jest wektorem o kierunku r i zwrocie od<br />
ładunku ujemnego do dodatniego i równym co do wartości iloczynowi ładunku Q i odległości<br />
r. Zachowanie się dipola w jednorodnym zewnętrznym polu elektrycznym bez wnikania jego<br />
5
strukturę, można opisać używając wektorów E i p, wyznaczając moment sił działający na<br />
dipol i starający się go ustawić zgodnie z kierunkiem E (Rys. 3). Jest to ważne zagadnienie,<br />
gdyż w organizmach żywych występują dipole elektryczne, a przykładem są cząsteczki wody.<br />
Rys. 2. Dipol elektryczny.<br />
Rys. 3. Obrót dipola w jednorodnym polu elektrycznym, względem środka masy (SM) dipola.<br />
Kondensator. Pojemność elektryczna kondensatora.<br />
Kondensatorem nazywamy element elektryczny składający się z dwóch przewodników<br />
(okładek), znajdujących się w pewnej odległości d od siebie, pomiędzy którymi umieszczony<br />
jest dielektryk (str....) (wyj. kondensator próżniowy). Pojemność elektryczna kondensatora C<br />
= Q/U jest wyrażona w faradach (1F = 1C/1V) i zależy od rozmiarów kondensatora oraz<br />
własności wypełniającego go dielektryka. Dla kondensatora płaskiego (Rys. 4), pole<br />
elektryczne<br />
6
w obszarze pomiędzy jego okładkami jest jednorodne a jego wartość można wyznaczyć<br />
w oparciu o zależność (przy założeniu braku wewnątrz dielektryka):<br />
E = Q/(0S) (4)<br />
gdzie: Q – ładunek elektryczny, S – pole powierzchni okładek kondensatora.<br />
Rys. 4. Kondensator płaski oraz zależność pozwalająca wyznaczyć jego pojemność elektryczną C: bez (a)/ w<br />
obecności dielektryka (b); gdzie: r - względna przenikalność elektryczna, d – odległość między okładkami<br />
kondensatora.<br />
Przy ładowaniu okładek kondensatora ze źródła zewnętrznego wykonywana jest praca<br />
magazynowana w postaci elektrycznej energii potencjalnej w polu elektrycznym pomiędzy<br />
okładkami. Niezależnie od geometrii kondensatora energię potencjalną zgromadzoną<br />
w kondensatorze można wyznaczyć w oparciu o relacje:<br />
Ep = Q 2 /2C = ½CU 2 (5)<br />
Kondensator elektryczny stanowi ważny element w opisie modelowym własności<br />
elektrycznych komórek i tkanek („odpowiednik” błony komórkowej), jak również stanowi<br />
podstawę działania defibrylatora medycznego.<br />
Pole magnetyczne.<br />
Wytwarzane jest wokół przewodnika z prądem elektrycznym lub magnesów trwałych<br />
(Rys. 5). Miarą wielkości pola magnetycznego jest wektor indukcji magnetycznej, który<br />
definiuje się w oparciu o siłę Lorentza (FB), działającą na naładowaną cząstkę próbną będącą<br />
7
w ruchu. Poniżej przedstawiono związek pomiędzy tymi wielkościami w zapisie wektorowym<br />
i jako zwykły iloczyn.<br />
Rys. 5. Pole magnetyczne wokół magnesu trwałego (A) i różnych typów przewodników z prądem (B D).<br />
Siła Lorentza (siła jaka działa na cząstkę obdarzoną ładunkiem elektrycznym poruszającą się<br />
w polu magnetycznym):<br />
FB = qv x B (zapis wektorowy) (6)<br />
FB = qvBsin (7)<br />
dla sin = 1, otrzymujemy:<br />
B = FB/qv [B] = 1 T (tesla) (8)<br />
1 T = 10 4 Gs (gauss)<br />
Wzajemne położenie wektorów FB, B, v oraz kierunek siły Lorentza dla dodatniego<br />
i ujemnego ładunku elektrycznego w oparciu o regułę prawej dłoni przedstawia Rys. 6 (a).<br />
Dla ładunku dodatniego, obracając wektor v w stronę wektora B, wyznaczony kierunek FB<br />
jest zgodny z kierunkiem określonym przez kciuk. Jeżeli ładunek jest ujemny siła Lorentza<br />
jest skierowana przeciwnie niż kciuk.<br />
8
a)<br />
b)<br />
v = 0 v 0; = 0 v 0; = 90 0<br />
cząstka w spoczynku lub<br />
ruch cząstki po okręgu<br />
porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym<br />
v 0; 0 < < 90 0<br />
Rys. 6. Kierunek działania siły Lorentza dla dwóch różnoimiennych ładunków elektrycznych (a) oraz<br />
zachowanie się cząstki dodatnio naładowanej w jednorodnym polu B, dla różnych wartości prędkości v i kąta <br />
(b).<br />
9
Siła Lorentza jest równa zeru, w przypadku gdy ładunek q jest równy zeru lub<br />
prędkość cząstki wynosi zero, jak również gdy wektory v i B są równoległe ( = 0 o ) lub<br />
antyrównoległe ( = 180 o ). Wartość maksymalna (q0, v0) odpowiada sytuacji, gdy wektory<br />
v i B są wzajemnie prostopadłe. Na Rys. 6 (b) przedstawiono ruch cząstki naładowanej<br />
w jednorodnym polu magnetycznym. Rodzaj i trajektoria ruchu zależy od wartości prędkości<br />
początkowej nadawanej cząstce oraz kąta . Zachowanie się cząstek naładowanych<br />
w obszarze pola magnetycznego wykorzystano np. w cyklotronie (Rys. 7). Dwa elementy<br />
urządzenia w kształcie litery D, zwane duantami są połączone z generatorem wytwarzającym<br />
zmienne napięcie U0 cos(t) w szczelinie pomiędzy nimi., tym samym powodując zmianę<br />
kierunku pola elektrycznego E. Duanty znajdują się w polu magnetycznym B wytwarzanym<br />
przez silny elektromagnes. Naładowana cząstka wewnątrz cyklotronu będzie doznawać<br />
cyklicznie przyspieszenia w polu elektrycznym, a pole magnetyczne będzie odpowiednio<br />
zakrzywiać tor jej ruchu. W efekcie cząstka będzie się poruszać po okręgu o promieniu r<br />
zależnym od jej prędkości v (r = mv/qB), w końcu wydostając się po linii spiralnej na<br />
zewnątrz (elektroda odchylająca). W taki sposób otrzymana wiązka wysokoenergetycznych<br />
naładowanych cząstek (np. w tradycyjnych cyklotronach można uzyskać energie protonów<br />
(~ 50 MeV), może zostać wykorzystana do badań próbek fizycznych i biologicznych.<br />
Jednostką indukcji magnetycznej w układzie SI jest tesla (1 T). W niektórych<br />
opracowaniach wciąż używana jest inna jednostka, spoza układu SI – gauss (1 Gs = 10 -4 T).<br />
Pole magnetyczne, podobnie jak pole elektryczne można zilustrować za pomocą linii pola,<br />
uwzględniając, iż: 1) kierunek stycznej do linii pola w danym punkcie jest kierunkiem<br />
indukcji magnetycznej B w tym punkcie; 2) odległość między liniami w danym obszarze<br />
określa wartość B w tym obszarze (im gęściej przebiegają linie pola magnetycznego, tym jest<br />
ono silniejsze w tym obszarze); 3) są one zamknięte (wychodzą z bieguna N magnesu<br />
i wchodzą do bieguna S magnesu);(Rys. 5).<br />
10
Rys. 7. Zasada działania cyklotronu.<br />
Indukcja magnetyczna B jest powiązana z natężeniem pola magnetycznego H następująco:<br />
H = B/(0r) [H] = A/m (9)<br />
gdzie: 0 - przenikalność magnetyczna próżni; r - względna przenikalność magnetyczna (jej<br />
wartość zależy od rodzaju materiału).<br />
Podstawowa różnica pomiędzy indukcją magnetyczną a natężeniem pola magnetycznego<br />
polega na tym, iż wartość H w danym punkcie nie zależy od własności magnetycznych<br />
ośrodka, w którym ten punkt się znajduje.<br />
W oparciu o wartość r materiały magnetyczne można podzielić na diamagnetyki<br />
(r 1, np. powietrze, hemoglobina), ferromagnetyki<br />
(r >>1, np. żelazo krystaliczne). Właściwości magnetyczne materiałów pochodzą od ich<br />
struktury atomowej i elektronowej. Wewnętrzna budowa tych materiałów determinuje ich<br />
zachowanie po umieszczeniu w zewnętrznym polu magnetycznym Bzew (polu magnesującym<br />
wytworzonym w próżni). Stopień namagnesowania materiału można wyrazić obliczając<br />
stosunek momentu magnetycznego próbki do jej objętości, wyznaczając tzw.<br />
namagnesowanie N [A/m]. W diamagnetykach wypadkowy moment magnetyczny jest<br />
zerowy, stąd przy braku zewnętrznego pola magnetycznego namagnesowanie diamagnetyka<br />
również wynosi zero. Umieszczając diamagnetyk w zewnętrznym polu magnetycznym<br />
powstaje moment magnetyczny, skierowany przeciwnie do tego pola. W efekcie w przypadku<br />
niejednorodności pola magnetycznego, diamagnetyk jest wypychany z obszaru silniejszego<br />
pola do obszaru słabszego pola magnetycznego. Odwrotnie jest dla paramagnetyków,<br />
wciąganych do obszaru silniejszego pola magnetycznego z obszaru słabszego pola. Ich<br />
wypadkowy moment magnetyczny jest zerowy pomimo niezerowej wartości momentów<br />
magnetycznych poszczególnych atomów, stąd przy braku zewnętrznego pola magnetycznego<br />
11
nie wykazują namagnesowania. Natomiast po umieszczeniu w zewnętrznym polu<br />
magnetycznym, momenty magnetyczne porządkują się zgodnie z kierunkiem pola a<br />
namagnesowanie będzie się zmieniać w zależności od wielkości pola magnetycznego i<br />
temperatury. Ferromagnetyki po umieszczeniu w zewnętrznym polu magnetycznym wykazują<br />
silne i trwałe własności magnetyczne, co jest wynikiem trwałego uporządkowania momentów<br />
magnetycznych atomów w obszarach zwanych domenami. Powyżej pewnej temperatury,<br />
ferromagnetyk traci swoje własności i staje się słabym paramagnetykiem. Ferromagnetyki<br />
magnesują się zgodnie z kierunkiem zewnętrznego pola magnetycznego a ich własne pole<br />
magnetyczne jest dużo większe od pola magnesującego. Zatem wartość namagnesowania<br />
materiału, można określić przez podanie wartości pola magnetycznego, które dodatkowo<br />
zostało wyindukowane Bind w danym materiale wskutek umieszczenia go w zewnętrznym<br />
polu magnetycznym. Stąd całkowita indukcja B w materiale namagnesowanym wynosi<br />
Bzew + Bind = rBzew = r0H = 0H + 0N.<br />
Wartości indukcji przykładowych źródeł podje Tabela I. Z perspektywy medycznych<br />
zastosowań PM, najciekawsze do porównania są punkty 2, 4, 9.<br />
Tabela I. Przykładowe źródła pola magnetycznego.<br />
Biomagnetyzm.<br />
Potencjał elektryczny indukowany w ciele pacjenta wywołuje prądy elektryczne, które<br />
wytwarzają pola magnetyczne, niemniej jednak w rutynowej praktyce lekarskiej nie<br />
wykonujemy pomiarów pól magnetycznych. W Tabeli II podano amplitudy sygnałów<br />
magnetycznych generowanych w organizmie ludzkim. Podane wartości indukcji<br />
12
magnetycznej są w przypadku biosygnałów ok. 10 6 razy mniejsze od ziemskiego pola<br />
magnetycznego 100 T.<br />
Tabela II. Amplitudy sygnałów magnetycznych.<br />
Źródło sygnału<br />
<strong>Pola</strong> magnetyczne (pT)<br />
Magneto-kardiogram 50<br />
Magneto-encefalogram
Widmo promieniowania <strong>elektromagnetyczne</strong>go wraz z orientacyjnymi granicznymi<br />
wartościami energii/ długości fali/ częstotliwości przedstawia Rys. 9.<br />
Rys. 8. Fala elektromagnetyczna o kierunku propagacji wzdłuż osi x.<br />
Rys. 9. Widmo promieniowania <strong>elektromagnetyczne</strong>go.<br />
Współczynnik absorpcji swoistej (Specyfic Absorption Rate).<br />
Do oceny szkodliwości promieniowania niejonizującego (zakres radiowy)<br />
wprowadzono pojęcie współczynnika absorpcji swoistej (Specific Absorption Rate).<br />
Wyrażony jest on jako:<br />
14
SAR = c*(T/t) (13)<br />
gdzie: c - ciepło właściwe [J/K*kg], T - przyrost temperatury [K], t - czas obserwacji [s]<br />
SAR określa ilość energii pochłanianej w jednostce czasu przez jednostkę masy ciała<br />
pochłaniającego (tkanek ludzkie) i podawany jest w [W/kg].<br />
Przykładem urządzenia wykorzystującego <strong>promieniowanie</strong> <strong>elektromagnetyczne</strong> w<br />
zakresie radiowym są telefony komórkowe. Zwiększająca się ilość używanych telefonów<br />
komórkowych spowodowała wzrost zainteresowania tematem, związanym z wpływem<br />
promieniowania telefonów komórkowych na zdrowie człowieka. W ośrodkach naukowych<br />
przeprowadzono badania na podstawie, których określono wartości SAR dla najbardziej<br />
popularnych modeli telefonów komórkowych i porównano z normami bezpieczeństwa<br />
przyjętymi w różnych krajach. Kilka przykładów podano poniżej:<br />
- Apple, Iphone - 0.62 W/kg<br />
- LG, KS20 - 1.04 W/kg<br />
- Sony Ericsson, W760i - 0.53 W/kg.<br />
*USA - maksymalna dopuszczalna wartość SAR dla telefonów komórkowych wynosi 1.6<br />
W/kg; *Europa - maksymalna dopuszczalna wartość SAR dla telefonów komórkowych<br />
wynosi 2.0 W/kg.<br />
<strong>Pola</strong> EM o odpowiednio dużej częstotliwości znalazły zastosowanie terapeutyczne,<br />
polegające na endogennym ogrzewaniu tkanek. Można wyróżnić dwie standardowe metody:<br />
diatermię krótkofalową (objętościowa) dla f = 27.12 MHz<br />
diatermię mikrofalową (powierzchniowa) dla f = 2.45 GHz, = 12.4 cm; f = 0.43<br />
GHz, = 69 cm<br />
oraz nowatorskie podejście wykorzystujące nanocząstki magnetyczne, które w kombinacji<br />
z polami EM wysokiej częstotliwości powodują wzrost temperatury w danym obszarze<br />
(hipertermia nowotworów).<br />
Skutki biologiczne wywoływane ekspozycją w polach EM zależą od wielu parametrów tj.<br />
amplitudy/wielkości stosowanego pola, częstotliwości i kształtu podawanego sygnału,<br />
przebiegu czasowego sygnału, jak również od typu naświetlanej tkanki. W ogólności dla<br />
oddziaływania pól EM z organizmami żywymi można stwierdzić, iż:<br />
dla wysokich częstotliwości (> ~10 kHz) dominują efekty termiczne.<br />
dla niskich częstotliwości (< ~10 kHz, choć wielu Autorów wprowadza znacznie<br />
niższą granicę) mechanizmy oddziaływania na poziomie komórkowym nie są<br />
dokładnie poznane.<br />
15
w przypadku jednoczesnego podawania pola stałego i zmiennego (o odpowiednio<br />
dobranych parametrach), stwierdzono występowanie bioefektów o charakterze<br />
rezonansowym.<br />
terapia i stymulacja polami EM ELF jak również problem ich szkodliwości, stanowią<br />
„modne zagadnienia” badawcze, ze względu na coraz większą liczbę źródeł pól<br />
magnetycznych w naszym otoczeniu.<br />
Właściwości elektryczne materii. Elektryczny model tkanki.<br />
Elektryczne własności materii we wszystkich 3 stanach skupienia są uwarunkowane<br />
opornością właściwą () lub przewodnością (1/), przenikalnością elektryczną i zależnością<br />
obu tych wielkości fizycznych od częstotliwości zmiennego pola elektrycznego, jak również<br />
od temperatury. Przewodność elektryczna materii związana jest z rodzajem i stężeniem<br />
występujących w niej ładunków swobodnych oraz ich ruchem w polu elektrycznym<br />
a przenikalność elektryczna jest zależna od rozkładu przestrzennego ładunków związanych<br />
w atomach i cząsteczkach oraz ich zdolności do wzajemnego przesuwania się w polu<br />
elektrycznym. Bardzo duże siły wiązania między atomami w ciałach stałych, wpływają na<br />
warunki energetyczne elektronów walencyjnych tych atomów. Do opisu własności<br />
elektrycznych ciał stałych stosuje się pojęcie pasm energetycznych, powstających w wyniku<br />
łączenia się atomów w sieć krystaliczną. Z poziomów atomowych całkowicie zapełnionych<br />
elektronami powstaje pasmo podstawowe (brak uporządkowanego ruchu elektronów w tym<br />
pasmie). Poziomy atomowe całkowicie puste lub częściowo wypełnione elektronami tworzą<br />
pasma przewodnictwa. Elektrony w pasmie przewodnictwa wykazują zdolność do ruchu pod<br />
wpływem przyłożonego pola (przepływ prądu elektrycznego). Pod względem własności<br />
przewodzących wynikających z budowy wewnętrznej (szerokość E przerwy energetycznej<br />
pomiędzy pasmem podstawowym i przewodnictwa, (Rys. 10)), materiały dzielimy na:<br />
- przewodniki ( < 10 -6 [m]); E = 0<br />
- półprzewodniki ( 10 -6 [m]); 0 < E < 2 eV<br />
- izolatory (dielektryki)( > 10 10 [m]); E > 2 eV<br />
Przykłady substancji różniących się własnościami elektrycznymi podano w Tabeli III.<br />
16
E<br />
E 2<br />
Pasmo<br />
przewodnictwa<br />
E<br />
E 1<br />
Pasmo<br />
walencyjne<br />
Rys. 10. Mikroskopowa interpretacja przewodnictwa ciał stałych - układ poziomów energetycznych: 1) E = 0<br />
przewodnik; 0 < E < 2 eV półprzewodnik (np. Si – 1.1 eV; Ge – 0.72 eV); 3) E > 2 eV izolator.<br />
Tabela III. Własności elektryczne różnych substancji.<br />
Materiał<br />
miedź<br />
*krew, płyny ustrojowe<br />
*tkanka tłuszczowa<br />
skóra (zrogowaciały naskórek)<br />
german<br />
* w temperaturze 37 o C<br />
Opór właściwy <br />
(przy 20 o C) [m]<br />
Właściwości elektryczne<br />
1.7 * 10 -8<br />
przewodnik (I rodzaju)<br />
2.7 * 10 -3<br />
przewodnik (II rodzaju)<br />
~20<br />
izolator<br />
~10<br />
4,6 * 10 -1 izolator<br />
półprzewodnik<br />
W szczególnych warunkach (temperatura ~ (10 100) K) występuje tzw.<br />
nadprzewodnictwo. W tym przypadku elektrony praktycznie poruszają się w przewodniku bez<br />
oddziaływania z siecią krystaliczną.<br />
Z punktu widzenia budowy organizmów żywych, interesujące jest zachowanie się<br />
dielektryka (np. ciecze, ciała stałe bezpostaciowe) w polu elektrycznym oraz przewodnictwo<br />
jonowe.<br />
Dielektryk.<br />
Po umieszczeniu obojętnego atomu w polu elektrycznym (Rys. 11 a)) powstaje<br />
indukowany dipol elektryczny (polaryzacja elektronowa). Przy polaryzacji elektronowej<br />
atomy w dielektryku nie zmieniają swego położenia, natomiast ich powłoki elektronowe<br />
ulegają deformacji. W przypadku b) w obecności pola elektrycznego powstaje indukowany<br />
17
dipol cząsteczkowy (polaryzacja atomowa). Ciekawy sytuacja ma miejsce, gdy atomy<br />
budujące cząsteczkę są ułożone niesymetrycznie (niesymetryczny rozkład ładunków), tworząc<br />
trwały dipol (Rys. 11 c)). Na trwały dipol w obecności pola elektrycznego działa moment sił<br />
(Rys. 3) powodując obrót dipola (ustawienie zgodnie z kierunkiem E). Prowadzi to do<br />
polaryzacji orientacyjnej dielektryka. Należy podkreślić, iż polaryzacja orientacyjna<br />
dielektryka zachodzi także w zmiennym polu elektrycznym o niezbyt wysokiej częstotliwości.<br />
W związku z tym, iż proces zachodzi w środowisku lepkim, wskutek tarcia, może dojść do<br />
lokalnego wzrostu temperatury. Sytuację na Rys. 11 d) można odnieść do komórki, jako<br />
niewielkiej przestrzeni zawierającej określoną ilość jonów wewnątrz. Błona komórkowa<br />
stanowi barierę zapobiegającą ucieczce tych jonów na zewnątrz. Stąd w obecności pola<br />
elektrycznego, różnoimienne jony gromadzą się w przeciwległych krańcach przestrzeni<br />
wewnątrzkomórkowej (polaryzacja jonowa).<br />
Rys. 11. Dielektryk w polu elektrycznym. a) atom; b) cząsteczka niedipolowa; c) cząsteczka dipolowa; d) jony<br />
w ograniczonej objętości.<br />
Przykład dielektryka stanowi warstwa lipidowa błony komórkowej. W opisie modelowym,<br />
błonę komórkową łącznie z substancją zewnątrz- i wewnątrzkomórkową przybliża się<br />
kondensatorem elektrycznym (Rys. 4), wypełnionym dielektrykiem.<br />
18
Przewodnictwo jonowe.<br />
Przykład przewodników jonowych (inaczej zwanych elektrolitami, przewodniki II<br />
rodzaju) stanowią roztwory wodne kwasów, zasad i soli jak również haloidki metali<br />
alkaicznych (np. KCL, NaCl). Nośnikami prądu są zarówno jony (dodatnie i ujemne), wiąże<br />
się to z transportem masy, co z kolei generuje zmiany fizyczne w przewodniku. Jony powstają<br />
w wyniku dysocjacji elektrolitycznej (Rys. 12).<br />
Rys. 12. Dysocjacja cząsteczki w rozpuszczalniku polarnym (a) oraz otoczki hydratacyjne jonów (b, c).<br />
Jony są otaczane przez dipole wody, które tworzą tzw. powłokę hydratacyjną wokół jonu,<br />
utrudniając jego ruch (większa masa i rozmiar takiego układu, w porównaniu do samego<br />
jonu). Płyny ustrojowe są przykładem przewodników jonowych.<br />
Prąd elektryczny.<br />
Natężeniem prądu elektrycznego I [A], jest miarą ładunku przepływającego<br />
w jednostce czasu przez przekrój poprzeczny przewodnika.<br />
I =Q/t (14)<br />
Rozróżniamy dwa rodzaje prądu elektrycznego: prąd stały (Direct Current) i prąd zmienny<br />
(Alternating Current), Rys. 13. Prąd stały charakteryzuje się stałym zwrotem oraz kierunkiem<br />
przepływu ładunków elektrycznych, co odróżnia go od prądu zmiennego. Szczególnym<br />
rodzajem prądu zmiennego jest prąd przemienny, sinusoidalny. Napięcie i natężenie prądu<br />
zależą sinusoidalnie od czasu, zmieniając kierunek 100 razy na sekundę (f = 50 Hz)<br />
w Europie. Na Rys. 14, 15, 16, 17 przedstawiono obwody elektryczne dla prądu DC i AC<br />
wraz z charakterystyką oporów elektrycznych tych obwodów.<br />
19
Rys. 13. Rodzaje prądów elektrycznych.<br />
Prąd stały (DC)<br />
Rysunek 14 przedstawia schematyczny obwód prądu stałego, gdzie źródłem zasilania jest<br />
bateria.<br />
Rys. 14. Obwód elektryczny prądu DC. R- opornik, V - spadek napięcia na oporniku.<br />
Z prawa Ohma wynika, iż:<br />
R = U/I (15)<br />
gdzie: U - napięcie [V]; I - natężenie [A]; R - opór [Ω].<br />
dla przewodników:<br />
R = l/S (16)<br />
gdzie: - opór właściwy [m]; l - długość przewodnika [m]; S - powierzchnia przekroju<br />
poprzecznego przewodnika [m 2 ].<br />
20
Prąd zmienny (AC)<br />
R = const (rezystancja)<br />
Rys. 15. Obwód elektryczny prądu AC. Źródło zasilania zmienne w czasie (~); opornik R.<br />
RC = 1/C (opór pojemnościowy, reaktancja<br />
pojemnościowa) (17)<br />
gdy: = 0 (DC) RC = ;<br />
= (bardzo duża częstotliwość) RC =<br />
0<br />
Rys. 16. Obwód elektryczny prądu AC. Źródło zasilania zmienne w czasie (~); kondensator C.<br />
Z = (R 2 + Rc 2 ) 1/2 (zawada, impedancja) (18)<br />
Rys. 17. Obwód elektryczny prądu AC. Źródło zasilania zmienne w czasie (~); połączenie szeregowe<br />
elekmentów R i C.<br />
Podane typy obwodów elektrycznych stosuje się do modelowania własności elektrycznych<br />
układów biologicznych (komórek, tkanek i narządów).<br />
Model elektryczny tkanki.<br />
Komórki i tkanki charakteryzują się rzeczywistym oporem elektrycznym (rezystancja)<br />
i oporem pojemnościowym (reaktancja pojemnościowa, opór bierny). Wypadkowy opór<br />
21
nazywany jest impedancją (zawadą). W opisie modelowym przewodzenia prądu zmiennego<br />
przez materiały biologiczne używa się kombinacji wyżej scharakteryzowanych obwodów AC,<br />
jak również kombinacji połączeń poszczególnych elementów obwodu (szeregowo lub<br />
równolegle). Przykład elektrycznego układu zastępczego tkanki wraz z wyrażeniem na<br />
impedancję gałęzi B oraz impedancję całkowitą układu, przedstawiono na Rys. 18.<br />
Z B<br />
<br />
S<br />
2<br />
<br />
1<br />
2f<br />
C 2<br />
(19)<br />
1<br />
Z<br />
<br />
1<br />
R<br />
<br />
1<br />
Z B<br />
(20)<br />
Rys. 18. Model elektryczny tkanki. R - opory płynu pozakomórkowego; S - opory cytoplazmy; C - opór<br />
pojemnościowy błony komórkowej; A, B – drogi przewodzenia prądu elektrycznego.<br />
Tkanka równolegle wykazuje własności opornika omowego (przepływ prądu DC)<br />
i pojemnościowego (opór zależy od częstotliwości f prądu AC). Ze szczegółowej analizy<br />
wynika, iż dla niskich i bardzo wysokich częstotliwości prądu dominująca staje się składowa<br />
rzeczywista. Dla przykładu na Rys. 19 przedstawiono pomiar oporności jamy brzusznej<br />
w zależności od częstotliwości prądu oraz podano wartości oporu właściwego w zależności<br />
od częstotliwości prądu dla kilku różnych tkanek ludzkich.<br />
Rys. 19. Zmierzona oporność jamy brzusznej (a) oraz oporność różnych tkanek w zależności od częstotliwości<br />
prądu (b).<br />
22
Działanie prądu elektrycznego na organizm człowieka – porażenia<br />
prądem.<br />
Porażenie prądem elektrycznym następuje w wyniku przepływu prądu elektrycznego<br />
(powyżej 1 mA) przez tkanki organizmu. W wyniku porażenia elektrycznego można doznać<br />
poparzenia lub nawet spalenia części tkanek, skurczu mięśni, utraty przytomności,<br />
zatrzymania akcji serca. W niektórych przypadkach porażenie prądem elektrycznym jest<br />
śmiertelne. Tabela IV przedstawia bioefekty wywoływane przez prąd elektryczny<br />
o określonych wartościach natężenia i częstotliwości. Następstwa porażenia prądem zależą od<br />
kilku czynników: drogi przepływu prądu, czasu działania prądu, oporności - tzn. przez jaki<br />
materiał płynie prąd, czy jest to prąd stały czy zmienny, częstotliwości prądu, natężenia<br />
i napięcia prądu, temperatury i wilgotności skóry. W ogólności uznaje się, iż przepływ prądu<br />
elektrycznego o natężeniu > 20 mA, jeśli trwa dłużej niż kilkanaście sekund jest<br />
niebezpieczny dla zdrowia, a > 70 mA - dla życia. W tym, prąd przemienny<br />
o częstotliwości (15 100) Hz powoduje najgroźniejsze dla życia reakcje organizmu.<br />
Zagrożeniem przy przepływie prądu stałego przez ciało ludzkie są wywoływane efekty<br />
cieplne. Wydzielanie ciepła zachodzi głównie na skórze (skóra wilgotna; R= ~ k). Gdy<br />
skóra utraci wilgotność jej opór elektryczny wzrasta, osiągając wartość ~ M i dochodzi do<br />
jej zwęglenia. Prąd zmienny może wywołać stymulację nerwów i mięśni (częstotliwość ~ Hz)<br />
jak również podgrzewać tkanki do wysokich temperatur (częstotliwość radiowa).<br />
W celu ochrony przed porażeniem elektrycznym stosuje się różne zabezpieczenia np.<br />
uziemienie, wyłączniki różnicowoprądowe, izolację elektryczną (Rys. 20).<br />
Tabela IV. Średnie wartości prądu powodujące określone skutki jego działania.<br />
Natężenie prądu Prąd przemienny (f = 50 - 60 Hz) Natężenie<br />
Prąd stały<br />
[mA]<br />
prądu [mA]<br />
1 – 1.5 odczucie przepływu prądu<br />
3 - 6 skurcze mięśni i odczucie bólu<br />
5 – 8<br />
10 - 15 silne skurcze mięśni i odczucia<br />
bólowe (place, ramiona, plecy)<br />
odczucie przepływu<br />
prądu, uczucie ciepła<br />
15 - 25 bardzo silny skurcz i ból, utrudniony<br />
oddech<br />
>30 utrata przytomności i migotanie<br />
komór sercowych<br />
20 - 25 znaczne odczucie ciepła,<br />
niebezpieczny dla zdrowia<br />
Parametry prądu elektrycznego, przy których nie występuje migotanie komór serca<br />
Natężenie prądu 50 80 150 220 280 400<br />
[mA]<br />
Czas przepływu<br />
prądu [s]<br />
5 2 1 0.8 0.4 0.2<br />
23
Rys. 20. Zabezpieczenia sieci elektrycznej.<br />
Wybrane zastosowania prądu elektrycznego w medycynie.<br />
Właściwości elektryczne tkanek wykorzystano w elektrodiagnostyce, elektroterapii,<br />
w chirurgii zabiegowej (termoablacja, nanoknife) oraz w pomiarach bioimpedancyjnych<br />
(wyznaczanie zawartości tkanki tłuszczowej w organizmie). Do rutynowo stosowanych metod<br />
elektrodiagnostycznych należą: elektrokardiografia (EKG), elektromiografia (EMG);<br />
elektroneurografia (ENG), potencjały wywołane (PW), elektroencefalografia (EEG). Dwie<br />
pierwsze techniki zostaną omówione poniżej bardziej szczegółowo.<br />
Metod elektroterapeutycznych jest wiele, w ogólności można je skategoryzować<br />
w oparciu o rodzaj stosowanego prądu elektrycznego (stały, zmienny) i parametry sygnału<br />
elektrycznego (częstotliwość, natężenie prądu, czas trwania impulsu). W zależności od<br />
metody, wywoływane skutki w organizmie są różne. Przykładowo użycie prądów niskiej<br />
częstotliwości (TENS) stymuluje układu nerwowo-mięśniowy, pomagając eliminować<br />
dolegliwości bólowe. Z kolei zastosowanie stałego prądu w jonoforezie wspomaga np.<br />
wprowadzanie farmaceutyków w głębsze warstwy skóry, co wykorzystano w kosmetologii.<br />
Do najbardziej istotnych urządzeń stosowanych w medycynie, których zasada<br />
działania opiera się na podstawowych własnościach elektrycznych tkanek należy defibrylator,<br />
jak również elektrokoagulator i nanoknife stosowane podczas zabiegów operacyjnych.<br />
24
Defibrylator.<br />
Podstawą działania defibrylatora jest zdolność kondensatora do magazynowania energii<br />
potencjalnej. Urządzenia te są używane w celu zatrzymania migotania komór<br />
(Rys. 21) u ofiar ataku serca, ratując życie pacjentów. Uproszczony schemat elektryczny<br />
defibrylatora przedstawia wraz z miejscem przyłożenia elektrod Rys. 22. W wersji przenośnej<br />
bateria (źródło zasilania) ładuje kondensator do dużej różnicy potencjałów (~ 5000 V),<br />
magazynując dużą ilość energii w czasie poniżej 1 min. Przewodzące elektrody umieszczone<br />
na klatce piersiowej chorego (o oporze elektrycznym R ~ 50 ) zamykają obwód elektryczny<br />
i zmagazynowana na kondensatorze porcja energii zostaje przekazana ciału pacjenta.<br />
Przykładowo, zakładając pojemność kondensatora 70 µF i wartość napięcia elektrycznego, do<br />
której naładowano kondensator defibrylatora równą 5000 V, energia zmagazynowana<br />
w kondensatorze wynosi 875 J. Około 25% tej energii jest przekazywane ciału pacjenta<br />
podczas 2 ms impulsu. W związku ze stratami energii w obwodzie elektrycznym defibrylatora<br />
(Ri), około 10% całkowitej energii zgromadzonej na kondensatorze jest nieużyteczna (ulega<br />
rozproszeniu). Należy zaznaczyć, iż w większości przypadków użycie maksymalnej wartości<br />
energii (~ 360 J) nie jest konieczne (w szczególności w przypadku dzieci i pacjentów<br />
o drobnej budowie ciała). W przypadku, zastosowania defibrylatorów w zabiegach<br />
operacyjnych, gdzie elektrody przykładane są bezpośrednio w okolice serca energia impulsu<br />
wynosi ok. 50 J. Po wykonaniu defibrylacji należy przeprowadzić natychmiastową<br />
resuscytację krążeniowo-oddechową.<br />
Rys. 21. Rytm serca poddający się zabiegowi defibrylacji.<br />
25
Rys. 22. Schemat budowy defibrylatora wraz z miejscem przyłożenia elektrod na ciele pacjenta.<br />
Elektrokoagulacja.<br />
Jest metodą elektrochirurgii, wykorzystującą działanie prądu elektrycznego zmiennego<br />
o dużej częstotliwości (zakres radiowy). Polega na koagulacji białka za pomocą łuku<br />
elektrycznego i wytwarzanej przez niego wysokiej temperatury (nawet do 200°C).<br />
Elektrokoagulacja jest wykorzystywana w medycynie i kosmetologii w przypadku leczenia<br />
różnych zmian skórnych, usuwaniu zbędnego owłosienia, a także do zamykania naczynek<br />
krwionośnych. Jest to zabieg bezinwazyjny i szybki, który pozwala na uniknięcie sączących<br />
się ran i zakładania szwów. Przeciwskazaniem do stosowania elektrokoagulacji są niektóre<br />
choroby tj. cukrzyca, zaburzenia układu krążenia, nowotwory, jak również stan ciąży,<br />
rozrusznik serca i metalowe implanty w ciele pacjenta. Elektroda jest umieszczana w okolicę<br />
patologicznej zmiany pod znieczuleniem miejscowym, a sam zabieg trwa od kilkunastu minut<br />
do ok. 1 h, w zależności od wielkości zmiany (Rys. 23).<br />
26
Rys. 23. Zabieg elektrokoagulacji zmiany skórnej.<br />
Nanoknife.<br />
Pierwszy system resekcji komórek nowotworowych, wykorzystujący nieodwracalną<br />
elektroporację błony komórkowej (IRE, Irreversible Electroporation). Urządzenie (Rys. 24)<br />
wytwarza serię impulsów elektrycznych o czasie trwania ~µs, w celu dezintegracji struktury<br />
błony komórkowej (utworzenie „porów” ~ (1 10) nm) nieprawidłowych komórek ciała<br />
(Rys. 25). Impulsy elektryczne są podawane za pośrednictwem igłowych elektrod,<br />
umieszczanych wokół strefy ablacji pod kontrolą obrazu CT lub USG. W związku z tym, iż<br />
metoda nie wykorzystuje skrajnych dla organizmu temperatur (krytycznie niskich lub<br />
wysokich) nadaje się do leczenia trudno dostępnych miejsc, zlokalizowanych w okolicy<br />
naczyń krwionośnych i nerwów. Metodę zastosowano w ablacji wątroby, nerek, płuc, trzustki,<br />
a nawet prostaty. Ponadto wspomaga chemioterapię oraz terapię fotodynamiczną.<br />
Rys. 24. System do elektroporacji. Generator impulsów elektrycznych wraz z systemem kontroli parametrów<br />
zabiegu (komputer) i elektrodami.<br />
27
Rys. 25. Zmiany strukturalne błony komórkowej w metodzie IRE.<br />
Elektroencefalografia (EEG).<br />
Metoda badania czynności elektrycznej mózgu, polegającej na odpowiednim<br />
rozmieszczeniu na powierzchni skóry czaszki elektrod, rejestrujących zmiany potencjału<br />
elektrycznego pochodzące od aktywności neuronów kory mózgowej. Encefalografia<br />
ewoluowała w dwie inne techniki: elektrokortygrafię (zapis czynności mózgu bezpośrednio<br />
z kory mózgowej) oraz stereoelektroencefalografię (zapis przestrzennej czynności mózgu<br />
z wykorzystaniem multielektrod głębinowych, implantowanych śródmózgowo). W typowym<br />
badaniu stosuje się system podłączenia elektrod 10-20 tj. umieszcza się osiem elektrod typu<br />
Aa/AgCl nad każdą półkulą, trzy elektrody w linii pośrodkowej i dwie elektrody referencyjne<br />
do płatka ucha. Każda z elektrod jest odpowiednio oznaczona (Rys. 26).<br />
28
- cyfry nieparzyste - lewa półkula;<br />
- cyfry parzyste - prawa półkula<br />
- symbole elektrod pochodzą od pierwszych<br />
liter nazw łacińskich poszczególnych okolic<br />
mózgu<br />
- Z - oznacza linię środkową, międzypółkulową<br />
F p- przedczołowa (bieguny czołowe)<br />
F - czołowe<br />
C - centralne (środkowe)<br />
T - skroniowe<br />
T 3 - środkowa<br />
T 5 - tylno-skroniowa<br />
P - ciemieniowe<br />
O - potyliczne<br />
F z - czołowa pośrodkowa<br />
C z - centralna pośrodkowa<br />
P z - ciemieniowa pośrodkowa<br />
P g - elektrody nosowo - gardłowe<br />
A - uszne<br />
C b - móżdżkowe<br />
Rys. 26. System 10-20 rozmieszczenia elektrod.<br />
W EEC stosuje się dwa systemy odprowadzeń: jednobiegunowe (rejestracja zamian napięcia<br />
pomiędzy jedną elektrodą aktywną a punktem odniesienia) lub dwubiegunowe (obie elektrody<br />
są aktywne, a analizowany zapis stanowi różnicę sygnału rejestrowanego przez te elektrody).<br />
Niewielka amplituda mierzonego sygnału (do 100 µV), wymaga zastosowania odpowiednich<br />
wzmacniaczy sygnału. Aparatura do EEC zawiera również układ do pomiaru impedancji<br />
elektrod. Prawidłowa wartość impedancji pomiędzy elektrodą a powierzchnią skóry nie<br />
powinna przekraczać 5 k, aby uzyskać zapis bioaktywności elektrycznej mózgu pozbawiony<br />
zakłóceń sygnału. Podstawowe rejestrowane rytmy zostały sklasyfikowane w Tabeli V.<br />
Obecność rytmów w innych stanach niż wymienione poniżej, jak również pojawianie się iglic<br />
i innych nieprawidłowości w zapisie, może świadczyć o patologicznych zmianach<br />
w funkcjonowaniu mózgu spowodowanych procesem chorobotwórczym.<br />
Tabela V. Podstawowe rytmy czynności bioelektrycznej mózgu.<br />
Rodzaj Częstotliwość Amplituda<br />
Występowanie<br />
rytmu [Hz]<br />
[µV]<br />
alfa 8 13 20 100 stan spoczynkowy (zamknięte oczy) podczas<br />
czuwania; wykształca się w wieku 20 22<br />
beta >13 do 20 świadomy relaks, koncentracja uwagi<br />
theta 4 7 do 30 u dzieci, drzemka, hiperwentylacja, hipnoza<br />
delta
Badania EEG są wykonywane w celu diagnozowania w przypadku np.: padaczki,<br />
zaburzeń snu, zatruciem neurotoksynami, śpiączce, czy stwierdzeniu śmierci mózgu.<br />
Uproszczone aparaty elektroencefalograficzne wykorzystywane są w technikach treningu<br />
umysłu tzw. biofeedback.<br />
Elektromiografia (EMG).<br />
Metoda badania czynności elektrycznej mięśni szkieletowych. Rozróżnia się dwie<br />
techniki EMG: elektromiografię globalną (rejestracja biopotencjałów wielu włókien<br />
mięśniowych elektrodami przykładanymi zewnętrznie) i elektromiografie elementarną<br />
(analiza sygnału z pojedynczych jednostek motorycznych za pomocą wkłuwanych elektrod<br />
igłowych). Pierwsza technika sprawdza się w ogólnej ocenie np. napięcia mięśniowego,<br />
współpracy przeciwstawnych grup mięśni, kontroli pracy mięśni podczas rehabilitacji.<br />
Natomiast w diagnostyce chorób nerwowo-mięśniowych wykorzystuje się precyzyjną EMG<br />
elementarną, pozwalającą na ocenę ilościową poszczególnych parametrów jednostki<br />
motorycznej. Należy podkreślić ścisły związek EMG z diagnostyką nerwów obwodowych<br />
(neuromiografia). Analizy miograficznej dokonuje się w spoczynku (cisza bioelektryczna)<br />
oraz podczas słabego i maksymalnego wysiłku (Rys. 27).<br />
Rys. 27. Przykład zapisu aktywności elektrycznej jednostki motorycznej. a) w spoczynku, b) słaby wysiłek, c)<br />
maksymalny wysiłek.<br />
30
Do podstawowych parametrów diagnostycznych należą czas trwania wyładowania<br />
jednej bądź kilku jednostek motorycznych (f = 10 20 Hz), kształt impulsu (liczba faz, czyli<br />
przejść przez poziom linii izoelektrycznej) oraz jego amplituda. W zdrowym mięśniu podczas<br />
słabego wysiłku, czas trwania wyładowań wynosi 2 15 ms i są one zwykle dwu- lub<br />
trzyfazowe o amplitudzie mieszczącej się w zakresie (0.2 3) mV. Podczas maksymalnego<br />
obciążenia mięśnia wzrasta częstotliwość wyładowań (50 80) Hz i amplituda sygnału.<br />
W skład aparatury do EMG wchodzi czasami stymulator pobudzający motoneurony za<br />
pomocą impulsu elektrycznego lub magnetycznego. Impulsy pobudzające mają kształt<br />
prostokątny o czasie trwania impulsu 50 1000 µs i częstotliwości powtórzeń 0.1 500 Hz<br />
Stymulację wykorzystuję się do oceny szybkości przewodzenia nerwów obwodowych<br />
i czuciowych.<br />
Magnetoterapia i hipertermia magnetyczna.<br />
W magnetoterapii wykorzystuje się niewielkie (0.1 10) mT wolnozmienne (f do 100<br />
Hz) pola magnetyczne. Konkretne parametry pola magnetycznego, kształt sygnału i czas<br />
zabiegu dobiera się odpowiednio do typu schorzenia. Przykładowo w przypadku zapalenia<br />
stawów biodrowych i skokowych (Rys. 28) parametry stymulacji zostały dobrane<br />
następująco: B =2.5 mT, f = 5 Hz, t = 10 min. W Tabeli VI zebrano wskazania do wykonania<br />
tego typu zabiegu i podano przykłady korzystnego wpływu PM na organizm.<br />
Rys. 28. Zestaw do magnetoterapii.<br />
31
Tabela VI. Wpływ zabiegu magnetoterapii na organizm ludzki.<br />
Wskazania do wykonania Działanie korzystne<br />
Przeciwskazania<br />
zabiegu<br />
stany zwyrodnieniowe kości redukcja stanów zapalnych choroba nowotworowa<br />
i stawów<br />
osteoporoza wzmaga tworzenie kostniny gruźlica<br />
stany pourazowe: złamania,<br />
skręcenia, stłuczenia,<br />
zwichnięcia<br />
pobudzenie regeneracji<br />
tkanek i metabolizmu<br />
cukrzyca<br />
zaburzenia krążenia poprawa obrazu krwi –<br />
obniżenie agregacji krwinek,<br />
lepsze ukrwienie tkanek<br />
zespoły bólowe ostre i<br />
przewlekłe<br />
oparzenia, owrzodzenia<br />
keloidy<br />
działanie przeciwbólowe<br />
pobudzanie procesów<br />
oddychania komórkowego<br />
pobudzenie reaktywności<br />
immunologicznej<br />
ostre i przewlekłe choroby<br />
zakaźne<br />
ciężkie infekcje wirusowe,<br />
bakteryjne i grzybiczne<br />
choroba wieńcowa,<br />
niewydolność nerek<br />
implanty elektroniczne,<br />
metalowe<br />
Hipertermia magnetyczna (Rys. 29) wykorzystuje większą wrażliwość komórek<br />
nowotworowych na podwyższenie temperatury (43 47) o C, w porównaniu do zdrowych<br />
komórek. Metoda polega na wprowadzeniu do nowotworu poprzez układ krwionośny cząstek<br />
magnetycznych, a następnie przyłożenie zmiennego pola magnetycznego o odpowiednich<br />
parametrach (f ~ kHz), tak aby w efekcie końcowym uzyskać wzrost temperatury<br />
w obszarze guza.<br />
Rys. 29. Schemat ideowy hipertermii magnetycznej.<br />
32
Mikrofale – zastosowanie medyczne (TRIMprobe, Tissue Resonance<br />
Interaction Methods).<br />
Mikrofale obejmują zakres promieniowania <strong>elektromagnetyczne</strong>go mieszczący się na<br />
skali częstotliwości w granicy od ok. 1 GHz do ok. 300 GHz. Mogą być pochłaniane przez<br />
tkanki poprzez dwa różne mechanizmy (straty dielektryczne i straty przewodnościowe).<br />
Zjawisko strat dielektrycznych odnosi się głównie do polaryzacji orientacyjnej (dipolowej)<br />
cząsteczek materiału o charakterze dipolowym (np. molekuły wody), które w wyniku<br />
działania składowej elektrycznej fali <strong>elektromagnetyczne</strong>j, starają się uporządkować zgodnie<br />
z kierunkiem i zwrotem pola elektrycznego. W wyniku obrotu dipoli w ośrodku lepkim,<br />
dochodzi do dyssypacji energii (wydzielanie ciepła) i w efekcie podgrzania tkanki. Straty<br />
przewodnościowe związane są z obecnością jonów w materiale, które w zależności od znaku<br />
ładunku elektrycznego odpowiednio przemieszczają się w polu elektrycznym, oddziałując<br />
z innymi cząsteczkami materii. W efekcie dochodzi do rozprzestrzeniania się energii cieplnej<br />
w materiale i wzroście jego temperatury. Zakres mikrofalowy promieniowania<br />
<strong>elektromagnetyczne</strong>go znalazł zastosowanie w technice (np. radary mikrofalowe, łączność<br />
satelitarna, radioastronomia, kuchenki mikrofalowe, nawigacja, telefonia komórkowa)<br />
jak i w medycynie (np. metoda TRIMprobe).<br />
Metoda TRIMprobe została wykorzystana w celu nieinwazyjnego diagnozowania raka<br />
prostaty i pęcherza moczowego (Rys. 30). Opiera się ona na założeniu, różnicy własności<br />
elektromagnetycznych (stałej dielektrycznej, przewodności elektrycznej) tkanki zdrowej<br />
i chorej. Urządzenie generuje zmienne pole <strong>elektromagnetyczne</strong> (f = 465, 930 lub 1395<br />
MHz), które oddziałując z naładowanymi molekułami obecnymi w tkance (cząsteczki, jony,<br />
elektrony, jądra) wywołuje odpowiedź (wzrost amplitudy sygnału dla jednej lub kilku<br />
częstotliwości), zależnie od typu tkanki.<br />
Rys. 30. Metoda TRIMprobe.<br />
33
Promieniowanie podczerwone – prawo Wiena i prawo Stefana-<br />
Boltzmanna.<br />
Wszystkie ciała ogrzane do temperatury T > 0 K (w temperaturze 0 K ustają wszelkie<br />
drgania cząsteczek) emitują <strong>promieniowanie</strong> cieplne (termiczne), Rys. 31. Całkowita energia<br />
emitowana w jednostce czasu w postaci promieniowania przez jednostkę powierzchni ciała<br />
doskonale czarnego (całkowita zdolność emisyjna, T) jest proporcjonalna do T 4 . Pojęcie ciała<br />
doskonale czarnego odnosi się do wyidealizowanego ciała fizycznego, które całkowicie<br />
pochłania padające na nie <strong>promieniowanie</strong> <strong>elektromagnetyczne</strong>. Zależność pomiędzy T i T<br />
wyraża prawo Stefana - Boltzmanna:<br />
T = *T 4 (21)<br />
gdzie: - stała Stefana - Boltzmanna[W/(m 2 *K 4 )]<br />
Stwierdzono także, iż w miarę wzrostu temperatury bezwzględnej, coraz większa ilość<br />
wypromieniowanej energii odpowiada falom krótkim, co dla ciała doskonale czarnego opisuje<br />
prawo Wiena:<br />
max*T = const (22)<br />
gdzie : max - długość fali o maksymalnej mocy promieniowania.<br />
Rys. 31. Zależność zdolności emisyjnej od dla różnych T.<br />
34
Wnioski:<br />
1) T rośnie → max maleje<br />
2) Słońce: T = 5000 K, max = 600 nm<br />
3) Żarówka: T = 3000 K, max = 1000 nm<br />
4) Człowiek: T = 310 K, max 9000 nm<br />
Straty ciepła w wyniku promieniowania stanowią ok. 50% wszystkich strat (spoczynek). Inne<br />
drogi utraty ciepła to przewodnictwo cieplne, oddychanie, pocenie.<br />
Efekt został wykorzystany w metodzie diagnostycznej zwanej termografią. Jest ona często<br />
stosowana w ocenie stanów zapalnych różnych okolic ciała (Rys. 32) oraz w wykrywaniu<br />
guzów piersi na wczesnym etapie rozwoju (Rys. 33).<br />
Rys. 32. Stan zapalny prawego kolana.<br />
Rys. 33. Diagnostyka nowotworów piersi.<br />
35
Budowa lasera i właściwości promieniowania laserowego.<br />
Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) jest urządzeniem<br />
wykorzystującym zjawisko emisji wymuszonej promieniowania <strong>elektromagnetyczne</strong>go<br />
(Rys. 34). Dzięki procesowi emisji wymuszonej światło laserowe posiada unikalne własności,<br />
odróżniające je od klasycznych źródeł promieniowania tj. monochromatyczność, spójność,<br />
kolimacja i natężenie. Powstałe fotony mają tą samą energię (długość fali), te same kierunki<br />
propagacji i drgań wektora natężenia pola elektrycznego (kolimacja i polaryzacja) oraz<br />
dokładnie skorelowane fazy drgań (spójność). Zwiększenie liczby fotonów pozwala osiągać<br />
duże natężenie światła laserowego a z kolei krótkie czasy impulsów (nawet ~ fs) pozwalają<br />
uzyskać ogromną moc laserów w impulsie.<br />
Rys. 34. Zjawisko emisji wymuszonej. E1 - stan energetyczny podstawowy, E2 - stan energetyczny wzbudzony<br />
długożyciowy (10 -3 s), E3 -stan energetyczny wzbudzony krótkożyciowy (10 -8 s).<br />
Laser składa się z kilku podstawowych elementów tj. źródła światła przygotowującego<br />
akcję laserową (pompa optyczna); właściwego ośrodka, w którym zachodzi emisja<br />
wymuszona po uprzednim doprowadzeniu go do stanu wzbudzenia w wyniku pompowania<br />
optycznego (inwersja obsadzeń); zwierciadeł (odpowiednia geometria-komora rezonansowa );<br />
systemu chłodzenia i zasilania. Najprostszy przykład stanowi budowy lasera stanowi laser<br />
rubinowy (Rys. 35).<br />
36
Rys. 35. Schemat lasera rubinowego.<br />
Źródłem światła przygotowującym akcje laserową (pompą optyczną) w laserze rubinowym<br />
jest błyskowa lampa ksenonowa. Po "napompowaniu optycznym" lasera, kiedy w jego<br />
ośrodku czynnym (rubinie) nastąpi przewaga wzbudzonych atomów nad niewzbudzonymi,<br />
zostanie wyzwolona akcja laserowa (Rys. 34). Kryształ rubinu jest tak spreparowany<br />
(cylindryczny pręt o równoległych, wypolerowanych podstawach - zwierciadła odbijające<br />
fotony), aby spełniał rolę komory rezonansowej. Dzięki czemu liczna fotonów lawinowo<br />
narasta, stąd duże natężenie wiązki laserowej.<br />
W zależności od rodzaju ośrodka, w którym rozwija się akcja laserowa można wyróżnić kilka<br />
typów laserów:<br />
1. He-Ne (wzbudzanie atomów He, które oddziałując następnie z Ne wzbudzają stan<br />
metastabilny Ne).<br />
2. C0 2<br />
-N 2<br />
-He (N 2<br />
pompowany dzięki wyładowaniu elektrycznemu, akcja laserowa<br />
pomiędzy stanami cząsteczkowymi CO 2<br />
, He przeprowadza cząsteczki CO 2<br />
do stanu<br />
podstawowego).<br />
3. Jonowe (akcja laserowa dla jonów gazów szlachetnych Ar + lub Kr + ).<br />
4. Nd:YAG (kryształ granatu itrowo-glinowego (Ytrium-Aluminium-Garnet – YAG)<br />
domieszkowany neodymem, istnieją też lasery YAGowe domieszkowane erbem lub<br />
holmem: Er:YAG, Ho:YAG).<br />
5. Półprzewodnikowe (dioda półprzewodnikowa (złącze p-n) wykonana z arsenku galu<br />
(GaAs) domieszkowana tellurem (Te) lub cynkiem (Zn)).<br />
6. Ekscymerowe (akcja laserowa w dimerach gazów szlachetnych i chlorowców,<br />
cząsteczki (ArF, KrF, XeCl, XeF) istnieją tylko w stanie wzbudzonym).<br />
7. Barwnikowe (akcja laserowa w cząsteczkach barwników organicznych).<br />
37
W Tabeli VII zamieszczono krótką charakterystykę wybranych laserów wraz z dziedzinami<br />
medycyny, w których te lasery znalazły szerokie zastosowanie.<br />
Tabela VII. Różne typy laserów i ich zastosowania w medycynie.<br />
Substancja aktywna λ [nm] Zakres Przykład zastosowań<br />
w medycynie<br />
Rubinowy 694 VIS dermatologia<br />
CO 2 10600 IR chirurgia, dermatologia,<br />
okulistyka<br />
Nd: YAG<br />
1060<br />
1320<br />
IR<br />
IR<br />
chirurgia (tamowanie<br />
krwawienia),<br />
mikrochirurgia, kosmetologia,<br />
Nd: YAG + kryształ<br />
potasowo-tytanowofosforowy<br />
(KTP)<br />
532<br />
VIS<br />
okulistyka, dermatologia,<br />
urologia<br />
He-Ne 633 VIS biostymulacja,<br />
Jonowy (Ar + , Kr + ) 458 ÷ 515 VIS onkologia, okulistyka,<br />
dermatologia<br />
Półprzewodnikowy 630 ÷ 904 VIS, IR biostymulacja<br />
Ekscymerowy (XeF, XeCl,<br />
KrF) 193 ÷ 351 UV okulistyka<br />
Barwnikowy 400 ÷ 700 VIS onkologia, okulistyka<br />
W przypadku promieniowania <strong>elektromagnetyczne</strong>go z zakresu UV/VIS/IR,<br />
stosowanego w różnych typach laserów, w opisie fizycznym oddziaływania tego<br />
promieniowania z materią należy uwzględnić zarówno efekty powierzchniowe, jak i możliwe<br />
efekty wzbudzenia, jonizacji i dysocjacji dla bardzo wielu cząsteczek. W związku ze złożoną<br />
budową cząsteczkową większości substancji, efekty biofizyczne oddziaływania silnie zależą<br />
od składu absorbenta. Przykład zmian molowego współczynnika absorpcji w zależności od<br />
długości fali/ energii światła laserowego dla kilku wybranych substancji przedstawia Rys. 36.<br />
Absorpcję promieniowania w tkance można opisać w oparciu o prawo Lamberta -<br />
Beera, uwzględniające nieliniowy charakter procesu:<br />
38
I(t) = I(0)*exp(-2t) (24)<br />
gdzie: I - strumień energii (natężenie promieniowania), t – grubość absorbenta,<br />
- współczynnik absorpcji.<br />
Stąd można wyznaczyć tzw. głębokość penetracji (GP), przy założeniu grubości t absorbenta<br />
równej 1/ t = 1:<br />
I(GP)/I(0) = exp(-2) = 0.135 (25)<br />
Rys. 36. Zmiany molowego współczynnika absorpcji dla różnych typów laserów dla kilku przykładowych<br />
substancji.<br />
Poniższa Tabela VIII przedstawia orientacyjne wartości GP (mm) dla kilku powszechnie<br />
stosowanych typów laserów.<br />
Typ lasera (nm) GP (mm)<br />
CO2 10600 ~0.2<br />
Nd:YAG 1060 ~6<br />
Ar + 488 514 ~2<br />
Ekscymerowe 193 351 ~0.01<br />
Zróżnicowane wartości głębokości penetracji światłem laserowym tłumaczy Rys. 36 np.:<br />
światło laserowe o długości fali = 10600 nm (IR) powoduje wzbudzanie drgań molekuł H20,<br />
wzrost kT (oddziaływanie termiczne). Z kolei światło o długości fali = 1060 nm (IR) nie<br />
wzbudza H20 i jest słabo pochłaniane, stąd wysoka wartość GP. Promieniowanie z zakresu<br />
39
VIS (~500 nm) jest silne pochłanianie przez hemoglobinę, a z zakresu UV (~250 nm) przez<br />
adeninę - składnik kwasów nukleinowych.<br />
Zastosowanie laserów w stomatologii (LANAP).<br />
Przykładów zastosowań laserów w medycynie jest wiele, począwszy od chirurgii,<br />
okulistyki, dermatologii, onkologii, stomatologii a skończywszy na biostymulacji, czy<br />
zabiegach odnowy biologicznej. Jednym z intersujących zastosowań laserów<br />
w stomatologii wiąże się z techniką (Laser Assisted New Attachment Procedure) idealnie<br />
nadającej się do leczenia chorób przyzębia (Rys. 37). Standardowe narzędzia chirurgiczne<br />
(skalpel) zastąpiono pracującym w trypie impulsowym laserem Nd:YAG ( = 1060 nm), co<br />
pozwala na bardziej efektywne leczenie i szybką regenerację tkanek.<br />
Rys. 37. Technika LANAP. A) pomiar głębokości kieszonki przydziąsłowej, B), D) zastosowanie lasera<br />
Nd:YAG w celu usunięcia fragmentu chorej tkanki i eliminacji bakterii, odpowiedzialnych za stan zapalny<br />
tkanki, C) mechaniczne usunięcie płytki nazębnej, E), F) etapy końcowe - gojenie się tkanek wokół zęba.<br />
Endometr stomatologiczny.<br />
Jest to urządzenie wykorzystane w leczeniu endodontycznym, gdzie powodzenie<br />
leczenia zależy od prawidłowego mechanicznego opracowania kanału korzeniowego.<br />
W tym celu ważne jest wyznaczenie długości roboczej kanału korzeniowego. Realizuje się to<br />
przy pomocy endometru stomatologicznego, który coraz częściej zastępuje inne metody np.<br />
oparte na analizie zdjęć rentgenowskich. Endometry są to niewielkie urządzenia elektroniczne<br />
wyposażone w dwie elektrody: czynną – umieszczaną w kanale korzeniowym (narzędzie<br />
40
kanałowe) oraz bierną – umieszczaną na wardze pacjenta (Rys. 38). Zasada pomiaru opiera<br />
się na przepuszczeniu prądu elektrycznego o niewielkim natężeniu i zarejestrowaniu wartości<br />
oporu (endometr oporowy), pozostającej w korelacji z rodzajem tkanki zębowej. Okazuje się,<br />
że przewodnictwo tkanek wokół wierzchołka korzenia (Rys. 39) jest większe, niż wewnątrz<br />
kanału korzeniowego. Stąd podstawą do wyznaczenia otworu wierzchołkowego jest spadek<br />
oporu przy kontakcie elektrody czynnej z ozębną.<br />
Rys. 38. Przykład endometru stomatologicznego.<br />
Rys. 39. Budowa anatomiczna zęba.<br />
Technikę pomiaru rozszerzono o wykorzystanie prądu zmiennego (endometry impedancyjne),<br />
co umożliwiło wykonywanie pomiarów w środowisku wilgotnym i eliminację artefaktów<br />
pomiarowych urządzeń oporowych. Współcześnie stosuje się już tylko endometry<br />
częstotliwościowe, których zasada działania jest oparta na pomiarach prądów o dwóch<br />
41
óżniących się znacznie częstotliwościach. Prąd wysokiej częstotliwości jest dobrze<br />
przewodzony przez organizm, w odróżnieniu od prądu niskiej częstotliwości. Stąd w kanale<br />
korzeniowym opór maleje w większym stopniu dla prądu o dużej częstotliwości,<br />
a maksymalna różnica pomiędzy prądami odnotowywana jest w otworze szczytowym.<br />
42