Vysokofrekvenční ohřev tkání
Biofyzika
Doc. Ing. Jana Kolářová, PhD.
Ing. Vratislav Harabiš, (PhD.)
Ústav biomedicínského inženýrství, VUT v Brně
Využití elektromagnetického pole v terapii
 elektromagnetické pole (do 1024 Hz)
při interakcích se živými objekty biologicky aktivní,
 mechanismus účinků však není v celém tomto frekvenčním
pásmu stejný.
 aplikace vysokofrekvenčních elektromagnetických polí,
 v oboru KV, VKV i mikrovlnné diatermie,
 vysokofrekvenční proud - k řezání tkání a koagulaci (srážení
krve) při krvácení malých cév - elektrotomie
2
Elektromagnetické pole
řazeno sestupně podle l:
 gama záření
 rentgenové záření o vlnových délkách 10 - 0,1 nm,
 ultrafialové záření o vlnových délkách 400 - 10 nm,
 viditelné světlo o vlnových délkách 400 - 800 nm,
 infračervené záření 300 GHz - 400 THz,
 rádiové vlny
 centimetrové vlny a kratší,(mikrovlnné záření), 3 – 300 GHz,
 ultra krátké vlny UKV (UHF), 0,3 - 3 GHz,
 velmi krátké vlny VKV (VHF), 30 - 300 MHz, krátké vlny - KV (HF) 3 - 30 MHz,
 střední vlny - SV (MW,AM) 0,3 - 3 MHz, dlouhé vlny – DV (LF) < 500 kHz,
 velmi dlouhé vlny (VLF), 3 - 30 kHz, extrémně dlouhé vlny (ELF), 3 – 3000 Hz.
3
neionizující
ionizující
4
Elektromagnetické spektrum
elektromagnetické záření o
vlnové délce λ (ve vakuu) má
frekvenci f a jemu připisovaný
foton má energii E. Vztah mezi
nimi vyjadřují následující
rovnice:
l = c/f
a
E = h.f,
kde c je rychlost světla (3×108 m/s),
h = 6.65 × 10−34 J·s = 4.1 μeV/GHz
Planckova konstanta.
diatermie
Využití elektromagnetického pole v terapii
 za hraniční je považována frekvence 1012 Hz,
 účinky ~ frekvence, energie aplikovaného vlnění,
 minimální energie potřebná k ionizaci v přírodě je 10 ÷ 25 eV (ne záření laseru),
 terapeutické aplikace elektromagnetická pole krátkých a velmi
krátkých vln s výkony vyhovujícími hygienickým normám
 „Nařízení vlády o ochraně zdraví před neionizujícím zářením č. 480/2000Sb“
nejvyšší přípustné hodnoty měrného absorbovaného výkonu (SAR) v pásmu
frekvencí od 100kHz do 10GHz
 pro zaměstnance 0,4W/kg
 pro obyvatelstvo 0,08W/kg … uvedeno pro 6 minutové intervaly
5
Využití elektromagnetického pole v terapii
elektromagnetické pole obecně třídíme
podle nejrůznějších kritérií respektujících
 způsob generování,
 rozložení v prostoru,
 časový průběh,
 polarizaci,
 vyzářený výkon, vlnovou délku.
6
Vlastnosti tkání v elektromagnetickém poli
 dráždivost tkání organismu při aplikaci elektromagnetických polí
buzených harmonickými signály je omezena frekvencí 100 kHz
 při vyšších frekvencích nereaguje již žádná tkáň na podráždění
elmg. polem ani při hustotách v A/cm²
 předávaná energie se mění v teplo (Jouleův zákon).
7
Impedance tkáně
 tkáň ~ vrstevnaté nehomogenní dielektrikum
charakterizované
 komplexní vodivostí
 komplexní permitivitou
 komplexní permeabilita
8
 jk 
)/(  jk 
0 k
Fyziologické účinky elektromagnetických polí
 fyziologické účinky elmg. polí nejsou dosud plně objasněny.
(aplikace experimentálně získaných dat pro potřeby klinické praxe),
 bylo prokázáno, že závisí na řadě objektivních, ale i subjektivních faktorů
 fyzikální parametry
- pracovní frekvence,
- velikost intenzit,
- doba aplikace,
- charakter pole (spektrum budícího signálu),
 fyzikálně chemické vlastnosti organismů
- velikost, hmotnost, charakter povrchu (oděv),
- tloušťka ozařovaných vrstev,
 okamžitý stav organismu, zdraví fyzické i psychické, …
9
Fyziologické účinky elektromagnetických polí
 vlastní interakci elmg. polí s biologickými systémy však zásadně
hodnotíme jako:
 pasivní - λ << velikost objektu,
 aktivní - λ ~ velikost objektu:
inhibiční stimulační
reverzibilní ireverzibilní
10
Citlivost organismu
 hraniční práh citlivosti lidského organismu na energii elmg. pole
byl stanoven výkonovou hustotou
tkáně: 10-12 W/m² (10-10 µW/cm²),
nervová centra: 1 mW/m²(0,1 µW/cm²),
- experimentálně ověřeno studiem specifických receptorů
- zrak a sluch,
 lidský organismus však nemá receptory pro vnímání
elektrického, magnetického, elektromagnetického ani
ionizujícího záření
11
Citlivost organismu
 účinky polí jsou vnímány tkáněmi organismu a regulačními
mechanismy,
 živé tkáně reagují nejvýrazněji
v mikrovlnné oblasti pole,
 spojitá ani impulsová pole do hustot
10 W/m² (1mW/cm²) organismy nepoškozují, dochází dokonce
k částečné adaptaci organismu bez výrazných tepelných projevů
12
Citlivost organismu
13
 velikost elmg. pole
 fyzikální jevy absorpce a indukce.
netepelné
účinky
tepelné
účinky
0,1÷1W/m2
(10÷100 µW/cm2)
2W/m2(200µW/cm2)
rizikové hustoty výkonu
nebezpečné
hustoty výkonu
100W/m2(10mW/cm2)
Projevy účinků elektromagnetického pole
I tepelné účinky
teplota ozařované tkáně závisí
 na velikosti pohlcené energie,
 na hloubce, ve které se záření absorbuje.
 fpracovní -  hloubka vniku vlnění do tkáně
výsledný tepelný efekt je závislý na
 rozměru,
 tvaru biologických struktur,
 na možnostech jejich ochlazování protékající krví či odvodu tepla z povrchu
těla, (termoregulační mechanismus organismu)
14
Projevy účinků elektromagnetického pole
průběh změn teploty
typických tkání při ozáření
elmg. polem
adaptační schopnost
organismu
=termoregulace
15
- oteplení tkání v závislosti na expozici
Projevy účinků elektromagnetického pole
z fyziologického hlediska
rozlišujeme konstituční
typy:
 tepelně sytý typ, což je
organismus, který na
teplo rychle reaguje, ale
špatně ho snáší,
 tepelně hladový typ,
který má těžší reakce, ale
větší tepelnou toleranci.
16
- závislost absorbovaného výkonu
na frekvenci
Projevy účinků elektromagnetického pole
II netepelné účinky
 elmg. pole (vyšší frekvence )
 ionizující záření  záření, jehož kvanta mají natolik vysokou
energii, že jsou schopna vyrážet elektrony z atomového obalu a
tím látku ionizovat,
 změna vlastností buněčných membrán
- permeabilita a dráždivost,
 indukční jevy se uplatňují na vodivých částech organismu:
centrální a autonomní nervový systém, kardiovaskulární systém,
sekretorický (vyměšující) aparát a endokrinní soustava
17
Vliv ionizujícího záření na organismus
 pro všechny typy záření platí, že poškození tkáně může vyvolat
jen ta část energie záření, která je tkání pohlcena,
 právě ionizující účinky záření se podílejí na poškození
organismu.
poškození tkáně závisí na :
 druhu záření,
 velikosti pohlcené dávky a jejím rozložení v organismu,
 na době ozařování,
 na individuální citlivosti ozářené osoby.
  radioterapie
18
Biologické účinky elektromagnetického pole
 dlouhodobé ozařování elmg. polem o malých výkonových
hustotách se projevuje především na stavu CNS.
 subjektivní stesky astenického typu (tělesné slabosti):
vyčerpanost, únava, pokles koncentrace pozornosti, poruchy spánku, bolesti
hlavy ap.
 objektivně se zjistí třes prstů v předpažení, zvýšená potivost, lámání nehtů,
padání vlasů.
 biologické účinky elmg. polí i podprahových hustot
absorbovaného výkonu jsou kumulativní
 poškození očí po přímém ozáření,
 poruchy krevního oběhu se projevují zvýšeným průtokem, snížením tlaku krve,
změnou tepové frekvence.
19
Krátkovlnná diatermie
 diatermie - vysokofrekvenční ohřev tkání
 podle aplikovaných frekvencí rozdělujeme diatermii
 krátkovlnnou - 13,56 – 27,12 – 40,68 MHz
 vkv – 433,92 MHz
 mikrovlnnou - 0,915 – 2,45 – 5,80 GHz
- tolerance pro frekvence ± 0,05 %,
 aplikované výkony u jednotlivých zařízení bývají
v rozmezí 20 ÷ 300 (400) W,
 terapeutická dávka: součin výkonu a doby ozařování,
 doba aplikace se pohybuje od 2 do 15 minut.
20
FCC - Federal Communication Council
Krátkovlnná diatermie
 biologická tkáň - vrstevnaté, nehomogenní dielektrikum.
 použité metody:
 kapacitní
- klouby a podkoží
 indukční
- více prokrvené
tkáně, (svaly),
 hloubka vniku do tkání
se výrazně uplatňuje
u vkv diatermie.
srovnání účinků diatermií a ultrazvuku
21
Kapacitní metoda
 dvě elektrody ~ desky kondenzátoru
 tkáň ~ dialektrikum
22
vliv asymetrie velikostí elektrod na
hustotu siločar el. pole
 ohřev pod menší elektrodou
 „elektrický skalpel“
možnost tepelného poškození
prominujících částí následkem nestejné
vzdálenosti od elektrody
Kapacitní metoda
 vliv různé vzdálenosti a velikosti elektrod
 elektrody blízko kůže – účinek povrchní
 elektrody vzdálené (kryt elektrody je přímo na kůži) – účinek v hloubce
 lokalizace účinků pod menší elektrodou, blízko kůže (diferentní
elektroda), indiferentní elektroda je větší a dál od kůže
23
Kapacitní metoda
vzdálenost indikace
1 – 2 cm povrchové vrstvy a podkoží
3 – 5 cm hlubší vrstvy při rovném povrchu
6 – 10 cm hlubší vrstvy při nerovném povrchu
24
nastavení vhodné vzdálenosti elektrod do kůže
vzájemná poloha elektrod významně ovlivňuje účinek
Kapacitní metoda
způsoby aplikace:
a. příčná lateromediální
b. příčná transabdomální s podložkou
c. komplanární na segment
d. podélná paravertebrální
25
Kapacitní metoda
průběhy siločar: příčná, podélná (t-tuk,s-sval,k-kost)
26
př. aplikace na obě kolena
a. lokální přehřátí v místě dotyku – nebezpečná koncentrace siločar
b. použití podložky
Kapacitní metoda
Aplikace:
 elektrody (kapacitní metoda) - nejbližší dovolená vzdálenost
elektrod od kůže – povrchu ohřívaného objektu je 1,5 cm
(popálení).
 konstrukční řešení
- elektrody ve skleněném či plastovém obalu,
 změna tvaru pole prostupujícího do tkáně:
 velikostí elektrod
diskové (průměr 40, 85, 130, 170 mm),
speciální (vaginální, rektální),
polštářkové v pryžové izolaci
(80x140, 120x180, 180x270mm),
 náklonem,
 vzdáleností od kůže
27
Indukční metoda
Elektrody:
 kazetové
 cívkové
cívka (několik smyček) umístěna v plastové kazetě
kruhového tvaru,
elektroda bývá používaná samostatně (monoda)
proud je indukován nejvíce pod závitem smyčky,
nikoliv jejím středem,
umístění – dále než 1cm
 žlabové (flexiploda) – maximální přípustná intenzita je
nižší než u kruhových elektrod
28
Indukční metoda
 indukční kabel
 mnohonásobně izolovaný vf kabel délky ~3m,
 jednotlivé smyčky jsou asi 15 cm od sebe, je nutno dbát
na případné zatížení krevního oběhu zaškrcením
29
Dávkování
 velikost dávek
- subjektivní podle pocitů pacienta při nastavování výkonu
zařízení,
 účinky aplikace se mohou projevit zpožděně
 existuje riziko poškození ozařovaných tkání či celého
organismu,
 pro ozáření biologických tkání elmg. polem vyšších výkonů již
také platí podmínky 1. fáze akutní nemoci z ozáření:
nevolnost, zvýšená teplota, bolest hlavy případně krvácení.
30
Konstrukční řešení
 Požadavky (kv nebo vkv diatermie):
 pracovní frekvence,
 požadované výkony při aplikacích,
 komfort pacienta i obsluhy
31
Krátkovlnná diatermie: BTL-13
 kontinuální a pulzní krátkovlnná diatermie.
 nabízí uživateli jednoduchým způsobem aplikaci bezkontaktní krátkovlnné terapie s frekvencí
27,12 MHz
 pracuje v kontinuálním a pulzním režimu, s frekvencí od 20 do 200 Hz, s délkou pulzu 500 us
 vysokofrekvenční proud se aplikuje pomocí dvou elektrod o průměru 150 mm
 VYUŽITÍ DIATERMIE: rehabilitace, neurologie, vnitřní lékařství, dermatologie, ORL,
gynekologie
 parametry
 frekvence výstupu 27,12 MHz
 režim výstupu kontinuální, pulzní
 frekvence pulzů 20 -- 200 Hz, krok 20 Hz
 časovač terapie 5 - 30 min., krok 5min
 elektrody kapacitní
 průměr elektrod 150 mm
 příkon max. 600 VA, výkon max. 300 W
 rozměry 440 x 425 x 440 mm, hmotnost 28 kg
32
Krátkovlnná diatermie: BTL-20
 hlavní vlastnosti
 výkonný generátor
 kontinuální a pulzní provoz (pro termické a specifické - netermické účinky)
 kapacitní i induktivní elektrody
 vysoký, plynule regulovatelný výstupní výkon
 snadná výměna aplikátorů
 vestavěný časovač
 volitelné aplikátory
 induktivní elektrody (circuplody) s průměrem 80 a 140 mm
 kapacitní elektrody s průměrem 42, 85, a 130 mm
 plošné - gumové elektrody 80x140 a 120x180 mm
 flexiploda s přednastavitelnými zářícími plochami
33
Vkv a mikrovlnná diatermie
 Vkv a kv diatermie:
 vkv diatermie - 433,92 MHz (69cm),
využití vzdáleného pole šířící se elmg. vlny,
 kv diatermie, využití blízké pole šířící se elmg. vlny,
 impulsní provoz, u kterého se předpokládá pronikání do hloubky tkání či orgánů,
 mikrovlnná diatermie:
 frekvence 2,45 GHz (12,25 cm) pro pro ohřev vodivých tkání – svalů,
poloviční hloubka vniku je 10 ÷ 12 mm,
 výkonový vf generátor je osazen magnetronem,
aplikátor je tvořen zářičem - anténou v reflektoru (plastový),
 rozměry zářičů mohou být:
kuželové o průměrech 10 ÷ 20 cm,
obdélníkové s výstupním oknem 10 x 30 cm,
velkoplošné (lomené odrazové zrcadlo) 5÷15cm od těla.
34