Fyzikální terapie Obsah přednášky Hlavní metody fyzikální terapie: Ø Terapie mechanickým působením Ø Neelektrická léčba teplem – (ohřívání a ochlazování, vodoléčba) Ø Elektroterapie Ø Léčba ultrazvukem Ø Magnetoterapie Ø Fototerapie Dodatek: bezpečnostní aspekty elektrického proudu Terapie mechanickým působením Masáže – ruční a strojové Změny v krevním oběhu, svalová relaxace Rehabilitační tělocvik Zvyšování tělesné síly a pohyblivosti, psychické účinky, zlepšení držení těla Léčba teplem (termoterapie) Působení tepla je (z hlediska biofyziky) zásahem do termoregulačních mechanismů. Teplo může být do organismu dodáváno (pozitivní termoterapie), nebo z něj odebíráno (negativní termoterapie). Odpověď organismu závisí na: - Způsobu aplikace – vedením, prouděním nebo zářením (viz elektroterapie a fototerapie) - Intenzitě, pronikavosti a době trvání tepelného podnětu. Neelektrická termoterapie vyvolává zejména změny teploty povrchu těla (do hloubky 2 – 3 cm), pomocí elektroterapie můžeme prohřívat hlouběji uložené tkáně. - Velikosti a geometrii aplikační oblasti v případě místní aplikace: Teplota tkáně se zvyšuje, jestliže množství tepla přijímaného převažuje na množstvím tepla přijímaného. Válcovité části těla se zahřívají rychleji při malém poloměru. Uvažujeme-li pouze vedení tepla, tepelný odpor tkáně roste lineárně s tloušťkou vrstvy tkáně. Ve válcovitě tvarovaných tkáních roste nelineárně. - Na zdravotním stavu pacienta (jeho termoregulační schopnosti). Léčba teplem (termoterapie) V termoterapii se používají tyto zdroje tepla: • Vnitřní (teplo si vytváří organismus sám) • Vnější. Podle vzniku a přenosu tepla se teploléčebné metody dělí do pěti hlavních skupin založených na: - Vedení tepla - Proudění tepla - Sálání (radiaci) - Vysokofrekvenčních elektrických proudech - Tepelných účincích ultrazvuku Vedení tepla Ø Hlavně zábaly a obklady. Podle velikosti pokryté části těla se dělí na celkové nebo částečné, podle teploty na teplé, indiferentní nebo chladné, a dále na vlhké nebo suché. Ø Obklady mohou být suché (přikrývky, láhve), peloidové (bahenní) a parafínové. Jejich teplota se pohybuje od 45 do 55 ºC (suché obklady), resp. od 60 do 77 ºC u obkladů parafínových. Proudění tepla – vodoléčba (hydroterapie) Ø Hydroterapie zahrnuje vedle tepelných účinků i působení mechanické (vztlak, hydrostatický tlak, působení vodních proudů, pohyb vody). Působí především na kardiovaskulární systém, vegetativní nervstvo a psychologii. Teplo napomáhá relaxaci svalů, omezuje bolest, urychluje resorpci otoků. Procedury se liší způsobem přenosu tepla, poměrem vedení a proudění a mírou homogenity tepelného toku: Ø studené (do 18 °C), chladné (18 – 24 °C), vlažné (24 – 33 °C), teplé (33 – 36 °C) nebo horké (37 – 42 °C). Ø Nebo: hypotermické (10 - 34 °C, 5 min.), izotermické (34 - 36°C, 20 - 30 min), hypertermické (37 - 42°C, krátké trvání). Ø Účinek celotělové koupele je dán především povrchovou teplotou těla. Po ponoření je povrch těla vystaven skutečné teplotě prostředí dokud nedojde k vytvoření tepelné rovnováhy v několik mm silné vrstvě vody a nezačne působit efektivní teplota koupele. Narušování této vrstvy zabraňuje ustálení efektivní teploty, a proto se nemá pacient v lázni pohybovat. Vířivé koupele, podovodní masáže, skotské střiky Sauna Účinek horkého vzduchu (80 - 100°C) o nízké relativní vlhkosti (10-30%), následovaný ochlazením v chladné vodě. Výborný tonizující účinek. Elektroterapie Vedení elektrického proudu ve tkáních Ø Průchod elektrického proudu lidským tělem se řídí Kirchhoffovými zákony. Tkáňový odpor se mění. Nosiči proudu jsou ionty. Ø Můžeme rozlišit dva druhy elektrické vodivosti tkání. Cytoplazma a mezibuněčné prostředí se chovají jako vodiče, jejichž odpor nezávisí na frekvenci. Membránové struktury mají vlastnosti kondenzátorů, tj. jejich impedance Z závisí na frekvenci: Měrný elektrický odpor r tkání Polarizace tkáně Ø Elektrické náboje přítomné ve tkáních nejsou vždy volné, často jsou vázány na makromolekuly, které jsou integrální součástí buněčných struktur a jejich pohyblivost je omezena. Makromolekuly se chovají jako elektrické dipóly – různě orientované – jejich dipólové momenty se vzájemně kompenzují. Ø Elektrické dipóly se orientují podle směru vnějšího elektrického pole, pokud je přítomno – nastává jejich polarizace. Tím vzniká vnitřní elektrické pole s opačnou polaritou a intenzita vnějšího elektrického pole se snižuje. Toto natáčení polárních molekul vede ke vzniku tzv. posuvného proudu. Mírou schopnosti vytvářet tento proud je permitivita e. Účinky stejnosměrného elektrického proudu (galvanoterapie, iontoforéza) Ø Nepřerušovaný stejnosměrný proud nedráždí, avšak může měnit dráždivost. Tento účinek se nazývá elektrotonus a využívá se v galvanoterapii. Ø V oblasti katody (-) dochází ke zvyšování dráždivosti motorických nervů = katelektrotonus. Ø V oblasti anody (+) dochází ke snižování dráždivosti senzitivních nervů = anelektrotonus. Ø Využití v elektroterapii. Ø Elektrokinetické jevy – pohyb iontů nebo rozpouštědla v elektrickém poli – iontoforéza – ionty jsou přiváděny do těla. Nízkofrekvenční střídavé proudy – elektrické dráždění Ø Dráždivost je obecnou vlastností živých systémů. U savců je nejlépe vyvinuta u tkáně nervové a svalové. Elektrické dráždění (stimulace) – schopnost tkáně reagovat na elektrický podnět. Stejnosměrný proud má dráždivé účinky jen při náhlých změnách. Ø Elektrické dráždění je prahový jev, nastává pouze po překročení určité prahové intenzity proudu - reobáze. Ø Pro kvantifikaci dráždivosti je důležitější časový faktor: Chronaxie je doba nutná pro vyvolání podráždění proudem, jehož intenzita je rovna dvojnásobku reobáze. Ø Každý kosterní sval má charakteristickou chronaxii. Změny chronaxie pomáhají určit studeň poškození dráždivosti a tím i stupeň poškození svalu. Nejkratší chronaxii mají kosterní svaly (< 1 ms), srdeční sval (5 ms), nejdelší mají hladké svaly (50-700 ms). Chronaxii lze odečíst z tzv. I/t křivky, závislosti intenzity proudového impulsu schopného vyvolat podráždění na jeho délce. Ø Kosterní sval s normální inervací reaguje různě na dráždění elektrickými impulsy s rychlým nástupem (obdélníkové impulsy) a s pomalým nástupem (trojúhelníkové impulsy). Pro krátké impulsy pod cca 10 ms, má I/t křivka stejný průběh. U dlouhých obdélníkových impulsů se dráždivost nemění (křivka 1) avšak u trojúhelníkových impulsů se snižuje (křivka 2). Ø Svaly s poškozenou inervací (denervované) nejsou drážditelné velmi krátkými impulsy. Jejich dráždivost dlouhými impulsy s pomalým nástupem však roste (křivka 3). Tím vzniká oblast selektivní dráždivosti (OSD), která umožňuje stimulovat denervované svaly, aniž by docházelo ke stimulaci svalů zdravých. Nízkofrekvenční střídavé proudy – frekvenční závislost dráždivých účinků Ø U velmi nízkých frekvencí (< 100 Hz), dráždivé účinky rostou lineárně s frekvencí. U vyšších frekvencí nárůst dráždivých účinků již není tak výrazný a od jisté frekvence se mění v pokles. V oblasti 500 - 3000 Hz prahová hodnota stimulačního proudu závisí na Öf. K poklesu elektrické dráždivosti dochází od 3000 Hz a při cca 100 kHz zcela mizí. Ø Vysokofrekvenční proudy nemají žádné dráždivé účinky, protože délka jedné periody kmitů je mnohem kratší než nejkratší chronaxie. Stejně tak nemají účinky elektrochemické. Elektrostimulace Kardiostimulátor Defibrilátory Tepelné účinky vysokofrekvenčních (VF) proudů Ø Mechanismus účinku (VF) proudů je založen na přeměně absorbované elektrické energie v teplo Q dle Jouleova zákona: Q = U.I.t kde U je napětí, t je doba průchodu proudu I. Tento mechanismus tvorby tepla závisí na způsobu aplikace VF proudů. Ø Dielektrický ohřev (vliv tzv. ztrát v dielektriku) nastává při aplikaci proudu v poli kondenzátoru. Ø Ve střídavém elektromagnetickém poli vznikají indukcí tzv. vířivé proudy, které též vedou k produkci tepla. Použití VF elektrických proudů Ø U střídavých VF elektrických proudů (>100kHz) zcela převládají tepelné účinky. Teplo vzniká přímo ve tkáních dielektrickým ohřevem, působením vířivých proudů nebo v důsledku absorpce elektromagnetické energie. Ø Mezinárodními dohodami byla určeny následující frekvence pro léčbu pomocí VF proudů: – Krátkovlnná diatermie (27.12 MHz, tj. vlnová délka 11,06 m), – Ultrakrátkovlnná diatermie 433.92 MHz (69 cm), – Terapie pomocí mikrovln 2 400 nebo 2 450 MHz (12.4 nebo 12,25 cm) . – Terapie pomocí VF proudů umožňuje hloubkové prohřívání. Tři způsoby aplikace VF proudů: Ø 1. Tkáň je zapojena do elektrického obvodu jako odpor pomocí kontaktních elektrod – klasická diatermie. Dnes se v praxi nepoužívá. Ø 2. Tkáň zapojená jako dielektrikum je umístěna mezi dvěma izolovanými elektrodami – ohřev v kondenzátorovém poli. Vznikající teplo je úměrné ztrátám v dielektriku. Množství tepla vznikajícího v podkožní tukové tkáni je menší než ve svalech. Ø 3. Využití vířivých proudů v magnetickém poli cívky – ohřev indukcí. Izolovaný kabel je navinutý kolem končetiny nebo se k povrchu těla přikládá cívka. Kůže se zahřívá méně, 2 cm silná vrstva svalu snižuje ohřev na polovinu. Různé způsoby VF diatermie Krátkovlnná diatermie – ohřev v kondenzátorovém poli Terapie pomocí mikrovln Zdroj: magnetron. Kmity elektromagnetického pole jsou přiváděny do zářiče – dipólu s reflektorem. 1 cm svalu snižuje intenzitu mikrovln na polovinu, poměr tvorby tepla mezi kůží a svaly je téměř vyrovnaný. Mikrovlny přivádějí elektricky nabité částice (ionty, dipóly) do kmitavého pohybu, který se transformuje v teplo třením. Mikrovlnná diatermie Možná rizika spojená s mikrovlnným a radiofrekvenčním zářením Ø Účinky jsou především tepelné. Ø Zdroje mikrovln Ø Radary Ø Mobilní telefony Ø Rozhlasové a televizní vysílače Ø Elektrická rozvodná síť Ø Trolejová vedení Ø Některé studie popisující kancerogenní účinky mikrovln nebo nízkofrekvenčních elektromagnetických polí nebyly dostatečně ověřené, je však prozíravé omezovat expozice. Ultrazvuková terapie Ø Ultrazvuková (UZ) terapie je založena na biologických účincích ultrazvukových (neelektrických) kmitů. Přesto se tato terapie někdy řadí mezi elektroterapeutické metody. Ø UZ terapeutický systém se skládá ze dvou hlavních částí: generátoru VF elektrického proudu a aplikační hlavice, vlastního zdroje ultrazvuku tvořeného piezoelektrickým měničem. Ø V UZ terapii se používají frekvence 0,8 - 1 MHz, někdy až 3 MHz, s intenzitami typicky 0,5 - 1 W.cm^-2 . Doby ozvučování bývají 5 - 15 min., v 5 - 10 opakováních. UZ lze aplikovat kontinuálně nebo v impulsech.. Ø Hlavní léčebným mechanismem je VF masáž tkáně. Další účinky vyvolává ohřev tkáně (vedoucí k hyperémii) a některé fyzikálně-chemické jevy. Ø Akustická vazba mezi hlavicí a tkání je zajišťována olejem nebo gelem (lokální aplikace), případně vodou (podvodní aplikace). Ø Hlavní indikace UZ terapie: chronická onemocnění kloubů, svalů a nervů. Jisté úspěchy byly zaznamenány i při hojení pooperačních ran a bércových vředů. Tepelné účinky ultrazvuku Ø V UZ terapii je důležitá přeměna akustické energie na teplo. Ohřev tkání závisí na jejich fyzikálních vlastnostech a jejich krevním zásobení. K nejvyššímu ohřevu dochází na rozhraních mezi tkáněmi, které se od sebe silně odlišují akustickými impedancemi. Ø Tepelné účinky UZ nelze uvažovat samostatně bez ohledu na jiné léčebné mechanismy (mikromasáž aj.) Ultrazvuková terapie Účinky magnetických polí - magnetoterapie Ø Základní pojmy: magnetická pole: statická, střídavá a pulsní. Homogenní a nehomogenní magnetická pole. Ø Magnetická indukce B závisí na magnetické permeabilitě prostředí m: [m ]= m[r].m[0][] – Ferromagnetické látky - m[r] >>1. – Diamagnetické látky - m[r] je mírně nižší než 1 – Paramagnetické látky - m[r] je mírně vyšší než 1. (m[0] je permeabilita vakua – 4p.10^-7 N.A^-2) Ø Tkáně lidského organismu jsou složeny téměř výhradně z diamagnetických a paramagnetických látek. Magnetická pole mohou ve tkáních vyvolávat elektrická napětí a proudy (účinkem Lorentzovy síly na pohybující se elektrické náboje nebo dle Faradayova zákona působením proměnlivého magnetického pole). Tato indukovaná napětí však jsou podstatně nižší než membránové potenciály. Magnetomechanické a magnetochemické účinky Ø V silném homogenním mg poli se orientují diamagnetické a paramagnetické molekuly, aby minimalizovaly své volné energie. V nehomogenních polích s vysokými gradienty dochází k translačnímu pohybu ferromagnetických látek (u živých organismů zanedbatelné). Silné mg pole (cca 10^6 A.m^-1) snižuje průtok laminárně proudící kapaliny v trubici. Ø Dále je nutno uvažovat i působení nepřímé, přes volné radikály, vznikající jako důsledek magnetochemických reakcí. Ø Lze říci, že stálé mg pole vyšších intenzit metabolické pochody tlumí, proměnné mg pole stimuluje. Tyto změny jsou přechodné. Ø Interakcí magnetických polí s lidskými tkáněmi se využívá diagnosticky i léčebně. Diagnostickou metodou je MRI a, léčebnou magnetoterapie. Magnetickou stimulaci mozku lze využít k účelům diagnostickým i terapeutickým. Magnety v medicíně Transkraniální magnetická stimulace Léčba světlem - fototerapie Ultrafialové (UV), viditelné (VIS) a infračervené (IR) světelné zdroje se běžně využívají v medicíně, zejména ve fyzikální léčbě. Světelné záření Ø ultrafialové (UV) 1- 380 nm: UV-A 380 - 315 nm UV-B 315 - 280 nm UV-C 280 - 190 nm Ø viditelné (VIS) 380 - 780 nm Ø infračervené (IR) 0,780 - 1mm: IR-A 0,78 – 1,4 µm IR-B 1,4 – 3,0 µm IR-C 3,0 µm – 1,0 mm Ø Z praktického hlediska ultrafialová oblast začíná vlnovou délkou 190 nm. Spektrální oblast 1 - 190 nm je tzv. vakuové UV záření. Je silně zeslabováno vzduchem, a proto se jeho biologické účinky vyskytují zřídka. Zdroje světla Ø Jediný významný přirozený zdroj světla je Slunce. Ø Jiné zdroje jsou umělé a každý z nich emituje pouze část optického spektra: Ø Horká tělesa. Vlnová délka záření závisí na teplotě zdroje. Vyzařované spektrum je spojité. Žárovky a různé zdroje sálavého tepla. Ø Luminiscenční zdroje (zářivky a výbojky). Jejich principem jsou deexcitační procesy u atomů a molekul. Spektrum těchto zdrojů může být čárové. Ø Oba tyto typy zdrojů emitují nekoherentní záření. Ø Jediný umělý zdroj intenzivního koherentního světla je laser. Zdroje viditelného světla Molekulární mechanismy biologických účinků světla Ø Energie jednotlivých atomů závisí na jejich elektronové konfiguraci. Dodání energie způsobuje přeskoky elektronů do vyšších energetických hladin (DE[e]) – vzniká excitovaný stav. Absorpční spektrum je nespojité. K excitaci dochází hlavně ve valenční vrstvě. Ø Změny energetických stavů DE jednotlivých molekul jsou v zásadě součtem změn energie elektronů daných změnami elektronové konfigurace DE[e], vibračních stavů DE[n] a rotačních stavů DE[r] : DE = DE[e] + DE[n] + DE[r] [ ] Ø Všechny tyto tři druhy energie jsou kvantované. Účinek záření závisí na energii fotonů. Nejnižší energii mají fotony IR-C, odpovídá změnám rotačních stavů molekul. Energie fotonů IR-B a IR-A může ovlivnit jak vibrační tak i rotační stavy molekul. Energie fotonů VIS a UV může ovlivnit rotační a vibrační stavy i elektronovou konfiguraci. Účinky viditelného světla Ø Fotosyntéza ?biochemie Ø Fotorecepce biofyzika zraku Molekulární účinky ultrafialového záření Ø Vezmeme-li v úvahu biologicky významné sloučeniny, nejcitlivější jsou ty, které obsahují konjugované dvojité vazby. Ø V bílkovinách jsou nejcitlivější zbytky aminokyselin tyrosinu a tryptofanu (abs. maximum kolem 280 nm). Ø V nukleových kyselinách jsou citlivé dusíkaté báze. Absorbance NA je vyšší než absorbance bílkovin, maximum je při 240-290 nm. Ø UV záření proniká pouze do povrchových vrstev kůže. Ø Účinek UV záření na kůži se projevuje jako zčervenání – erytém – následované melaninovou pigmentací Þ ochranný mechanismus proti dalšímu pronikání UV. Syntéza vitaminu D, který řídí metabolismus Ca a P (jeho nedostatek způsobuje křivici - rachitis), je významným pozitivním účinkem UV světla. Nelze také vyloučit kancerogenní účinky UV, protože téměř 90% případů rakoviny kůže se objevuje na jejích nekrytých oblastech. Zdroje ultrafialového záření Ø Slunce Ø Rtuťové výbojky (používané v medicíně) Ø Vodíkové a deuteriové výbojky (používané ve výzkumu) Ø Xenonové lampy (výbojky) Ø Elektrický oblouk, blesky atd. Ø Některé lasery Pronikavost UV záření Účinky ultrafialového záření na živý organismus Ø Sluneční spáleniny - erytémy Ø Účinky na oko: blefarospasmus (neovladatelné sevření víček) – vzniká při poškození rohovky UV zářením (keratitis photoelectrica). Þ Ochrana pomocí brýlí s UV filtrem. Může vzniknout též zákal čočky – katarakta (obr.↓) Ø UV-C s vlnovou délkou pod 280 nm má výrazný baktericidní účinek Þ sterilizace laboratoří, boxů a chirurgických sálů. Zdroje a účinky infračerveného světla Ø Všechny tří pásma IR světla mají tepelné účinky. • IR-A je součástí slunečního záření. Prochází sklem a je jen mírně absorbováno vodou. • IR-B je emitováno různými žárovkami a výbojkami. Prochází sklem, je však dobře absorbováno vodou. • IR-C je emitováno z topných a horkých těles, lidských těl…. Je absorbováno sklem i vodou. Ø Téměř veškeré IR záření je pohlcováno v pokožce. Způsobuje místní vasodilataci a tepelný erytém vypadající jako difuzní červené skvrny. Na rozdíl od erytému způsobeného UV zářením je jeho trvání krátké. Pigmentace je velmi slabá. Ozáření IR zářením však zvyšuje citlivost pokožky k záření ultrafialovému. Ø Dlouhé vystavení očí IR záření může u některých profesí (foukači skla, hutníci, taviči, oceláři apod.) způsobit tzv. žárovou kataraktu (zákal čočky). Přenos tepla IR zářením Tepelné účinky viditelného a infračerveného záření z umělých zdrojů: Ø Žárovkové skříně – sálavé teplo v uzavřeném prostoru. Jsou drážděny kožní receptory a nastává celkové zahřátí těla. Ø IR lampy: Solux, Sirius – výkonné žárovky s modrými nebo červenými filtry, infračervené zářiče. Záření je absorbováno hlavně tělesným povrchem. Používá se nejvíce v dermatologii, ORL a zubním lékařství. Jsou stimulovány kožní receptory, dostavuje se sugestivní pocit tepla, nastává reflexní vasodilatace a svalová relaxace. Pronikavost IR záření Snížení intenzity světla na 35 % původní hodnoty Tepelný erytém Tepelný erytém jako důsledek nadměrného používání elektrické podušky Souhrn – účinky světla na lidský organismus Netepelná rizika elektrického proudu Ø Účinky střídavých proudů (hlavně 50 Hz) jsou závažnější než účinky proudů stejnosměrných. U proudů nad 10 kHz je nebezpečí netepelného úrazu malé. Ø Nebezpečí úrazu závisí na napětí, vnitřním odporu zdroje a odporu těla. Zdroje s velkým vnitřním odporem (např. televizní obrazovky) příliš nebezpečné nejsou, protože jejich zkratové proudy jsou velmi malé. Ø Elektrická síť a zdroje s malým vnitřním odporem představují hlavní riziko. Za vysoké vlhkosti klesá odpor kůže a nebezpečí úrazu se zvětšuje. Úrazy způsobené elektrickým proudem Ø Takzvaný dvoupólový dotyk (když je obvod tvořen pouze zdrojem a lidským tělem) je velmi nebezpečný. Proud prochází lidským tělem. Ø Při jednopólovém dotyku hraje významnou roli izolace od země (obuv). Proud prochází do země lidským tělem. Ø Mozek, dýchací ústrojí (hlavně centrum dýchání a dýchací svalstvo) a srdce jsou nejcitlivějšími částmi těla. Ø Bezpečná hodnota proudu, při které může střídavý proud s frekvencí pod 1 kHz procházet tělem bez ohrožení zdraví, je přibližně 10 mA, stejnosměrný proud je bezpečný zhruba do 25 mA. Ø Kritická hodnota proudu, při které je ještě možno uvolnit sevření ruky kolem vodiče, je přibližně 20 mA. Úrazy způsobené elektrickým proudem Ø Proudy nad 25 mA mohou způsobit zástavu dechu, proudy nad 25 - 80 mA mohou způsobit reverzibilní zástavu srdce s nebezpečím úmrtí. Nad 80 mA přibývá smrtelných úrazů. Ø Proudy nad 1A mají zcela nevratné následky (smrt). Ø Aby došlo k podráždění svalu, proud musí procházet podél svalových vláken. U srdce jsou vlákna svaloviny orientována do různých směrů, takže je ovlivněna vždy jen část z nich. Výsledkem jsou nekoordinované stahy myokardu (extrasystoly), u vyšších hodnot proudu (100-200 mA) dochází ke kmitání (fibrilaci) srdečních komor. Autor: Vojtěch Mornstein