Образование тепла в тканях при разных методах физиотерапии

Первую классификационную группу уместно обозначить как кондуктивный нагрев, или нагрев проводимости. Ключевым физическим условием здесь выступает наличие замкнутой электрической цепи, частью которой становится тело пациента. Между двумя электродами, наложенными на кожу, протекает электрический ток, и выделение тепла происходит в соответствии с величиной силы тока и сопротивлением тканевого участка, находящегося на пути заряженных частиц. К этой группе относятся классическая гальванизация, диадинамотерапия, амплипульстерапия и другие разновидности низкочастотной и импульсной электротерапии. Тепловой эффект данных методик обычно выражен слабо, поскольку сила тока ограничена требованиями безопасности и комфорта пациента, а большая часть напряжения падает на роговом слое эпидермиса, обладающем максимальным сопротивлением. Тем не менее при определенных параметрах, особенно при использовании токов надтональной частоты или при глубоком расположении электродов в полостных методиках, джоулево тепло может вносить значимый вклад в суммарный лечебный эффект. Отдельного упоминания в рамках этой группы заслуживает индуктотермия. Она формально относится к высокочастотным методам, однако физическая сущность нагрева здесь та же джоулева. Разница лишь в том, что электрический ток не подводится извне через контактные электроды, а наводится переменным магнитным полем прямо в толще тканей по принципу электромагнитной индукции. Возникающие вихревые токи Фуко циркулируют в хорошо проводящих жидких средах, и тепло выделяется там, где электропроводность выше всего.

Вторую классификационную группу формируют методы диэлектрического нагрева. Они не требуют непосредственного электрического контакта с телом, а используют энергию переменного электромагнитного поля, которое создается между обкладками конденсатора или излучается антенной в пространство. Ткани при этом ведут себя не как проводники, включенные в цепь, а как совокупность диэлектриков, помещенных в быстро меняющееся электрическое поле. Нагрев происходит благодаря двум параллельно идущим процессам. С одной стороны, ионы, содержащиеся в тканевых жидкостях, колеблются с частотой поля, и эти колебания, встречая сопротивление среды, дают небольшой джоулев компонент. С другой стороны, полярные молекулы, прежде всего молекулы воды и боковых групп аминокислот, совершают вынужденные повороты, отставая по фазе от изменения поля. Энергия, затрачиваемая на преодоление межмолекулярного трения при этих вращениях, рассеивается в виде тепла, причем ее количество определяется диэлектрическими свойствами конкретной ткани и частотой колебаний. К данной группе относятся УВЧ терапия, использующая конденсаторные пластины и работающая в диапазоне ультравысоких частот, а также микроволновая терапия, подразделяющаяся на сантиметроволновую и дециметроволновую. Принципиальное различие между УВЧ и СВЧ методами внутри одной группы состоит в том, какая именно ткань становится преимущественной мишенью нагрева. На ультравысоких частотах активно колеблются не только мелкие молекулы воды, но и крупные белковые диполи, поэтому хорошо прогреваются плотные соединительнотканные образования. На сверхвысоких частотах тепловым акцептором выступает практически исключительно свободная вода, что смещает максимум нагрева в мышцы и паренхиму.

Третью классификационную группу составляет ультразвуковой нагрев, который правильнее называть акустическим или вязкоупругим. Ультразвуковая волна представляет собой механическое возмущение среды, распространяющееся в виде чередующихся зон сжатия и разрежения. При прохождении такой волны через биологическую ткань частицы вещества вовлекаются в колебательное движение, амплитуда и направление которого зависят от упругих свойств среды. Поскольку реальные биологические ткани не являются идеально упругими телами, часть механической энергии волны поглощается, переходя в тепло. Основным механизмом поглощения выступает внутреннее трение между соседними микроучастками, колеблющимися с разной фазой, а также релаксация напряжений в макромолекулярных структурах. Особенность ультразвукового нагрева заключается в его выраженной избирательности по отношению к структурам с высоким содержанием коллагена. Сухожилия, фасции, надкостница, фиброзные капсулы и рубцовая ткань поглощают акустическую энергию значительно активнее, чем мышечные волокна или жировая клетчатка. Кроме того, на границе раздела сред с различным акустическим сопротивлением, например на контакте мягких тканей и кости, возникает эффект отражения волны, приводящий к локальному увеличению плотности энергии и более интенсивному нагреву пограничного слоя.

Практическая ценность данной классификации выходит за рамки академического упорядочивания сведений. Каждый из трех описанных механизмов теплопередачи имеет собственную точку приложения, то есть адресует тепловую энергию определенным гистологическим элементам. Кондуктивный нагрев низкочастотными и импульсными токами распределяется вдоль путей наименьшего сопротивления, которыми служат кровеносные и лимфатические сосуды, межфасциальные пространства, заполненные жидким содержимым. Индуктотермия греет преимущественно мышечную ткань и кровь за счет вихревых токов, циркулирующих в хороших проводниках. Диэлектрический нагрев в поле УВЧ направлен на мембранные структуры, коллагеновые волокна и границы раздела разнородных по электрическим свойствам слоев. Микроволны избирательно разогревают структуры, богатые свободной водой. Ультразвук же концентрирует тепловую энергию в коллагенсодержащих образованиях и особенно интенсивно греет надкостницу. Таким образом, выбирая метод, врач фактически выбирает ту ткань или структуру, которую необходимо прогреть для достижения лечебного эффекта, и одновременно минимизирует тепловую нагрузку на соседние анатомические области. Такой подход превращает назначение физиотерапии из рутинной процедуры в акт клинического мышления, основанного на знании биофизики и понимании тканевых реакций.

Глава 3. Контактная электротерапия и экзогенное тепло

Раздел 3.1. Инфракрасное излучение и локальная теплотерапия

Инфракрасное излучение и методы локальной теплотерапии, такие как аппликации парафина или озокерита, объединены общим принципом доставки тепловой энергии. Во всех перечисленных случаях тепло не генерируется внутри организма под действием электрического тока или электромагнитного поля, а поступает в него извне от предварительно нагретого материального агента. Такой способ нагрева называют экзогенным, подчеркивая внешнее происхождение тепловой энергии. Несмотря на кажущуюся простоту данного подхода, физические механизмы передачи тепла от теплоносителя к биологическим тканям заслуживают детального рассмотрения, поскольку именно они определяют глубину, интенсивность и безопасность процедуры.

Перенос тепла от нагретого агента к поверхности тела осуществляется посредством трех фундаментальных физических процессов, а именно теплопроводности, конвекции и лучеиспускания. Теплопроводность представляет собой передачу кинетической энергии от более подвижных молекул нагретого вещества к менее подвижным молекулам кожи через прямой контакт. Интенсивность этого процесса определяется градиентом температур и коэффициентом теплопроводности контактирующих сред. Конвекция подключается в тех случаях, когда теплоноситель сохраняет текучесть и его частицы могут перемещаться, постоянно обновляя контактный слой у поверхности кожи. Лучеиспускание, или радиационный перенос, характерно для инфракрасных излучателей и представляет собой передачу энергии посредством электромагнитных волн, не требующую непосредственного соприкосновения источника с телом.

Локальная теплотерапия с использованием твердых или вязкопластичных сред, таких как парафин и озокерит, опирается главным образом на механизм теплопроводности. Расплавленный парафин наносят на кожу в виде аппликации или наслаивания, после чего он начинает остывать, отдавая накопленную теплоту подлежащим тканям. Ключевой физической характеристикой, определяющей эффективность такой процедуры, является теплоемкость вещества. Теплоемкость количественно характеризует способность материала запасать тепловую энергию при повышении температуры. Парафин и особенно озокерит, содержащий минеральные масла и смолы, обладают значительно более высокой теплоемкостью, чем воздух или сухая ткань. Именно поэтому расплавленная парафиновая масса, нагретая до пятидесяти пяти градусов, при контакте с кожей отдает тепло медленно и дозированно. Кожа успевает рассеивать поступающую энергию за счет усиливающегося кровотока, не достигая порога термического повреждения. Если бы ту же температуру имел металлический предмет с низкой теплоемкостью, ожог произошел бы немедленно вследствие быстрой отдачи малого, но концентрированного запаса энергии.