Действие электрического поля сверхвысокой частоты, СВЧ
Развитие техники микроволн в последние два десятилетия способствовало внедрению их в физиотерапевтическую практику. Микроволны обладают рядом физических свойств, которые могут быть использованы для лечения некоторых заболеваний (например, псориаза, ревматизма и других аутоиммунных болезней). Свойства этих волн следующие: а) энергию их можно сконцентрировать на отдельных участках тела; б) они отражаются от плотных поверхностей; в) частота их близка к частоте релаксационных колебаний воды; г) они более термогенны, чем ультракороткие волны.
Под действием микроволн в тканях живого организма возникают колебания ионов и содержащихся в них дипольных молекул воды. Поглощение в тканях энергии волн за счет колебания ионов практически не зависит от частоты, поглощение же за счет колебаний дипольных молекул воды увеличивается с увеличением частоты. Однако это увеличение происходит до определенной для каждого тела молекул частоты (так называемая релаксационная частота). При более высоких частотах молекулы вследствие инертности не успевают уже реагировать на слишком частые изменения полей волны, а потому поглощение энергии волн резко уменьшается. Для молекул воды эта предельная частота релаксации около 2-10 гц (длина волны около 1,5 см). В силу этих особенностей по мере укорочения длины волны повышается роль молекул в общем поглощении энергии волн в тканях. В 10-сантиметровом диапазоне волн за счет колебаний молекул воды поглощается примерно половина общей энергии, а в 3-сантиметровом - уже 98%. Так как организм больше чем на половину состоит из воды, то понятно значение этого факта для действия микроволн, особенно для ткани с высоким содержанием воды (кровь, лимфа, мышцы, нервная система).
Микроволны обладают как термическим, так и экстратермическим действием. Впервые экстратермическое действие их на человека установил С. Я. Турлыгин, наблюдавший появление сонливости после воздействия сантиметровыми волнами очень малой интенсивности. В дальнейшем это было подтверждено многочисленными наблюдениями. У человека при систематическом воздействии микроволнами большой мощности на лицо наблюдается помутнение хрусталика, функциональные изменения нервной системы, нарушение функции зрительного и обонятельного анализаторов и т. д., что привело к необходимости установить в промышленности предельно допустимые дозы воздействия на человека в течение рабочего времени - не более 0,01 мвт/см2.
Общее воздействие на животных интенсивным полем СВЧ при ППМ (плотности потока мощности) 0,2-0,3 вт/см21 вызывает изменение дыхания, частоты сердечных сокращений и артериального давления, местные же воздействия при тех же условиях сопровождаются быстро проходящими изменениями гемодинамики и дыхания, очевидно рефлекторного происхождения. Регулирующее значение нервной системы при воздействии поля СВЧ выступает при перерезке блуждающих нервов у животных; при этом отмечают меньшее учащение дыхания, но более тяжелое гемодинамическое нарушение в результате выключения регулирующего влияния блуждающего нерва.
У лягушки поле СВЧ при 0,3 вт/см2 вызывает изменения сердечной деятельности, сходные с двухфазным эффектом электрического поля УВЧ. В первую фазу, иногда кратковременную, наблюдается учащение и усиление сердечных сокращений, за которой следует замедление и остановка сердечной деятельности в диастоле. После прекращения воздействия сокращения восстанавливаются; иногда наблюдают аритмии. Эти эффекты рассматривают как термические ввиду применявшейся в опытах высокой ППМ поля СВЧ.
Большое физиологическое значение имеет применение небольшой интенсивности поля СВЧ (ППМ 0,05 вт/см2, продолжительность 30 минут), когда у собак обычно отмечается небольшое учащение сердечного ритма и исчезновение дыхательной аритмии, у некоторых животных появляется урежение ритма. По данным электрокардиографии, при длительных многократных воздействиях полем СВЧ можно судить о включении компенсаторных механизмов и развития адаптации, которая может быть сорвана у собак более сильными воздействиями. Установленные изменения указывают на развитие временных дистрофических процессов в миокарде и их рассматривают как рефлекторные; в течение первого часа после воздействия эти изменения исчезают. У собак с искусственно вызванным инфарктом миокарда применение поля СВЧ вызывает учащение сердечного ритма, снижение всех зубцов электрокардиограммы в каждом отведении, интервал же S-Т приподнимается еще больше над изоэлектрической линией. Поле СВЧ ухудшает функции больного сердца.
При нормализации показателей функций сердца после перенесенного экспериментального инфаркта миокарда применение поля СВЧ слабой интенсивности вызывает у животных фазовые изменения сердечной деятельности, которые можно рассматривать как дистрофические. Эти изменения наблюдаются как при общем воздействии, так и при местном на область головы. Мышечная нагрузка в сочетании со слабым полем СВЧ ведет к более стойким изменениям.
На основании электрокардиографических данных можно сделать вывод, что под влиянием поля СВЧ изменяются биохимические процессы в тканях сердца, выраженность которых зависит от интенсивности воздействия микроволнами.
Определение электролитического состава периферической крови животных методом электрофореза после воздействия интенсивным полем СВЧ (ППМ 0,1-0,2 вт/см2) свидетельствует о фазных изменениях в содержании калия и натрия. Вначале коэффициент K/Na в плазме повышается, а потом снижается. При сопоставлении с электрокардиографическими данными видно, что после воздействия при высоком содержании калия в крови во всех отведениях появляются заостренные высокие зубцы Т, а при пониженном его содержании низкие уплощенные. По изменению соотношения калия и натрия в крови можно считать, что под влиянием микроволн происходит изменение проницаемости клеточных мембран к внутри- и внеклеточным катионам.
Большой интерес для механизма действия поля СВЧ на организм представляют биохимические исследования. Изучение окислительно-восстановительных процессов в тканях (печени, почках, сердечной мышце) путем определения в них активности ферментов (цитохромоксидазы, дегидразы и аденозинтрифосфатазы) выявляет действие на организм поля СВЧ. Применение интенсивного поля СВЧ (ППМ 0,1-0,3 вт/см2) приводит к резкому снижению окислительно-восстановительных процессов в тканях кролика; при этом проявляется тепловое действие поля СВЧ. Слабое поле СВЧ (ППМ 0,005-0,01 вт/см2) вызывает заметное повышение окислительно-восстановительных процессов в тканях. Многократное воздействие на кроликов поля СВЧ приводит к меньшим сдвигам окислительно-восстановительных процессов по сравнению с однократным. Это можно объяснить тем, что повторное воздействие стимулирует компенсаторно-приспособительные механизмы, обусловливает меньшие сдвиги окислительно-восстановительных процессов в тканях животных. Влияние компенсаторных механизмов было выражено больше в центральной нервной системе, чем в сердце.
Исследование белкового обмена животных как при местном, так и при общем воздействии поля СВЧ выявило некоторые особенности. Воздействие на область сердца ежедневно в течение 10 дней (ППМ 0,02 вт/см2 при площади излучателя 10 см2) не вызывало каких-либо существенных изменений белкового обмена сердечной мышцы, при более же интенсивном воздействии (ППМ 0,1 вт/см2) наблюдали увеличение содержания белков, обладающих фосфорилазной активностью при одновременном уменьшении фракции миогена.
В мышце сердца животных отмечены значительные изменения содержания отдельных белковых фракций, которые зависели от интенсивности воздействия.
Реакцией преципитации в агаре по Ухтерлони исследовали антигенный состав сыворотки крови животных, подвергнутых общему воздействию микроволн в виде курса из 20 процедур по 10 минут ежедневно (ППМ 0,006 и 0,04 вт/см2). Сыворотку крови исследовали на 24-25-й день после последнего воздействия. Реакция преципитации в агаре показала, что общее действие микроволн (ППМ 0,006 вт/см2) не приводит к изменению антигенного состава сыворотки крови животных. Антисыворотка к сыворотке подопытных животных одинаково реагировала с сывороткой как подопытных, так и здоровых животных.
При иммунологических исследованиях сыворотки крови животных, подвергнутых общему воздействию микроволн с ППМ 0,04 вт/см2, в реакции преципитации в агаре было обнаружено меньшее количество линий преципитации, что свидетельствовало об упрощении антигенного состава сыворотки крови и укреплении иммунитета. Сыворотки против сыворотки здоровых животных по-разному реагировали с сывороткой здоровых и подопытных животных; в то же время сыворотки против сыворотки подопытных реагировали с сывороткой здоровых и подопытных животных одинаково. Полученные данные, по-видимому, свидетельствуют о том, что в сыворотке здоровых животных имеются антигены, которых нет в сыворотке животных, подвергнутых воздействию микроволн.
Упрощение антигенного состава сыворотки крови при воздействии тепловых доз микроволн свидетельствует о глубоком сдвиге в обмене веществ организма. При действии нетепловых доз микроволн подобного явления не наблюдали.
Исследование высшей нервной деятельности собак методом условных рефлексов показывает, что воздействие полем СВЧ вызывает значительные изменения, которые зависят от плотности потока мощности, продолжительности воздействия и типологических особенностей животного. Изменение функционального состояния коры больших полушарий головного мозга у собак наблюдали уже при однократном воздействии слабым полем СВЧ (ППМ 0,005-0,01 вт/см2). Поскольку такая мощность поля не вызывала повышения температуры тела, наблюдаемый эффект не был связан с перегреванием. Слабое поле СВЧ усиливало процесс возбуждения, а сильное, при котором наблюдали одышку, перегрев, вело к развитию торможения в центральной нервной системе.
Усиление как условных, так и безусловных рефлексов указывает, что поле СВЧ действует как на кору головного мозга, так и на подкорковые образования. При длительном воздействии слабого поля СВЧ наблюдаются фазные изменения высшей нервной деятельности: сначала усиление процесса возбуждения, а затем ослабление его до исходного уровня с усилением торможения.
Изучение злектроэнцефалографических показателей у животных при общем воздействии выявило зависимость между характером биоэлектрической активности головного мозга и интенсивностью воздействия поля СВЧ. Интенсивные и длительные воздействия вызывали изменения основных ритмов электрической активности, а также амплитуды. При воздействии на голову животного эти изменения выступали при слабых воздействиях поля СВЧ.
В настоящее время ученые пытаются лечить микроволновыми волнами злокачественные образования, что, возможно, наконец позволит создать уникальное средство лечение рака груди. Однако, пока все находится в стадии экспериментов над животными.
Под действием микроволн в тканях живого организма возникают колебания ионов и содержащихся в них дипольных молекул воды. Поглощение в тканях энергии волн за счет колебания ионов практически не зависит от частоты, поглощение же за счет колебаний дипольных молекул воды увеличивается с увеличением частоты. Однако это увеличение происходит до определенной для каждого тела молекул частоты (так называемая релаксационная частота). При более высоких частотах молекулы вследствие инертности не успевают уже реагировать на слишком частые изменения полей волны, а потому поглощение энергии волн резко уменьшается. Для молекул воды эта предельная частота релаксации около 2-10 гц (длина волны около 1,5 см). В силу этих особенностей по мере укорочения длины волны повышается роль молекул в общем поглощении энергии волн в тканях. В 10-сантиметровом диапазоне волн за счет колебаний молекул воды поглощается примерно половина общей энергии, а в 3-сантиметровом - уже 98%. Так как организм больше чем на половину состоит из воды, то понятно значение этого факта для действия микроволн, особенно для ткани с высоким содержанием воды (кровь, лимфа, мышцы, нервная система).
Микроволны обладают как термическим, так и экстратермическим действием. Впервые экстратермическое действие их на человека установил С. Я. Турлыгин, наблюдавший появление сонливости после воздействия сантиметровыми волнами очень малой интенсивности. В дальнейшем это было подтверждено многочисленными наблюдениями. У человека при систематическом воздействии микроволнами большой мощности на лицо наблюдается помутнение хрусталика, функциональные изменения нервной системы, нарушение функции зрительного и обонятельного анализаторов и т. д., что привело к необходимости установить в промышленности предельно допустимые дозы воздействия на человека в течение рабочего времени - не более 0,01 мвт/см2.
Общее воздействие на животных интенсивным полем СВЧ при ППМ (плотности потока мощности) 0,2-0,3 вт/см21 вызывает изменение дыхания, частоты сердечных сокращений и артериального давления, местные же воздействия при тех же условиях сопровождаются быстро проходящими изменениями гемодинамики и дыхания, очевидно рефлекторного происхождения. Регулирующее значение нервной системы при воздействии поля СВЧ выступает при перерезке блуждающих нервов у животных; при этом отмечают меньшее учащение дыхания, но более тяжелое гемодинамическое нарушение в результате выключения регулирующего влияния блуждающего нерва.
У лягушки поле СВЧ при 0,3 вт/см2 вызывает изменения сердечной деятельности, сходные с двухфазным эффектом электрического поля УВЧ. В первую фазу, иногда кратковременную, наблюдается учащение и усиление сердечных сокращений, за которой следует замедление и остановка сердечной деятельности в диастоле. После прекращения воздействия сокращения восстанавливаются; иногда наблюдают аритмии. Эти эффекты рассматривают как термические ввиду применявшейся в опытах высокой ППМ поля СВЧ.
Большое физиологическое значение имеет применение небольшой интенсивности поля СВЧ (ППМ 0,05 вт/см2, продолжительность 30 минут), когда у собак обычно отмечается небольшое учащение сердечного ритма и исчезновение дыхательной аритмии, у некоторых животных появляется урежение ритма. По данным электрокардиографии, при длительных многократных воздействиях полем СВЧ можно судить о включении компенсаторных механизмов и развития адаптации, которая может быть сорвана у собак более сильными воздействиями. Установленные изменения указывают на развитие временных дистрофических процессов в миокарде и их рассматривают как рефлекторные; в течение первого часа после воздействия эти изменения исчезают. У собак с искусственно вызванным инфарктом миокарда применение поля СВЧ вызывает учащение сердечного ритма, снижение всех зубцов электрокардиограммы в каждом отведении, интервал же S-Т приподнимается еще больше над изоэлектрической линией. Поле СВЧ ухудшает функции больного сердца.
При нормализации показателей функций сердца после перенесенного экспериментального инфаркта миокарда применение поля СВЧ слабой интенсивности вызывает у животных фазовые изменения сердечной деятельности, которые можно рассматривать как дистрофические. Эти изменения наблюдаются как при общем воздействии, так и при местном на область головы. Мышечная нагрузка в сочетании со слабым полем СВЧ ведет к более стойким изменениям.
На основании электрокардиографических данных можно сделать вывод, что под влиянием поля СВЧ изменяются биохимические процессы в тканях сердца, выраженность которых зависит от интенсивности воздействия микроволнами.
Определение электролитического состава периферической крови животных методом электрофореза после воздействия интенсивным полем СВЧ (ППМ 0,1-0,2 вт/см2) свидетельствует о фазных изменениях в содержании калия и натрия. Вначале коэффициент K/Na в плазме повышается, а потом снижается. При сопоставлении с электрокардиографическими данными видно, что после воздействия при высоком содержании калия в крови во всех отведениях появляются заостренные высокие зубцы Т, а при пониженном его содержании низкие уплощенные. По изменению соотношения калия и натрия в крови можно считать, что под влиянием микроволн происходит изменение проницаемости клеточных мембран к внутри- и внеклеточным катионам.
Большой интерес для механизма действия поля СВЧ на организм представляют биохимические исследования. Изучение окислительно-восстановительных процессов в тканях (печени, почках, сердечной мышце) путем определения в них активности ферментов (цитохромоксидазы, дегидразы и аденозинтрифосфатазы) выявляет действие на организм поля СВЧ. Применение интенсивного поля СВЧ (ППМ 0,1-0,3 вт/см2) приводит к резкому снижению окислительно-восстановительных процессов в тканях кролика; при этом проявляется тепловое действие поля СВЧ. Слабое поле СВЧ (ППМ 0,005-0,01 вт/см2) вызывает заметное повышение окислительно-восстановительных процессов в тканях. Многократное воздействие на кроликов поля СВЧ приводит к меньшим сдвигам окислительно-восстановительных процессов по сравнению с однократным. Это можно объяснить тем, что повторное воздействие стимулирует компенсаторно-приспособительные механизмы, обусловливает меньшие сдвиги окислительно-восстановительных процессов в тканях животных. Влияние компенсаторных механизмов было выражено больше в центральной нервной системе, чем в сердце.
Исследование белкового обмена животных как при местном, так и при общем воздействии поля СВЧ выявило некоторые особенности. Воздействие на область сердца ежедневно в течение 10 дней (ППМ 0,02 вт/см2 при площади излучателя 10 см2) не вызывало каких-либо существенных изменений белкового обмена сердечной мышцы, при более же интенсивном воздействии (ППМ 0,1 вт/см2) наблюдали увеличение содержания белков, обладающих фосфорилазной активностью при одновременном уменьшении фракции миогена.
В мышце сердца животных отмечены значительные изменения содержания отдельных белковых фракций, которые зависели от интенсивности воздействия.
Реакцией преципитации в агаре по Ухтерлони исследовали антигенный состав сыворотки крови животных, подвергнутых общему воздействию микроволн в виде курса из 20 процедур по 10 минут ежедневно (ППМ 0,006 и 0,04 вт/см2). Сыворотку крови исследовали на 24-25-й день после последнего воздействия. Реакция преципитации в агаре показала, что общее действие микроволн (ППМ 0,006 вт/см2) не приводит к изменению антигенного состава сыворотки крови животных. Антисыворотка к сыворотке подопытных животных одинаково реагировала с сывороткой как подопытных, так и здоровых животных.
При иммунологических исследованиях сыворотки крови животных, подвергнутых общему воздействию микроволн с ППМ 0,04 вт/см2, в реакции преципитации в агаре было обнаружено меньшее количество линий преципитации, что свидетельствовало об упрощении антигенного состава сыворотки крови и укреплении иммунитета. Сыворотки против сыворотки здоровых животных по-разному реагировали с сывороткой здоровых и подопытных животных; в то же время сыворотки против сыворотки подопытных реагировали с сывороткой здоровых и подопытных животных одинаково. Полученные данные, по-видимому, свидетельствуют о том, что в сыворотке здоровых животных имеются антигены, которых нет в сыворотке животных, подвергнутых воздействию микроволн.
Упрощение антигенного состава сыворотки крови при воздействии тепловых доз микроволн свидетельствует о глубоком сдвиге в обмене веществ организма. При действии нетепловых доз микроволн подобного явления не наблюдали.
Исследование высшей нервной деятельности собак методом условных рефлексов показывает, что воздействие полем СВЧ вызывает значительные изменения, которые зависят от плотности потока мощности, продолжительности воздействия и типологических особенностей животного. Изменение функционального состояния коры больших полушарий головного мозга у собак наблюдали уже при однократном воздействии слабым полем СВЧ (ППМ 0,005-0,01 вт/см2). Поскольку такая мощность поля не вызывала повышения температуры тела, наблюдаемый эффект не был связан с перегреванием. Слабое поле СВЧ усиливало процесс возбуждения, а сильное, при котором наблюдали одышку, перегрев, вело к развитию торможения в центральной нервной системе.
Усиление как условных, так и безусловных рефлексов указывает, что поле СВЧ действует как на кору головного мозга, так и на подкорковые образования. При длительном воздействии слабого поля СВЧ наблюдаются фазные изменения высшей нервной деятельности: сначала усиление процесса возбуждения, а затем ослабление его до исходного уровня с усилением торможения.
Изучение злектроэнцефалографических показателей у животных при общем воздействии выявило зависимость между характером биоэлектрической активности головного мозга и интенсивностью воздействия поля СВЧ. Интенсивные и длительные воздействия вызывали изменения основных ритмов электрической активности, а также амплитуды. При воздействии на голову животного эти изменения выступали при слабых воздействиях поля СВЧ.
В настоящее время ученые пытаются лечить микроволновыми волнами злокачественные образования, что, возможно, наконец позволит создать уникальное средство лечение рака груди. Однако, пока все находится в стадии экспериментов над животными.