Боголюбов В.М., Пономаренко Г.Н. Общая физиотерапия

Подождите немного. Документ загружается.

РАЗДЕЛ II. ЛЕЧЕБНЫЕ ФАКТОРЫ

МЕХАНИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ

ГЛАВА 7

БИОФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЛЕЧЕБНОГО

ПРИМЕНЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

ФИЗИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

МЕХАНИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

В основе рассматриваемых в данном разделе лечебных мето-

дов лежит воздействие на ткани организма человека механиче-

ских факторов: напряжений, вибрации, акустических колебаний и

измененных параметров воздушной среды. Если механическое

воздействие на ткани осуществляется при помощи рук человека,

говорят о лечебном массаже. Периодические механические ко-

лебания при непосредственном контакте тканей с их источником

принято называть вибрацией. При периодическом воздействии на

ткани через воздух, воду и другие среды говорят об акустиче-

ских колебаниях.

Основными характеристиками механических факторов являются

атмосферное парциальное звуковое давления, коле-

бательное смещение частиц среды и напряжение

Атмосферное давление - отношение силы, с которой столб

воздуха давит на единицу площади земной поверхности. Едини-

ца его измерения в системе СИ - Паскаль (Па). Размерность

давления Нормальное атмосферное давление у по-

Основы лечебного применения механических факторов 225

верхности Земли при температуре 0° С на широте 45° равно

101333 Па (1013,3 гПа). Оно непостоянно и подвержено

значительным колебаниям (чаще от 958 до 1027 гПа). При

подъеме на высоту атмосферное давление уменьшается, а при

спуске вглубь поверхности Земли повышается. Перепады атмо-

сферного давления можно создать и на земной поверхности в

ограниченных от внешней среды пространствах - барокамерах,

нагнетая и откачивая из них воздух. В результате повышения

общего давления воздуха или искусственной газовой смеси вы-

ше 1013 гПа в ограниченном пространстве будет возникать из-

быточное (гипербария) и недостаточное [гипобария) давление.

В связи с тем, что газовый состав атмосферы неоднороден

давление воздушной газовой смеси, согласно закону Дальтона,

равно:

[7.1]

где - атмосферное давление; р - парциальные (частичные)

давления азота, кислорода, диоксида углерода и инертных га-

зов - давления, которые они бы оказывали, занимая весь объем

среды.

Исходя из [7.1], парциальное давление кислорода, состав-

ляющего 21% от газового состава атмосферы, равно 212 гПа.

Перепады атмосферного давления воздуха или общего давле-

ния газовой смеси неизбежно приводят к изменению парциаль-

ных давлений составляющих их газов. При этом вместе с давле-

нием изменяется их плотность.

Содержание газа в жидкости принято характеризовать на-

пряжением, под которым понимают такое парциальное давле-

ние газа, при котором наступает равновесие между газовой

смесью и жидкостью (отсутствие газообмена).

Звуковое давление - амплитуда периодических колебаний

атмосферного давления, возникающих в результате сжатия и

разрежения частиц среды. В областях сжатия оно больше, а в

областях разрежения - меньше. Таким образом, звуковое дав-

ление - это добавочное изменение статического (атмосферного)

давления. Размерностью звукового давления является Па.

Колебательным смещением частиц среды (вибропере-

мещением) называют амплитуду обусловленного механическим

воздействием смещения частиц вещества по отношению к среде

в целом. Единицей измерения колебательного смещения являет-

ся мкм. Колебательное смещение - векторная величина, и ха-

рактеризуется не только амплитудой, но и направлением.

226

Глава 7

Механические воздействия на тела принято характеризовать

не приложенной к ним силой, а напряжением - частным от де-

ления приложенной к телу механической силы F на площадь его

поперечного сечения s, перпендикулярную направлению силы:

[7.2]

Единицей напряжения в системе СИ является Па.

Создаваемые разнообразными механическими факторами

возмущения распространяются в различных средах в виде волн,

перенос и передача энергии в которых осуществляется

частицами среды. При этом каждый участок среды, по которому

перемещается волна, совершает небольшие колебательные

смещения, тогда как сама волна распространяется на

значительные расстояния. Скорость распространения меха-

нических волн в среде {скорость звука) определяется молеку-

лярной структурой среды и характером межмолекулярных вза-

имодействий. Параметрами акустической волны являются ее

длина - расстояние между двумя соседними областями сжа-

тия (разрежения) и частота f - число сжатий (разрежений),

происходящих в единицу времени.

Механические волны переносят энергию. При их распростра-

нении энергия передается от одной колеблющейся частицы

другой. Энергетической характеристикой механических волн

является интенсивность звука или плотность потока энергии

[7.3]

В системе СИ единицей интенсивности является

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

ТКАНЕЙ ОРГАНИЗМА

Реакции тканей организма на механические факторы опреде-

ляются их механическими свойствами. Они обусловлены про-

странственно-временным распределением частиц среды, а также

типом связей между ними. Основными характеристиками ме-

ханических свойств биологических тканей являются напряжения

и деформации

Напряжение в отличие от характеристики силового воз-

действия отражает механические возмущения, разви-

Основы лечебного применения механических факторов 227

вающиеся в тканях при действии на них механических сил. Еди-

ницей его измерения также является Па.

Деформация - упругое возмущение, обусловленное изме-

нением пространственной структуры ткани. При этом происходит

перенос потока энергии упругой деформации в отсутствие пере-

носа частиц среды. Деформация распространяется с волной из

одной точки в другую и определяет тип механического возму-

щения. Она характеризует отношение измененных линейных

размеров единичного объема ткани при возбуждении в ней ко-

лебаний к ее состоянию в покое и является функцией внешнего

напряжения и колебательного смещения частиц среды:

[7.4]

где Е - модуль Юнга - напряжение, при котором длина еди-

ничного объема ткани увеличивается вдвое.

По реакции на внешние напряжения все ткани разделяют на

упругие, неупругие (вязкие) и вязко-упругие. Критериями тако-

го разделения служат эффекты приложенного напряжения, а

именно наличие или отсутствие остаточной деформации тканей.

При самопроизвольном восстановлении исходного состояния

с прекращением приложенного напряжения ткани относят к

упругим. В случае необратимой деформации под действием

внешних сил или остаточных внутренних напряжений говорят о

вязких средах. Вязкость биологических сред обусловлена на-

личием в их структурной решетке узлов, образованных слабыми

ван-дер-ваальсовыми силами. Обусловленные этими силами свя-

зи нарушаются при сдвиговых деформациях и восстанавливают-

ся после окончания воздействия. Разрушение этих надмолеку-

лярных связей при некоторой "пороговой" интенсивности меха-

нического фактора приводит к тиксотропии - обратимому из-

менению жидкокристаллической структуры цитозоля вследствие

разрыва слабых связей.

По плотности и типу пространственной структуры все ткани

организма разделяют на твердые (костная ткань, дентин и

эмаль зубов), мягкие (кожа, мышечная ткань, ткани паренхима-

тозных органов, эндотелий сосудов) и жидкие (кровь, лимфа,

спинномозговая жидкость, слюна, сперма).

Структурная неоднородность биологических тканей, прису-

щая им анизотропия (различие механических свойств биоло-

гической среды в разных направлениях), существование в них

различных типов волн (продольных, поперечных, сдвиговых) и

активный характер изменения их упругих и вязких свойств су-

228

Глава 7

щественно усложняют пространственно-временные характери-

стики развивающихся в них напряжений и деформаций. Их ко-

личественные характеристики определяются параметрами ме-

ханических свойств его органов и тканей. К их числу относят

плотность тканей скорость звука с и модуль упругости Е

(табл. 11).

Таблица 11

Параметры механических свойств биологических тканей

* - расчетные величины

Среди всех биологических тканей наиболее выраженными

упругими свойствами обладают кости. Для большинства мягких

тканей характерны неопределенность начального и естествен-

ного состояний, несжимаемость и анизотропия внутренних на-

пряжений. Деформации мягких тканей велики и достигают

200%, а у составляющих их клеточных мембран достигают

600%. При периодическом воздействии колебания деформаций

и внутренних напряжений различаются по фазе. Такие дефор-

мации обусловлены изменением пространственной ориентации

и формы биологических молекул.

Нелинейный характер зависимости деформаций от приложенно-

го напряжения в диапазоне его малых и средних величин обус-

ловлен наличием в составе большинства мягких тканей колла-

геновых волокон (рис. 77). Они способны к значительным де-

формациям и имеют высокий модуль упругости - до 10

Па.

Другой структурный компонент - эластиновые волокна -

значительно растягиваются под действием приложенных на-

пряжений и их деформации превышают 200%. Модуль упру-

гости эластиновых волокон существенно ниже, чем у коллагено-

Основы лечебного применения механических факторов 229

вых - 10

-10

Па, и их деформации происходят по линейному

закону.

Особенности пространственного расположения коллагеновых

и эластиновых волокон и определяют характер деформаций в

мягких тканях. В тканях, содержащих оба типа соединитель-

нотканных волокон, начальные линейные деформации обуслов-

лены растяжением эластиновых нитей, а последующие нелиней-

ные - коллагеновых.

Для некоторых мягких биологических тканей характерна сла-

бая зависимость их упругих свойств от скорости' деформации.

Поэтому при напряжениях, возникающих под действием меха-

нических факторов, вязкими свойствами мягких тканей часто

пренебрегают. Однако такое допущение оправдано далеко не

всегда. У кожи, мышц и мягких тканей полых органов при фик-

сированных деформациях вследствие релаксации частиц ве-

щества происходит уменьшение внутренних напряжений -

проявляется текучесть среды (см. рис. 77). Такая релаксация

напряжения наиболее характерна для мышечной ткани. Она не

выражена у эластина и очень мала у коллагена.

Деформации кожи имеют выраженный нелинейный характер

(рис. 78А). Они обусловлены растяжением коллагена, содержа-

ние которого в коже составляет 75%, тогда как эластин состав-

ляет всего 4% от ее сухой массы. Большинство коллагеновых

нитей беспорядочно ориентировано в пространстве. Их дефор-

мации в физиологических условиях невелики (=10%) и возни-

кают только под действием значительных механических напря-

жений. Сеть максимальных напряжений в коже пространствен-

но совпадает с. линиями Лангера.

230

Глава 7

Нелинейность возникающих деформаций также присуща ске-

летным мышцам (рис. 786). Кроме того, для них характерна

релаксация напряжения при растяжении. Активный характер

мышечного сокращения существенно влияет и на их меха-

нические свойства. Так у расслабленных мышц модуль Юнга со-

ставляет порядка 10

Па, а при сокращении он увеличивается в

десятки раз.

Деформации, возникающие в воздухоносных путях и сосу-

дах эластического типа, линейны. Упругость этих тканей опре-

деляется в основном эластиновыми волокнами, хотя в их со-

ставе присутствуют и коллагеновые волокна. Однако последние

не имеют здесь внутреннего напряжения, так как уложены вол-

нообразно и при физиологических нагрузках только распрям-

ляются, но не растягиваются. Следовательно, упругие свойства

воздухоносных путей и сосудов начинают проявляться только

при значительных напряжениях, когда они сильно растягивают-

ся. Содержащиеся в их составе пространственно упорядоченные

коллагеновые волокна обусловливают высокую прочность сосу-

дов и воздухоносных путей.

При деформации легкие ведут себя как пластическая среда,

поглощающая значительную часть подводимой механической

энергии. Содержание коллагена и эластина в легких составляет

соответственно 12-20 и 5-12% от их сухой массы. Предел те-

кучести легочной паренхимы превышает Па. В мягких тка-

Основы лечебного применения механических факторов 231

нях паренхиматозных органов они образуют функционально

целостную систему с клетками внутренних органов. По своим

упругим свойствам они похожи на гидрофильный гель, основ-

ными упругими компонентами которого являются гликозоамино-

гликаны (мукополисахариды) и цитозоль.

Большинство биологических жидкостей является суспензия-

ми и обладает исключительно вязкими свойствами. Для всех

них характерна нелинейная зависимость деформаций от напря-

жений. Нелинейный характер их вязкостных свойств обуслов-

лен влиянием дисперсной фазы на вязкость суспензий. Ве-

личина вязкости крови зависит от свойств форменных элемен-

тов и диаметра кровеносных сосудов. Среди форменных эле-

ментов 93% составляют эритроциты, механическими свойства-

ми которых и определяется вязкость крови. Кроме того, с

уменьшением радиуса сосудов в них формируется пристеночный

слой, где вязкость существенно меньше, чем в центре сосуда.

Поэтому с уменьшением радиуса капилляров вязкость крови па-

дает (эффект Фареуса-Линдквиста). Характерно, что состав-

ляющие кровь элементы обладают значительными упругими

свойствами. Так, модуль упругости белковых глобул составляет

(2-9)-10

Па, а мембран эритроцитов человека - Ю

Па.

Итак, анизотропия и неоднородность большинства биоло-

гических тканей существенно затрудняют возможность пред-

ставления в аналитической форме параметров механических

свойств тканей организма. Вместе с тем в диапазоне физиоло-

гических деформаций их зависимость от приложенных напря-

жений квазилинейна, что позволяет удовлетворительно пользо-

ваться ими при изучении реакций организма на механические

лечебные факторы.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ

ФАКТОРОВ С ОРГАНИЗМОМ

Распространение вызванных механическими факторами волн

в тканях организма вызывает 2 вида внутренних напряжений;

упругие (обратимые) и диссипативные (необратимые). По-

следние возникают в случае, когда продолжительность восста-

новления первичной структуры ткани существенно меньше пе-

риода механических колебаний. Диссипативные напряжения об-

условливают необратимое превращение механической энергии в

теплоту - поглощение звука. Оно вызывает уменьшение интен-

232

Глава 7

сивности механических волн по мере их распространения. Рас-

стояние, на котором интенсивность волны уменьшается в е

(приблизительно в 7,3 раз), называют глубиной проникновения

звука. Поглощение акустических колебаний связано с частотой

квадратической зависимостью. Оно максимально для ультра-

звука и составляет для различных, тканей 7-8 см на частоте 44

кГц, 4-5 см - на частоте 880 кГц и 1-3 см на частоте 2640 кГц.

Возникающие при поглощении механической энергии дефор-

мации микроструктур тканей также распространяются с затуха-

нием. В связи с этим интенсивность механических колебаний

при их распространении вглубь тела человека экспоненциально

уменьшается (рис. 79).

Поглощение механических колебаний низкой частоты в

большей степени определяется неоднородностью механических

свойств мышц и внутренних органов человека, чем различием

линейных размеров составляющих их микроструктур. Анизотро-

пия и нелинейность механических свойств мягких тканей опре-

деляет неодинаковую степень поглощения энергии механических

колебаний. Напротив, на высоких частотах линейные размеры

неоднородностей биологических тканей, составляющие порядок

м, сопоставимы с длинами волн распространяющихся коле-

Основы лечебного применения механических факторов 233

баний. Это приводит к существенному затуханию распростра-

няющихся упругих колебаний вследствие их значительного по-

глощения, рассеяния и отражения частицами среды. Среди них

вклад поглощения наибольший.

На низких частотах, где длина волны сопоставима с

размерами тела, акустические колебания распространяются в

организме в виде поперечных волн. С учетом активных свойств

некоторых биологических тканей механические факторы с ампли-

тудой колебательного смещения выше м являются физио-

логическими раздражителями и могут восприниматься структу-

рами, обладающими высокой чувствительностью к данному фак-

тору -- механорецепторами. Сенсорное восприятие вибрации

осуществляют инкапсулированные нервные окончания кожи-

клубочкообразные тельца Мейснера и тельца Пачини. Частотный

диапазон вибрационной чувствительности первых из них, распо-

ложенных под базальной мембраной кожи, составляет 2-40 Гц,

а пороговое виброперемещение - 35-100 мкм. Виб-

рочувствительность находящихся в дерме телец Пачини на по-

рядок выше (пороговые виброперемещения 1-10 мкм), а

частотный диапазон восприятия вибрации составляет 40-250 Гц

(рис. 80).

Являясь своеобразными усилителями, механорецепторы

формируют кооперативные процессы, обеспечивающие реакции,

энергетический выход которых многократно превосходит энер-

гию действующего лечебного механического фактора. Он яв-

ляется адекватным раздражителем для разнообразных механо-