Высокочастотная физиотерапевтическая электронная аппаратура. Аппараты электрохирургии

Большая группа медицинских аппаратов — генераторов электромагнитных колебаний и волн — работает в диапазоне ультразвуковых (надтональных), высоких, ультравысоких и сверхвысоких частот и называется обобщающим термином высокочастотная электронная аппаратура.

Проблема электродов в данном случае решается по-разному. Для высокочастотных токов (см. рис. 15.5) используются стеклянные электроды, воздействие переменным магнитным полем (индуктотермия) оказывается через спирали или плоские свернутые кабели, по которым проходит переменный ток, создавая переменное магнитное поле. При УВЧ-терапии прогреваемую часть тела помещают между дискообразными металлическими электродами (рис. 18.13), покрытыми слоем изолятора. При воздействии электромагнитными волнами приближают к телу излучатель этих волн.

Для безопасности больного электроды подключаются не к колебательному контуру генератора (КГ), а к контуру пациента (терапевтическому контуру, ТК), который индуктивно связан с основным колебательным контуром генератора (рис. 18.14). Индуктивная связь исключает возможность случайного попадания больного под высокое постоянное напряжение, которое практически имеется в большинстве медицинских высокочастотных генераторов. На рис. 18.14 изображен генератор на триоде, так как ламповые генераторы еще применяются в медицинской аппаратуре в связи с необходимостью получить достаточно большую мощность.

Физиотерапевтические аппараты, являющиеся генераторами электромагнитных колебаний, конструируются так, чтобы не мешать радиоприему и телевидению. Это обеспечивается, с одной стороны, специальными помехозащитными устройствами, а с другой стороны, определенным строгим заданием диапазона рабочих частот.

Внешний вид некоторых аппаратов показан на рисунках: аппарат «Искра-1» — высокочастотный генератор, работающий в импульсном режиме и используемый для местной дарсонвализации (рис. 18.15), аппарат ИКВ-4 для индуктотермии, работающий на частоте 13,56 МГц (рис. 18.16), переносной аппарат для УВЧ-терапии — УВЧ-66 (см. рис. 18.13).

К высокочастотной электронной медицинской аппаратуре относят и аппараты электрохирургии (высокочастотной хирургии). Основой этих устройств является генератор электромагнитных колебаний, гармонических или модулированных. Мощность используемых в электрохирургии электромагнитных колебаний может быть от 1 Вт до нескольких сотен ватт.

Особенность генераторов в том, что они должны отдавать мощность в нагрузку (биологическая ткань), которая изменяется в значительных пределах. Длительное время генераторы вообще могут работать без нагрузки, поэтому в аппаратах электрохирургии еще в значительной степени используются вакуумные лампы, которые по сравнению с полупроводниковыми устройствами обладают большей устойчивостью к возможным перегрузкам.

При электрохирургии электромагнитные колебания подаются на электроды, которые рассекают или коагулируют ткань. Различают электроды для монополярной и биполярной электрохирургии.

В первом случае один выход генератора соединен с активным электродом, которым и осуществляют электрохирургическое воздействие, а другой электрод — пассивный — контактирует с телом пациента.

Во втором случае оба выхода генератора соединены с двумя активными электродами, между которыми протекает высокочастотный ток, оказывая хирургическое воздействие. В этом случае оба электрода являются активными, а пассивный электрод не используется.

Электронный осциллограф

Осциллограф — это измерительное устройство для визуального наблюдения или записи функциональной зависимости двух ветчин, преобразованных в электрический сигнал. Осциллографы (широко используют для наблюдения временной зависимости переменной величины.

Главной частью электронного осциллографа является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), показанная на рис. 18.17. Ее элементы расположены в вакуумированном баллоне Б. Они включают в себя люминесцирующий экран Э, отклоняющую систему О из двух пар отклоняющих пластин и электронную пушку П (выделена штриховой линией), состоящую из подогревного катода, подобного катоду диода, и специальных электродов, которые ускоряют и фокусируют электроны. На пластины вертикального и горизонтального отклонения подается разность потенциалов. В зависимости от ее знака и значения пучок электронов отклоняется в вертикальном или горизонтальном направлении. Сформированный и определенным образом направленный электронный пучок попадает на люминесцирующий экран — переднюю стенку электронно-лучевой трубки, покрытую люминофорами, которые способны светиться под воздействием ударов электронов (катодолюминесценция).

Пучок электронов на экране изобразится светящейся точкой. Плавно изменяя напряжение на отклоняющих пластинах, светящуюся точку можно перемещать по экрану. Люминофоры обладают свойством послесвечения, они светятся в данном месте некоторое время после того, как электронный пучок сместился с данного места. Поэтому перемещение пучка наблюдается на экране в виде линии.

Структурная схема осциллографа дана на рис. 18.18: У_х и У_у — усилители, БП — блок питания, ГР — генератор развертки, ЭЛТ — электронно-лучевая трубка. Имеется также блок синхронизации. На рис. 18.19 изображена передняя панель осциллографа.

Поданный на клеммы «Вход Y» и «Земля» сигнал усиливается и подается на вертикально отклоняющие пластины. На экране осциллографа такой сигнал изобразится отрезком вертикальной прямой.

Для наблюдения зависимости сигнала от времени следует светящейся точке сообщить одновременно равномерное движение в горизонтальном направлении. Чтобы записать периодический процесс, точка должна за некоторый конечный промежуток времени переместиться слева направо по экрану и в возможно короткий промежуток времени вернуться обратно. Поэтому напряжение, подаваемое на горизонтально отклоняющие пластины, должно иметь пилообразный вид (см., например, рис. 18.8, причем T₁ >> Т₂). Принцип устройства, служащего для этой цели, — генератора развертки — был рассмотрен в § 18.5.

Для того чтобы периодический процесс отображался на экране неподвижным изображением, необходимо подобрать достаточно точно частоту развертки: на один период времени развертки должно приходиться целое число периодов исследуемого сигнала. Это условие выполняется блоком синхронизации развертки. Ручки «Диапазон частот» и «Частота плавно» позволяют задавать нужную частоту развертки.

Если исследуемый процесс однократный или непериодический, то может быть использован ждущий режим развертки, предусмотренный в некоторых осциллографах. Этот режим развертки действует каждый раз и только тогда, когда возникает регистрируемый процесс.

Вращая ручки «Яркость» и «Фокус», изменяют разность потенциалов между ускоряющими электродами, благодаря чему достигаются различная интенсивность и площадь сечения электронного пучка. При этом происходит изменение яркости и фокусировки светящейся точки. Ручки «Ось У» и «Ось X» служат для смещения всей изображаемой картины в вертикальном или горизонтальном направлении.

Для наблюдения зависимости каких-либо двух величин подают электрические сигналы, отвечающие этим величинам, на клеммы «Вход У» и «Вход X». Генератор развертки при этом не включается. Так, в частности, можно получить фигуры Лиссажу (см. § 5.3) вектор-кардиограмму (см. § 12.5).

С помощью ручки «Усиление» изменяют усиление поданного сигнала. При этом на экране осциллографа изображение растягивается или сжимается по соответствующему направлению.

Для калибровки масштаба времени в некоторых осциллографах предусмотрен генератор меток времени для периодического изменения яркости пятна на экране. Благодаря этому можно определять длительность изображаемого процесса или его отдельных частей.

Изображение, полученное на экране электронного осциллографа, может быть сфотографировано.

РАЗДЕЛ 6

Оптика

Оптика— раздел физики, в котором рассматриваются закономерности излучения, поглощения и распространения света. В физике термин «свет» применяют не только к излучению, воспринимаемому глазом человека, но и к невидимому излучению. Природа света двойственна, дуалистична. Это означает, что свет проявляет себя и как электромагнитная волна, и как поток частиц — фотонов. Дуализм света, в частности, отражается формулой е = hv, так как энергия е фотона является квантовой характеристикой, а частота колебаний v — характеристикой волнового процесса.

В одних оптических явлениях в большей степени проявляются волновые свойства света, а в других — корпускулярные. Двойственная природа присуща также и частицам — электрону, протону и т. д.

Так как свет обладает электромагнитной природой, то оптику целесообразно изучать после электродинамики. Вопросы излучения света граничат с атомной физикой и существенно с ней связаны. Поэтому раздел «Оптика» предшествует атомной физике.

В развитии физики оптические наблюдения, эксперименты и теории сыграли особую роль: прямолинейное распространение света и его отражение от зеркальных поверхностей было известно еще задолго до нашей эры; интерференционный опыт Майкельсона явился экспериментальным основанием теории относительности; гипотеза Планка о дискретности излучения положила начало квантовой физике.

Исследования видимого света и связанные с этим измерения относятся не только к области физики, но и к физиологии. В этом отношении оптика подобна акустике.

Для медиков и биологов эти знания прежде всего важны при исследовании биологических объектов: микроскопия, спектрометрия, рефрактометрия, поляриметрия, колориметрия. Кроме того, врачам следует знать физические основы использования теплового излучения для диагностики заболевания (термография), устройство аппаратуры светолечения и другие вопросы.

Глава 19

Интерференция и дифракция света. Голография

Под интерференцией света понимают такое сложение световых волн, в результате которого образуется устойчивая картина их усиления и ослабления. Для получения интерференции света необходимо выполнение определенных условий. Дифракцией света называют явление отклонения света от прямолинейного распространения в среде с резкими неоднородностями. Возможность наблюдения дифракции зависит, в частности, от соотношения длины волны и размеров неоднородностей. Различают с некоторой степенью условности дифракцию сферических волн (дифракция Френеля) и дифракцию плоскопараллельных волн (дифракция Фраунгофера). Описание дифракционной картины возможно с учетом интерференции вторичных волн. В главе рассматривается голография как метод, основанный на интерференции и дифракции.

§ 19.1. Когерентные источники света. Условия для наибольшего усиления и ослабления волн

Сложение волн, распространяющихся в среде, определяется сложением в разных точках пространства соответствующих колебаний. Наиболее простой случай сложения электромагнитных волн наблюдается тогда, когда их частоты одинаковы и направления электрических векторов совпадают. В этом случае амплитуду результирующей волны можно найти по формуле (5.30), которую для амплитуды напряженности электрического поля запишем в виде

где Dj — разность фаз слагаемых волн (колебаний).

В зависимости от типа источников света результат сложения волн может быть принципиально различным.

Сначала рассмотрим сложение волн, идущих от обычных источников света (лампа, пламя, Солнце и т. п.). Каждый такой источник представляет совокупность огромного количества излучающих атомов. Отдельный атом излучает электромагнитную волну приблизительно в течение 10~⁸ с, причем излучение есть событие случайное, поэтому и разность фаз Dj в формуле (19.1) принимает случайные значения. При этом среднее по излучениям всех атомов значение cosDj равно нулю. Вместо (19.1) получаем усредненное равенство для тех точек пространства, где складываются две волны, идущие от двух обычных источников света:

(19.2)

Так как интенсивность волны пропорциональна квадрату амплитуды [см. (14.60)], то из (19.2) имеем условие сложения интенсивностей I1 и I₂ волн:

(19.3)

Это означает, что для интенсивностей излучений, исходящих от двух (или более) обычных световых источников, выполняется достаточно простое правило сложения: интенсивность суммарного излучения равна сумме интенсивностей слагаемых волн. Это наблюдается в повседневной практике: освещенность от двух ламп равна сумме освещенностей, создаваемых каждой лампой в отдельности.

Еслиостается неизменной во времени, наблюдается интерференция света. Интенсивность результирующей волны принимает в разных точках пространства значения от минимального до некоторого максимального.

Интерференция света возникает от согласованных, когерентных источников, которые обеспечивают постоянную во времени разность фаз Dj у слагаемых волн в различных точках. Волны, отвечающие этому условию, называют когерентными.

Интерференция могла бы быть осуществлена от двух синусоидальных волн одинаковой частоты, однако на практике создать такие световые волны невозможно, поэтому когерентные волны получают, «расщепляя» световую волну, идущую от источника.

Такой способ применяется в методе Юнга. На пути сферической волны, идущей от источника S, устанавливается непрозрачная преграда с двумя щелями (рис. 19.1). Точки волновой поверхности, дошедшей до преграды, становятся центрами когерентных вторичных волн,

22* поэтому щели можно рассматривать как когерентные источники. На экране Э наблюдается интерференция.

Другой метод заключается в получении мнимого изображения S' источника S (рис. 19.2) с помощью зеркала (зеркало Ллойда). Источники S и S' являются когерентными. Они создают условия для интерференции волн. На рисунке показаны два интерферирующих луча, попадающие в некоторую точку А экрана Э.

Так как время т излучения отдельного атома ограничено, то разность ходалучей 1 и 2 при интерференции не должна быть слишком большой, в противном случае в точке А встретятся некогерентные волны. Наибольшее значение для интерференции определяется через скорость света и время излучения атома:

(19.4)

Реальные источники состоят из множества беспорядочно излучающих атомов, поэтому время t' их согласованного излучения на много порядков меньше времени излучения т отдельного атома. Вследствие этого реальная разность хода d' интерферирующих лучей должна быть на много порядков меньше, чем величина 5, определяемая формулой (19.4).

Расчет интерференционной картины можно сделать, используя формулу (19.1), если известны разность фаз интерферирующих волн и их амплитуды. Практический интерес представляют частные случаи: наибольшее усиление волн — максимум интенсивности (max), наибольшее ослабление — минимум интенсивности (min).

Отметим, что условия максимумов и минимумов интенсивностей удобнее выражать не через разность фаз, а через разность хода волн, так как пути, проходимые когерентными волнами при интерференции, обычно известны. Покажем это на примере интерференции плоских волн / и //, векторы Е которых перпендикулярны плоскости чертежа (рис. 19.3).

Колебания векторовэтих волн в некоторой точке В, удаленной на расстояния x1 и х2соответственно от каждого источника, происходят по гармоническому закону

(19.5)

Для общности вывода предположим, что волны распространяются в разных средах¹ с показателями преломленияиСкорости распространения волн соответственно равны, где с — скорость света в вакууме. Тогда из (19.5) следует выражение для разности фаз

Так как длина волны в вакуумето вместо (19.6) имеем

(19.7)

Произведение геометрического пути волны на показатель преломления среды, т. е. хп, называют оптической длиной пути, а разность этих путей

(19.8)