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微波治療的原理與作用

發布時間:2013-06-08      瀏覽量:

一、概述

應用波長為1米~1毫米(300~30,000兆赫)的特高頻電磁波作用于人體以治療疾病的要領,稱為微波療法。

憑據波長差別可將微波分為分米波(數10厘米~100厘米),厘米波(1~10厘米)以及毫米波(1~10毫米)三個波段。理療中應用的微波一般指波長為10-30厘米的電磁波,目前治療上最常用的微波其波長為12.5厘米,頻率為2450兆赫 (MHz)。除連續式微波外,還有脈沖式微波治療機。

二、生物物理學特征

微波振蕩頻率極高,波長介于長波紅外線與短波之間。但微波的孕育產生、傳輸、丈量等原理既差別于光波,又差別于超短波。微波的某些物理特性類似光波,如呈波束狀散播,具有彌散性能,遇差別介質可引起反射、折射、繞射、散射、吸收以及利用反射器進行聚集的作用,其規律與相應的光學規律接近。微波作用時稱輻射(或照射)。因微波的彌散性大,故用特制的傳輸系統,包括波導管(同軸電纜)和輻射器。微波由輻射器中的無線輻射至空間作用于人體。輻射器有半圓形、矩形、圓柱形、耳道輻射器和鞍形輻射器。

當微波輻射到人體時,一部分能量被吸收,另一部分能量則為皮膚及各層組織所反射。厘米波輻射機體時的反射率為40~50%。富含水分的組織能較多地吸收微波能量,而脂肪、骨骼等則反射較多的微波。所以當微波作用到有多數界面的部位或器官(如眼、盆腔等)時應注意由此引起的過熱現象。 

微波對人體組織的穿透能力與其振蕩頻率有關,振蕩頻率愈高,穿透能力愈弱。波長為12.5厘米的微波,穿透組織的深度一般可達3-5厘米。 

微波治療的主要作用因素為熱效應和非熱效應。脈沖式微波治療時,其所孕育產生的熱為脈沖間期時的血流所消散,故其熱作用小,適合于對熱禁忌的疾病,如急性病。且能作用于更深的組織。但由于其物理特性所致,微波的熱效應和非熱效應與超短波引起的也不一樣。  

(一)、熱效應  

微波輻射人體后,電解質離子隨微波頻率迅速振動以及電介質的束縛電荷作相對移動,偶極子孕育產生轉動,為克服所在媒質的粘滯性而消耗能量并產熱。實驗證明使水分子轉動180°所需的時間大約與微波之半周期相適應,水分子的固有振蕩頻率與波長3厘米之微波頻率相近,可吸收微波能量的98%,10厘米微波可被水吸收50%,介電常數較大的組織吸收微波較多,水的介電常數大,故富含水分的組織(如血液、肝、腎、肌肉等)吸收微波能量最多而孕育產生大量熱能,引起組織溫度升高,而脂肪和骨組織吸收能量最少。    

微波對生物體加熱的深度取決于波長、組織的導電率、反射能力、介電性、分層厚度、總的容積和幾何形狀等。厘米波最顯著的能量吸收產生在表淺組織內,其穿透組織深度僅為數厘米,同時大部分能量在組織的交接面上被反射,在此處可能形成駐波而導致鄰近組織的過熱。微波透入機體組織的特點,使得在某一種動物身上所研究的結果很難或基本不可能應用到另一種動物身上,更不可照樣地應用于人體。例如,用波長12.6厘米的微波同樣作用于老鼠、兔和人,可刺激差別的器官引起反響。由于多種因素影響電磁能吸收的精確測定,故目前在臨床治療和實驗研究中,微波對機體作用強度的最可靠的指標,仍然是丈量受作用組織或器官的溫度轉變。 

(二)非熱效應  

動物和臨床實驗證明,微波的熱作用是明顯的,但實驗中,出現一些不可用熱效應解釋的生物學現象,例如鴿子在微波束(雷達)中出現慌亂而離奇的飛行。鴿子這種異?;顒?,不可能與熱有關,因為憑據輻射器的功率和輻射源與鴿子的距離剖析,其能量密度絕不會引起熱效應。又如以脈沖連續時間為1/10微秒的微波作用于兔眼時,20分鐘后可出現嚴重損害,但測到的平均功率遠不足以引起熱效應;還有當以不會引起產熱的劑量作用于機體時,發覺可以血流加速,接受低場強微波照射后,在不引起溫度升高的情況下,卻能引起某些系統和器官的機能或形態學方面的轉變,如嗜睡、心動過緩、血壓下降等反響,蘇聯學派稱此為熱外作用。認為當接受作用的介質產生溫度轉變之前,已產生了非常紛亂的物理-化學過程,有機物和無機物荷電顆粒隨電磁場偏向的轉變而轉移,膜上荷電粒子濃度和通透性轉變,卵白結結構形過程的轉變,細胞上的胺基基團及細胞的結構等方面的轉變,這與電磁場頻率與受作用的動物種類、作用部位和機體原始狀態有關。這種特殊作用在較低強度微波作用時(小于10mw/cm2)體現明顯,高強度作用時引起的明顯熱效應掩蓋了細胞和組織內的小能量作用下孕育產生的物理化學轉變反響,故非熱效應就不易顯示出來。因此,可以總結為:微波的非熱效應在由于細胞內發生的布朗氏運動而孕育產生熱效應之前最為突出,尤其是當應用低強度微波時最為明顯。在微波的作用機制中,當受作用的細胞內結構的固有頻率與電磁場頻率相一致或成倍數時所孕育產生的效應最大。有人指出在微波作用上,細胞內水分產生構形過程,而這些水分的固有頻率大抵為500MHz,而卵白質分子內的結合水自己又決定了分子形態的轉變。因此整個機體系統對低強度微波振蕩不但具有特殊的極高的敏感性,并且接受其影響的能力也增強。有人提出微波的非熱效應需從信息學說的觀點來認識電磁場的生物學活性問題。在基本相同條件下的外源熱作用不引起類似的非熱效應。但國際上對此尚有爭議,需待繼續研究。我科與生物教研室等協作,進行低場強微波照射小白鼠實驗,在1mW/cm2組中,照射后,測動物皮溫轉變為-0.4℃(均值),肛溫轉變為-1.59℃(均值),但可見到心肌局部線粒體有溶合、變形、嵴數減少變短和局部空化,并偶見心肌肌絲輕微松散等轉變,這就很難用熱效應解釋。1973年國際微波華沙會議曾建議1mW/cm2以下為非熱效應,1~10mW/cm2為非熱效應和熱效應的復合作用,10mW/cm2以上為熱效應作用,這與我科等所進行的實驗中,各微波場強組小白鼠體溫轉變和心肌超微結構轉變有相符之處。因此可以認為從微波衛生防護和微波臨床應用出發,應考慮到微波的熱作用和非熱作用的生物效應因素。

三、生理作用和治療作用 

(一)生理作用 

1.對心臟血管系統的作用 

(1)大多數實驗研究證明治療劑量的微波對心臟有擬迷走神經作用(心跳變慢、心電圖R波T波幅度下降,P-R間期延長,房室傳導延長和血壓下降等)。小劑量能改進冠狀動脈供血情況和改進心肌窒息時的血循環。但過大劑量照射對心臟有損害作用。 

(2)組織溫度升高、增強血液循環,血流量可增加50%左右。用80mW/cm2的微波輻射兔耳時可見到迅速的充血現象;作用于人手指甲皺時,可見到微血管擴張和血運加速;輻射狗的后肢,肌肉內的靜脈血增加104%。用微熱熱量微波10~15分鐘作用心區,可使高血壓患者血壓下降,心肌供血改進。

2.對血液及免疫效用的影響 

大劑量微波有抗凝作用,小劑量對血小板和凝血時間無明顯轉變。大劑量可使紅細胞脆性增高,降低血中磷的含量,血中膽堿脂酶的活性下降。有人用3.5mW/cm2的波長10cm的脈沖微波恒久輻射豚鼠和家兔,發覺周圍血液中白細胞總數和淋巴細胞增多,紅細胞數無明顯轉變,骨髓內呈紅細胞有異常的染色質結構,核溶解和碎裂,有絲破裂異常。   

總之,由于實驗要領和條件差別關于微波輻射對血液的影響的申報頗不一致。微波輻射對機體免疫機能影響報導亦不相同。動物實驗證明,低強度的微波輻射可使嗜中性白細胞的吞噬活力下降,抗體生成嚴重受抑制。但有些作者在用微波治療肺炎患者過程中發覺,血清中備解素,補體滴度升高,組織胺酶增加,提示微波可改進機體的非特異性免疫效用。我科與檢驗科協作應用頻率為2450MHz微波,治療劑量范疇(21.7mW/cm2-73.2mW/cm2),每日一次,每次照射15分鐘,病區局部連續照射25~30次,憑據治療前后細胞免疫、體液免疫和總補體、白細胞數檢測,無明顯差別,而所治患者均獲得良好療效,并未出現不良反響。 3.對神經系統影響   

短期中、小劑量加強大腦興奮過程,恒久大劑量增強抑制,均可引起腦電圖和條件反射轉變。直接照射動物頭部,小劑量引起暫時充血和線粒體等細胞轉變,大劑量則有損害作用。恒久輻射可使大腦皮質細胞活動能力減弱。用非致熱功率的微波永久輻射實驗動物,可引起鞘磷脂和神經膠質代謝紊亂,在大腦白質和小腦中出現異染性球形小體,神經膠質細胞增生。恒久接受超出允許劑量微波輻射的人員,可有中樞神經系統機能紊亂,體現為頭痛、頭暈、易疲勞、記憶力減退、勞動能力減弱、睡眠障礙等??陀^檢查見腱反射減弱,手震顫,皮溫過高,以及心動徐緩,血壓顛簸等。但一些美國學者曾對雷達勞動人員進行觀察,并未發覺以上異?,F象,認為微波輻射不引起神經系統障礙。對植物神經可引起擬迷走神經的作用,能降低周圍神經興奮性和減弱支配肌張力的γ纖維的興奮和傳導效用,有緩解肌肉痙攣和止痛作用。  

4.對生殖系統影響  

睪丸由于血液循環較差,對微波特別敏感,當微波輻射使睪丸溫度高于35℃時****的孕育產生即受到抑制或停止,過量輻射可使曲細精管萎縮,局灶性壞死。故用微波輻射睪丸相近部位時應將睪丸屏蔽防護。據有人報導,睪丸組織允許功率密度5mW/cm2。別的有報導,大劑量照射動物卵巢時也可受到損害,失去生育效用,照射妊娠動物可致動物早產或流產?,F已有報道用微波照射睪丸進行男性避孕。 

5.對眼的影響   

由于眼球是富于水分和多層介面的組織,血循環差,容易積熱,大劑量或恒久輻射微波后玻璃體和晶體出現渾濁,有人認為,可能由于微波作用后眼球組織溫度升高使眼部焦磷酸酶、三磷酸腺苷酶活性降低有關。用180mW/cm2的微波作用于動物的眼球時,可導致晶體的渾濁和白內障,同時發覺眼睛的焦磷酸酶和三磷酸腺苷酶的活性下降;晶體內細胞的抗壞血酸、DNA的合成及細胞核的有絲破裂都產生轉變;微波作用后,晶體中的電解質和水分增加,細胞膜的滲透性產生轉變。一般認為形成晶體損害的臨界微波功率密度為100mW/cm2;當晶體內溫度達44℃時,便形成白內障。有人用兔子作實驗證明,如果動物處于低溫狀態下,即使到達致白內障的強度和時間也不引起白內障。但小劑量照射未見到損害作用,國外報導利用小劑量治療某些眼病有良好作用。應用微波治療眼病時特別要注意用小劑量。  

6.對呼吸系統影響     

小劑量微波作用于肺部時發覺呼吸變慢,肺輕度充血,肺泡間隙有少量白細胞浸潤,微波對肺炎有治療作用。據國外報導,中、小劑量微波對小兒急性肺炎、遷延性肺炎、哮喘性支氣管炎有良好效果。   

7.對消化系統的影響  

在治療劑量下,發覺微波能夠加強實驗動物胃腸的吸收效用,對排泄和排空效用亦有調理作用,使胃蠕動減慢,胃的全酸和游離酸均見減少,當排泄和排空效用亢進時,微波的調理作用更為明顯。但由于胃腸等空腔器官的調理機能較差,對熱敏感,因此,不可用較大劑量微波治療,不然可引起損傷。對肝臟作用,小劑量可引起充血反響,大劑量輻射亦有損害作用。 

8.對內排泄系統影響 

國外報導動物實驗接納微波一次或多次短時間(30分鐘)3mW/cm2照射動物能使動物甲狀腺效用增高。有人用1~10mW/cm2微波恒久照射動物,引起甲狀腺和內排泄活動增高,甲狀腺濃集放射性碘的能力明顯增強。有人認為這可能是由于微波刺激了下丘腦垂體效用使垂體的促甲狀激素增加之故。另有人研究報導,微波能夠增強腎上腺皮質激素的合成。以治療劑量的微波輻射關節病和皮膚病患者的腎上腺投影區,可使腎上腺皮質效用增強,血中抗炎激素增加,促炎激素減少,尿中兒茶酚胺排出減少,電解質代謝轉為正常,提示交感-腎上腺系統的機能狀態得到改進。 

9.對細胞染色體和核有絲破裂的影響  

用波長為10厘米,功率密度為3~7mW/cm2的微波,直接作用于人的淋巴細胞和猴的腎細胞培養物時,便可見到細胞染色體產生畸變和核有絲破裂的異?,F象;如將波長為10厘米,功率密度為10mW/cm2的微波,作用于動物的眼球角膜時,便可發覺角膜的上皮細胞產生有絲破裂的轉變,這些現象對研究微波細胞學和遺傳學將有密切關系。   

10.對炎癥過程的影響    

微波對亞急性、慢性及急性炎癥有抗炎作用,這是因為:

(1)微波降低與炎癥過程的始動機制有關的致炎介質,如用微熱量和溫熱量作用后炎癥組織和血液中增高的組織胺、加壓素、緩激素肽等含量降低。但高熱量微波可增加體內致炎介質的含量并使炎癥過程惡化。

(2)降低微循環、微血管增高的通透性。發炎反響與微血管通透性增高的微血管反響有關,微血管細胞損傷及其通透性增高是受致炎介質影響的結果。微波(分米波和厘米波)作用后,這些活性物質在組織和器官內的含量減少,導致增高的組織通透性降低,使炎癥過程的產生逆轉。

(3)使局部血管擴張,血流加速,使組織內吸收加快。

(4)微波在抗炎中除對異化過程的抑制性影響外,對同化過程有激活作用。有人發覺,微波在不使細胞結構升溫的劑量下,對細胞的氧化-還原過程有刺激和使之正?;淖饔?。

因此,有人認為對決定發炎水平的那些過程的抑制作用,對適應系統的激活和修復過程的刺激作用,是應用微熱量微波抗炎作用的基礎。

 

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