Імпульсний струм, який застосовується при електростимуляції
Лабораторні роботи №№ 14, 15
1. Ремізов А.Н. Медична та біологічна фізика, «Вища школа». М. 1987 гл. 15, 18, і 19.
2. Ливенцев Н.М. Курс фізики, «Вища школа». М. 1978 р гл. 6, 27, 28.
3. Губанов Н.І. Утепбергенов А.А. Медична біофізика, «Медицина». М. 1978 р гл. 9.
1. Що таке електричний струм? Умови його існування.
2. Закон Ома для ділянки кола. Закон Ома для повного кола.
3. Що таке щільність струму? Як вона знаходиться?
4. Що таке імпульс, імпульсний струм?
5. Назвіть основні характеристики імпульсу, імпульсного струму.
6. Дайте визначення змінного струму. Запишіть рівняння синусоїдального струму.
7. Електроліт як провідник електричного струму.
8. Від чого залежить провідність електроліту?
9. Що таке електрична ємність? Від чого вона залежить?
10. Чим обумовлені ємнісні властивості біологічних тканин?
11. Як впливають ємнісні властивості тканин на проходження імпульсного струму?
12. Що таке повне опір в колі змінного струму?
13. Від чого залежить електропровідність біологічних тканин?
14. Еквівалентна електрична схема біологічних тканин (з поясненнями).
15. Як залежить опір місткості від частоти змінного струму?
16. Закон Джоуля-Ленца.
17. Чи можна апарати для низькочастотної електротерапії застосовувати для прогрівання біологічних тканин (відповідь обгрунтувати з використанням відповідних законів).
Роздратування електричним струмом певного характеру і сили у більшій частині органів і тканин викликає таку ж реакцію, як і природне збудження. Крім того, цей вплив можна строго дозувати як за силою, так і за часом. Це широко використовується у фізіології і медицині. У фізіології при вивченні збудливості різних органів і тканин, переважно нервової і м'язової, в медицині - при недостатності або порушенні природної функції тих чи інших органів і систем.
Використання дратівної дії електричного струму з метою зміни функціонального стану клітин, органів і тканин називається електростимуляцією.
Результат дії змінного струму на живу біологічну тканину залежить не тільки від його амплітудних значень, але і від частоти, форми і тривалості імпульсів. Так при високих частотах (500кГц і більше) електричний струм має в основному тепловою дією, а при низьких і звукових - дратівливим.
Для обговорення цього питання ми повинні пам'ятати, що біологічна тканина має властивість як провідника, так і діелектрика. В основі дратівної дії електричного струму лежить рух заряджених частинок тканинних електролітів (виникають струми зміщення і провідності). При цьому переміщення вільних іонів, що знаходяться поза клітиною, не обмежена. Вільні іони всередині клітинної середовища можуть переміщатися лише в обсязі обмеженому плазматичноїмембраною. Зсув же пов'язаних зарядів, під дією електричного поля, обмежена розмірами атома або молекули.
Досвід показує, що постійний струм в допустимих межах дратівної дії на тканини організму не робить. Роздратування виникає лише при зміні сили струму, причому, сила роздратування залежить від швидкості цієї зміни і його миттєвих значень (закон Дюбуа-Раймона).
І якщо сила струму є заряд, що проходить через поперечний переріз провідника за одиницю часу,
то змінює сила струму може бути представлена виразом:
Отже, подразнюючу дію електричного струму на біологічну тканину можна пов'язати з прискореним рухом заражених частинок під дією електричного поля.
На практиці для цих цілей використовуються електричні імпульси (короткочасна дія сили струму або напруги). (*) При цьому вплив здійснюється як одиночними, так і повторюваними імпульсами - імпульсним струмом. Експериментально встановлено, що в момент замикання електричного кола (постійний або імпульсний струми) найбільше подразнюючу дію виникає у негативного електрода (катода), а найменше - у позитивного (анода). Це обумовлено зменшенням порога збудливості клітини. Тому при електростимуляції імпульсними струмами катод прийнято вважати активним електродом.
(*) Електричними імпульсами називаються короткочасні зміни cіли струму або напруги. Загальний вигляд електричного імпульсу представлений на рис. 1а, прямокутного імпульсу - на рис. 1b. Характеристиками імпульсу є: 1-2 - передній фронт, 2-3 - вершина, 3-4 - зріз (задній фронт). На рис. 1а позначені: tф - тривалість переднього фронту імпульсу; tи - тривалість імпульсу; tср - тривалість заднього фронту. Ставлення зміни напруги або сили струму до часу, за яке ця зміна відбулася
називають крутизною фронту імпульсу. Як неважко помітити, швидкість наростання (крутизна) переднього фронту прямокутного імпульсу (рис. 1b) максимальна (в ідеальному випадку має нескінченно велике значення).
Подразнюючу дію імпульсів тісно пов'язане з їх характеристикою. Відповідно до закону Дюбуа-Раймона, подразнюючу дію одиночного імпульсу залежить від швидкості наростання його миттєвих значень, т. Е. Від крутизни його переднього фронту. Цю залежність пов'язують з аккомодаціей- здатністю збудливих тканин підвищувати свій поріг збудження (пристосовуватися) до наростаючої силі дратівної фактора. Вона виражається в зниженні порога відчутного струму (iп) при збільшенні крутизни переднього фронту одиночного досить тривалого імпульсу. Таким чином, найбільшою дратівливою здатністю повинен володіти імпульс струму, передній фронт якого має максимальну швидкість наростання, тобто імпульс прямокутної форми, найменшою - лінійно наростаючий струм. Іншими словами, граничний струм для прямокутного імпульсу нижче, ніж для імпульсів будь-який інший форми (рис. 1b і рис. 2).
1 tф 2 3 tср 4 t tі-- t
Мінімальний кут нахилу () лінійно наростаючої струму, який ще здатний викликати процес збудження, отримав назву критичного кута нахилу або мінімального градієнта. Він відображає швидкість зміни струму і визначається в одиницях реобаза / c або мА / с.
Факт відсутності роздратування, при повільно наростаючому в часі дії подразника, пояснюється тим, що в мембранах клітин збудливих тканин відбувається перебудова фосфоліпідних утворень, що призводить до появи натрієвої інактивації, тобто закриття натрієвих каналів.
Мал. 2. Порогова сила струму при різній швидкості наростання переднього фронту лінійно наростаючої струму. Найменша граничне значення для переднього фронту прямокутного імпульсу - цифра 1.
Процес натрієвої інактивації без попередньої натрієвої активації, спрямований проти виникнення процесу збудження, при повільно наростаючою в часі силі подразника, отримав назву «акомодація».
Чим швидше настає акомодація, тим більше кут () критичного нахилу (рис. 2) і, навпаки, при повільній реакції клітин - кут () малий. У нормі нервова тканина має властивість швидкої акомодації, щодо повільної акомодацією володіє гладка мускулатура. Слід зазначити, що здатність до акомодації у збудливих тканин залежить від їх функціонального стану. Так у патологічно зміненої м'язової тканини швидкість натрієвої інактивації знижується. Для них більш фізіологічними при електростимуляції будуть імпульси струму з відповідним характером реакції клітин поступово наростаючим переднім фронтом (наростання переднього фронту може мати залежність відмінну від лінійної, наприклад, експонентну).
Дія на тканини ритмічно повторюваних імпульсів називається частотним роздратуванням. Воно дозволяє виявити здатність тканини давати оптимальну реакцію на дію дратівної фактора в певних межах частоти його повторення. Ця здатність названа Н.Є. Введенським лабільністю або функціональної рухливістю. Визначення лабільності здійснюється шляхом спостереження характеру реакції при різній частоті дратівливих імпульсів.
При електростимуляції, як лікувальний метод, частіше використовується частотне роздратування імпульсами в формі посилок різної тривалості з паузами для відпочинку. Однак, щоб процедура не завдавала шкоди і мала хороший ефект, характеристики імпульсів такі, як: амплітуда, тривалість, частота і форма, повинні відповідати стану тканин. Наприклад, для уражених м'язів опорно-рухового апарату «фізіологічні» будуть більш тривалі імпульси з поступово наростаючим переднім фронтом і значно більш низькою частотою, ніж для здорових. Виявлення цього важливого відповідності проводиться за допомогою електродіагностики. При електродіагностики досліджується характер реакції тканин на електричне роздратування з різними параметрами (одиночні імпульси різної тривалості і форми, ритмічне роздратування різної частоти і т.п.). При цьому є можливість одночасно встановити причину і ступінь їх ураження. Параметри імпульсів або імпульсного струму, що дають оптимальну реакцію на роздратування, використовуються потім для проведення лікувальних процедур.
Для уникнення хімічного опіку електростимуляція проводиться за допомогою накладених на тіло електродів з прокладкою, змоченою фізіологічним розчином (0,9% NaCl). При цьому активний електрод має невелику площу (точковий електрод), що дозволяє зосередити подразнюючу дію струму на невеликих ділянках тіла, подразнення яких найбільш ефективно в даному випадку (точки, в яких нервові волокна розташовані близько до поверхні тіла, точки входження нервового волокна в м'яз і ін.).
Імпульсний струм, який застосовується при електростимуляції
Електростимуляція (кардиостимуляция, стимуляція опорно-рухового апарату та ін.) В її пряме призначення - один з напрямків використання імпульсних струмів. Однак в сучасній електротерапії імпульсні струми широко використовуються також при лікуванні нервових захворювань, захворювань, пов'язаних з порушенням обміну речовин, при розладах периферичного кровообігу, больових синдромах і т.д. Для цих цілей, крім розглянутих простих форм імпульсів (рис.3), використовуються синусоидально-імпульсний струм низької частоти (іноді його називають діадинамічних) (рис. 4), синусоидально модульований струм звукової частоти і модульований струм ультразвукової частоти.
На рис. 3 показані деякі графіки імпульсного струму, що застосовується при електростимуляції центральної нервової системи і м'язів.
Синусоидально-модульований струм являє собою несучу - змінний або випрямлений струм звукової (4000 - 5000Гц) або ультразвукової частоти, модульовану по амплітуді частотою від 30 до 150Гц (рис. 5).
Для отримання синусоидально-модульованого струму звукової частоти використовуються спеціальні апарати типу «Ампліпульс».
Використання модульованих струмів підвищеної частоти в апаратах типу «Ампліпульс» обумовлено високим опором живої тканини (особливо шкіри) струмів низької частоти. Завдяки застосуванню високочастотного струму, він, при незначному опорі з боку шкіри, глибоко проникає в тканини (ємнісні властивості). Подразнюючу дію при цьому надає його низькочастотна модулирующая складова. В апаратах ампліпульстерапії є чотири частоти амплітудної модуляції несучої: 30, 50, 100 і 150Гц.
Для зменшення явища адаптації і тим самим підвищення ефективності впливу вдаються до автоматичного чергуванню модульованих коливань з паузами, модульованого і немодулированного коливань, чергуванню 2-х різних модулюючих частот. При використанні випрямленого струму (див. Рис. 5) електростімулірующее вплив можна одночасно супроводжувати лікувальним електрофорезом. Крім того, ступеневу зміна в апараті глибини модуляції несучої від 0 до> 100% дозволяє змінювати силу впливу на біологічну тканину і тим самим управляти лікувальним процесом.
В апаратах «Іскра» несуча має ультразвукову частоту (
110кГц і більше), а модуляція здійснюється струмом низької частоти не синусоїдальної форми (рис. 10).
Незважаючи на те, що в апараті «Іскра» використовується високочастотна несуча цей метод також можна віднести до низькочастотної електротерапії, так як струм високої частоти, що протікає в ланцюзі пацієнта (
20мкА), помітного теплового ефекту викликати не може (див. Закон Джоуля-Ленца).
Лабораторна робота №14