Импульсный ток, применяемый при электростимуляции
Физические основы низкочастотной электротерапии
Лабораторные работы №№ 14, 15
Литература
1. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика, «Высшая школа». М., 1987 г., гл. 15, 18, и 19.
2. Ливенцев Н.М. Курс физики, «Высшая школа». М., 1978 г., гл. 6, 27, 28.
3. Губанов Н.И., Утепбергенов А.А. Медицинская биофизика, «Медицина». М., 1978 г., гл. 9.
4. Medizinische Physik (Physik fur Mediziner, Pharmazeuten und Biologen). Springer – Verlag Wien New York 1992.
Контрольные вопросы
1. Что такое электрический ток? Условия его существования.
2. Закон Ома для участка цепи. Закон Ома для полной цепи.
3. Что такое плотность тока? Как она находится?
4. Что такое импульс, импульсный ток?
5. Назовите основные характеристики импульса, импульсного тока.
6. Дайте определение переменного тока. Запишите уравнение синусоидального тока.
7. Электролит как проводник электрического тока.
8. От чего зависит проводимость электролита?
9. Что такое электрическая емкость? От чего она зависит?
10. Чем обусловлены емкостные свойства биологических тканей?
11. Как влияют емкостные свойства тканей на прохождение импульсного тока?
12. Что такое полное сопротивление в цепи переменного тока?
13. От чего зависит электропроводность биологических тканей?
14. Эквивалентная электрическая схема биологических тканей (с пояснениями).
15. Как зависит емкостное сопротивление от частоты переменного тока?
16. Закон Джоуля-Ленца.
17. Можно ли аппараты для низкочастотной электротерапии применять для прогревания биологических тканей (ответ обосновать с использованием соответствующих законов).
Краткая теория
Раздражение электрическим током определенного характера и силы у большей части органов и тканей вызывает такую же реакцию, как и естественное возбуждение. Кроме того, это воздействие можно строго дозировать как по силе, так и по времени. Это широко используется в физиологии и медицине. В физиологии при изучении возбудимости различных органов и тканей, преимущественно нервной и мышечной, в медицине - при недостаточности или нарушении естественной функции тех или иных органов и систем.
Использование раздражающего действия электрического тока с целью изменения функционального состояния клеток, органов и тканей называется электростимуляцией.
Результат действия переменного тока на живую биологическую ткань зависит не только от его амплитудных значений, но и от частоты, формы и длительности импульсов. Так при высоких частотах (500кГц и более) электрический ток обладает в основном тепловым действием, а при низких и звуковых - раздражающим.
Для обсуждения этого вопроса мы должны помнить, что биологическая ткань обладает свойством как проводника, так и диэлектрика. В основе раздражающего действия электрического тока лежит движение заряженных частиц тканевых электролитов (возникают токи смещения и проводимости). При этом перемещение свободных ионов, находящихся вне клетки, не ограничено. Свободные ионы внутри клеточной среды могут перемещаться лишь в объеме ограниченном плазматической мембраной. Смещение же связанных зарядов, под действием электрического поля, ограничено размерами атома или молекулы.
Опыт показывает, что постоянный ток в допустимых пределах раздражающего действия на ткани организма не оказывает. Раздражение возникает лишь при изменении силы тока, причем, сила раздражения зависит от скорости этого изменения и его мгновенных значений (закон Дюбуа-Раймона).
И если сила тока есть заряд, проходящий через поперечное сечение проводника в единицу времени,
(1)
то изменяющая сила тока может быть представлена выражением:
(2)
Следовательно, раздражающее действие электрического тока на биологическую ткань можно связать с ускоренным движением зараженных частиц под действием электрического поля.
На практике для этих целей используются электрические импульсы (кратковременное действие силы тока или напряжения). (*)При этом воздействие осуществляется как одиночными, так и повторяющимися импульсами - импульсным током. Экспериментально установлено, что в момент замыкания электрической цепи (постоянный или импульсный токи) наибольшее раздражающее действие возникает у отрицательного электрода (катода), а наименьшее - у положительного (анода). Это обусловлено уменьшением порога возбудимости клетки. Поэтому при электростимуляции импульсными токами катод принято считать активным электродом.
(*)Электрическими импульсами называются кратковременные изменения cилы тока или напряжения.Общий вид электрического импульса представлен на рис. 1а, прямоугольного импульса - на рис. 1b. Характеристиками импульса являются: 1-2 - передний фронт, 2-3 - вершина, 3-4 - срез (задний фронт). На рис. 1а обозначены: tф - длительность переднего фронта импульса; tи - длительность импульса; tср - длительность заднего фронта. Отношение изменения напряжения или силы тока ко времени, за которое это изменение произошло
dU/dt = (0.9Umax - 0.1Umax) /tф= 0.8 Umax / tф или (3)
dU/dt = (0.9Umax - 0.1Umax) /tср= 0.8 Umax /tср,
называют крутизной фронта импульса. Как несложно увидеть, скорость нарастания (крутизна) переднего фронта прямоугольного импульса (рис. 1b) максимальна (в идеальном случае имеет бесконечно большое значение).
Раздражающее действие импульсов тесно связано с их характеристикой. Согласно закону Дюбуа-Раймона, раздражающее действие одиночного импульса зависит от скорости нарастания его мгновенных значений, т. е. от крутизны его переднего фронта. Эту зависимость связывают с аккомодацией - способностью возбудимых тканей повышать свой порог возбуждения (приспосабливаться) к нарастающей силе раздражающего фактора. Она выражается в снижении порога ощутимого тока (iп) при увеличении крутизны переднего фронта одиночного достаточно длительного импульса. Таким образом, наибольшей раздражающей способностью должен обладать импульс тока, передний фронт которого имеет максимальную скорость нарастания, т.е. импульс прямоугольной формы, наименьшей - линейно нарастающий ток. Иными словами, пороговый ток для прямоугольного импульса ниже, чем для импульсов любой другой формы (рис. 1b и рис. 2).
U
Umax
0.9Umax U,I
0.1Umax
1 tф 2 3 tср 4 t tи t
a) tи b)
Рис. 1.
Минимальный угол наклона ( ) линейно нарастающего тока, который еще способен вызвать процесс возбуждения, получил название критического угла наклона или минимального градиента. Он отражает скорость изменения тока и определяется в единицах реобаза/c или мА/с.
Факт отсутствия раздражения, при медленно нарастающем во времени действии раздражителя, объясняется тем, что в мембранах клеток возбудимых тканей происходит перестройка фосфолипидных образований, приводящая к появлению натриевой инактивации, т.е. закрытию натриевых каналов.
Iп
4
3
2
1
tф
Рис. 2. Пороговая сила тока при различной скорости нарастания переднего фронта линейно нарастающего тока. Наименьшее пороговое значение для переднего фронта прямоугольного импульса - цифра 1.
Процесс натриевой инактивации без предварительной натриевой активации, направленный против возникновения процесса возбуждения, при медленно нарастающей во времени силе раздражителя, получил название «аккомодация».
Чем быстрее наступает аккомодация, тем больше угол ( ) критического наклона (рис. 2) и, наоборот, при медленной реакции клеток - угол ( ) мал. В норме нервная ткань обладает свойством быстрой аккомодации, относительно медленной аккомодацией обладает гладкая мускулатура. Следует отметить, что способность к аккомодации у возбудимых тканей зависит от их функционального состояния. Так у патологически измененной мышечной ткани скорость натриевой инактивации снижается. Для них более физиологическими при электростимуляции будут импульсы тока с соответствующим характеру реакции клеток постепенно нарастающим передним фронтом (нарастание переднего фронта может иметь зависимость отличную от линейной, например, экспоненциальную).
Действие на ткани ритмически повторяющихся импульсов называется частотным раздражением. Оно позволяет выявить способность ткани давать оптимальную реакцию на действие раздражающего фактора в определенных пределах частоты его повторения. Эта способность названа Н.Е. Введенским лабильностью или функциональной подвижностью. Определение лабильности осуществляется путем наблюдения характера реакции при различной частоте раздражающих импульсов.
При электростимуляции, как лечебном методе, чаще используется частотное раздражение импульсами в форме посылок различной длительности с паузами для отдыха. Однако, чтобы процедура не наносила вреда и имела хороший эффект, характеристики импульсов такие, как: амплитуда, длительность, частота и форма, должны соответствовать состоянию тканей. Например, для пораженных мышц опорно-двигательного аппарата «физиологичны» будут более длительные импульсы с постепенно нарастающим передним фронтом и значительно более низкой частотой, чем для здоровых. Выявление этого важного соответствия проводится при помощи электродиагностики. При электродиагностике исследуется характер реакции тканей на электрическое раздражение с различными параметрами (одиночные импульсы разной длительности и формы, ритмическое раздражение различной частоты и т.п.). При этом имеется возможность одновременно установить причину и степень их поражения. Параметры импульсов или импульсного тока, дающие оптимальную реакцию на раздражение, используются затем для проведения лечебных процедур.
Для избежания химического ожога электростимуляция проводится при помощи наложенных на тело электродов с прокладкой, смоченной изотоническим раствором (0,9% NaCl). При этом активный электрод имеет небольшую площадь (точечный электрод), что позволяет сосредоточить раздражающее действие тока на небольших участках тела, раздражение которых наиболее эффективно в данном случае (точки, в которых нервные волокна расположены близко к поверхности тела, точки вхождения нервного волокна в мышцу и др.).
Импульсный ток, применяемый при электростимуляции
Электростимуляция (кардиостимуляция, стимуляция опорно-двигательного аппарата и др.) в ее прямом назначении - одно из направлений использования импульсных токов. Однако в современной электротерапии импульсные токи широко используются также при лечении нервных заболеваний, заболеваний, связанных с нарушением обмена веществ, при расстройствах периферического кровообращения, болевых синдромах и т.д. Для этих целей, кроме рассмотренных простых форм импульсов (рис.3), используются синусоидально-импульсный ток низкой частоты (иногда его называют диадинамическим) (рис. 4), синусоидально модулированный ток звуковой частоты и модулированный ток ультразвуковой частоты.
На рис. 3 показаны некоторые графики импульсного тока, применяемого при электростимуляции центральной нервной системы и мышц.
I I
a) t b) t
I I
c) t d) t
Рис. 3. Импульсные токи: а) прямоугольная форма; b) треугольная;
c) экспоненциальная; d) линейно-нарастающая.
U,В
t, ms
t, ms
t, ms
t, ms
Рис. 4.
Диадинамический ток представляет собой импульсы частотой 50÷ 100Гц одной полярности по форме близкие к полупериоду синусоиды. Длительность импульса при частоте 50Гц составляет 0.02с, а при частоте 100Гц - 0.01с.
Рис.5.
Синусоидально-модулированный ток представляет собой несущую - переменный или выпрямленный ток звуковой (4000 - 5000Гц) или ультразвуковой частоты, модулированную по амплитуде частотой от 30 до 150Гц (рис. 5).
Для получения синусоидально-модулированного тока звуковой частоты используются специальные аппараты типа «Амплипульс».
Использование модулированных токов повышенной частоты в аппаратах типа «Амплипульс» обусловлено высоким сопротивлением живой ткани (особенно кожи) токам низкой частоты. Благодаря применению высокочастотного тока, он, при незначительном сопротивлении со стороны кожи, глубоко проникает в ткани (емкостные свойства). Раздражающее действие при этом оказывает его низкочастотная модулирующая составляющая. В аппаратах амплипульстерапии имеется четыре частоты амплитудной модуляции несущей: 30, 50, 100 и 150Гц.
Для уменьшения явления адаптации и тем самым повышения эффективности воздействия прибегают к автоматическому чередованию модулированных колебаний с паузами, модулированного и немодулированного колебаний, чередованию 2-х различных модулирующих частот. При использовании выпрямленного тока (см. рис. 5) электростимулирующее воздействие можно одновременно сопровождать лечебным электрофорезом. Кроме того, ступенчатое изменение в аппарате глубины модуляции несущей от 0 до >100% позволяет изменять силу воздействия на биологическую ткань и тем самым управлять лечебным процессом.
В аппаратах «Искра» несущая имеет ультразвуковую частоту (~ 110кГц и более), а модуляция осуществляется током низкой частоты не синусоидальной формы (рис. 10).
Несмотря на то, что в аппарате «Искра» используется высокочастотная несущая этот метод также можно отнести к низкочастотной электротерапии, так как ток высокой частоты, протекающий в цепи пациента (~20мкА), заметного теплового эффекта вызвать не может (см. закон Джоуля-Ленца).
Лабораторная работа №14