Анализ объектов электростимуляции
Характерной особенностью скелетной мышцы, как и всякой живой ткани, является ее возбудимость, проявляющаяся в способности к специфической реакции - сокращению в ответ на раздражение. Мышцы состоят из пучков мышечных волокон. Число мышечных волокон у человека достигает 270млн.
Обычно мышечные волокна сокращаются тогда, когда к ним приходит сигнал от нервной системы, а именно от альфа-мотонейронов спинного мозга, мотонейрон и его аксон с ответвлениями и иннервируемыми мышечными волокнами называется нейромоторной как тоническими, так и физическими мотонейронами. Тонические мотонейроны связаны с мышечными волокнами, которые сокращаются медленнее, а физические - с волокнами, укорочение которых наступает быстрее. Иными словами, быстрые волокна образуют двигательные элементы (ДЕ), которые дают титаническое сокращение при более высокой частоте следования импульсов, чем тонические, и развивают большее напряжение. При одной и той же частоте следования электрических сигналов быстрые волокна скорее утомляются. Тонические ДЕ выполняют длительную, не слишком интенсивную работу, а физические функционируют кратковременно, но развивают большую мощность. Имеется относительно небольшое число ДЕ с промежуточными свойствами.
Единственная мышца, в которой наблюдались не только с линейной зависимостью частоты от напряжения, - это круговая мышца глаза. Насыщение наступает при разных частотах: в мышцах лица частота насыщения наиболее высокая, в мышцах руки - средняя, а в мышцах ноги - самая низкая. Максимальная частота импульсации ДЕ с линейной зависимостью имеет соответствующие различия. Наибольший процент тонических ДЕ имеют мышцы ноги, меньший - мышцы руки, наименьший - мышцы головы. В общем ДЕ мышцы лица отличаются большей частотой импульсации по сравнению о мышцами руки и ноги.
При электростимуляции следует учитывать, что наиболее чувствительны к раздражению двигательные нервные терминалы. При разработке аппаратов для электростимуляции скелетной мускулатуры, так же как и для стимуляции других тканей и органов, необходимо знать особенности процессов, протекающих в зоне стимуляционного воздействия, в том числе процессов, связанных с изменением междуэлектродного сопротивления. Последнее, как правило, зависит от множества факторов, рассмотрение которых здесь предоставляется нам полезным.
Сопротивление кожи и подкожных тканей существенно различаются. Участки мышечной ткани, находящейся под биполярными электродами, условно можно считать гомогенными, однако различные органы и части тела нельзя характеризовать одинаковыми значениями удельного сопротивления, так как между далеко расположенными электродами оказываются разнородные ткани и органы. Это важно учитывать при разработке методов электростимуляции, так как целесообразно биполярное наложение пары электродов одного канала электростимулятора на стимулируемую мышцу и нежелательно (даже недопустимо) их разнесение на разные группы мышц и тем более на одноименные мышцы с противоположных сторон тела.
Сопротивление междуэлектродной цепи зависит от силы тока. Эта зависимость сходна с соответствующей зависимостью в электролите: чем меньше плотность тока, тем больше сопротивление цепи. Например, было установлено, что при частоте синусоидального тока 12кГц, площади электродов 1 см2, междуэлектродном расстоянии 2см и силе тока 50мкА сопротивление кожи составляло 312 ± 14Ом, а при силе тока 100мкА- 283±11 Ом (исследовано 28 здоровых мужчин[9]).
Полное сопротивление Z кожи и лежащих под нею тканей состоит из активного R и реактивного (емкостного) Хс сопротивлений, которые зависят от емкости С. R - это омическое сопротивление кожи и электролитов подкожных тканей, С - сумма емкости клеток ткани и поляризационной емкости, образующейся на границе тканей с различными удельными сопротивлениями. Поэтому при изменении частоты пропускаемого синусоидального тока электрические характеристики исследуемого участка тела человека изменяются. Разность электрических параметров жидких и клеточных фаз организма максимальна на частотах порядка сотен герц [5].
На низких частотах энергия стимулирующих сигналов в основном приходится на кожу, где расположено много различных рецепторов, при раздражении которых у человека появляется ощущения дискомфорта. При повышении частоты увеличивается емкостная проводимость (соответственно изменяется сдвиг фаз), за счет чего уменьшается падение напряжения на роговом слое кожи и вое большая часть энергии приходится на внутренние ткани. Участки поверхности кожи с толстым роговым слоем обладают в норме наибольшим активным сопротивлением и наименьшей емкостью. Опубликованы данные[9] о результатах измерения у 104 здоровых лиц обоего пола полного сопротивления и фазового угла. Электродами служили два диска из нержавеющей стали диаметром 2см, расстояние между их центрами составляло 4см. Полное сопротивление в полосе частот от 1 до 20кГц снижалось в среднем от 6487 до 507 Ом, составляя (1880 ± 468) Ом при частоте 4кГц. Фазовый угол при этом уменьшался от 75 до 57° и составлял 73.5±3.6°. Удаление порового слоя кожи снижало полное сопротивление при частоте 4кГц до 304±54Ом и фазовый угол до 10±1.8°.