Prądy impulsowe w medycynie. Wykorzystanie prądu impulsowego. Mechanizm działania i efekt

W ostatnie czasy do celów diagnostycznych i terapeutycznych stosuje się przerywany prąd stały w postaci oddzielnych wstrząsów (impulsów) z przerwami między nimi, tak zwany prąd pulsacyjny.

Każdy impuls charakteryzuje się określonym czasem trwania t, po którym następuje przerwa t 0 , które razem składają się na okres T.

Prądy impulsowe wyróżnia:

• a) kształt impulsów;
• b) częstotliwość powtarzania impulsów na sekundę (wyrażona w hercach - Hz);
• c) czas trwania każdego impulsu (wyrażony w milisekundach - msek).

Podczas galwanizacji powolny wzrost natężenia prądu, powodujący stopniową zmianę stężenia jonów w komórkach, w warunkach adaptacji tkankowej, prowadzi do łagodnego podrażnienia zakończeń nerwowych. Skurcz mięśni nie występuje; jeśli prąd jest szybko włączany i wyłączany, obserwuje się skurcz mięśni. Można to wytłumaczyć pewnym przemieszczeniem jonów i opóźnieniem procesów dyfuzji przy krótkotrwałych impulsach prądu. Stopień zmiany stężenia jonów zależy od siły prądu i czasu jego oddziaływania.

Niektóre formy impulsów prądowych były używane wcześniej w różne nazwy. Na przykład przerywany prąd galwaniczny, który uzyskano poprzez włączenie różnego rodzaju przerywaczy w obwód prądu stałego (elektroda przerywacza ręcznego, metronom przerywacza itp.). Znany był prąd Leduca z liczbą przerw 100 na sekundę (w stosunku czasu trwania obwodu do czasu trwania otwarcia 1:9), co powodowało zjawisko elektronarkozy.

Prąd faradyczny uzyskany z cewki indukcyjnej był szeroko stosowany, z częstotliwością impulsów 60-80 na sekundę i czasem trwania impulsu otwierającego 1-2 ms. (Zastosowanie prądu faradowego z cel terapeutyczny jest nazywany faradyzacja.) Ponieważ prąd faradyczny może powodować przedłużone („tężcowe”) skurcze mięśni szkieletowych, prowadzące do zmęczenia mięśni i ostatecznie do ich zaniku, do elektrycznej stymulacji mięśni zaproponowano zastosowanie okresowych przerw w przepływie prądu, tzw. faradyzacji rytmicznej , co naprzemiennie powoduje skurcz i rozluźnienie mięśni.

Obecnie głównie używany następujące typy impulsy prądowe o różnym kształcie, czasie trwania i częstotliwości.

1. Prąd z impulsami prostokątny kształt. Czas trwania każdego impulsu wynosi 0,1-1 ms przy częstotliwości 10-100 Hz. Ten rodzaj prądu wzmaga procesy hamujące w ośrodkowym układzie nerwowym i służy do uzyskania stanu podobnego do sen fizjologiczny(elektrospanie).

Urządzenie do elektrosnu jest generatorem impulsów zgodnie z obwodem lampy elektronowej. Elektrody umieszcza się na oczodołach i wyrostkach sutkowatych. Ten rodzaj ochronnego leczenia hamującego jest stosowany u niektórych choroba umysłowa, a także w chorobach związanych z upośledzeniem funkcji układu korowo-trzewnego ( wrzód trawiennyżołądka, nadciśnienie).

2. Prąd tężcowy charakteryzuje się trójkątnym kształtem impulsu. Czas trwania każdego impulsu wynosi 1-1 1/2 ms, częstotliwość wynosi 100 Hz.

Źródłem tej formy prądu są urządzenia z obwodami lampowymi.

Prąd tężcowy powoduje przedłużone skurcze mięśni poprzecznie prążkowanych, stosuje się go do elektrogimnastyki - ćwiczeń mięśni z upośledzoną funkcją.

3. Prąd wykładniczy (prąd lapikowy) ma łagodnie rosnący kształt krzywej), przypominający kształt prądów działania nerwu podczas jego stymulacji. Czas trwania impulsu od 1,6 do 60 ms. Częstotliwość impulsów można zmienić. W zależności od stopnia uszkodzenia mięśni wybierany jest również odpowiedni prąd wykładniczy. Aby uzyskać rytm skurczu - rozluźnienia mięśni stosuje się tzw. modulator. Zaletą wykładniczego przebiegu prądu jest to, że może powodować reakcja motoryczna i głębiej zaatakowanych mięśni, gdy prąd tężcowy nie. Ta forma prądu służy do stymulacji mięśni.

Źródłem prądów pulsacyjnych jest aparat AFM. Składa się z generatora impulsów krótkotrwałych, modulatora impulsów i stopnia konwertera modulacji. Oprócz form prądów tetanizujących i wykładniczych, urządzenie może być wykorzystywane do leczenia prądem stałym stałym (galwanizacja) oraz galwanizacji rytmicznej.

Urządzenie ACM służy do elektrostymulacji (elektrogimnastyki) mięśni w przypadku naruszenia ich kurczliwości. Rytmiczna stymulacja elektryczna poprawia ukrwienie i trofizm aparatu nerwowo-mięśniowego, pomaga zwiększyć objętość i zwiększyć wydolność mięśni, przywrócić przewodnictwo elementów nerwowych, korzystnie wpływa na regenerację włókien nerwowych, przyspieszając tym samym przywrócenie funkcji dotkniętych chorobą mięsień.

Stymulację elektryczną stosuje się w przypadku uszkodzeń obwodowego neuronu ruchowego (efekty resztkowe po polio, zapaleniu nerwu twarzowego, pourazowym zapaleniu nerwu, wtórnej atrofii i niedowładach powstałych z powodu długotrwałej bezczynności mięśni, porażenia czynnościowego). W celu wzmocnienia funkcji mięśni gładkich wskazana jest stymulacja elektryczna np. w atonii żołądka, jelit, pęcherza.

Fizyczne podstawy elektroterapii niskoczęstotliwościowej

Praca laboratoryjna nr 14, 15

Literatura

1. Remizov A.N. Fizyka Medyczna i Biologiczna, Szkoła Wyższa. M., 1987, rozdz. 15, 18 i 19.

2. Liventsev N.M. Kurs fizyki, Szkoła Wyższa. M., 1978, Ch. 6, 27, 28.

3. Gubanov N.I., Utepbergenov A.A. Biofizyka medyczna, „Medycyna”. M., 1978, Ch. 9.

4. Medizinische Physik (Physik fur Mediziner, Pharmazeuten und Biologen). Springer–Verlag Wiedeń Nowy Jork 1992.

pytania testowe

1. Co to jest prąd elektryczny? warunki jego istnienia.

2. Prawo Ohma dla odcinka łańcucha. Prawo Ohma dla pełnego obwodu.

3. Jaka jest gęstość prądu? Co z nią?

4. Co to jest impuls, prąd impulsowy?

5. Jakie są główne cechy impulsu, prąd impulsowy.

6. Zdefiniuj prąd przemienny. Napisz równanie dla prądu sinusoidalnego.

7. Elektrolit jako przewodnik prądu elektrycznego.

8. Od czego zależy przewodnictwo elektrolitu?

9. Co to jest pojemność elektryczna? Od czego to zależy?

10. Co decyduje o właściwościach pojemnościowych tkanek biologicznych?

11. Jak pojemnościowe właściwości tkanek wpływają na przepływ prądu pulsacyjnego?

12. Co to jest impedancja w obwodzie prądu przemiennego?

13. Od czego zależy przewodnictwo elektryczne tkanek biologicznych?

14. Równoważny obwód elektryczny tkanek biologicznych (z objaśnieniami).

15. Jak pojemność zależy od częstotliwości AC?

16. Prawo Joule'a-Lenza.

17. Czy urządzenia do elektroterapii niskoczęstotliwościowej mogą być stosowane do ogrzewania tkanek biologicznych (odpowiedź uzasadnij odpowiednimi przepisami).

Krótka teoria

Podrażnienie prądem elektrycznym o określonej naturze i sile w większości narządów i tkanek powoduje taką samą reakcję jak pobudzenie naturalne. Ponadto efekt ten można ściśle dozować zarówno pod względem siły, jak i czasu. Ma szerokie zastosowanie w fizjologii i medycynie. W fizjologii, w badaniu pobudliwości różne ciała oraz tkanki, głównie nerwowe i mięśniowe, w medycynie - w przypadku niewydolności lub naruszenia naturalnej funkcji niektórych narządów i układów.

Wykorzystanie drażniącego efektu prądu elektrycznego do zmiany stan funkcjonalny komórki, narządy i tkanki nazywamy stymulacją elektryczną.

Wynik działania prądu zmiennego na żywą tkankę biologiczną zależy nie tylko od jej wartości amplitudy, ale także od częstotliwości, kształtu i czasu trwania impulsów. Tak więc przy wysokich częstotliwościach (500 kHz lub więcej) prąd elektryczny ma głównie efekt termiczny, a przy niskich i dźwiękowych częstotliwościach jest irytujący.

Aby omówić tę kwestię, musimy pamiętać, że tkanka biologiczna ma właściwości zarówno przewodnika, jak i izolatora. Drażniące działanie prądu elektrycznego polega na ruchu naładowanych cząstek elektrolitów tkankowych (powstają prądy przemieszczenia i przewodzenia). W tym przypadku ruch wolnych jonów na zewnątrz komórki nie jest ograniczony. Wolne jony w środowisku komórki mogą poruszać się tylko w objętości ograniczonej przez błonę plazmatyczną. Przemieszczenie związanych ładunków w ramach akcji pole elektryczne, jest ograniczona wielkością atomu lub cząsteczki.

Doświadczenie pokazuje, że prąd stały nie działa drażniąco na tkanki ciała w dopuszczalnych granicach. Podrażnienie pojawia się tylko wtedy, gdy zmienia się natężenie prądu, ponadto siła podrażnienia zależy od prędkość ta zmiana i jej wartości chwilowe (prawo Dubois-Raymonda).

A jeśli aktualna siła jest ładunkiem przechodzącym przez przekrój przewodnika w jednostce czasu,

wtedy zmieniającą się siłę prądu można przedstawić za pomocą wyrażenia:

Dlatego drażniący wpływ prądu elektrycznego na tkankę biologiczną może być związany z przyspieszonym ruchem zakażonych cząstek pod działaniem pola elektrycznego.

W praktyce do tych celów wykorzystuje się impulsy elektryczne (krótkotrwałe działanie prądu lub napięcia). (*) W tym przypadku uderzenie realizowane jest zarówno impulsami pojedynczymi, jak i powtarzalnymi - prądem impulsowym. Eksperymentalnie ustalono, że w momencie zamknięcia obwodu elektrycznego (prądy stałe lub pulsacyjne) największy efekt drażniący występuje na elektrodzie ujemnej (katodzie), a najmniejszy na elektrodzie dodatniej (anodzie). Wynika to ze spadku progu pobudliwości komórki. Dlatego podczas stymulacji elektrycznej prądami pulsacyjnymi katodę uważa się za elektrodę czynną.

(*) Impulsy elektryczne to krótkotrwałe zmiany prądu lub napięcia. Forma ogólna impuls elektryczny pokazano na ryc. 1a, impuls prostokątny - na ryc. 1b. Charakterystyki impulsu to: 1-2 - krawędź natarcia, 2-3 - szczyt, 3-4 - cięcie (krawędź spływu). Na ryc. 1a zaznaczono: tf - czas trwania krawędzi natarcia impulsu; ti - czas trwania impulsu; tav to czas trwania krawędzi spływu. Stosunek zmiany napięcia lub prądu do czasu, w którym nastąpiła ta zmiana

tf = 0,8 Umax / tf lub (3)

dU/dt = (0,9Umaks. - 0,1Umaks.) / tav = 0,8 Umaks. / tav,

nazywa się stromością frontu pulsu. Łatwo zauważyć, że prędkość narastania (stromizna) krawędzi natarcia impulsu prostokątnego (rys. 1b) jest maksymalna (w idealnym przypadku ma nieskończenie dużą wartość).

Działanie drażniące impulsy są ściśle związane z ich właściwościami. Zgodnie z prawem Dubois-Raymonda, drażniący efekt pojedynczego impulsu zależy od szybkości narastania jego wartości chwilowych, tj. od stromości jego krawędzi natarcia. Ta zależność jest powiązana z zakwaterowaniem - zdolność tkanek pobudliwych do podwyższenia progu pobudzenia (dostosowania się) do wzrastającej siły czynnika drażniącego. Wyraża się to w spadek próg odczuwalnego prądu (i p) ze wzrostem nachylenia krawędzi natarcia pojedynczego wystarczająco długiego impulsu. Zatem impuls prądowy powinien mieć największą zdolność drażnienia, której krawędź natarcia ma prędkość maksymalna wzrost, tj. impuls prostokątny, najmniejszy to prąd narastający liniowo. Innymi słowy, prąd progowy dla impulsu prostokątnego jest niższy niż dla impulsów o dowolnym innym kształcie (rys. 1b i rys. 2).

U

0,9Umaks.U, ja

0,1Umaks.

1 tf 2 3 tav 4 t t i t

a)tib)

Minimalny kąt nachylenia () liniowo rosnącego prądu, który nadal może wywołać proces wzbudzenia, nazywany jest krytycznym kątem nachylenia lub minimalnym gradientem. Odzwierciedla tempo zmian prądu i jest definiowany w jednostkach reobaza/c lub mA/s.

Fakt braku podrażnienia, przy działaniu bodźca powoli narastającym w czasie, tłumaczy się tym, że w błonach komórkowych tkanek pobudliwych dochodzi do przegrupowania formacji fosfolipidowych, co prowadzi do pojawienia się inaktywacji sodu, tj. zamykanie kanałów sodowych.

Ip

1

Ryż. 2. Progowa siła prądu przy różnych szybkościach narastania krawędzi natarcia liniowo rosnącego prądu. Najmniejszą wartością progową dla przedniej krawędzi impulsu prostokątnego jest liczba 1.

Proces unieczynniania sodu bez uprzedniej aktywacji sodu, skierowany przeciwko wystąpieniu procesu wzbudzenia, z siłą bodźca powoli rosnącą w czasie, nazwano „akomodacją”.

Im szybciej następuje akomodacja, tym większy kąt () nachylenia krytycznego (ryc. 2) i odwrotnie, przy wolnej reakcji komórek kąt () jest mały. Zwykle tkanka nerwowa ma właściwość szybkiej akomodacji, podczas gdy mięśnie gładkie mają stosunkowo powolną akomodację. Należy zauważyć, że zdolność akomodacji tkanek pobudliwych zależy od ich stanu funkcjonalnego. Tak więc w patologicznie zmienionej tkance mięśniowej zmniejsza się szybkość inaktywacji sodu. Dla nich podczas stymulacji elektrycznej impulsy prądowe o stopniowo rosnącej krawędzi natarcia odpowiadającej charakterowi reakcji komórki będą miały charakter bardziej fizjologiczny (wzrost krawędzi natarcia może mieć inną niż liniową zależność, np. wykładniczą).

Nazywa się działanie rytmicznie powtarzających się impulsów na tkanki podrażnienie częstotliwości. Pozwala określić zdolność tkanki do optymalnej odpowiedzi na działanie czynnika drażniącego w określonych granicach częstotliwości jego powtarzania. Ta umiejętność została nazwana przez N.E. Vvedensky labilność lub mobilność funkcjonalna. Definicję labilności przeprowadza się obserwując charakter reakcji przy różnych częstotliwościach drażniących impulsów.

Ze stymulacją elektryczną, metoda medyczna częściej stosuje się stymulację częstotliwościową impulsami w postaci paczek inny czas trwania z przerwami na odpoczynek. Aby jednak zabieg nie zaszkodził i nie miał Dobry efekt, cechy impulsów takie jak: amplituda, czas trwania, częstotliwość i kształt muszą odpowiadać stanowi tkanek. Na przykład dla dotkniętych chorobą mięśni układu mięśniowo-szkieletowego „fizjologiczne” będą dłuższe impulsy ze stopniowo narastającą krawędzią natarcia i znacznie niższą częstotliwością niż w przypadku zdrowych. Identyfikacja tej ważnej korespondencji odbywa się za pomocą elektrodiagnostyki. W elektrodiagnostyce bada się charakter reakcji tkanek na stymulację elektryczną o różnych parametrach (pojedyncze impulsy o różnym czasie trwania i kształcie, rytmiczna stymulacja o różnych częstotliwościach itp.). W takim przypadku możliwe jest jednoczesne ustalenie przyczyny i stopnia ich uszkodzenia. Parametry impulsów lub prądu impulsów, które dają optymalną odpowiedź na podrażnienie, są następnie wykorzystywane do zabiegów medycznych.

Unikać oparzenie chemiczne stymulacja elektryczna odbywa się za pomocą elektrod przykładanych do ciała za pomocą podkładki zwilżonej roztworem izotonicznym (0,9% NaCl). Jednocześnie elektroda aktywna ma niewielką powierzchnię (elektroda punktowa), co umożliwia skoncentrowanie drażniącego działania prądu na małych obszarach ciała, których stymulacja jest najskuteczniejsza w ta sprawa(punkty, w których włókna nerwowe znajdują się blisko powierzchni ciała, punkty wejścia włókna nerwowego do mięśnia itp.).

Prąd impulsowy używany podczas stymulacji elektrycznej

Stymulacja elektryczna (kardiostymulacja, stymulacja układu mięśniowo-szkieletowego itp.) zgodnie z przeznaczeniem jest jednym z kierunków wykorzystania prądów pulsacyjnych. Jednak w nowoczesnej elektroterapii prądy pulsacyjne są również szeroko stosowane w leczeniu choroby nerwowe, choroby związane z zaburzeniami metabolicznymi, z zaburzeniami krążenia obwodowego, zespoły bólowe itp. Do tych celów, oprócz tych rozważanych proste formy impulsy (rys. 3), prąd pulsacyjny o niskiej częstotliwości sinusoidalny (czasami nazywany diadynamicznym) (rys. 4), prąd o częstotliwości sinusoidalnej modulowanej częstotliwości akustycznej i modulowany prąd o częstotliwości ultradźwiękowej.

Na ryc. 3 pokazuje niektóre wykresy prądu pulsacyjnego używanego podczas elektrycznej stymulacji ośrodkowego system nerwowy i mięśnie.

Nośnikiem jest prąd sinusoidalnie modulowany - przemienny lub wyprostowany prąd dźwiękowy (4000 - 5000 Hz) lub częstotliwość ultradźwiękowa, modulowana amplitudą z częstotliwością od 30 do 150 Hz (rys. 5).

Aby uzyskać sinusoidalnie modulowany prąd częstotliwości audio, stosuje się specjalne urządzenia typu Amplipulse.

Zastosowanie modulowanych prądów o wysokiej częstotliwości w urządzeniach Amplipulse wynika z dużej odporności żywej tkanki (zwłaszcza skóry) na prądy o niskiej częstotliwości. Dzięki zastosowaniu prądu o wysokiej częstotliwości, przy niewielkim oporze ze strony skóry, wnika w głąb tkanek (właściwości pojemnościowe). W tym przypadku jego składnik modulujący o niskiej częstotliwości działa drażniąco. Urządzenia do terapii Amplipulse mają cztery częstotliwości modulacji amplitudy nośnej: 30, 50, 100 i 150 Hz.

Aby zmniejszyć zjawisko adaptacji, a tym samym zwiększyć skuteczność uderzenia, uciekają się do automatycznej zmiany oscylacji modulowanych z przerwami, oscylacji modulowanych i niemodulowanych, naprzemienności 2 różnych częstotliwości modulujących. Przy stosowaniu prądu rektyfikowanego (patrz ryc. 5) efektowi elektrostymulacji może jednocześnie towarzyszyć elektroforeza terapeutyczna. Dodatkowo skokowa zmiana głębokości modulacji nośnika od 0 do >100% w aparacie pozwala na zmianę siły uderzenia na tkankę biologiczną i tym samym kontrolę procesu leczenia.

W urządzeniach Iskra nośnik ma częstotliwość ultradźwiękową (~110 kHz lub więcej), a modulacja odbywa się za pomocą prądu o niskiej częstotliwości o niesinusoidalnym kształcie (ryc. 10).

Pomimo tego, że urządzenie Iskra wykorzystuje nośnik wysokiej częstotliwości, tę metodę można również przypisać elektroterapii niskoczęstotliwościowej, ponieważ prąd wysokiej częstotliwości płynący w obwodzie pacjenta (~20 μA) nie może wywołać zauważalnego efektu cieplnego (patrz prawo Joule'a-Lenza ).

Laboratorium #14