Імпульсні струми у медицині. Використання імпульсного струму. Механізм дії та ефект

В Останнім часомдля діагностичних та лікувальних цілей застосовують переривчастий постійний струм у вигляді окремих поштовхів (імпульсів) з паузами між ними, так званий імпульсний струм.

Кожен імпульс характеризується певною тривалістю t і наступною за ним паузою t 0 , що становлять разом Т.

Імпульсні струми розрізняють за:

• а) формі імпульсів;
• б) частоті повторення імпульсів на секунду (виражають у герцах - гц);
• в) тривалості кожного імпульсу (виражають у мілісекундах – мсек).

При гальванізації повільне збільшення сили струму, викликаючи поступову зміну концентрації іонів у клітинах, в умовах адаптації тканини веде до нерізкого роздратування нервових закінчень. Скорочення м'язів у своїй немає; якщо струм включають і вимикають швидко, спостерігають скорочення м'язів. Це можна пояснити деяким зміщенням іонів та відставанням дифузійних процесів при короткочасних імпульсах струму. Ступінь зміни концентрації іонів обумовлена ​​силою струму та тривалістю його впливу.

Деякі форми імпульсів струму застосовували і раніше під різними назвами. Наприклад, був поширений уривчастий гальванічний струм, який отримували шляхом включення в ланцюг постійного струму різноманітних переривників (ручний електрод-переривник, метроном-переривник та ін.). Був відомий струм Ледюка з кількістю перерв 100 за секунду (при співвідношенні тривалості замикання і тривалості розмикання 1: 9), що викликав явища електронаркозу.

Широко використовували фарадичний струм, що отримується від індукційної котушки, з частотою імпульсів 60-80 в секунду і тривалістю імпульсу розмикання 1-2 мсек. (Застосування фарадичного струму з лікувальною метоюносить назву фарадизації.) Так як фарадичний струм здатний викликати в скелетних м'язах тривале («тетанічне») скорочення, що веде до втоми м'яза і в кінцевому рахунку до її атрофії, для електростимуляції м'язів запропонували користуватися періодичними перервами струму, так званою ритмічною фарадизацією, яка викликає поперемінне скорочення розслаблення м'язів.

В даний час в основному застосовують наступні видиімпульсів струму різних за формою, тривалістю та частотою.

1. Струм із імпульсами прямокутної форми. Тривалість кожного імпульсу 01-1 мсек при частоті 10-100 гц. Цей вид струму посилює гальмівні процеси в центральній нервовій системі та його використовують для отримання стану, аналогічного фізіологічного сну(Електросон).

Апарат для електросну є генератором імпульсів за електронноламповою схемою. Електроди накладають на очниці та соскоподібні відростки. Цей вид лікування охоронним гальмуванням застосовують при деяких психічні захворювання, а також при захворюваннях, пов'язаних з порушенням функції кортиковісцеральної системи ( виразкова хворобашлунка, гіпертонічна хвороба).

2. Тетанізуючий струм характеризується трикутною формою імпульсів. Тривалість кожного імпульсу 1-11/2 мсек, частота 100 гц.

Джерелом цієї форми струму є апарати з електронноламповими схемами.

Тетанізуючий струм викликає тривале скорочення поперечносмугастих м'язів, і його застосовують для електрогімнастики - вправи м'язів при порушеній їх функції.

3. Експоненційний струм (струм Лапика) має порожню зростаючу форму кривої), що нагадує форму струмів дії нерва при його подразненні. Тривалість імпульсу від 16 до 60 мсек. Частоту імпульсів можна міняти. Залежно від ступеня ураження м'яза вибирають і відповідний експоненційний струм. Для отримання ритму скорочення – розслаблення м'язів використовують так званий модулятор. Перевага експоненційної форми струму полягає в тому, що вона може спричинити рухову реакціюі глибше уражених м'язів, коли тетанізуючий струм цього робить. Цю форму струму застосовують стимуляції м'язів.

Джерелом імпульсних струмів є апарат АСМ. Він складається з генератора короткочасних імпульсів, модулятора імпульсів та перетворювально модуляційного каскаду. Крім тетанізуючої та експоненційної форм струму, апарат може бути використаний для лікування безперервним постійним струмом (гальванізація) та ритмічною гальванізацією.

Апарат ACM застосовують для електростимуляції (електрогімнастики) м'язів при порушенні їхньої скоротливої ​​здатності. Ритмічна електростимуляція покращує кровопостачання та трофіку нервово-м'язового апарату, сприяє збільшенню обсягу та підвищенню працездатності м'язів, відновленню провідності нервових елементів, сприятливо впливає на регенерацію нервових волокон, тим самим прискорюючи відновлення функції ураженого м'яза.

Електростимуляцію застосовують при ураженнях периферичного рухового нейрона (залишкові явища після перенесеного поліомієліту, невриті лицевого нерва, травматичних невритах, вторинних атрофіях та парезах, що розвинулися у зв'язку з тривалою бездіяльністю м'язів, функціональними паралічами). З метою посилення функції гладкої мускулатури електростимуляція показана, наприклад, при атонії шлунка, кишківника, сечового міхура.

Фізичні основи низькочастотної електротерапії

Лабораторні роботи №№ 14, 15

Література

1. Ремізов А.М. Медична та біологічна фізика, «Вища школа». М., 1987, гл. 15, 18, та 19.

2. Лівенцев Н.М. Курс фізики, "Вища школа". М., 1978, гол. 6, 27, 28.

3. Губанов Н.І., Утепбергенов А.А. Медична біофізика, "Медицина". М., 1978, гол. 9.

4. Medizinische Physik (Physik fur Mediziner, Pharmazeuten und Biologen). Springer – Verlag Wien New York 1992.

Контрольні питання

1. Що таке електричний струм? умови його існування.

2. Закон Ома для ділянки ланцюга. Закон Ома для повного кола.

3. Що таке щільність струму? Як вона?

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 залежить?

10. Чим обумовлені ємнісні властивості біологічних тканин?

11. Як впливають ємнісні властивості тканин проходження імпульсного струму?

12. Що таке повний опір у ланцюзі змінного струму?

13. Від чого залежить електропровідність біологічних тканин?

14. Еквівалентна електрична схема біологічних тканин (з поясненнями).

15. Як залежить ємнісний опір від частоти змінного струму?

16. Закон Джоуля-Ленца.

17. Чи можна використовувати апарати для низькочастотної електротерапії для прогрівання біологічних тканин (відповідь обґрунтувати з використанням відповідних законів).

Коротка теорія

Роздратування електричним струмом певного характеру та сили у більшої частини органів та тканин викликає таку ж реакцію, як і природне збудження. Крім того, цей вплив можна суворо дозувати як за силою, так і за часом. Це широко використовується у фізіології та медицині. У фізіології щодо збудливості різних органіві тканин, переважно нервової та м'язової, у медицині - при недостатності чи порушенні природної функції тих чи інших органів та систем.

Використання подразнюючої дії електричного струму з метою зміни функціонального стануклітин, органів та тканин називається електростимуляцією.

Результат дії змінного струму на живу біологічну тканину залежить не тільки від його амплітудних значень, а й від частоти, форми та тривалості імпульсів. Так при високих частотах (500кГц і більше) електричний струм має в основному теплову дію, а при низьких і звукових - дратівливу.

Для обговорення цього питання ми повинні пам'ятати, що біологічна тканина має властивість як провідника, так і діелектрика. В основі подразнюючої дії електричного струму лежить рух заряджених частинок тканинних електролітів (виникають струми зміщення та провідності). При цьому переміщення вільних іонів, що знаходяться поза клітиною, не обмежене. Вільні іони всередині клітинного середовища можуть переміщатися лише в об'ємі, обмеженому плазматичною мембраною. Зміщення ж пов'язаних зарядів під дією електричного поля, обмежена розмірами атома чи молекули.

Досвід показує, що постійний струм у допустимих межах подразнюючої дії на тканини організму не надає. Роздратування виникає лише за зміни сили струму, причому, сила роздратування залежить від швидкостіцієї зміни та її миттєвих значень (закон Дюбуа-Раймона).

І якщо сила струму є зарядом, що проходить через поперечний переріз провідника в одиницю часу,

то змінна сила струму може бути представлена ​​виразом:

Отже, подразнююча дія електричного струму на біологічну тканину можна пов'язати з прискореним рухом заражених частинок під дією електричного поля.

Насправді цих цілей використовуються електричні імпульси (короткочасне дію сили струму чи напруги). (*) При цьому вплив здійснюється як одиночними, так і імпульсами, що повторюються - імпульсним струмом. Експериментально встановлено, що у момент замикання електричної ланцюга (постійний чи імпульсний струми) найбільше дратівливу дію виникає в негативного електрода (катода), а найменше - в позитивного (анода). Це пов'язано з зменшенням порога збудливості клітини. Тому за електростимуляції імпульсними струмами катод прийнято вважати активним електродом.

(*)Електричними імпульсами називаються короткочасні зміни сили струму або напруги.Загальний вигляд електричного імпульсупредставлений 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; tі – тривалість імпульсу; tср – тривалість заднього фронту. Відношення зміни напруги або сили струму до часу, за який ця зміна відбулася

tф = 0.8 Umax/tф або (3)

dU/dt = (0.9Umax - 0.1Umax) / tср = 0.8 Umax / tср,

називають крутістю фронту імпульсу. Як нескладно побачити, швидкість наростання (крутість) переднього фронту прямокутного імпульсу (рис. 1b) максимальна (в ідеальному випадку має нескінченно велике значення).

Дратівна діяімпульсів тісно пов'язане з їхньою характеристикою. Відповідно до закону Дюбуа-Раймона, дратівлива дія одиночного імпульсу залежить від швидкості наростання його миттєвих значень,тобто від крутості його переднього фронту. Цю залежність пов'язують з акомодацією - здатністю збудливих тканин підвищувати свій поріг збудження (пристосовуватися) до наростаючої сили подразнюючого фактора. Вона виявляється у зниженніпорога відчутного струму (i п) зі збільшенням крутості переднього фронту одиночного досить тривалого імпульсу. Таким чином, найбільшою дратівливою здатністю повинен мати імпульс струму, передній фронт якого має максимальну швидкістьнаростання, тобто. імпульс прямокутної форми, найменшою - лінійно наростаючий струм. Іншими словами, пороговий струм для прямокутного імпульсу нижчий, ніж для імпульсів будь-якої іншої форми (рис. 1b та ​​рис. 2).

U

0.9UmaxU,I

0.1Umax

1 tф 2 3 tср 4 t ти t

a)тиb)

Мінімальний кут нахилу () лінійно наростаючого струму, який здатний викликати процес збудження, отримав назву критичного кута нахилу або мінімального градієнта. Він відображає швидкість зміни струму та визначається в одиницях реобаза/cабо мА/с.

Факт відсутності подразнення, при повільно наростає у часі дії подразника, пояснюється лише тим, що у мембранах клітин збудливих тканин відбувається перебудова фосфоліпідних утворень, що веде до появи натрієвої інактивації, тобто. закриття натрієвих каналів

Iп

1

Рис. 2. Порогова сила струму за різної швидкості наростання переднього фронту лінійно наростаючого струму. Найменше порогове значення переднього фронту прямокутного імпульсу - цифра 1.

Процес натрієвої інактивації без попередньої натрієвої активації, спрямований проти виникнення процесу збудження, при повільно наростає 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 мал. В нормі нервова тканина має властивість швидкої акомодації, щодо повільної акомодації має гладку мускулатуру. Слід зазначити, що здатність до акомодації у збудливих тканин залежить їхнього 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, що поступово наростає переднім фронтом (наростання переднього фронту може мати залежність відмінну від лінійної, наприклад, експоненціальну).

Дія на тканини ритмічно повторюваних імпульсів називається частотним роздратуванням. Воно дозволяє виявити здатність тканини давати оптимальну реакцію дію дратівливого чинника певних межах частоти його повторення. Ця здатність названа Н.Є. Введенським лабільністюабо функціональною рухливістю. Визначення лабільності здійснюється шляхом спостереження характеру реакції за різної частоти дратівливих імпульсів.

При електростимуляції, як лікувальному методі, частіше використовується частотне подразнення імпульсами у формі посилок різної тривалостіз паузами для відпочинку Проте, щоб процедура не завдавала шкоди та мала гарний ефект, характеристики імпульсів такі, як: амплітуда, тривалість, частота та 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 нижчою частотою, ніж для здорових. Виявлення цієї важливої ​​відповідності проводиться за допомогою електродіагностики. При електродіагностиці досліджується характер реакції тканин на електричне подразнення з різними параметрами (одиночні імпульси різної тривалості та форми, ритмічне подразнення різної частоти тощо). При цьому є можливість одночасно встановити причину та ступінь їх ураження. Параметри імпульсів або імпульсного струму, що дають оптимальну реакцію на подразнення, використовуються для проведення лікувальних процедур.

Для уникнення хімічного опікуелектростимуляція проводиться за допомогою накладених на тіло електродів з прокладкою, змоченою ізотоничним 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 даному випадку(Точки, в яких нервові волокна розташовані близько до поверхні тіла, точки входження нервового волокна в м'яз та ін.).

Імпульсний струм, який застосовується при електростимуляції

Електростимуляція (кардіостимуляція, стимуляція опорно-рухового апарату та ін.) у її прямому призначенні - один із напрямків використання імпульсних струмів. Однак у сучасній електротерапії імпульсні струми широко використовуються також під час лікування нервових захворювань, захворювань, пов'язаних з порушенням обміну речовин, при розладах периферичного кровообігу, больових синдромахі т.д. Для цих цілей, крім розглянутих простих формімпульсів (рис.3), використовуються синусоїдально-імпульсний струм низької частоти (іноді його називають діадинамічним) (рис. 4), синусоїдально-модульований струм звукової частоти і модульований струм ультразвукової частоти.

На рис. 3 показані деякі графіки імпульсного струму, що застосовується при електростимуляції центральної нервової системита м'язів.

Синусоїдально-модульований струм є несучою - змінний або випрямлений струм звуковий (4000 - 5000Гц) або ультразвукової частоти, модульовану за амплітудою частотою від 30 до 150Гц (рис. 5).

Для отримання синусоїдально-модульованого струму звукової частоти використовують спеціальні апарати типу «Ампліпульс».

Використання модульованих струмів підвищеної частоти в апаратах типу "Ампліпульс" обумовлено високим опором живої тканини (особливо шкіри) струмам низької частоти. Завдяки застосуванню високочастотного струму, він при незначному опорі з боку шкіри глибоко проникає в тканини (ємні властивості). Дратівливу дію при цьому надає його низькочастотна складова, що модулює. 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 чергування модульованих коливань з паузами, модульованого та немодульованого коливань, чергування 2-х різних модулюючих частот. При використанні випрямленого струму (див. рис. 5) електростимулюючу дію можна одночасно супроводжувати лікувальним електрофорезом. Крім того, ступінчаста зміна в апараті глибини модуляції, що несе від 0 до >100%, дозволяє змінювати силу впливу на біологічну тканину і тим самим керувати 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 не може викликати (див. закон Джоуля-Ленца ).

Лабораторна робота №14