Лекция 06 - ДТП_Repo. Лекция 6 действие электрических токов и электромагнитных полей на биологические объекты план лекции
 Скачать 4.43 Mb.
|
|
Лекция № 6 ДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТОКОВ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ План лекцииЭлектрические свойства биологических тканей Действие электрических токов (постоянного, импульсного, переменного) на биологические объекты; использование в медицине Действие электромагнитных полей на биологические объекты; использование в медицине Электрические свойства биологических тканейДействие электрического тока или поля на биологические ткани определяется: 1) видом тока или поля 2) электрическими свойствами самих биологических тканей Биологические ткани являются проводниками второго рода, т.е.обладают ионной проводимостью. Основная характеристика проводящих свойств ткани для постоянного тока – активное сопротивление (R), для переменного тока - полное сопротивление, или импеданс, (Z). Импеданс (Z) имеет две составляющие:Активное сопротивление (R) Реактивное сопротивление (Х): - емкостное (ХС) - индуктивное (ХL) Биологические ткани имеют только: Активное сопротивление (R) Емкостное сопротивление (XC) Индуктивное сопротивление XL ≈ 0 !!! Структуры, имеющие емкостные свойства, т.е. похожие на конденсаторы, не проводят постоянный электрический ток. Переменный ток проходит тем лучше, чем больше частота переменного тока. Емкостные свойства биологических тканей связаны с: клеточными мембранами, которые обладают диэлектрическими свойствами, разделяют две проводящие среды (внутриклеточное содержимое и межклеточную среду), т. е. являются аналогами диэлектрического слоя в конденсаторах. тканями, плохо проводящими ток (кожа, кости) Все биологические ткани можно разделить на проводники и диэлектрики. Значения удельной электропроводности различных биологических тканей
Наилучший проводник электрического тока– это спинно-мозговая жидкость. Наилучший диэлектрик – это кость без надкостницы. Поверхностная емкость клеточной мембраны 510-3 Ф/м2. Пробой мембраны происходит при напряжении U150-200 мВ, что соответствует напряженности электрического поля E106-107 В/м. График зависимости импеданса Z биологических тканей от частоты ω переменного тока: При увеличении частоты модуль импеданса тканей уменьшается Электрический эквивалент биологической ткани - это электрическая цепь: резистор - аналог межклеточной среды, резистор - аналог внутриклеточной среды, конденсатор С – аналог мембраны клетки. Для оценки функционального состояния ткани вычисляют коэффициент дисперсии (К): Zнч -модуль импеданса при низких частотах (102-104Гц) Zвч- модуль импеданса при высоких частотах (106-108Гц) Если К=1 – биологическая ткань мертвая; если К>1 – биологическая ткань живая. Действие электрических токов на биологические объектыпостоянный ток импульсный ток переменный ток Виды токов: 1. Постоянный ток 2. Переменный ток 3. Импульсный ток1. Постоянный ток: положительные ионы движутся в сторону катода (отрицательного электрода), отрицательные ионы - в сторону анода (положительного электрода). Основной механизм действия постоянного тока – изменение обычных значений концентраций ионов в различных частях ткани. Терапевтические методики, основанные на применении постоянного тока: гальванизация 2. лекарственный электрофорез Гальванизация - лечебный физиотерапевтический метод, используемый при лечении нервных заболеваний, бронхиальной астмы, пр.Напряжение U = 60-80 В плотность тока j ≤ 1 А/м2 Аппарат для гальванизации - выпрямитель переменного тока, позволяющий регулировать выходное напряжение и контролировать (или измерять) силу прикладываемого тока. Для подведения тока к телу пациента используют электроды из листового свинца или станиоли. Гидрофильные прокладки смачивают водой или физраствором. Ответные реакции организма: 1. стимуляция кровообращения, лимфообращения, метаболизма 2. повышение возбудимости тканей под катодом («-» электродом) и снижение чувствительности под анодом («+» электродом) (эффект местной анальгезии (обезболивания)). 2. Лекарственный электрофорез (электрофорез лекарственных веществ) - это метод введения лекарственных веществ через кожу или слизистые оболочки при помощи постоянного тока. одна из гидрофильных прокладок смачивается не водой, а раствором лекарственного вещества Преимущества лекарственного электрофореза по сравнению с другими методами введения лекарств:1 – не травматичен, 2 - обеспечивает локальное воздействие, 3 - лекарство вводится в ионной форме, которая обычно и обеспечивает терапевтический эффект, 4 – препарат, накапливаясь в подкожной клетчатке, образует «кожное депо», откуда он медленно вымывается, чем обеспечивается пролонгированное (длительное) воздействие препарата на патологический очаг. 2. Импульсные токи – токи, которые периодически, но не гармонически (не синусоидально) изменяются со временем. По форме электрические импульсы могут быть: прямоугольные, треугольные, трапецеидальные и др. Характеристики импульсов: амплитуда, длительность, крутизна фронта. Фронт импульса – это участок нарастания или убывания напряжения (U) или силы тока (I) (передний фронт – нарастание, задний фронт, или срез - убывание). Амплитуда – это модуль максимального значения напряжения (Umax) или силы тока (Imax). Длительность импульса ( ) - это продолжительность промежутка времени, в течение которого напряжение или сила тока превышает значение 0,1·Umax или 0,1·Imax соответственно. Крутизна фронта импульса (s): - время нарастания напряжения от 0,1·Umax до 0,9·Umax (для заднего фронта – время убывания от 0,9·Umax до 0,1·Umax). Характеристики импульсных токов: период повторения импульсов (T) частота следования импульсов Основной механизм действия импульсных токов - раздражение возбудимых тканей. Возбудимые ткани: мышечная нервная железистая Раздражающее действие (РД) импульсного тока зависит от: 1. крутизны фронта импульса (s) 2. амплитуды 3. частоты 4. длительности импульсов 1. Зависимость РД от крутизны фронта импульса (s):Закон Дюбуа-Реймона: - чем больше крутизна фронта (s) импульса, тем больше раздражающее действие (R) тока R s - раздражающее действие (R) электрического тока прямо пропорционально скорости (di/dt) нарастания (или убывания) силы тока: R di/dt 2. Зависимость РД от амплитулы: «Пороговый ток» - минимальная сила импульсного тока, при которой наблюдается ответная реакция (раздражение) тканей. 3. Зависимость РД от частоты: с ростом частоты следования импульсов раздражающее действие тока уменьшается (растет величина порогового тока) R 1/ν 4. Зависимость РД от длительности импульса (τ): R τ при увеличении длительности импульса раздражающее действие тока нарастает, т.е. уменьшается величина порогового тока. Методика электродиагностики – методика изучения возбудимых свойств ткани путем определения зависимости величины порогового тока от длительности импульса при раздражении ткани одиночными прямоугольными импульсами. Уравнение Хорвега-Вейса-Лапика: a и b - константы Реобаза (Re) - это предел, к которому стремится пороговый ток, когда длительность импульса стремится к бесконечности. 2Re Re Chr Длительность прямоугольного импульса, мс Хронаксия (Chr) - длительность импульса, при которой пороговый ток равен удвоенной реобазе (2 Re). Уравнение Хорвега-Вейса-Лапика: Терапевтические методики, основанные на использовании импульсных токов: Кардиостимуляция Дефибрилляция Электрогимнастика мышц Электросон Кардиостимуляция В норме импульсы, вызывающие сокращение сердца, вырабатываются в синусном (синатриальном) узле -- водителе ритма, и через проводящую систему поступают на мышцу миокарда. Если синусный узел не выполняет свою функцию или нарушена работа проводящей системы, необходим внешний водитель ритма - кардиостимулятор (электростимулятор) - генератор электрических импульсов с частотой следования 1 - 1,2 Гц и длительностью 0,8 - 3 мс. 2. Дефибрилляция Дефибрилляторы применяют при остановке сердца или при возникновении фибрилляции желудочков сердца. Дефибриллятор вырабатывает одиночные электрические импульсы (разряды) высокого напряжения, которые вызывают резкое сильное сокращение сердечной мышцы, что зачастую приводит к восстановлению нормальных сокращений сердца. Напряжение разряда - от сотен вольт до несколько киловольт (до 8 кВ) В случае неудачной попытки "запустить" сердце последующие попытки предпринимают с увеличением напряжения разряда. 3. Электрогимнастика мышц поддерживает мышечный тонус, улучшает кровообращение и обмен веществ в пораженных мышцах или в мышцах с нарушенной иннервацией, поддерживает их сократительную способность. Используют импульсный ток с импульсами треугольной формы длительностью от 1 до 1,5 мс и частотой следования 100 Гц или импульсы экспоненциальной формы длительностью 3-60 мс и частотой от 8 до 80 Гц. 4. Электросон - метод торможения ЦНС при помощи импульсного тока прямоугольной формы с длительностью импульса 0,1-1 мс и частотой повторения импульсов 5-150 Гц. 3. Переменный ток (характеристики – U, I, ω, T) Механизм действия переменного тока на ткани зависит от частоты: при низких частотах оказывает раздражающее действие на возбудимые ткани; при высоких частотах - тепловой эффект. Закон Нернста: при частотах переменного тока 100 - 3000 Гц при частотах переменного тока 50 - 300 кГц k1 и k2 - константы – пороговое значение тока (порог ощутимого тока) Медицинские методики, основанные на применении переменного тока:Реография Диатермия (диатермотомия, диатермокоагуляция) 3. Местная дарсонвализация 1. Реография (импеданс-плетизмография) – диагностическая методика, основанная на измерении изменения импеданса (Z) участка ткани в зависимости от кровенаполнения сосудов этого участка ткани. Используется переменный ток частотой 30 кГц (такие токи не вызывают раздражения возбудимых тканей). При реографии головного мозга получают реоэнцефалограммы, при реографии сердца - реокардиограммы. При реографии можно также проводить исследования магистральных сосудов легких, печени и конечностей, а в стоматологии - сосудов пародонта, слизистой оболочки полости рта, слюнных желез и др. 2. Диатермия (электрохирургия): диатермотомия диатермокоагуляция Основана на выделении тепла в тканях при протекании через них переменного тока. Удельная тепловая мощность тока (количество теплоты, выделяющейся за 1 с в единице объема ткани при протекании тока): q - удельная тепловая мощность; j - плотность тока; ρ - удельное сопротивление ткани При электрохирургии применяется ток с частотой порядка 10 МГц. В месте касания тела острым электродом создается высокая плотность тока и развивается высокая удельная тепловая мощность. При диатермокоагуляции (j = 6-10 мА/мм2) происходит "заваривание" кровеносных сосудов. При диатермотомии (j ≈ 40 мА/мм2) острый электрод выполняет роль электроножа (электроскальпеля), который, прожигая ткань, рассекает ее. 3. При использовании некоторых методик ток, действующий на пациента, является одновременно и переменным, и импульсным. При местной дарсонвализации на пациента воздействуют переменным током частотой от 100 до 400 кГц, но подводится он к пациенту не непрерывно, а импульсами с частотой следования 50 Гц. При этом используется напряжение порядка 10 кВ. Особенностью методики является то, что ток подводится к пациенту с помощью электрода, имеющего очень большое сопротивление (обычно это или пустотелый, или заполненный графитом стеклянный электрод). Действие электромагнитных полей на биологические тканиПри помещении тканей (частей тела) в переменное электромагнитное поле в них возникают переменные токи. Физиотерапевтические методики: индуктотермия УВЧ-терапия СВЧ-терапия: -МКВ-терапия (или СМВ-терапия) - ДЦВ-терапия При индуктотермии на ткани пациента воздействуют переменным магнитным полем, частота колебаний которого лежит в пределах от 10 до 15 МГц. Стандартный аппарат для индуктотермии создает поле, меняющееся с частотой 13,56 МГц. Переменное магнитное поле индуцирует в тканях вихревые электрические токи, при протекании которых выделяется тепло и происходит прогревание тканей. k - коэффициент пропорциональности; ω - циклическая частота магнитного поля; B0 - амплитуда магнитной индукции. Из формулы видно, что при индуктотермии лучше нагреваются ткани с меньшими значениями удельного сопротивления, т. е. ткани, хорошо проводящие ток. Эффективное прогревание тканей происходит до глубины 6-8 см. Повышение температуры тканей усиливает кровообращение в них, вызывает активизацию работы различных ферментов. Происходит стимуляция иммунной системы организма. При индуктотермии удельная тепловая мощность (q): При УВЧ-терапии (УВЧ - ультравысокие частоты) - на ткани пациента воздействуют переменным электрическим полем УВЧ-диапазона электромагнитных волн (30-300 МГц). УВЧ-поле создает в тканях пациента электрические токи (точнее, колебания заряженных частиц) той же частоты, с которой изменяется УВЧ-поле. Возникающие токи нагревают ткани (органы) пациента, причем при частоте электромагнитного излучения, используемого при УВЧ-терапии, сильнее нагреваются те ткани, которые имеют меньшую электропроводность. Удельная тепловая мощность при УВЧ-терапии: E - действующее (эффективное) значение напряженности электрической составляющей УВЧ-поля в ткани ( ) E0 - амплитуда напряженности электрического поля ε - диэлектрическая проницаемость среды; ε0 - электрическая постоянная; δ - угол диэлектрических потерь. При протекании переменного тока через среды, обладающие емкостными свойствами, полный ток (I) можно рассматривать как совокупность активной (Iа) и реактивной (Iр) составляющих. При этом фаза активной составляющей совпадает с фазой напряжения, а фаза реактивной отличается от фазы напряжения на . Угол диэлектрических потерь - это разность фаз между полным током и его реактивной составляющей. Iа - активная составляющая полного тока; Iр - реактивная составляющая полного тока. Чем больше величина tgδ, тем более выражены проводящие свойства среды (ткани), а чем меньше эта величина, тем более выражены диэлектрические свойства. При СВЧ-терапии (СВЧ - сверхвысокие частоты) для прогревания тканей пациента на них воздействуютэлектромагнитными волнами с частотами 300 МГц - 30 ГГц. СВЧ-терапия делится на ДЦВ-терапию (ДЦВ - дециметровые волны) и МКВ-терапию (микроволны). При ДЦВ-терапии глубина прогревания достигает 9 см, при МКВ-терапии - 3-5 см. При СВЧ-терапии хорошо прогреваются мышечные ткани и кровь. Воздействие высокочастотных электромагнитных колебаний на организм не сводится только к тепловому эффекту. Влияние электромагнитного излучения на организм обнаруживается и при таких интенсивностях излучения, при которых тепловой эффект незначим. Механизмы влияния электромагнитных излучений на организм изучены все еще недостаточно. Ясно, что биологическое действие излучения проявляется на различных уровнях: субклеточном (молекулярном), клеточном, тканевом, органном, организменном, популяционном, видовом, биоценотическом, глобальном. Постоянные электрические и магнитные поля Методики: электростатический душ (или франклинизация) аэроионотерапия. Пациента помещают в сильное электростатическое поле (используют напряжение до 50 кВ), в котором происходит частичная ионизация воздуха. При этом появляются аэроионы, а также продукты ионизации воздуха - озон и окислы азота, которые раздражают рецепторы кожи и слизистой оболочки верхних дыхательных путей. Все это приводит к изменению функционального состояния центральной нервной системы, что выражается в активизации тормозных процессов, улучшении самочувствия, нормализации сна и др. |