Аналіз медико-біологічної дії змінного та постійного електричного струму

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

КАФЕРА ЛІКУВАЛЬНО-ДІАГНОСТИЧНИХ КОМПЛЕКСІВ

Розрахунково-графічна робота

з дисципліни «Біофізика»

на тему: «Аналіз медико-біологічної дії змінного та постійного електричного струму»

Київ 2012

Зміст

Вступ

1. Біоефекти при дії постійного електричного струму

2. Використання постійного електричного струму в медичних цілях

3. Біоефекти при дії змінного електричного струму

4. Використання змінного струму і електромагнітного поля в медичних цілях

Література

Вступ

Дія електричного струму може призводити до неблагоприємних наслідків для людини, в тому числі і до летальних. Разом із цим струми володіють цілим рядом властивостей, завдяки яким вони знайшли широке застосування у медичних цілях.

1. Біоефекти при дії постійного електричного струму

Первинна дія постійного струму на тканини організму зумовлена переміщенням (вздовж силових ліній полів) заряджених часток, головним чином, іонів електролітів тканин. Під впливом електричного струму іони рухаються з різною швидкістю і скопичуються поблизу клітинних мембран, утворюючи електричне поле, яке має назву поляризаційного. При цьому, внаслідок різної рухомості іонів і затримання та накопичення їх поблизу напівроникнених мембран у тканинних елементах і, поперед усього, всередині клітини і в оточуючій рідині, відбувається зміна звичайної концентрації іонів тієї чи іншої природи. Зміна іонного середовища може викликати зміну функціонального стану клітин у бік збудження або гальмування їхньої діяльності. В цьому відношенні істотне значення мають інші поляризаційні явища, котрі відбуваються у тканинах орагінізму внаслідок їх неоднорідної будови, а також наявності в їхньому середовищі перетинів, які погано проводять струм.

Таким чином, в основі первинної дії струму на тканини організму лежать поляризаційні явища. Зміни функціонального стану клітин і, особливо, нервових рецепторів, які знаходяться безпосередньо у зоні дії струму, нервово-гуморальним або рефлекторним шляхом викликають інші реакції організму, котрі розповсюджуються на певні органи і системи і, наприкінці, в тій чи іншій мірі, на організм в цілому. Це складає підставу використання електричного струму у терапевтичних цілях.

Вплив постійного струму на організм залежить від сили струму, тому при цьому істотним є електричний опір тканин людини. Будь-яка біологічна система є гетерогенною, її опір електричному струму визначається величинами опору її складових частин. Опір тіла людини між двома електродами складається з опору внутрішніх тканин та органів і опору шкіри, при чому останній, у свою чергу, залежить від стану шкіри: товщини, вологості. Всередині організму струм розповсюджується, в основному, за кровоносними та лімфатичними судинами, м'язами і оболонками нервових волокон.

Опір внутрішніх частин організму слабко залежить від загального стану людини, в середньому дорівнює 1 кОм (для ланцюгу «долоня - ступня»). Опір шкіри при проходженні струму від її поверхні до внутрішніх тканин у десятки разів більше. Тому для постійного і низькочастотного струмів (50-60 Гц) опір шкіри при точковому контакті є головним обмежуючим струм чинником (при високих частотах більш істотним фактором є внутрішній опір тіла). Отже, в більшості ситуацій дія струму, який протікає крізь тіло, в основному залежить від стану тіла у місці контакту. Суха шкіра має високий опір, а волога шкіра має низький опір, бо іони, котрі перебувають у волозі, забезпечать проходження струму у тіло. При сухій шкірі опір між крайніми точками тіла «долоня - ступня» може дорівнювати 105 Ом, а при вологій шкірі може скласти 1 % цього значення. Повний опір тіла між вологими руками приймають рівним 1 500 Ом.

Максимальні струми, які виникають при контакті з побутовою електромережею з напругою 220 В, будуть дорівнювати: I = 220 В/105 Ом =2,2 мА (для сухої шкіри); I = 220 В/1500 Ом = 146 мА (для вологої шкіри). Струм 1 мА при проходженні через тіло буде ледь помітний, але струм 146 мА буде смертельним, навіть при короткочасному впливі. Безпечною вважається сила струму нижче за 0,01 А.

Найбільш чутливими до електричного струму частинами організму є мозок, грудні м'язи й нервові центри, які контролюють дихання і серце. Як відомо, електричний струм, який проходить крізь м'яз, викликає його скорочення. Якщо імпульси діють один за одним, причому інтервал між ними є меншим за час, необхідний для скорочення, то м'яз не встигає розслабитися і його скорочення триває такий же час, протягом якого подаються збуджуючі імпульси. Такий стан м'язу має назву т е т а н у с у . Імпульси постійного струму здійснюють приблизно таку ж дію на організм, як і змінний струм. Тетанічне скорочення м'язу пояснює той факт, що людина, яка взялася за оголений провід, не може самостійно його відпустити.

Небезпечною є дія струму на шкіри обличчя, де слабко розвинений роговий шар, який забезпечує високий опір шкіряних покривів. Низьким опором також володіють слизові оболонки.

Електричний струм невеликої сили (0,01-0,025 А) може призвести до виходу зі строю дихання (у випадку скорочення дихальних м'язів), до серцебиття тощо. Струм більшої сили (від 0,1 А) - до зворотньої або незворотньої зупинки серця. Струм 100-400 мА викликає незворотні розлади у функціонуванні збудливих тканин серця (одна із причин загибелі при електротравмі).

Дія електричного струму може також викликати денатурацію білка, опіки, як результат теплового ефекту.

2. Використання постійного електричного струму в медичних цілях

Проходження електричного струму крізь біологічну тканину супроводжується такими явищами:

· тепловими - під час проходження струму через провідник останній нагрівається;

· хімічними - під час проходження струму через розчини електролітів відбуваються процеси електролізу;

· електромагнітними - під час проходження струму через провідник, навколо останнього утворюється магнітне поле.

Ці явища виступають підставою для використання електричного струму у медичних цілях. електричний струм біоефект діатермія

1. Проходження електричного струму крізь провідник, який має активний опір, супроводжується нагріванням останнього. Якщо біологічну тканину довжиною L та яка має питомий опір с, розмістити між електродами площею S, то кількість виділеного тепла розраховується за законом Джоуля-Ленца:

Q=I²Rt,

де І - сила струму,

R - активний опір тканини,

t - час впливу струму.

Поділивши даний вираз на об'єм і час та враховуючи, що

отримаємо кількість тепла, яка виділяється в одиниці об'єму тканини (1 м³) за одиницю часу (1 с):

,

де j - щільність струму.

2. Неперервний постійний струм малої сили (до 50 мА) і низької напруги (30-80 В), підведений до організму контактним методом за допомогою електродів, використовують як лікувальний метод фізіотерапії - гальванізація . Застосовується задля зменшення болю; для посилення регенеративних процесів, якщо є порушення провідності нервових шляхів; з метою регулюючого впливу на функції центральної нервової системи; для розсмоктування інфільтратів при хронічних та підгострих запальних процесах у суглобах, органах малого тазу тощо.

Постійний струм отримують за допомогою апаратів для гальванізації. Застосовують для цього електроди із листового свинцю щільності струму на електродах, або станіолю 0,3-0,5 мм. Через те, що продукти електролізу розчину хлористого натрію, який є в тканинах, викликають прижигання, то між електродами і шкірою розміщують гідрофільну прокладку, яка змочуються ізотонічним розчином або теплою водою, і в якій і накопичуються продукти вторинних реакцій, котрі відбуваються на електродах. Прокладки захищають шкіру хворого від опіків кислими або лужними продуктами електролізу, а також забезпечують рівномірний контакт електродів з поверхнею тіла та зменшують опір сухої шкіри. Гідрофільна прокладка має бути дещо більшою (на 2-3 см в усіх параметрах) від металевої пластини. Щоб уникнути контакту металевої пластини з тілом пацієнта, на зовнішній поверхні прокладки (на відстані 2-3 см від країв) нашивають кишеню, куди вкладають металеву пластину. Використовують також спеціальні електроди: лійкоподібні - для гальванізації вуха, ванночки - для очей, порожнинні - ротові, вагінальні, ректальні. Все більшого поширення набувають електроди зі струмопровідної тканини, вкритої графітом. Дозують силу струму за показниками міліамперметру.

Постійний струм широко використовується також для введення через шкіру і слизисті оболонки лікарських препаратів. Цей метод отримав назву електрофорезу лікарських речовин . Під електроди на шкіру кладуть прокладки, які змочуються відповідним лікарським препаратом. Через катод вводять аніони (йод, гепарин, бром), а через анод - катіони (Nа, Ca, Mg, новокаїн). Препарат вводять з того полюсу, котрий заряд він має: аніони вводять з катоду, катіони - з аноду.

3. Біоефекти при дії змінного електричного струму

Дія змінного струму на організм істотно залежить від його частоти. Мінімальна сила струму, подразнюючу дію якої відчуває людина (поріг відчутного струму) залежить як від індивідуальних особливостей людини, так і від частоти струму, місця й площі контакту. У чоловіків для ділянки «передпліччя - кисть» на частоті 50 Гц ця величина становить приблизно 1 мА. У дітей і жінок граничні значення трохи менше. Змінний струм, частота якого нижче 10⁵ Гц, може представляти загрозу для організму.

При частотах більше 500 кГц зміщення іонів становиться близьким до їх зміщення в результаті молекулярно-теплового руху, тому струм або електромагнітна хвиля не буде викликати подразнюючої дії. Основним первинним ефектом в цьому випадку є тепловий ефект . Через те, що зі зростанням частоти струму тривалість подразнення знижується, то при досягненні деякої граничної величини частоти (10⁵ Гц) струм вже не викликає скорочення м'язів. У цьому випадку він здійснює лише теплову дію. Через це змінний струм частотою вище 100 кГц використовують у лікувальних процедурах, призначенням яких є прогрівання тканин, що глибоко залягають в організмі. Ефект дії змінного струму, як і постійного, на живу систему визначається опором її складових частин. Опір будь-якої системи змінному струму визначається активним і реактивним (індуктивним і ємкісним) опорами. У живих системах в якості конденсаторів виступають біологічні мембрани, а системи, які проявляють індуктивні властивості відсутні. Тому повний опір - імпеданс - біологічних систем визначається лише омічним опором R і ємкісним X_C опором:

а прикладена напруга відстає за фазою на кут ц :

.

У таблиці, як приклад, наведено значення різниці фаз струму і напруги для деяких тканин (частота 1 кГц):



При змінному струмі загальний опір ланцюга знижується при збільшенні частоти струму. Для тканин організму це явище погіршується зі зростанням ємкісної провідності. Тому, наприклад, при високочастотних процедурах повний опір (імпеданс) тканин організму між електродами знижується до сотен і, навіть, десятків Ом. Нижче наведено графік частотної залежності імпедансу м'язової тканини.

З графіка прослідковуються дві особливості цієї залежності:

- поступове зменшення імпедансу з підвищенням частоти;

- наявність трьох областей частот, у яких є відхилення від загального ходу залежності імпедансу від частоти (б, в, г).

З'ясуємо причину виникнення областей б-, в-, г-дисперсії імпедансу. Існує часова залежність поляризованості діелектрика (Р_e): Р_e = f (t) при Е = const (Е - напруженість електричного поля).

Якщо електричне поле змінюється за гармонічним законом, то поляризованість буде також змінюватись за гармонічним законом, а амплітуда полярізованості буде залежати від частоти змінних поля з запізненням по фазі:

Р_em = f (щ) при Е = Е_mcos щ t .

Тоді діелектрична проникність е середовища у цих умовах:

е = 1 + Р_em /(е₀Е_m), (*)

Е_m - напруженість електричного поля;

Е₀ - діелектрична проникність у вакуумі.

Умова (*) означає частотну залежність діелектричної проникності при впливі змінним (гармонійним) електричним полем: е = f (щ). Зміна діелектричної проникності відповідно до частоти електричного поля означає зміну електроємності і, як наслідок, зміну імпедансу.

Запізнення зміни поляризованості відносно зміни напруженості електричного поля залежить від механізму поляризації речовини. Найшвидший механізм - це електронна поляризація, бо маса електрона достатньо мала. Це відповідає частотам (біля 10¹⁵ Гц), які істотно перевищують області б-, в-, г-дисперсії.

Орієнтаційна поляризація води, молекули якої мають відносно малу масу, відповідає г-дисперсії (частоти біля 20 ГГц ). Великі полярні органічні молекули, наприклад, білки, мають значну масу і встигають реагувати на змінне електричне поле з частотою 1-10 МГц. Це відповідає в-дисперсії. При б-дисперсії відбувається поляризація цілих клітин, і б-дисперсії відповідає область низьких частот (0,1-10 кГц). У цій області ємкісний опір мембран дуже великий, тому переважають струми, що огинають клітини і протікають через оточуючі клітини розчини електролітів.

Таким чином, області б-, в-, г-дисперсії імпедансу пояснюються тим, що із підвищення частоти змінного електричного поля все менше структур буде реагувати на зміну цього поля і меншим буде значення поляризованості:

· при низьких частотах (0,1-10 кГц) на зміну поля реагують усі структури (б-дисперсія);

· з підвищенням частоти (1-10 МГц) реагують великі молекули - диполі органічних сполук і молекули води (в-дисперсія);

· при високих (біля 20 ГГц) частотах реагують тільки молекули води (г-дисперсія).

При цьому у всіх випадках має місце електронна поляризація. З підвищенням частоти буде зменшуватися електрична проникність, а звідси і електроємність С, що призведе до підвищення ємкісного опору R_e і імпедансу Z, тому на фоні загальноспадаючого вигляду залежності Z = f (щ), з'являються області з меншим Z (б-, в-, г-дисперсії).

Частотна залежність імпедансу дозволяє оцінити життєздатність тканин організму, що важливо знати для пересадки (трансплантації) тканин і органів. Різниця в частотних залежностях імпедансу є також у випадках здорової і хворої тканин. Імпеданс тканин залежить також від їх фізіологічного стану. Так, чим більшим є приток крові до тканин, тим меншим є їхній опір. Діагностичний метод, який заснований на реєстрації зміни імпедансу тканин, називається реографією (імпеданс-плетизмографія). Принциповою основою цього методу є залежність змін опору від змін кровонасичення у тій ділянці тіла людини, що вивчається.

За допомогою цього методу отримують реограми головного мозку (реоенцефалограма), серця (реокардіограма), магістралей судин, легенів, печінки і кінцівок.

Потрібно зазначити, що знання пасивних електричних властивостей біологічних тканин важливе при розробці теоретичних основ методів електрографії органів і тканин. Крім того, уява про дисперсію імпедансу дозволяє оцінити механізм дії струмів і полів, які використовуються у терапевтичних цілях.

4. Використання змінного струму і електромагнітного поля в медичних цілях

Прогрівання організму високочастотними електромагнітними коливаннями має ряд переваг перед звичайною грілкою через утворення тепла у внутрішніх частинах організму та виникнення внутрішньо молекулярних процесів, які призводять до специфічних (збуджуючих) впливів. Крім того, підбираючи відповідну частоту, можна здійснити термос елективний вплив та, регулюючи потужність генератору, можна дозувати нагрівання.

Першими методами високочастотної терапії, які увійшли в практику ще на початку XX століття, були дарсонвалізація і діатермія . При місцевій дарсонвалізації використовується вплив крізь шкіру і доступні слизові оболонки слабким високочастотним розрядом, який утворюється між поверхнею тіла і спеціальним електродом. При цьому застосовують струм частотою 100-400 кГц, силою 10-15 мА і напругою десятки кВ. Лікувальний ефект при цьому пов'язують з дією легкого подразнення нервових рецепторів шкіри або слизистих оболонок, які знаходяться в зоні розряду.

Діатермія (наскрізне прогрівання) - це отримання теплового ефекту в тканинах, які лежать достатньо глибоко. При діатермії використовується джоулеве тепло, яке виділяється при проходженні по тканинам організму високочастотного струму (частота порядку 1-2 МГц, напруга 100-150 В, сила - 1-1,5 А). Недоліком діатермії є непродуктивне виділення тепла у шари шкіри і підшкірної клітчатки. Сьогодні діатермія замінюється більш вдосконаленим і безконтактним методом індуктотермії. Високочастотні струми використовуються також у хірургічних цілях: для з'єднання (діатермокоагуляція) і розсічення (діатермотомія) тканин.

Діатермокоагуляція - припікання, «зварювання» тканин під дією тепла, яке виділяється під точковим електродом. При цьому використовується щільність струму 6-10 мА/мм², у результаті чого температура тканини підвищується і тканина коагулює.

Діатермотомія - розсічення тканин за допомогою електроду у формі леза. При цьому щільність струму складає 40 мА/мм2.

Імпульсні струми використовують також для стимуляції серця, нервових волокон, м'язів з метою оновлення їх скорочувальної функції або функції провідника. Так, пропускання крізь серце короткочасних імпульсів струму (порядку мілісекунд) силою 10 А викликає рівномірну деполярізацію мембран серцевого м'язу, відбувається одночасне синхронне скорочення всіх волокон м'язу, що триває протягом всього часу дії струму. Потім може повністю відновитися діяльність серця. На цьому заснований метод дефібриляції. При реанімації для цих цілей використовують спеціальний апарат - дефібрилятор .

Література

1. http://studentus.net/book/110-biofizika/128-glava-16-dejstvie-fizicheskix-faktorov-na-biologicheskie-obekty.html

2. Животова О.М. «Биофизика» 2003

3. http://www.rlocman.ru/shem/schematics.html?di=11894

4. Л. І. Григор'єва, Ю. А. Томілін, «Основи біофізики і біомеханіки»

Размещено на Allbest.ru