Дія постійного та змінного електричного струму на біооб’єкти. Індукційні струми, теплові ефекти

ФІЗИЧНІ ОСНОВИ МЕТОДІВ ЕЛЕКТРОЛІКУВАННЯ

План

1. Дія постійного та змінного електричного струму на біооб’єкти. Індукційні струми, теплові ефекти.

2. Дія електромагнітного поля на біооб’єкти. УВЧ-терапія, НВЧ-терапія, мікрохвильова резонансна терапія тощо.

3. Магнітні властивості речовин. Фізичні основи магнітобіології. Магнітотерапія, індуктотермія.

Дія електричного струму й електромагнітних випромінювань може призвести до негативних наслідків для людини, в тому числі й до летальних. Незважаючи на це, струм та електромагнітне випромінювання мають цілий ряд властивостей, завдяки яким вони широко застосовуються в медицині: як в терапії, так й в діагностиці.

Під впливом електричного струму в живих організмах відбувається рух заряджених частинок, поляризація тканин й їх нагрівання (тепловий ефект).

Постійний струм й змінний струм, частота якого нижче 10⁵ Гц, здатні створювати небезпеку для організму. Небезпека обумовлюється струмом, а не напругою. Безпечною вважають силу струму нижчу за 0,01 А (хоча навіть слабкі струми впливають на функціонування нервової системи); струм вище 0,1 А є небезпечним для життя. Ступінь небезпеки, обумовлений струмом, залежить від шляхів розповсюдження струму організмом, наприклад, від того, проходить він через серце або ні.

Електричний струм, якій проходить крізь м’яз, викликає її скорочення. При цьому реакція м’язів залежить як від сили струму, так й від довго тривалості його впливу. Сила струму нижче деякої порогової величини не викликає скорочення, так як і надто короткочасний імпульс. Якщо імпульс був поодинокий, то за скороченням наступає розслаблення, тобто м’яз здригнеться. Для того щоб м’яз після скорочення повністю розслабився потрібний деякий час. Якщо імпульси надходять один за одним, то м’яз не встигає розслабитися й її скорочення триває на протязі часу подання імпульсів. Такий стан м’яза називається тетанусом. Імпульси постійного струму (імпульсний струм) мають схожий на вплив змінного струму вплив на живий організм.

Електричний струм невеликої сили (0,01, - 0,025 А) може призвести до порушення дихання (у випадку скорочення дихальних м’язів), серцебиття, тощо; струм більшої сили (від 0,1 А) – до зупинки серця. Дія електричного струму також здатна викликати денатурацію білків, опіки, як результат теплового ефекту.

Опір біологічної системи електричному струму визначається опорами її окремих частин, які змінюються в дуже широких діапазонах (табл.. 1).

Опір організму, перш за все, визначається опором шкіри, що в свою чергу залежить від її стану (товщина, вологість). Всередині тіла струм в основному розповсюджується кровоносними й лімфатичними судинами, м’язами й оболонками нервових волокон. Опір тканин залежить від стану організму. Наприклад, опір збільшується під час запальних процесів, які супроводжуються набуханням клітин так як при цьому зменшується переріз міжклітинних з’єднань. Зменшення опору відбувається під час стану підвищеної пітливості.

Таблиця 1. Питомий опір деяких тканин й рідин організму

Тканина або рідина	Питомий опір, Ом·м
Спиномозкова рідина	0,55
Кров	1,66
М’язи
Мозкова й нервова тканини	14,3
Жирова тканина	33,3
Суха шкіра	10^5
Кістка	10^7

Опір будь-якої системи змінному струму визначається активним й реактивним (індуктивним й ємнісним) опорами. В живих системах в якості конденсаторів виступають біологічні мембрани, а системи, які проявляють індуктивні якості, відсутні. Тому повний опір – імпеданс – біологічних систем визначається тільки омічним й ємнісним опорами:

, (1)

де R – омічний опір, X_С – ємнісний опір.

А прикладена напруга відстає за фазою від сили струму на кут φ:

. (2)

Значення кутів зсуву фаз для біологічних об’єктів наведені в табл..2.

Таблиця 2. Кут зсуву фаз для різних біологічних об’єктів (при частоті 1 кГц)

Біологічний об’єкт	Кут зсуву фаз, градус
Шкіра людини, жаби
Нерв жаби
М’яз кролика

Залежність імпедансу від частоти змінного струму відрізняються для здорових, хворих та мертвих тканин.

На мал.1 наведений якісний вигляд частотної залежності імпедансу здорової (крива 1) та мертвої (кривої 2) тканин, в якій внаслідок впливу зовнішніх факторів (наприклад, термічний вплив) зруйновані мембрани, тобто відсутній ємнісний опір. Дослідження частотних залежностей імпедансу використовують в трансплантології, де вони проводяться перед пересадкою тканин та органів.

Імпеданс тканин та органів змінюється під час наповнення кровоносних судин, тобто залежить від стану серцево-судинної системи. Реєстрація імпедансу тканин й органів в процесі серцевої діяльності лежить в основі діагностичного методу, які має назву реографія (імпеданс-плетизмографія). Знімають реограми серця (реокардіограми), головного мозку (реоенцефалограми), магістральних судин, легенів, печінки й кінцівок. Як правило, дослідження проводять на частоті 30 кГц.

Мал.1

Подразнення здатний викликати тільки струм, довго тривалість якого перевищує деякий мінімальний час, потрібний для збудження м’язового волокна. Так як зі зростанням частоти струму довго тривалість подразнення зменшується, то після досягнення деякої порогової величини частоти (~ 10⁵ Гц) струм вже не викликає скорочення м’язів. В цьому випадку виникає тільки тепловий ефект.

Проходження електричного струму через провідник, якій має активний опір, супроводжується нагріванням останнього, так як прискоренні електричним полем носії заряду, зіштовхуючись з іншими частинками, передають їм частину своєї кінетичної енергії, що призводить до збільшення теплового руху частинок, внаслідок чого підвищується температура провідника. Кількість виділеного тепла розраховується за законом Джоуля-Ленца:

Q = I²Rt, (3)

де І – сила струму, R – опір, t – час впливу струмом. Розділивши даний вираз на об’єм й час, отримаємо кількість теплоти, яка виділяється в одиниці об’єму тканини за одиницю часу:

q = j²ρ, (4)

де j – щільність струму, ρ – питомий опір.

Тепловий ефект електричного струму широко застосовується в медицині для прогрівання тканин, для чого використовують струм силою 10 – 15 мА, частотою ν ≥ 500 кГц (зсув іонів, який він викликає, безпечне для організму), напругою ~ 10 кВ. Високочастотні струми застосовуються в хірургії для з’єднання (діатермокоагуляції) й розсічення (діатермотомія) тканин.

Постійний струм використовується для введення лікарських засобів – електрофорез. Під впливом електричного поля іони лікарського засобу проникають через шкіру в тканини. Від’ємно зарядженні частинки речовини (аніони) вводять з катоду, позитивні (катіони) – з аноду. Електрофорез має ряд переваг у порівнянні зі звичайними методами введення лікарських засобів, так як дозволяє вводити їх безпосередньо в тканини, обминаючи травневий тракт й кров.

Гальванізація – це застосування з лікувальною метою постійного електричного струму малої сили (до 50 мА) і низької напруги (30-80 В) контактним методом.

Постійний струм отримують з допомогою апаратів для гальванізації: настінних АГН-1, АГН-2, портативних ГОП-3, АГП-33, апаратів ГР-2, ГР-1М, “Потік-1”.
Гальванізацію проводять на поверхні тіла і в порожнинах. Методика електротерапії, в тому числі гальванізації і електрофорезу можуть бути місцеві (при дії на вогнище ураження), загальні, сегментарні (коли діють на ділянку проекції сегмента спинного мозку), і методики дії на рефлексогенні зони.

Імпульсні струми застосовуються для стимуляції серця, нервових волокон, м’язів з метою відновлення їх скорочувальної або провідної функції. Так, пропускання через серце короткочасних імпульсів струму силою 10 А викликає рівномірну деполяризацію мембран й сприяє виникненню синхронного скорочення м’язів міокарда. Під час реанімації з цією метою використовують дефібрилятор.

Дата добавления: 2014-01-07