Антонов В.Ф. Практикум по биофизике

Подождите немного. Документ загружается.

ного аппарата. Токи ДДТ со стороны кожи встречают очень

большое сопротивление, что обусловлено низкой частотой им-

пульсных сигналов v = 50 + 300 Гц. Емкостная составляющая

импеданса кожи (:то ) для токов ДДТ значительно боль-

^рог. ел.

ше,

чем при амплипульстерапии. Основными путями проникнове-

ния

токов ДДТ через роговой слой кожи являются протоки пото-

вых и сальных желез (Кжелез)'

е соз

ает

ся большая плотность

тока. Вследствие этого на роговом слое кожи создается значитель-

ный

градиент электрического потенциала

grad

ф (значительная

напряженность

электрического поля Е) и возникают ощущения

жжения и покалывания под электродами. Для получения лечеб-

ного эффекта в глубоко расположенных тканях требуются относи-

тельно большие амплитуды переменного тока I = 30 ма.

7. Первичные механизмы действия переменных электриче-

ских токов в физиотерапевтических процедурах.

При

действии переменных электрических токов возникает

изменение

концентрации ионов у оболочек клеток, что приво-

дит к изменению биопотенциалов на мембранах клеток, а сле-

довательно к изменению функционального состояния клеток.

Как

следствие изменения функционального состояния клеток

происходит цепь физиологических процессов, в

результате

ко-

торых наблюдается: усиление притока крови к возбуждаемым

волокнам

и ее оттока; возбуждение чувствительных двига-

тельных и вегетативных нервных волокон; активизация раз-

личных видов обменных процессов.

8. Назначение и блок-схема аппарата "Амплипульс".

Аппарат "Амплипульс" вырабатывает синусоидальные мо-

дулированные напряжения для проведения процедур ампли-

пульстерапии.

Прибор

состоит из следующих основных частей: блока пита-

ния,

генератора несущего синусоидального сигнала, модулято-

ра, генератора модулирующего сигнала, усилителя (см. рис. 4).

Блок

питания преобразует напряжение сети 220 В 50 Гц в

различные необходимые постоянные и переменные напряже-

ния,

которые подаются на все части прибора. Генератор несу-

щего синусоидального сигнала вырабатывает напряжение си-

нусоидальной формы с частотой

Hec

5000

Гц. Генератор сиг-

нала модуляции вырабатывает напряжение синусоидальной

111

Сеть

220

•-

Блок

пита-

ния

Генератор

несущего

синусоид,

сигнала

Модулированные

-*-|Модулятор|

колебания

Генератор

сигнала

модуляции

Модулированные

Усилитель

усиленные

колебания

Рис.

Блок-схема

прибора

формы

частотами модуляции

МОД

= 30; 50; 70; 100; 150 Гц.

Модулятор вырабатывает амплитудно-модулированное коле-

бание.

Усилитель

—

усиливает модулированное колебание,

по-

ступающее

выхода модулятора.

При

различных режимах

родах работы аппарата

"Амп-

липульс" форма напряжения,

следовательно,

тока может

варьироваться.

Кнопки

"режим работы" обеспечивают

режима работы:

режим

(~) —

переменного тока,

режим

(~) —

пульсирующе-

го тока одного направления,

III

режим

(=•)—

пульсирующего

тока противоположного направления.

Кнопки

"род

работы" обеспечивают

рода работы

p.p.):

p.p. —

постоянная модуляция. Обеспечивает

во

всех

3-х

режимах работы непрерывное амплитудно-модулированное

напряжение.

p.p. —

посылка

пауза. Обеспечивает

во

всех

3-х

режи-

мах посылки модулированного напряжения, чередующиеся

паузами.

III

p.p. —

посылки модулированного напряжения

череду-

ются

посылками несущего (немодулированного) напряже-

ния.

p.p. —

чередуются посылки напряжения

разными

час-

тотами модуляции. Одна

MOfl

=150 Гц,

другая

M0A

— вы-

брана нажатием соответствующей

кнопки.

Кнопки

"длительность

(сек)"

позволяют задавать длитель-

ность посылки

ПОСЫЛКИ

При

этом

посылки

= t

паузы

между

посылками

112

Кнопки

"частота Hz" — позволяют задавать частоту

моду-

ляции

мод

Кнопки

"модуляция % " позволяют задавать нужный

коэф-

фициент

глубины модуляции т%.

Ручка

"ТОК"

позволяет изменять значение тока в цепи паци-

ента.

Кнопка

"электроды" позволяет подавать напряжение на

электроды (на

выход

аппарата).

Выполнение

работы

Задание

1. Изучение

кнопок

управления аппарата "Ампли-

пульс":

а) Найти на передней панели аппарата все указанные выше

кнопки.

б) Подключить аппарат "Амплипульс" с помощью соедини-

тельного кабеля к осциллографу по

схеме

(рис. 5).

в) Включить "Амплипульс" и осциллограф в сеть 220 В 50

Гц с помощью кабелей питания.

г) Включить тумблеры "сеть" на приборах и прогреть прибо-

ры в течение 10 минут.

сеть

220

50 Гц

Амплипульс

Осциллограф

сеть

220

Гц

соединительный

кабель

Рис.

5. Схема

регистрации

сигналов

Задание

2. Изучение формы напряжения, подаваемого на

пациента

в различных режимах.

а) оформите в тетради таблицу:

№№

Режим

работы

режим

III

режим

Установить

Род

работы

Ip.p.

p.p.

Зр.р.

p.p.

HOfl

[ГЦ]

100

150

100

Измерить

'-'omax

Uomin

Рассчитать

113

б) Установите на передней панели аппарата "Амплипульс"

кнопки

в положения, указанные в таблице, а также нажмите

кнопки

"Электроды" и "диапазон", добейтесь четкого изоб-

ражения на экране осциллографа для

всех

5-ти указанных

случаев.

Для 2 p.p., 3 p.p., 4 p.p. необходимо нажать кнопку "дли-

тельность S" 1—1,5 сек.

Примечание:

значения

MOfl

и т% преподаватель может из-

менять.

в) Зарисуйте в тетради изображение сигналов для

всех

ука-

занных случаев.

г) Рассчитайте коэффициент глубины модуляции т% для 1

2 случая.

3.3.

Биофизические

основы

электрической

стимуляции

органов

Электрическая стимуляция органов и тканей широко при-

меняется в клинической практике. Электрической стиму-

ляции

подвергают многие органы: сердце (кардиостимуля-

ция),

мозг (электроанестезия, электросон), мышцы желудка

многие другие. Электрическая стимуляция в ряде случаев

является единственной возможностью сохранить жизнь па-

циенту. Поэтому изучение биофизических основ электричес-

кой

стимуляции органов является важным для студентов ле-

чебных специальностей и санитарно-гигиенических областей

науки.

Цель

работы:

1. Изучить основные части электростимулятора и их назна-

чения.

2. Объяснить, какие физиологические характеристики оп-

ределяют выбор параметров электрических импульсов при

электростимуляции.

3. Получить начальные навыки работы с электростимулято-

ром и изучить параметры стимулирующего импульсного сиг-

нала.

114

Литература:

Антонов

В.Ф. и др. Биофизика. — М.: Владос,

2000.

Ремизов

А.Н. Медицинская и биологическая физика. - М.: Выс-

шая школа,

2000.

Подготовка

работе

Изучить и записать в тетради ответы на следующие вопро-

сы:

1. Какие органы

могут

автоматически генерировать потен-

циалы действия в естественных условиях? В каких условиях

необходим искусственный водитель ритма?

2. Что такое пороговый ток возбуждения и от каких факто-

ров зависит его значение?

3. Параметры одиночного импульса и импульсного сигнала.

4. Какими физиологическими характеристиками определя-

ется выбор параметров электрических импульсов? Привести

примеры импульсных сигналов, применяемых при электро-

стимуляции.

5. Какие процессы происходят в дифференцирующей и ин-

тегрирующей цепях при подаче на их

вход

прямоугольного

импульса?

6. Каковы основные части электронного стимулятора и их

назначение?

7. Почему происходит искажение характеристик импульс-

ного сигнала при его распространении по организму? Какое

значение это имеет для практики?

Теоретические

сведения

Автоматическая

генерация

электрических

импульсов

(по-

тенциалов

действия)

организме.

В невозбужденном состоя-

нии

между

внутренней и наружной поверхностями мембраны

существует

стационарная разность электрических потенциа-

лов — потенциал покоя. При возбуждении нервных, мышеч-

ных клеток происходит резкое изменение мембранного потен-

циала — возникает потенциал действия. В основе его формиро-

вания

лежит изменение ионной проницаемости мембраны. По-

тенциал действия возникает в области раздражения и затем

115

распространяется вдоль нервного волокна, что обеспечивает

передачу информации в нервной системе. Потенциалы дейст-

вия

вызывают процессы, определяющие работу органов,

регу-

лирующие биофизические реакции, сократительные акты.

Потенциал

действия возникает не только под влиянием

внешних раздражителей. Так в естественных условиях в сердце

в коре головного мозга происходит автоматическая генерация

потенциалов действия. Например, в сердце возбуждение возни-

кает в синоатриальном (С-А)

узле

(с частотой ~ 60 импульсов в

минуту) (рис. 1) и затем распространяется на остальные облас-

ти.

Причем, самостоятельно генерировать возбуждение может

любая клетка сердца. Однако в обычных условиях автоматичес-

кая

генерация

всех

нижерасположенных участков проводящей

системы сердца подавляется более частыми импульсами из С-А

узла.

случае

его поражения водителем ритма может быть ат-

риовентрикулярный (А-В) узел. При его поражении водителем

ритма

будет

пучок Гиса (Г), затем клетки волокон Пуркинье (П).

Но

при этом нарушается нор-

мальное функционирование сердца,

а следовательно, и

других

систем ор-

ганизма.

При

нарушении естественной ав-

томатической генерации потенциа-

ла действия или при нарушении

проводимости нервного импульса,

работу органа можно возобновить

искусственно с помощью внешних

электрических сигналов.

В сердце может возникнуть и сле-

дующая патология: мышечные во-

локна

испытывают самопроизвольно

до

400—600

сокращений в минуту, происходящих несогласо-

ванно

(фибрилляция) в различных участках сердца. Это явле-

ние

связано с хаотичной самопроизвольной генерацией потен-

циалов действия в разных участках миокарда сердца. Наиболее

эффективным

способом прекращения фибрилляции является

электрическая дефибрилляция: воздействие сильным электри-

ческим разрядом

(~5000

В), после чего может восстановиться

синхронность сокращения волокон.

у. мин

Рис.

Автоматическая

гене-

рация

возбуждения

различных

участках

сердца

116

Применение

электрического воздействия

для

изменения

функционального состояния мышц

органов называется

эле-

ктростимуляцией

Рассмотрим

виды

импульсных сигналов, применяемых для

электростимуляции

и их

характеристики. Электрический

импульс

— это

напряжение

или ток,

действующие

течение

короткого промежутка времени, называемого длительностью

импульса. Основные формы импульсов

для

электростимуля-

ции

представлены

на

рис.

ПА

Рис.

Формы

импульсных сигналов

(а —

прямоугольная положительная;

—

трапецеидальная;

в —

экспоненциальная;

г —

экспоненциально-па-

дающая;

д —

колоколообразная;

е —

знакопеременная)

На

рис.

представлены основные характеристики импульс-

ного сигнала.

Рис.

Характеристики импульса:

—

длительность импульса (при-

нято

длительность импульса

изме-

рять

по

уровню 0,1

);

\.ф

—

дли-

тельность

переднего фронта;

t<j,

—

длительность

заднего фронта;

—

амплитуда импульса

(макси-

мальное

значение);

S —

крутизна

фронта

(скорость нарастания

на-

пряжения);

S =

dU/dt,

или S ~ tga,

tga

O,8U

0,9

g,1

Для электростимуляции применяют,

как

правило,

не оди-

ночные импульсы,

периодические импульсные сигналы (рис.

4),

также посылки импульсов (рис.

4).

Во избежание электрической поляризации часто использу-

ют импульсы чередующейся полярности (рис.

2е).

Рассмотрим особенности воздействия электрического

им-

117

Рис.

4. Периодический импульсный сигнал (t

— длительность паузы между им-

пульсами;

Т — период повторения импульсов; v — частота повторения

импульсов,

v = 1/Т, Т = t

+ t

; а — скважность; а = T/t

;

noc

— длитель-

ность

посылки;

— длительность паузы между посылками)

пульса

на биологические объекты. Для стимуляции различ-

ных органов применяются различные формы и параметры эле-

ктрических импульсов, некоторые из них представлены в таб-

лице:

Орган

импульса

Сердце

Дыхательная

система

Мышцы

опорно-

двигат.системы

Электроим-

пульсная тера-

пия

(дефибрил-

ляция)

Форма

_Л_

-TL

JV_

(В)

0,5-6

до

100

5000

(Гц)

до

100

одиночн.

(мс)

0,15

0,8

' пос

(с)

1-6

Общее

время

стимулирования

от

1 мин. до 10 лет

0,5-2

часа

Закон

Дюбуа-Реймона. Раздражение вызывается при изме-

нении

силы тока и линейно зависит от скорости, с которой это

изменение происходит.

Этот закон связан со свойством

возбудимых

тканей приспо-

сабливаться к постепенно нарастающей силе тока. Это свойст-

во тканей называется адаптацией. Способность к адаптации

зависит от типа мышц и их функционального состояния. У

гладких мышц адаптация снижена по сравнению с поперечно-

полосатыми, также у пораженных мышц адаптация ниже по

118

сравнению

со

здоровыми. Поэтому

для

стимуляции гладких,

также

для

поперечно-полосатых мышц применяются посте-

пенно

нарастающие импульсы.

Мышцы

способны давать реакцию только

до

определенного

значения

частоты повторения раздражающих стимулов

max

Это свойство называется лабильностью. Лабильность снижена

у гладких мышц

(по

сравнению

поперечно-полосатыми)

и у

пораженных

(по

сравнению

со

здоровыми). Поэтому

для сти-

муляции гладких,

также пораженных мышц применяются

низкие

частоты повторения импульсных сигналов.

Электростимуляция

— это

пороговый эффект. Различие

амплитудном значении напряжения импульсов объясняется

различием минимальной силы раздражения (пороговой силы

тока

nop

вызывающей реакцию того

или

иного органа.

Зна-

чение J

определенных пределах обратно пропорциональ-

но

длительности импульса

Значение J

p увеличивается

при

уменьшении скорости нарастания тока

Таким

образом, подбор параметров электрических импуль-

сов определяется функциональными свойствами органов.

Рассмотрим

методы

получения импульсных

электричес-

ких сигналов.

Блок-схема электронного стимулятора представлена

на

рис.

В качестве задающего генератора применяют генераторы

Задающий

генератор

Блок

управления

паузами

между

посылками

Блок

формирования

Выходной

усилитель

t / ^

Блок

питания

,--

Рис.

Блок-схема электронного стимулятора

прямоугольных Импульсов (блокинг-генераторы

мультиви-

браторы). Блок формирования состоит

из

дифференцирующих

интегрирующих цепочек, позволяющих изменять форму

длительность сигнала.

Дифференцирующая цепь (ДЦ) изображена

на

рис.

6а.

119

вх '

вых /

Зт

Рис.

6. Дифференцирующая цепь

Установим связь

между

напряжениями на

выходе

и на вхо-

де ДЦ. Поскольку напряжение снимается с сопротивления, то

BbIX

= JR. Учитывая, что ток J является производной от заря-

да Q по времени t, a Q = CU

, получим

dQ __dU

где С — емкость конденсатора.

Величина x=RC называется постоянной RC-цепи. За время

равное Зт происходит практически полный заряд (или разряд)

конденсатора.

'вх

вых

Таким образом, выходное напряжение ДЦ пропорционально

производной по времени от

входного

напряжения.

При

подаче на

вход

ДЦ прямоугольного импульса, конден-

сатор заряжается, а при выключении

входного

напряжения

конденсатор разряжается, и ток меняет свое направление. По-

этому полярность напряжения на

выходе

изменяется на обрат-

ную (рис. 66).

Интегрирующая цепь (ИЦ) представлена на рис. 7а.

Установим связь

между

напряжениями на

выходе

входе

ИЦ.

Поскольку напряжение снимается с конденсатора, то

BbIX

= g. Заряд на конденсаторе Q(t) = J J(t)dt = -о J U

(t) dt.

120