6 курс / Медицинская реабилитация, ЛФК, Спортивная медицина / Физиотерапия, лазерная терапия / Многоканальная_электростимуляция_Давиденко_В_Ю_

тов мышц. В результате напряжение целой мышцы (сухожилия) повышается позднее и медленнее, чем напряжение в ее контрактильных элементах.

Рис. 2.7. Кривые одиночного сокращения смешанной мышцы (А), мышцы из белых волокон (Б), мышцы из красных волокон (В). І – сокращение, ІІ – ток действия.

Активное состояние возбужденных мышечных волокон длится всего несколько миллисекунд. При этом чем короче длительность активного состояния, тем меньше длительность одиночного сокращения. Иначе говоря, более быстро сокращающиеся мышечные волокна имеют более короткий период активного состояния.

В естественных условиях в здоровом организме произвольные одиночные импульсы и сокращения не возникают. Сокращение мышцы всегда обусловливается действием серии импульсов в единицу времени. Если второй сократительный импульс подается еще до окончания фазы расслабления волокон, то в этом случае второе сокращение наносится на первое. Следствие этого

– более высокое развитие силы. Если нужно развить большую силу, то второй импульс уже должен достичь волокон двигательной единицы еще до окончания фазы сокращения. Тогда волокна снова сократятся еще до начала фазы расслабления. Спад напряжения или силы в этом случае невозможен (рис.2.8).

Последующие сокращения вытекают из предыдущих. Если к мышечным волокнам приходит серия импульсов с большой частотой, то сокращение, вызванное вторым импульсом, накладывается на первое сокращения, на второе сокращение накладывается механический ответ на третий и т.д., т.е. приходит суперпозиция (наложение отдельных ответов друг на друга). При этом ответ (прибавка к напряжению или укорочению) на каждый последующий импульс меньше, чем на предыдущий. После нескольких первых импульсов последующие ничего не добавляют к достигнутому напряжению (укорочению), но поддерживают это напряжение (или укорочение). Такой режим сокращения мышечных волокон называется полным или гладким тетанусом (рис.2.8).

40

Частота, при которой мышечные волокна развивают полный тетанус, называется частотой слияния или частотой полного, ( гладкого) тетануса.

Повышение частоты сверх той, при которой достигается полный тетанус, увеличивает напряжение мышечных волокон очень мало. Поэтому иногда частоту, достаточную для достижения полного тетануса называется максимальной.

Если увеличение частоты следования импульсов сверхмаксимальной (при которой возникает полный тетанус) почти не вызывает изменения в максимальном напряжении мышечных волокон, то для повышения скорости нарастания их напряжения ("градиента силы") это увеличение играет важную роль ( рис.2.8. ).

Напряжение, развиваемое мышечными волокнами при полном тетанусе в 2-5 раз больше, чем при одиночном сокращении.

Одиночное

сокращение

Рис. 2.8. Схема формирование тетануса и достижения максимума сокращения в зависимости от частоты стимулирующих импульсов.

Если частота импульсов ниже частоты полного тетануса, то приходит суперпозиция соседних циклов сокращения. Однако их полного механического слияния (как при полном тетанусе) в этом случае не возникает, а наблюдается волнообразный ответ мышцы, обозначаемый как неполный зубчатый тетанус.

При неполном тетанусе величина напряжения (укорочения) меньше чем при полном тетанусе и, кроме того, она колеблется на протяжении всего сокращения. Пациенты, подвергающиеся электростимуляционному воздействию с этой частотой следования импульсов отмечают это как "вибрацию".

Частота импульсов, при которой возникает тетаническое сокращение, выше для быстрых мышечных волокон с их относительно коротким периодом одиночного сокращения и ниже для медленных мышечных волокон с их более длительным периодом одиночного сокращения. Как будет показано в гл.4., электростимуляционные воздействия на нервно-мышечный аппарат позволяют менять сократительные характеристики быстрых и медленных волокон.

41

2.5Основные законы раздражения

Еще в прошлом столетии было установлено, что малые по силе раздражения не вызывают сокращения мышц и называются подпороговыми. Для вызова полноценного возбуждения (сокращения мышц) раздражитель должен быть определенной силы – равный или превышающий известную критическую величину. Раздражение, вызывающее минимальное по силе сокращение, называется порогом возбуждения. Так как в качестве раздражителя применяется электрический ток, то порог возбуждения обозначается либо в размерностях тока, либо напряжения. Порог возбуждения обозначают термином реобаза. По реобазе обычно судят о возбудимости мышечной ткани – чем ниже порог, тем выше возбудимость. В относительно небольших пределах сила сокращения возрастает с увеличением силы раздражения. При чрезмерной силе раздражения мышца расслабляется и ее сократительная способность может вообще нарушаться. Минимальная по величине сила раздражения, вызывающая наибольшую реакцию ткани, называется максимальной силой раздражения. Сила раздражения меньше максимальной, но больше пороговой, называется субмаксимальной силой раздражения. Супермаксимальными раздражениями называются такие раздражения, сила которых превосходит максимальную. Кроме порога возбуждения для возникновения возбуждения большое значение имеет еще и длительность раздражения. Минимальное время, в течение которого электрический ток должен действовать на ткань, чтобы вызвать возбуждение, находится в обратной зависимости от напряжения и силы тока. Эта зависимость выражается кривой силы-длительности раздражения Горвега- Вейса-Лапика (рис. 2.9).

Кроме того, при медленном нарастании силы раздражения специфическая ответная реакция не возникает. Для вызова оптимальной реакции при ритмическом раздражении, частота раздражения должна соответствовать лабильности, а длительность импульса должна быть не меньше полезного времени. С увеличением частоты следования импульсов эффект сокращения увеличивается до определенной величины (оптимума). При повышении частоты раздражения выше оптимума эффект сокращения не увеличивается в той же степени, а становится пропорциональным корню квадратному из частоты, а в дальнейшем раздражающее действие и вовсе прекращается (10-50 КГц ).

В силу того, что параметры сигналов, измеряемые вне ткани и получаемые в самих тканях различны, на возникновение возбуждения оказывает влияние площадь электродов в каждом отдельном случае, т.к. от нее зависит плотность тока. Сила сокращения будет зависеть от того, через какую площадь электродов мы подводим одну и туже силу тока. Чем больше плотность тока, т.е. чем меньше поверхность электрода, тем сильнее сокращение. При этой же силе тока плотность обратно пропорциональна площади электродов. Поэтому, при сравнении физиологического действия, необходимо всегда сравнивать не силу тока, а плотность.

42

В выпускаемой фирмой аппаратуре доминирующая полярность импульсов может реверсироваться автоматически, что предотвращает привыкание организма к длительным процедурами электростимуляции, а ручная регулировка частоты генерации импульсов от 4 до 100 Гц позволяет успешно применять эти токи при дифференцированной электростимуляции мышц с различной степенью их атрофии.

Достижения науки и технологии последних лет значительно расширили сферы и применения электростимуляции. Сегодня на рынке бывшего СССР

имеется свыше 40 видов электростимуляторов, различающихся названиями, наборами аксессуаров, числом каналов, но с одинаково высокой ценой. Основное из назначений: коррекция фигуры, омоложение, увеличение груди, уменьшение талии, сжигание жира, лимфодренаж, борьба с целюлитом. При этом вполне серьезно утверждается, что уровень исполнения устройства и его качество определяется числом ручек, кнопок, индикаторов, таймеров, дисплеев, фиксированных программ и др.

Для правильной ориентации в спектре выпускаемых электростимуляторов, в частности, для определения совокупности требуемых характеристик и параметров с целью получения ожидаемого эффекта, целесообразно их классифицировать, учитывая тот факт, что устройства, близкие по назначению, как правило, имеют существенные отличия в параметрах.

По нашему мнению эту работу мог выполнить только опытный специалист в области электростимуляторной техники.

Результаты проделанной и любезно предоставленной Э.К.Казимировым работы изложены в главе 3.

ГЛАВА 3. ТЕХНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ НИЗКОЧАСТОТНОЙ ИМПУЛЬСНОЙ ЭЛЕКТРОСТИМУЛЯЦИИ

3.1Замечания относительно терминологии

Втаком направлении медицины как электротерапия издавна наблюдается ряд характерных процессов:

Сильно выраженный субъективизм в толковании понятий, терминов; произвольное ограничение сфер их использования, противоречащее сути терминов.

Присвоение определённым электрическим сигналам названий по имени инициаторов их применения либо словами, непонятно по каким критериям выбранными, из греческого, например, языка.

Присвоение имён учёных единицам измерений, константам, явлениям практикуется в различных сферах деятельности, но это, как известно, касается фундаментальных основ материального мира и получает всеобщее признание. В рассматриваемом случае, однако, есть существенный момент – в радиоэлектронике, электротехнике те же самые сигналы "уравнены в правах" со множе-

45

ством других сигналов и называются в соответствии с их сущностью, и именно в этих сферах деятельности создаются аппараты для электровоздействия.

Формирование новых, не совсем удачных терминов.

Понятно, когда в слове "электротерапия" приставка "электро" – заменяется существенной, хорошо известной характеристикой используемого сигнала: УВЧ-терапия, СВЧ-терапия (УВЧ – ультравысокочастотные-, СВЧ – сверхвысокочастотные колебания). Но совсем непонятно когда вместо приставки "электро-" ставится слово с весьма размытым неконкретным смыслом "амплипульс" (амплитудные пульсации): амплитудные пульсации характерны для любых электрических сигналов и этого термина недостаточно для отражения сущности электрического сигнала, в том числе генерируемого аппаратом "Амплипульс". Так появился курьёзный термин "амплипульстерапия".

Известны и другие вольности: токи Ледюка, токи Ананьева, ультратоки Траберта, диадинамические токи и др.

Такая ситуация вынуждает определить свою позицию по отношению к наиболее часто дискутируемым вопросам.

Толковые словари определяют "воздействие", как действие, направленное на кого-либо, на что-либо с целью добиться, достичь определённого результата. “Электровоздействие” – это воздействие с использованием электричества в любых (в рамках допустимого) его формах. Воздействие может и созидать, и разрушать, и не иметь каких-либо результатов.

"Электростимуляция" – это тоже "электровоздействие", но определенной направленности: усиление, активизация деятельности определённых органов или систем в организме. Электростимуляция используется как для лечебных целей так и для здоровых людей с целью тренировки, профилактики, компенсации влияний неблагоприятных факторов (например ограниченной подвижности).

"Электротерапия" – это лечение с помощью электричества, т. е. имеет более узкую направленность, чем электростимуляция. Диапазон целей (направленность), характерных для каждого из терминов, сужается по цепочке "электровоздействие – электростимуляция – электротерапия".

Любой из терминов может быть применён в отношении любой биологической структуры: ткани, органы, системы организма, организм в целом. Каждый волен выбирать подходящий ситуации термин, с учётом его особенностей. Если речь идёт о лечебном воздействии, подходит любой из трёх терминов; если воздействие не имеет лечебных целей, то не подходит термин "электротерапия". Необходимо сопровождать эти термины указаниями, какой используется электросигнал и какая структура является объектом воздействия.

Электровоздействие, о котором в основном идёт речь в этой книге – низкочастотная импульсная электростимуляция нервно-мышечных структур, преимущественно скелетной мускулатуры.

Представляется, что названия характеристик электрических сигналов должны соответствовать их сущности, как это имеет место в физике, электро-

46

технике, радиоэлектронике. А инициаторов (авторов) применения характерных сигналов просто отмечать, как это широко практикуется.

3.2Развитие аппаратуры для электостимуляции. Исторический аспект

Вглаве I дан исторический очерк развития электростимуляции и средств для её осуществления. Выделим техническую линию в этом развитии.

Первым искусственным источником тока считается Вольтов столб, который изобрёл итальянский физик и физиолог А. Вольта в 1800 г. Столб состоял из последовательно соединённых элементов, которые Вольта создавал и исследовал ранее в 1792-1794 гг. Знаменательно, что на создание элемента подтолкноли результаты физиологических опытов на живой мышце (лягушки), проведенных его соотечественником Л. Гальвани, о которых Вольта был хорошо осведомлён. Эти элементы в последствии получили название "гальванических" и постоянный ток стал называться гальваническим током. Эти источники постоянного тока можно считать первыми аппаратами для электровоздействия. Электротерапия с использованием постоянного тока применяется по сей день и называется гальванизацией.

Следующим важным событием для развития электростимуляционной аппаратуры явилось открытие в 1831 году М. Фарадеем явления электромагнитной индукции. На базе этого явления были разработаны аппараты для низкочастотной импульсной электростимуляции – первые из них связаны с именами И. Кобата (1848) и Э.Дюбуа-Реймона (1849). Выходные сигналы этих аппаратов получили название "фарадические токи". По современной терминологии – это биполярные асимметрические импульсные сигналы с нолевой постоянной составляющей. С точки зрения электрофизиологии это очень удачная форма импульса; и получилась она не в результате какого-то замысла, а исключительно благодаря специфике работы индукционной катушки.

Усовершенствованный Э.Дюбуа-Реймоном “санный аппарат” около 100 лет был универсальным электростимулирующим аппаратом. (рис. 3.1).

Достоинства аппаратов с индукционной катушкой:

от источника постоянного тока (гальванические элементы) с помощью индукционной катушки можно получать сигналы импульсной формы;

на нагрузке (участке тела, к которому подводится электрический сигнал) можно получать амплитуду импульса напряжения любой требуемой величины при малом напряжении источника тока;

наличие индуктивно связанной с катушкой вторичной обмотки позволяет обеспечить гальваническую развязку выхода аппарата.

И сейчас, но уже на современном уровне, используются катушки индуктивности для формирования "фарадических токов" (хотя подобные импульсы получают и другими способами, без катушки); и достоинства аппаратов, упоминавшихся выше, также сохранили своё значение.

В 1880-х годах появляются генераторы для выработки электроэнергии. Для электросети генераторы переменного тока вырабатывают электрические

47

колебания синусоидальной формы, низкой частоты (50 (60) Гц). Непрерывный синусоидальный сигнал сам по себе не адекватен электрофизиологическим процессам живого организма.

Но для медицины неадекватность не всегда есть препятствие. Уместно вспомнить, что яды в определённых дозах используются для лечебных целей и, образно выражаясь, самолёт летает не так как птица. В начале ХХ века были попытки использования электрического сигнала электросети с лечебными целями и он был отвергнут как неадекватный, но позже, с появлением возможностей преобразования электрических сигналов в другие формы, стал применяться в преобразованном виде. Преобразование, позволившее применять синусоидальный ток для лечебных целей, называется "выпрямление": превращение двуполярного синусоидального сигнала сети в однополярные пульсации в виде полусинусоид (слегка искажённых выпрямителем). Преобразованные токи получили два названия: диадинамические токи, токи Бернара (1946г, впервые предложил использовать токи такой формы для лечения). Лечение этими токами получило название диадинамотерапия, этот вид терапии существует и в настоящее время.

Рис.3.1. "Индукционный санный аппарат Э.Дюбуа-Реймона" - первый универсальный электростимулятор

С появлением радиоэлектронных генераторов синусоидальных колебаний с широким диапазоном частот, для лечения стали применять и синусоидальные колебания – как в чистом виде, так и с различного рода модуляциями.

В начале ХХ века появилась первая электронная лампа, в 60-70-х гг. началось бурное развитие полупроводниковой электроники, последние десятилетия интенсивно внедряются компьютерные технологии.

Всё это дало возможности простыми способами получать электрические сигналы различных форм и параметров: контролировать, управлять, регистрировать и обрабатывать сигналы. Интегральные микросхемы позволили существенно уменьшить габариты и вес устройств. Всё это в свою очередь позволило создавать аппаратуру более высокого уровня сложности, с более широкими функциональными возможностями.

48

Несмотря на бурное развитие технологий, способствующих созданию более совершенной аппаратуры для электростимуляции, электростимуляция, как направление, развивается медленно. Несмотря на преклонный возраст, имеется много проблем и недостаточно разработанных вопросов. Виной этому чрезвычайная сложность биологических структур; не совсем ясные механизмы функционирования; затруднения с точным и всеобъемлющим описанием процессов, в них происходящих.

Прежде чем обсуждать аппаратуру, необходимо кратко отметить характерные особенности биологических структур; на техническом языке – это нагрузка аппаратов и её характеристики определяют параметры выходных сигналов аппаратуры.

3.3Характерные особенности биологических структур, как нагрузки электростимуляторов

Электростимулятор подключается к телу человека с помощью, чаще всего, накладных электродов и нагрузкой аппарата, в принципе, является всё тело человека. Но существенное влияние электрический ток оказывает на тех участках его прохождения, где плотность тока имеет достаточную, значимую для данного участка величину; практически непосредственное влияние тока ограничивается зонами вблизи электродов.

Участок тела между электродами – это объёмный проводник неоднородной структуры с различными средами (плотные образования, жидкие среды).

Вспомним, что электричество – это совокупность явлений, в которых проявляется существование, движение и взаимодействие заряженных частиц, а электрический ток – это упорядоченное (направленное) перемещение и смещение заряженных частиц (электронов, ионов и других носителей зарядов) и заряженных макроскопических тел. С этих позиций интерес представляют следующие особенности объёмного проводника между электродами.

Наличие различных веществ разнообразного вида - атомы, молекулы различной степени сложности, ионы, радикалы. И вся эта масса вещества активно участвует в физико-химических процессах жизнедеятельности.

Наличие таких сложно организованных образований как клетки, следующих после молекул структурных единиц материи, элементарная структурная и функциональная основа всех живых организмов.

Наличие специфически организованных тканей: нервные и мышечные ткани; кровеносные и лимфатические сосуды; поверхностные мембраны клеток, нервных и мышечных волокон.

Рецепторные поля кожи.

Возбудимость нервно-мышечных тканей с различными порогами возбуждения. Помимо естественно протекающих процессов возбуждения, обеспечивающих функционирование организма, с помощью электрического тока можно вызвать искусственное возбуждение, если сила тока превзойдёт определённое пороговое значение.

49