Раздражение при возбуждении. Порог раздражения

Живые клетки, ткани, органы реагируют на воздействие различных факторов внешней и/или внутренней среды. Это воздействие называется – раздражением. Реакцию на это воздействие – возбуждением.

Раздражение  Биофизическая система  возбуждение

Природы раздражения: физическая, химическая, механическая, любая.

Чтобы наступило возбуждение, энергия раздражения должна преодолеть определенный порог.

Порог раздражения (ПР) – это min сила раздражения, вызывающая реакцию возбужденной ткани.

В случае воздействия электрического тока, ответная реакция проявляется в виде сокращения мышц, болевого ощущения и т.д.

Пороговая сила тока (i_П) – это min значение силы тока, при котором возникает ответная реакция организма.

Раздражающее действие Э.Т. Закон Дюбуа-Реймона.

Термическое действие постоянного Э.Т. (i>i_П), связано со смещением заряженных частиц, преимущественно ионов тканевых электролитов.

Положительные и отрицательные ионы движутся в противоположных направлениях вдоль силовых линий электрического поля.

Вблизи клеточных мембран, ограничивающих их разделение и накопление – возникает поляризация.

В результате этого изменяется обычный состав ионов по обе стороны клеточной мембраны.

Изменение ионной среды, приводит к изменению функционального состояния клетки в сторону торможения или возбуждения ее деятельности.

Говорят, что этим самым Э.Т. оказывает раздражающее действие.

Поляризация на мембране  раздражающее действие.

В 1845г – Дюбуа-Реймон установили, что:

Раздражающее действие Э.Т. прямопропорционально скорости нарастания (изменения) силы Э.Т.

ε~di/dt – раздражающее действие (раздражение) – математическое выражение закона

i – сила тока

di/dt=i` - первая производная силы тока по времени.

Согласно физическому смыслу производной – i` - это υ_i – скорость нарастания силы тока.

ε=k*di/dt, где k – коэффициент пропорциональности.

Экспериментальный график i=f(t)

i

1

2

α

α t

1 – быстрое нарастание силы тока (i_П1 – п.р.1)

2 – медленное нарастание силы тока (i_П2 – п.р.2)

На основании геометрического смысла производной:

y` = tgα

α₁ > α₂  tgα₁ > tgα₂

(di/dt)₁ > (di/dt)₂  ε₁ > ε₂

i_П1 < i_П2

i_П~1/(di/dt) – обратно пропорциональная зависимость.

Раздражающее действие одиночных импульсов Э.Т. определяется в основном передним и задним фронтом нарастания, т.е. углами α₁ и α₂.

i

α₁ α₂ t

tgα=S – крутизна фронта импульса

При ↑α ↑S ↑ε

Установлено, что при α=π/2(90⁰); tgπ/2∞  S_max ε_max

Поэтому прямоугольные импульсы тока – нашли наибольшее применение в электростимуляции.

i

t

Зависимость порогового тока от длительности прямоугольных импульсов. Уравнение Вейса-Лапика.

Рассмотрим поведение клетки под действием прямоугольного импульса тока.

T – время импульсного воздействия

t_П – время паузы

T= t_П + t_ИМП

i

T

t_П

t

+ E -

- +

L

E – вектор напряженности электрического поля

L~i * t_ИМП

При ↑ t_И i↓

При ↓ t_И i↑

При этом достигается одно и тоже раздражающее действие.

За t=t_И – ионы должны сместиться на расстояние L. L= υ_q * t_И, где υ_{q – скорость} движения ионов в клетке.

i=dq/dt=q` - первая производная заряда по времени.

Согласно физическому смыслу 1 производной: q` = υ_q

После включения Э.Т. ионы в клетке начинают двигаться вдоль силовых линий электрического поля. Для того чтобы вблизи клеточной мембраны произошло их разделение и накопление, т.е. возникла поляризация, ионы в клетке должны за время длительности импульса двигаться со скоростью равной силе тока.

i~1/t_И  i_П ~ 1/ t_И

i_П = а/ t_И + b – уравнение Вейса-Лапика, где a и b – коэффициенты зависящие от природы раздражения и функционального состояния ткани.

Раздражающее действие импульса электрического тока зависит от длительности самого импульса.

Построим график i_П = f(t_И)

1/0∞

1/∞ 0

-если t_И 0, значит i_П ∞

-если t_И ∞, значит i_П b – b=Re – реобаза – min значение силы тока, при котором еще возможно раздражающее действие, при сколь угодно большой длительности импульса.

i_П

2Re Область возбуждения

Re

0 b t_И

Chr – хронаксия

Chr – t_И

i_П – 2Re

Если i<Re – раздражения не будет  ε=0

Реобаза и хронаксия – являются характеристиками возбудимости органа или ткани, а также м/т служить показателями их функционального состояния.

Зависимость порогового тока от частоты

График i_П =f(ν)

Уравнение В-Л.

График i_П =а (t_И)

i_П

Область

возбуждения

Re

ν

-если ν 0, то t_И ∞ (ν=1/T; ν~1/t_П)

i_П = b =Re

-если ν ∞, то t_И 0 и i_П ∞

Под действием силы Э.Т., периоды изменяются с определенной частотой, ионы в клетке смещаются от одной мембраны до другой.

Если частота Э.Т. достаточно мала, то амплитуда колебаний ионов настолько велика, что они успевают сместиться в сторону мембраны, где происходит их разделение и накопление, т.е. возникает поляризация.

При ↑νЭ.Т.  ↓A_ионов  ↓поляризация ↓ε

На достаточно высоких частотах Э.Т. амплитуда колебаний ионов настолько уменьшается, что становится соизмеримой с амплитудой колебаний в результате теплового хаотичного движения, т.е. поляризации и раздражения не возникает.

Энергия электрического тока переходит в тепловую энергию – ткань начинает нагреваться – появляется новое действие Э.Т. – тепловое (Т).

Экспериментально установлено, что при ν=500кГц  ε~0

ε↑ T↑

ν

0 500кГц

ε~di/dt iП~1/(di/dt) Вывод из Д.Р.

ε~ tП iП = 1/ tИ Вывод из В.Л.

ε~1/ν iП~ν T~ν

Удельной количество теплоты выделяющееся в тканях.

q– удельное количество теплоты

q = Q/Vt, где Q – количество теплоты [Дж]; V – объем нагревания ткани [V=S*l]; t – время нагревания

[q]=[Дж/м³*с] = Дж/м³

Закон Джоуля-Ленца:

Q=JUt

Q=J²Rt Q=U²*t\R

J=i  Q=JU/V

Q=J²R/V

Q=U²/RV

Классификация основных методов электротерапии

№	Физ. факторы воздействия	Режим действия Н – непрерывный И – импульсный	Название метода	Первичный лечебный эффект Р-раздражающий Т - тепловой
КОНТАКТНЫЕ МЕТОДЫ воздействие Э.Т. ч/з наложенные электроды
1	Постоянный Э.Т. i t	Н	-гальванизация -лечебный электрофорез U=40-60B i=20-50мА	Р
2	Ток постоянного направления i t	И	-электростимуляция -электроаналгезия -наркоз	Р
3	Переменный ток ВЧ ν~0.2-30МГц	И	Дарсонвализация ν~500кГц	Р
4	Переменный ток ВЧ ν~0.2-30МГц	Н	Диатермия ν=1-2МГц	Т
БЕСКОНТАКТНЫЕ МЕТОДЫ воздействие электрическим/магнитным/электромагнитным полем
1	Постоянное Э.П.	Н	-аэроиононизация -статдуш	Р
2	Постоянное М.П.	Н	-магнитотерапия	Р
3	Переменное М.П. высокой частоты	Н	-индуктотерапия ν=10-15МГц	Т
4	Э.П. УВЧ ν=30-300МГц	Н	УВЧ-терапия ν=40-50МГц	Т
5	Электромагнитное поле сверхвысокой частоты СВЧ ν>300МГц	Н	Микроволновая терапия	Т

Диатермия

Контактный метод

Живая ткань в схеме – это резистор.

Q=i*U/V

Q=i²*R/V

R=ρ*l/S, где ρ – удельное сопротивление ткани [Ом*м²]

V=S*l

Q=i²*ρ*l/S*S*l

j – сила тока

j=i/S=[A/м²]

q=j²*ρ – удельное количество теплоты, выделяемое в тканях при диатермии.

УВЧ-терапия

Бесконтактный метод

Воздействие электрического поля УВЧ.

-ТК-проводники (кровь, лимфа спинномозговая жидкость)

Электрическая схема - резистор

Q=U²/RV

R=ρ*l/S

V=S*l

U=E*l, где E – вектор напряженности Э.П.

U²=E²*l²

A=E²*l²*S/ρ*l*S*l

Q=E²/ρ – удельное количество теплоты, выделяющееся в тканях проводниках при УВЧ-терапии.

-ТК-диэлектрики (сухая кожа, кость без надкостницы, связки, сухожилия)

Электрическая схема конденсатор и резистор

Конденсатор – учитывает процесс поляризации

Резистор – учитывает потери электрической энергии, при переходе ее в тепловую.

С R

U_C U_R

Векторная диаграмма

O i U_R

U_C φ

δ

A U (т.B)

φ – угол м/у i и U

δ - угол диэлектрических потерь

Чем больше δ, тем большее количество теплоты выделяется на резистивном элементе.

q=U_R*i/V

Рассмотрим ∆OAB:

U_R = U_C*tgδ

U_C=iX_C

X_C=1/WC, где W – частота изменения Э.П.; C – емкость плоского конденсатора

U_C = i*1/WC

i=U_C*WC

q=U_C*tgδ*U_C*WC/V = U_C² *WC*tgδ/V

U_C=E*l

U_C² = E²*l²

C=ε₀*ε_r*S/l, где ε₀ – электрическая постоянная вакуума; ε_r – относительная диэлектрическая проницаемость вещества

V=S*l

q=E²*l²*W*ε₀*ε_r*S*tgδ/l*S*l

q=E²*W* ε₀*ε_r* tgδ – удельное количество теплоты, выделяющееся в тканях диэлектриков при УВЧ-терапии.

Связь м/у электрическим и магнитным полем. Магнитное поле электрического тока (М.П.)

1820 – Эрстед обнаружил, что маленький кусочек магнита, насаженный на острие иглы, определенным образом ориентируется около проводника током.

Магнитное поле – это особая форма существования материи, посредством которой осуществляется взаимодействие м/у движущимися электронными зарядами.

Основные свойства магнитного поля

1. Порождается движущимися электрическими зарядами (электрическим током)

2. Можно обнаружить по действию на движущиеся электрические заряды (электрический ток)

Основные характеристики:

B – вектор магнитной индукции

[B] = [Тл] – Тесла

Это аналог напряженности электрического поля. Основной силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции.

Направление этого вектора для поля прямого проводника с током и соленоида можно определить по правилу буравчика: если направление поступательного движения буравчика (винта с правой нарезкой) совпадает с направлением тока, то направление вращения ручки буравчика покажет направление линий магнитной индукции. Вектор магнитной индукции направлен по касательной к линиям.

На практике удобно пользоваться следующим правилом: если большой палец правой руки направить по току, то направление обхвата тока остальными пальцами совпадет с направлением линий магнитной индукции.

Модуль вектора магнитной индукции

Магнитная индукция В зависит от I и r, где r — расстояние от проводника с током до исследуемой точки. Если расстояние от проводника много меньше его длины (т. е. рассматривать модель бесконечно длинного проводника), то:

B=k*I/r, где k — коэффициент пропорциональности. Подставляя эту формулу в уравнение для силы взаимодействия двух проводников с током, получим F=B*I*ℓ: отсюда: B=F/I*l

Т.о., модуль вектора магнитной индукции есть отношение максимальной силы, действующей со стороны магнитного поля на участок проводника с током, к произведению силы тока на длину этого участка.

Ф – магнитный поток

Магнитный поток (поток линий магнитной индукции) через контур численно равен произведению модуля вектора магнитной индукции на площадь, ограниченную контуром, и на косинус угла между направлением вектора магнитной индукции и нормалью к поверхности, ограниченной этим контуром.

В однородном магнитном поле, модуль вектора индукции которого равен В, помещен плоский замкнутый контур площадью S. Нормаль n к плоскости контура составляет угол α с направлением вектора магнитной индукции В.

Магнитным потоком через поверхность называется величина Ф, определяемая соотношением:

Ф = B*S*cosα, где S – площадь рамки, ограниченная проводником с током; α – угол м/у векторами B и m, где вектор m перпендикулярно опущен к центру рамки с током.

[Ф]=[Вб] – Вебер

Магнитный поток через контур максимален, если плоскость контура перпендикулярна магнитному полю. Значит угол α равен 0⁰.

Тогда магнитный поток рассчитывается по формуле:

Φmax = B · S

Магнитный поток через контур равен нулю, если контур располагается параллельно магнитному полю. Значит угол α равен 90⁰.

L – индуктивность

Величина, характеризующая магнитные свойства электрической цепи.

L=Ф/J

[L]=[Гн] – Генри

Катушка индуктивности моделирует магнитное действие электрического тока.

H – вектор напряженности магнитного поля

Аксиальный вектор, определяющий (наряду с вектором магнитной индукции B), свойства макроскопического магнитного поля или определяет поле, создаваемое внешними по отношению к данному объему тела источниками.

[H]=[В/μ], где μ – магнитная проницаемость среды.

μ=μ₀*μ_r, где μ₀ – магнитная постоянная вакуума; μ_r – относительная магнитная проницаемость вещества

Установлено, что для вакуума μ_r=1.