Занятие 3 по дисциплине «Медицинская и биологическая физика» для специальности «Стоматология»

Тема: Физические основы электростимуляции тканей и органов

1. Характеристики импульсного сигнала прямоугольной и произвольной формы.

2. Числовые значения параметров импульсов при электростимуляции. Зависимость раздражающего действия тока от формы импульса. Закон Дюбуа-Реймона.

3. Зависимость возбуждения от длительности импульса. Уравнение Вейса-Лапика. Кривая электровозбудимости. Реобаза и хронаксия. Понятие о хронаксиметрии.

4. Применение электростимуляции в медицине.

5. Электростимуляция в стоматологии.

6. Блок-схема электростимулятора.

7. Порядок выполнения лабораторной работы «Определение временных характеристик прямоугольных импульсов напряжения».

1. Характеристики импульсного сигнала прямоугольной и произвольной формы

Электростимуляция – это лечебный метод, в котором используются импульсные токи для восстановления работы органов, утративших свою нормальную функцию. Например, нарушена сократительная функция мышцы при инсульте или сердца при аритмии, электростимуляция может убрать или уменьшить эти нарушения. Она также часто используется для установления степени наступивших нарушений. Ее применение дает результат, если патологический процесс еще не вызвал структурных изменений органов, а нарушена только их функция.

Ткани и органы, которые реагируют на импульсный электрический ток, называются возбудимыми.

Перечислим достоинства этого метода:

1. практическое отсутствие побочных эффектов;

2. хорошая переносимость воздействия;

3. минимальное количество противопоказаний;

4. хорошая локализация и дозирование воздействия.

Основными характеристиками электрических импульсов, последовательность которых образует ток, являются амплитуда, длительность, форма и частота их следования. Рассмотрим как они определяются.

Напомним, что электрический импульс – это кратковременное напряжение или ток.

а) Прямоугольные импульсы тока

Графически прямоугольные импульсы тока изображены на рис. 1.

Рис. 1 Прямоугольные импульсы

На рисунке 1 отмечены указанные выше характеристики прямоугольных сигналов:

1. I₀ – амплитуда импульса;

2. t_u – длительность импульса; t_n – длительность паузы;

3. Т = t_u + t_n – период следования импульсов;

4. – частота следования импульсов;

5. – скважность, параметр, показывающий во сколько раз период превышает длительность импульса. Величина называется коэффициентом заполнения.

б) Непрямоугольные импульсы тока (рис. 2).

Рис. 2. Непрямоугольные импульсы тока

В таких импульсах трудно указать четкую границу начала и конца сигнала, поэтому условились их временные характеристики определять по уровню 0,1 I₀ и 0,9 I₀ (рис. 2).

К тем характеристикам сигналов, которые указывались для прямоугольных импульсов (I₀, t_u, t_n, T, Q, ), здесь добавляются новые:

1. Длительность фронта импульса – t_фр – это время, за которое ток возрастает от уровня 0,1 I₀ до 0,9 I₀.

2. Крутизна фронта (Кр)

Если к фронту импульса провести касательную, рассмотреть треугольник АВС и вспомнить геометрический смысл производной функции, то

,

где – скорость изменения (нарастания) силы тока в импульсе.

3. Длительность спада импульса – t_сп, это время, за которое ток уменьшается от уровня 0,9 I₀ до 0,1 I₀. Этот параметр при электростимуляции существенной роли не играет.

2. Числовые значения параметров импульсов при электростимуляции. Зависимость раздражающего действия тока от формы импульса. Закон Дюбуа-Реймона

Амплитуда тока при стимуляции I_стим. определяется следующим неравенством:

Iпор  Iстим.  Iпораж,

т.е. она должна быть не меньше некоторого порогового значения I_пор и ниже поражающего значения I_пораж.

Поражающий ток (I_пораж) иногда принимается равным неотпускающему току (I_неотп  10 –15 мА при  = 50 Гц), в этом случае человек не может самостоятельно освободиться от электродов, которые связывают его с источником тока.

Пороговый ток I_пор – минимальная амплитуда тока, при которой стимулируемый орган или ткань реагирует на воздействие.

Пороговый ток I_пор (по крайней мере для прямоугольных импульсов) определяется уравнением Вейса-Лапика:

, (1)

где а и b – коэффициенты, которые зависят от природы стимулируемой ткани или органа и их функционального состояния, – длительность импульса тока.

Реально амплитуда тока в клинических методиках изменяется в пределах I₀ = 1 – 50 мА.

Длительность импульсов t_u обычно составляет миллисекунды.

В клинической практике используются импульсные токи с частотой = 1 – 200 Гц.

На частотах  > 10 кГц ни при каких условиях электростимуляция не проявляется.

Рассмотрим один из важнейших электрофизиологических законов – закон Дюбуа-Реймона: раздражающее действие тока зависит от скорости его нарастания во времени, т.е. от крутизны фронта импульса тока. Это проявляется в том, что пороговый ток I_пор уменьшается при возрастании крутизны фронта.