Постоянный ток. действие постоянного тока на организм.

1. Электропроводимость биологических тканей и жидкостей для постоянного тока. Явление поляризации.

Биологическим объектам присущи пассивные электрические свойства: сопротивление (R), электропроводность , удельное сопротивлени (ρ), удельная электропроводность , емкость (С), диэлектрическая проницаемость (ε). Изучение их пассивных электрических свойств имеет большое значение для понимания структуры и физико-химического состояния биологического вещества.

Биологические объекты обладают свойствами как проводников, так и диэлектриков. Наличие свободных ионов в клетках и тканях обуславливает проводимость этих объектов. Диэлектрические свойства биологических объектов и величина диэлектрической проницаемости определяется их структурными элементами и явлениями поляризации.

Все биологические объекты являются весьма разнообразными образованиями с различными электрическими сопротивлениями, которые могут изменяться при действии электрического тока, что обуславливает трудности измерения этих сопротивлений.

Любой орган или среда живого организма имеют свою характерную для него электропроводность, которая определяется наличием в них свободных носителей зарядов, т.е. определенным количеством положительных и отрицательных ионов. Электропроводность отдельных участков организма, на которых наложены электроды существенно зависит от сопротивления кожи и подкожных слоев. Сопротивление кожи, в свою очередь, определяется: ее состоянием, толщиной, возрастом, влажностью, загрязненностью и т.д. Внутри организма ток распространяется в основном по кровеносным сосудам, мышцам, оболочкам нервных стволов, межклеточной жидкости. Экспериментально установлено, что электропроводность тканей и органов зависит от их функционального состояния и, следовательно, может быть использована как диагностический показатель. Так, при воспалительных процессах, когда клетки набухают, уменьшаются межклеточные промежутки и увеличивается электрическое сопротивление, т.е. уменьшается электропроводность. Физиологические явления, связанные с выделением пота, сопровождаются возрастанием электропроводности.

Электропроводность для постоянного тока чаще всего определяют мостовым методом, а также методом амперметра и вольтметра. Рассмотрим этот метод. Пусть имеется некоторый проводник, представляющий живую ткань сечением S и длиной l. Тогда его сопротивление будет равно:

, (1)

где ρ – удельное сопротивление проводника (вещества), выраженное в Ом·м. Решим это выражение относительно:

. (2)

Величина, обратная удельному сопротивлению, получила название удельной электропроводности . Она измеряется в Ом^-1·м^-1. Из формулы (2) видно, что если знаем площадь электродов и расстояние, то, измерив величину R, мы найдем γ (R = U/I).

Величину R находят методом вольтметра и амперметра на постоянном токе. Для этого в U-образную трубку (рис.1) заливают кровь или другую биологическую жидкость и помещают в нее платиновые электроды а,в, которые не взаимодействуют с раствором. Удельную электропроводность γ определяют по формуле:

 

. (3)

 

 

Определение удельной электропроводности связано с определенными сложностями. При пропускании постоянного тока через живые ткани наблюдаются некоторые особенности, заключающиеся в том, что сила тока не остается постоянной во времени, хотя прикладываемое напряжение не изменяется. Сила тока после включения источника начинает непрерывно уменьшаться и через некоторое время устанавливается на постоянном уровне. При этом она уменьшается во много раз по сравнению с исходными значениями (рис.2, в). Получается как бы отклонение от закона Ома, согласно которому при постоянной разности потенциалов ток в проводнике тоже должен быть постоянным (рис.2, а). Уменьшение тока во времени обусловлено явлением поляризации в тканях. При прохождении постоянного тока через биологическую систему в ней возникает нарастающая до некоторого предела ЭДС (Е _п) противоположно направленная приложенному напряжению, что приводит к уменьшению тока. ЭДС поляризации является функцией времени Е _п (t). Тогда закон Ома для биологического объекта следует записать так:

.

Возникновение ЭДС поляризации связано со способностью живых клеток накапливать заряды при прохождении через них тока, т.е. явлением поляризации.

Процесс перемещения зарядов под действием электрического поля и образования вследствие этого электродвижущей силы, направленной против внешнего поля, называется поляризацией.

Если на постоянном токе поляризационные эффекты у электродов значительны, то измерения проводят на переменном токе, при котором поляризационные эффекты на частотах больше 500 кГц малы.

Приведем значения удельных электропроводностей некоторых биологических тканей и жидкостей. Спинномозговая жидкость – 1,81 Ом^-1·м^-1; мышцы – 0,5 Ом^-1·м^-1; костная ткань –10^-7 Ом^-1·м^-1.

В настоящее время метод измерения электропроводности довольно широко применяется в биологических и медицинских исследованиях. Удобство в применении данного метода заключается в том, что используется напряжение (менее 50 mB), не вносящее существенных изменений в физико-химические процессы, происходящие в биологическом объекте, и тем более повреждающее его. Метод нашел применение при изучении процессов, происходящих в клетках и тканях при изменении физиологического состояния, при патологических состояниях, при действии повреждающих факторов: температуры, радиоактивного излучения, ультразвука и т.д.

2. Механизмы действия постоянного тока на организм.

Действие постоянного тока на организм зависит от силы тока, поэтому весьма существенным фактором является электрическое сопротивление тканей. Как уже было сказано, электрические свойства различных тканей неодинаковы. Хорошей электропроводностью по отношению к постоянному току обладают жидкие среды организма – спинномозговая жидкость, кровь, плазма крови, межклеточная жидкость и др. Большим сопротивлением обладают кость, кожа. Удельное сопротивление сухой кожи примерно равно 10⁷ Ом·м. Влажная кожа имеет меньшее удельное сопротивление, примерно 2000 Ом·м, что даже при небольших напряжениях может вызвать значительный ток через тело человека. Встречая большое сопротивление кожи, энергия постоянного тока частично превращается в тепло и это вызывает активизацию кровообращения и ускорению биохимических процессов. Но тепловой эффект является не единственным.

Основным компонентом действия постоянного тока является его влияние на соотношение в тканях различных ионов. Человеческий организм в значительной степени состоит из биологических жидкостей, содержащих большое количество ионов, которые участвуют в различных обменных процессах. Под влиянием приложенной разности потенциалов в электролите происходит встречное перемещение разноименно заряженных ионов.

Двигаясь с разной скоростью, ионы скапливаются у клеточных мембран, у соединительных тканевых оболочек по обе их стороны, на границе «мягкие ткани – кожа». Это явление получило название внутритканевой поляризации (рис.3). На рисунке показана внутритканевая поляризация: а,б – на границе «мягкие ткани- кожа»; в,г – у клеточных и других оболочек.

Образуется встречное электрическое поле, называемое поляризационным, и возникает внутритканевый поляризационный ток обратного направления. С одной стороны, это создает дополнительное сопротивление действующему току, с другой стороны такие участки внутри тканей являются местами наиболее активного действия тока.

Таким образом, первичное действие постоянного тока связано с движением ионов, изменением обычной концентрации в различных элементах тканей, что может вызвать возбуждение или торможение деятельности клеток, изменение кислотно-щелочного равновесия, водосодержания и других свойств тканей. Это вызывает изменение функционального состояния клетки и реакцию всего организма на постоянный ток.

 

3. Гальванизация. Аппарат гальванизации.

Применение электричества с лечебной целью началось в глубокой древности, когда еще люди не задумывались о сущности происходящих при этом явлений.

Научное изучение действия на организм электрического тока началось в конце XYIII столетия, после открытий, сделанных итальянским ученым Л. Гальвани и А.Вольта, на основании которых были получены новые источники тока.

Однако, лишь в XX столетии развитие физики, электроники, физиологии способствовало научно обоснованному совершенствованию существовавших и разработке новых эффективных методов электротерапии. Многие из них были созданы в Советском Союзе. Одним из методов электротерапии является гальванизация.

Гальванизацией называется лечебный метод, при котором используется действие на ткани человека постоянного тока до 50 mА, плотность до 0,1 mА/см², напряжение 60 – 80 В.

Ток от источника подводится к телу человека с помощью проводов и металлических электродов. Электроды изготавливают обычно из листового свинца или станиоля толщиной 0,3 – 0,5 мм в зависимости от размеров электродов. Проводят гальванизацию и с помощью жидкостных электродов, в виде ванночек, наполненных водой. В них помещают соответствующую кисть или стопу пациента. Поскольку в тканях организма содержатся электролиты, а, следовательно, и разноименно заряженные ионы, например: NaClDNa⁺ + Cl^-, то в месте соприкосновения электрода с телом происходит электролиз: выделяются нейтральные атомы, например, натрия и хлора. У анода, соединяясь с водой, хлор образует кислоту, а у катода натрий, соединяясь с водой, образует щелочь, которая вызывает ожоги или раздражение. Поэтому наложение, металлических электродов непосредственно на кожу не допустимо.

Для предотвращения этого, между кожей и электродами помещают смоченную в физиологическом растворе или в воде и хорошо отжатую прокладку из гидрофильного материала. Этим отделяется процесс электролиза от поверхности тела. Прокладку с электродом укрепляют при помощи эластичных бинтов. После процедуры прокладку отмывают, стерилизуют и могут применять повторно.

Постоянный ток для гальванизации получают путем преобразования переменного тока городской сети. Для этого используют ламповый или полупроводниковый выпрямитель с электрическим фильтром. Аппарат для гальванизации – это двухполупериодный выпрямитель.

Принципиальная схема аппарата для гальванизации представлена на рис. 4.

Аппарат содержит трансформатор Тр. Он предназначен для понижения напряжения и обеспечения безопасности больного.

Выпрямитель В состоит из 4-х полупроводниковых диодов, соединенных по мостовой схеме. Одна диагональ моста в точках 1 и 2 присоединена к выводам вторичной обмотки трансформатора, вторая диагональ в точках 3 и 4 соединена с резистором R.

Работа выпрямителя основана на свойстве электронно-дырочного перехода полупроводникового диода. При контакте двух полупроводников с электронной (n) и дырочной (p) проводимостью возникает потенциальный барьер (p-n-переход), который препятствует переходу между полупроводниками основных носителей заряда (рис.5).

Для образования тока в цепи с p-n переходом необходимо приложить внешнее напряжение так, чтобы со стороны p-полупроводника был (+), а со стороны n-полупроводника (-). При изменении полярности- тока не будет. Если к p-n переходу приложить переменное напряжение, то ток в цепи будет проходить только в одном направлении от «p» к «n» - полупроводнику в течение одного полупериода, следующий полупериод тока не будет. Это свойство р-n – перехода (односторонняя проводимость) используется для выпрямления переменного тока. При включении первичной обмотки трансформатора в сеть, во вторичной возникает переменное напряжение и потенциалы точкек 1 и 2 попеременно становятся то положительными, то отрицательными. Когда потенциал точки 1 положителен и в цепи нет фильтра, ток проходит через диод Д , резистор R, диод Д к точке 2 (сплошные линии). Когда потенциал точки 2 положителен, ток идет через диод Д , резистор R, диод Д к точке 1 (штриховая линия). Эти процессы будут повторяться в такт изменения напряжения, но всегда через резистор R ток будет протекать в одном направлении. Все процессы можно представить графиками тока или
напряжения (рис. 6).

Если бы не было фильтра, через резистор протекал бы пульсирующий ток (постоянный по направлению, но переменный по величине), такой ток не применяется для гальванизации, т.к. производит сильное раздражающее действие. Для сглаживания пульсации применяется фильтр, состоящий из дросселя Др., соединенного последовательно с резистором и одного или двух электролитических конденсаторов С, соединенных параллельно с резистором. Дроссель представляет собой катушку индуктивности с железным сердечником. В нем при пульсации тока возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая изменениям тока. В момент нарастания тока ЭДС самоиндукции противоположна направлению тока и ограничивает его нарастание. В момент уменьшения пульсирующего тока ЭДС самоиндукции совпадает с направлением тока и, следовательно, поддерживает его. В результате работы дросселя пульсации тока будут немного сглажены.

Конденсаторы, постепенно заряжаясь во время нарастания импульса и постепенно разряжаясь при его уменьшении, также способствуют сглаживанию пульсаций тока. В результате совместного действия дросселя и конденсатора фильтра через резистор R будет протекать ток почти не меняющийся по величине, т.е. постоянный. В соответствии с законом Ома этот ток создает на резисторе постоянное напряжение, которое подаётся на электроды.

4. Лекарственный электрофорез.

 

Постоянный ток используют в лечебной практике так же и для введения лекарственных веществ, образующих в растворе ионы, через кожу или слизистые оболочки. Этот метод получил название электрофореза лекарственных веществ, т.е. гальванизация совмещена с введением в ткани лекарственных веществ.

Кожа человека в обычных условиях обладает очень малой проницаемостью для ионов. Это обусловлено тем, что поры кожи заполнены воздухом. Крупные органические ионы вообще не могут проникать через кожу. Так как стенки кожных пор обладают электрическим зарядом, то при наложении внешнего электрического поля возникает электроосмотическое движение жидкости изнутри тканей или снаружи, воздух при этом вытесняется из пор, он заменяется жидкостью, проницаемость кожи значительно увеличивается. Количество введенного при электрофорезе лекарственного вещества будет зависеть от количества электричества, прошедшего через электроды и от концентрации вводимого вещества.

Постоянный ток для электрофореза получают от аппарата гальванизации. Для проведения электрофореза прокладки, помещаемые под электроды, смачивают раствором лекарственного вещества. Из прокладки под положительным электродом вводят в ткани организма положительные ионы металлов (из растворов их солей), алкалоиды и другие соединения (хинин, новокаин); под отрицательным электродом – кислотные радикалы, отрицательные ионы, ионы некоторых органических соединений, например, сульфидина, пенициллина, кокаина, брома, йода и др.

На рис.7 показан некоторый объект, включающий в себя электропроводные ткани организма, содержащие раствор NaCl, прокладки, смоченные раствором СаСl и KJ, и электроды (Э). Показано движение ионов (стрелками) и накопление ионов на тканевых перегородках (а,в) – поляризационные явления.

У отрицательного электрода будет происходить нейтрализация ионов калия, затем реакция с водой и образование Н и КОН, а также переход йода из прокладки в ткань и движение к положительному электроду. У положительного электрода образуется Cl , HCl, а ионы кальция (Са) будут уходить в ткань.

Время проведения процедуры зависит от скорости ионов. Скорость ионов устанавливается под действием напряженности электрического поля Е и силы сопротивления среды, которая будет расти с ростом скорости. Когда сила, действующая со стороны электрического поля, будет равна силе сопротивления, ион будет двигаться с постоянной скоростью J. Эта зависимость выражается формулой J=uE, где коэффициент пропорциональности u – называется подвижностьюионов. Она имеет размерность [ ]. Подвижность иона зависит от сопротивления, которое оказывает среда движению в ней иона (от вязкости, от температуры среды и др.) и от иона (от формы иона, его заряда). Из этого следует, что лечебный электрофорез протекает различно у разных пациентов, а также при использовании различных лекарственных растворов.

Лекарственный электрофорез есть совместное действие постоянного электрического тока и лекарственного вещества. Электрический ток, приводя ткани, в том числе и рецепторы, в состояние повышенной активности, возбуждая их, делает более чувствительными к действию лекарств.

При лекарственном электрофорезе образуется сложная цепь, состоящая из ионов лекарственных веществ, которыми смочены электродные прокладки и растворов электролитов, входящих в состав тканей организма. Вследствие различной подвижности, а также наличия на пути полупроницаемых мембран и оболочек происходит разделение ионов и соответственно изменение концентрации в различных элементах тканевых структур. Изменение концентрации ионов лежит в основе раздражающего действия тока на ткани организма.

 

ЛЕКЦИЯ №13