Kompendium_po_biofizike_1

1. Период следования импульсов (время между началом

одного импульса и началом следующего) − T и								0 или частота
следования импульсов		1	.
	T
2. Скважность	Q				T	.–	безразмерный	параметр,

и

показывающий во сколько раз период превышает длительность импульса. Величина обратная скважности, называется

коэффициентом заполнения K Q1 .

2. Электровозбудимость тканей. Реобаза. Хронаксия. Уравнение Вейса-Лапика, закон Дюбуа-Реймона

При прохождении электрического тока через живую ткань наблюдается движение ионов, изменение их концентраций и их перераспределение вдоль клеточных мембран. Изменение концентраций ионов может привести к изменению потенциалов клетки, следовательно, клетка может оказаться в возбуждѐнном состоянии. Как показывают измерения, чем резче меняется сила тока через живую ткань, тем больше вероятность того, что она перейдѐт в возбужденное состояние. Сила тока, вызывающая возбуждение ткани, называется пороговой силой тока. Для стимуляции ткани необходимо чтобы ток превышал некоторое пороговое значение. Пороговый ток зависит от длительности и от формы импульса и определяется экспериментально. С увеличением длительности импульса пороговый ток уменьшается. При достаточно длительных импульсах пороговый ток не зависит от их длительности и принимает наименьшее значение, которое называется реобазой (R). Таким образом, реобаза – минимальная величина силы тока, способная вызвать возбуждение при действии на ткань в течение полезного времени. Минимальная длительность раздражения, вызывающего пороговый эффект при значении тока, равном реобазе, называют полезным временем. Для полной характеристики электровозбудимости ткани вводят понятие хронаксии ( сhr ) – это минимальная длительность импульса, при которой пороговый ток

вдвое больше реобазы	(см. рисунок	63). Кривая
		151

пор.

электровозбудимости приближенно описывается уравнением Вейса-Лапика:

I,мА

2R

R

			t, мс
chr
Рис. 24.1

Рисунок 63. Зависимость порогового тока от длительности импульса

	Iпор.	a	b , где а и b –
		и

константы, зависящие от вида тканей. Константы а и b можно связать с

реобазой		и хронаксией.
Если	и	, то значение
Iпор.	b ,	значит b=R.

Значение b измеряется в

амперах			(А)	или
миллиамперах				(mA).
Если		и chr ,		то
Iпор. 2R	a		R a	R chr .

chr

Значение а измеряется в кулонах (Кл). Зная а и b можно вычислить пороговое значение силы тока для любых длительностей импульса.

Метод хронаксиметрии – метод диагностики состояния нервно-мышечной системы. В методе определяют возбудимость тканей и органов на основе выявления зависимости между пороговой силой электрического раздражения (реобазой, которая измеряется в миллиамперах) и длительностью его воздействия (хронаксией, которая измеряется в миллисекундах). Величины хронаксии и реобазы являются количественным показателем функционального состояния ткани при диагностике поражений центральной и периферической нервной системы, опорнодвигательного аппарата, а в комплексе с другими клиникофизиологическими исследованиями позволяет объективно определять эффективность лечебных мероприятий. Полученные при исследованиях данные сравнивают со стандартами здорового человека.

Кривая электровозбудимости строится, в основном, для прямоугольных импульсов. Для токов другой формы I будет

выше при той же длительности импульса. Это установлено физиологами и формулируется в виде закона Дюбуа-Реймона:

152

пор.

«Раздражающее действие импульсного тока прямо пропорционально крутизне переднего фронта импульса». Это означает, что с увеличением крутизны фронта импульса пороговый ток уменьшается (при той же длительности импульса). Поскольку наибольшую крутизну имеют прямоугольные импульсы, то им соответствует наименьший пороговый ток.

Амплитуды импульсного тока зависит от органа, который стимулируют, электродов, длительности и формы импульсного тока и должна превышать I . С другой стороны она должна быть

меньше поражающего неотпускающего тока: амплитуду тока при электростимуляции выбирают поэтому из соображений техники безопасности и условия обеспечения электростимуляции. Реально амплитуда тока в клинических методиках изменяется в пределах I0 1 50 мА. Ее величина зависит от размеров электродов, участка тела и др.

Длительность импульсов при электростимуляции не должна быть слишком малой – это может привести к увеличению порогового тока и может выйти к поражающему уровню. Длительность импульсов должна быть порядка миллисекунд (закон Дюбуа-Реймона указывает на влияние фронта импульса).

Период следования импульсов при электростимуляции должен быть больше рефрактерного периода для данной ткани. Рефрактерный период (Tрефр. ) – это время, в течение которого

клетку нельзя возбудить обычным пороговым током. После каждого прошедшего импульса участок нерва остается на одну или несколько миллисекунд в «рефрактерном» состоянии. В течение первых 1-2 мс он не способен провести новый импульс, и только через несколько миллисекунд у него восстанавливается способность вырабатывать импульс нормальной силы.

а) для скелетных мышц Tрефр. 5мс

б) для нервных клеток Tрефр. 1 2мс в) для сердечной мышцы Tрефр. 300мс

Реально, в аппаратах для электростимуляции используют импульсные токи частотой 1-200 Гц. При более высоких частота стимуляция тоже может быть, но уже не каждый из подводимых импульсов вызовет электростимуляцию: те импульсы, которые

153

попадают в рефрактерный период, ответа не вызывают. На частотах выше 10кГц электростимуляция практически не эффективна.

Наибольшее распространение получила электростимуляция скелетных мышц и нервных стволов, а также сердечной мышцы при нарушении ритма ее деятельности (кардиостимуляция).

Электростимуляцию с целью тренировки мышечной ткани лучше проводить с помощью прямоугольных, быстро нарастающих импульсов. При повреждении двигательного нерва для возбуждения мышцы требуется применение импульсов тока большой продолжительности и значительной интенсивности. Импульсные электрические токи, вызывая двигательное возбуждение и сокращение мышц одновременно рефлекторно усиливают кровоснабжение и весь комплекс обменнотрофических процессов. Электростимуляцию мышц проводят по двигательным точкам нервов или мышц Ток с импульсами треугольной формы ( и 1 1,5мс, частота 100 Гц), а также ток с импульсами экспоненциальной формы, импульсы которого медленно нарастают и сравнительно быстро спадают ( и 3 60 мс, частота 8-80 Гц), применяют при электрогимнастике.

Если увеличивать частоту возбуждения, то одиночные сокращения будут происходить все чаще и чаще. Приблизительно при 100 раздражениях в секунду мышцы человека сокращаются практически плавно, и одиночные сокращения перестают быть заметными. Такое сокращение называется тетанусом.

3.Генераторы импульсных (релаксационных) колебаний

иих практическое применение

Широко распространенными приборами с помощью которых получают электрические импульсы являются генераторы релаксационных колебаний. Одним из простейших релаксационных генераторов является генератор пилообразных импульсов на неоновой лампе (см. рисунок 64).

Электрические колебания, резко отличающиеся по форме от синусоидальных, называются релаксационными.

154

Импульсные генераторы классифицируются по способу возбуждения:

генераторы с самовозбуждением; генераторы, работающие в ждущем режиме;

генераторы, работающие в режиме синхронизации.

Генератор пилообразных напряжений

Рисунок 64. Генератор пилообразных импульсов на неоновой лампе

Представителем генератора с самовозбуждением является мультивибратор (см. рисунок 65).

Рисунок 65. Мультивибратор

Из схемы видно, что это 2-х каскадный реостатный усилитель с положительной обратной связью. Обратная связь осуществляется за счет соединения выхода одного каскада со входом другого.

В момент включения источника питания один из транзисторов, например, Т1 окажется открытым, с другой Т2 – закрытым. При этом С1 окажется заряженным, а С2 будет заряжаться, а С1 – перезаряжаться от источника питания Ек.

155

Чередующиеся процессы зарядки и перезарядки конденсаторов будут поочередно закрывать один Т и открывать другой, создавая в мультивибраторе

		незатухающие колебания.
		Изменение			параметров
		импульса	достигается		изменением
		величин R и C.
		Используется		для	получения
		импульсов прямоугольной формы с
		частотой от долей Гц до МГц.
		Блокинг-генератор представляет
		однокаскадный		релаксационный
	Рисунок 66. Блокинг-
		генератор	с сильной индуктивной
	генератор
		обратной связью (см. рисунок 66).
		Он используется		для	получения

кратковременных положительных или отрицательных импульсов с большой скважностью по форме близкой к прямоугольной. Схема отличается малым количеством деталей и простотой.

Длительность генерируемого импульса зависит от величины С. Частота следования от R и С.

Мультивибратор и блокинг-генератор применяется в качестве генераторов импульсов в кардиостимуляторах.

4. Дифференцирующая цепь.

Дифференцирующая цепь состоит из последовательно включенного конденсатора емкостью С и параллельно подключенного омического сопротивления R. Скорость зарядки конденсатора определяется т.н. постоянной RC-цепи RC . Сигнал на выходе из такой цепи получается вычитанием из напряжения на входе напряжения на конденсаторе. Выходное напряжение изменяется пропорционально первой производной по времени входного напряжения – отсюда и название. Если tи , то конденсатор успевает зарядиться только частично, в результате форма сигнала несколько изменится в начале ив конце импульса. Если tи , конденсатор заряжается полностью в начале импульса и разряжается в конце, из-за чего на выходе

156

получаются два остроконечных импульса разного знака (см. рисунок 67).

Uвх

	C
Uвх	R Uвых	Uвых

Uвых ~ dUdt вх

Рисунок 67. Дифференцирующая цепь

5. Интегрирующая цепь.

Интегрирующая цепь состоит из последовательно включенного омического сопротивления R и параллельно подключенного конденсатора емкостью С. Скорость зарядки конденсатора определяется т.н. постоянной RC-цепи RC . Сигнал на выходе из такой цепи получается вычитанием из напряжения на входе напряжения на сопротивлении. Выходное напряжение изменяется пропорционально интегралу по времени от напряжения на входе – отсюда и название. Сигнал на выходе зависит от поведения конденсатора: в течение импульса конденсатор заряжается, а после окончания импульса разряжается: выходное напряжение в этом случае экспоненциально нарастает, а потом экспоненциально убывает (см. рисунок 68).

	Uвх
	R
Uвх	Uвых

C

Uвых

Uвых ~ ∫ Uвхdt

Рисунок 68. Интегрирующая цепь

157

6. Электронные стимуляторы. Низкочастотная физиотерапевтическая электронная аппаратура.

Электронными стимуляторами называется класс устройств, предназначенных для раздражения мышечной и нервной системы. В основе их работы лежит то, что при прохождение через ткани импульсного тока в моменты его быстрого включения и прерывания, у полупроницаемых мембран происходит внезапное скопление большого количества одноименно заряженных ионов. Это приводит клетку в состояние возбуждения.

Электростимуляторы используются для восстановления временно утраченной функции, усиления какой-либо функции, если она ослаблена или замены функции.

Стимуляторы можно разбить на 3 вида: Стационарные, Переносимые, Имплантируемые.

Электростимуляторы классифицируются также по объекту воздействия:

стимуляция ЦНС; стимуляция нервно-мышечной системы и опорно-

двигательного аппарата; стимуляция сердечно-сосудистой системы; стимуляция дыхания;

стимуляция органов мочеполовой системы; стимуляция желудочно-кишечного тракта.

Общим у всех электростимуляторов является то, что работают они на небольших частотах тока, при которых на живую ткань оказывается специфическое (раздражающее) действие, а не тепловое.

Низкочастотная электронная аппаратура используется в следующих методах лечения:

Метод нейротропной терапии, в основе которого лежит воздействие на ЦНС пациента (постоянным) импульсным током

158

(ν (1÷160Гц), I=до 10мА, с τ =0,2÷2мс). Аппараты класса «Электросон».

Диадинамотерапия – метод электролечения, при котором на организм больного воздействуют низкочастотными полусинусоидальной формы импульсными токами (т.н. диадинамическими токами или токами Бернара)с частотой ν=50÷100 Гц, подводимыми к организму раздельно, в различных комбинациях и в прерывистом режиме

Амплипульстерапия – метод воздействия

(электролечения) на больного переменными синусномодулированными токами малой силы с частотой ν=5000 Гц при модуляции с частотой от 10 до 150 Гц. Аппараты класса «Амплипульс».

Интерференцтерапия – метод электролечения, при котором воздействуют двумя или более переменными токами средних частот, подводимыми к телу пациента с помощью 2-х или более пар электродов, таким образом, чтобы они могли между собой интерферировать (усиливать друг друга). Эти токи легко проникают вглубь тканей, не вызывая раздражения рецепторов кожи.

Флюктуоризация – воздействие с лечебной целью синусоидальным переменным током малой силы и низкого напряжения беспорядочно меняющейся по амплитудой и частотой в пределах от 100÷2000 Гц

Электростимуляция – применение электрического тока с целью возбуждения или усиления деятельности определенных органов и систем.

159

Рисунок 69. Генератор гармонических колебаний

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДОВ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ТЕРАПИИ И ЭЛЕКТРОХИРУРГИИ

1. Генератор гармонических колебаний

Идеальный генератор гармонических колебаний (колебательный контур) состоит из замкнутых в одну цепь катушки индуктивности и конденсатора, при этом на катушке индуктивного происходят гармонические колебания магнитного поля, а на конденсаторе – электрического. Период колебаний

такого генератора определяется по формуле Томсона: T 2LC . Энергия идеального колебательного

контура сохраняется в нѐм же, с течением времени амплитуда гармонических колебаний не убывает. В реальности же в любом контуре присутствует активное (омическое сопротивление) сопротивление, через которое контур теряет энергию. Для того, чтобы амплитуда колебаний не уменьшалась с течением времени, к колебательному контуру через специальный электронный ключ подключают цепь источника питания. Ключ может быть выполнен либо на электронной лампе, либо на транзисторе.

Таким образом, простейший генератор гармонических колебаний включает (см. рисунок 69):

полупроводниковый или ламповый триод, источник постоянного напряжения, колебательный контур.

2. Принципиальная схема аппарата УВЧ-терапии. Терапевтический контур

Кроме генератора электрических колебаний аппараты для УВЧ содержат отдельный колебательный контур, к которому

160