Методические указания для выполнения лабораторной работы

Кафедра физики, математики и медицинской информатики

ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ОСНОВ НИЗКОЧАСТОТНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МЕТОДОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В МЕДИЦИНЕ

Методические указания для лабораторной работы №13

Тверь 2014

Лабораторная работа

ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ОСНОВ НИЗКОЧАСТОТНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МЕТОДОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В МЕДИЦИНЕ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

1. Изучить особенности возбуждения тканей импульсами электрического тока.

2. Изучить характеристики импульсных токов и методов электродиагностики и электролечения, основанных на их использовании.

3. Освоить работу с аппаратами ТОНУС-1, ЭЛЕКТРОСОН-4Т, ДЕЯЛЬТА-101 и изучить их выходные характеристики с помощью электронного осциллографа.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: аппараты ТОНУС-1, ЭЛЕКТРОСОН-4Т, ДЕЛЬТА-101, осциллографы, соединительные провода.

ПЛАН ЗАНЯТИЯ

Вводное слово преподавателя.
Собеседование по контрольным вопросам к лабораторной работе.
Выполнение лабораторной работы.
Оформление отчета по лабораторной работе.
Решение задач по теме лабораторной работы.

ИНФОРМАЦИОННЫЙ БЛОК

Установлено, что нервы и мышцы способны генерировать биопотенциалы. Электрическая активность клеток проявляется в форме кратковременных импульсов - потенциалов действия. Активность клеток возбуждается под влиянием внешних раздражителей различной природы. Например, под влиянием кратковременной вспышки света появляются импульсы в зрительном нерве. Частота и характер последовательность этих импульсов зависят от интенсивности и спектрального состава света, а величина и длительность отдельного импульса не зависят от природы и силы раздражения.

В физиологии и. медицине используется электрическое раздражение как наиболее безвредное (адекватное) средство возбуждения деятельности органов или мышц. Опыт показывает, что потенциал действия не возникает, т.е. возбуждения не происходит, если электрический стимул не достигает некоторого порогового значения. Возбуждаемое волокно работает по принципу "всё или ничего".

Для возбуждения волокна необходимо некоторое минимальное количество электричества. По мере уменьшения длительностиD t подаваемого импульса необходимо увеличивать силу тока I. Для длительных прямоугольных импульсов существует минимальная сила тока, достаточная для возбуждения; более слабый ток неэффективен при любой длительности. На рис.1 показана кривая зависимости порогового тока I_n от длительности прямоугольного импульсаD t, имеющая форму гиперболы. Обычно её описывают эмпирической формулой - уравнением Вейса-Лапика:

(1)

Величина В называется реобазой - это минимальное значение возбуждающего тока при D t®¥. При очень коротких импульсах (малых D t) ток I_n» , т.е. величина I_n D t» a.

Δt

Хронаксия

2 B

Реобаза

I _П

Рис.1. Характеристика возбуждения

Xpoнaкcией называется длительность импульса, при которой пороговый ток равен удвоенной реобазе (I=2B). Из формулы (1) следует, что Dt_хр=а/В. Константы а и В зависят от природы возбудимой ткани и ее функционального состояния.

Если сообщить волокну два последовательных стимулирующих импульса, разделённых некоторым интервалом времени, то поведение волокна будет зависеть от этого интервала. Сразу после генерации импульса данный участок волокна находится в абсолютном рефрактерном состоянии, т.е. не может быть возбуждён вновь. Затем следует относительное рефрактерное состояние, в котором увеличено значение порогового потенциала. Продолжительность всего рефрактерного состояния варьирует от одной до нескольких миллисекунд.

В медицине в качестве электрического раздражителя используют импульсные токи. Электрический импульс - это кратковременное существование в цепи напряжения или тока. Действие импульсного тока на организм определяется как характеристиками импульса - амплитудой импульса J_ампл, длительностью импульса D t, формой импульса, главным образом длительностями фронта t _ф и среза t_с, так и характеристиками тока - частотой тока x, определяемой частотой повторения импульсов, или периодом , амплитудой тока равной амплитуде импульса. В импульсном токе можно определить длительность паузы между импульсами t₀ и зная период Т рассчитать длительность импульса Dt=Т- t₀ и скважность импульсов S. S = (см. рис.2), а также определить амплитудное значение по измеренной магнитоэлектрическим прибором постоянной составляющей импульсного тока J₀, например, для прямоугольных импульсов J_ампл= J₀S.

В современных аппаратах используются импульсные токи с импульсами различной формы, длительности и частоты:

1. Остроконечные кратковременные с длительностью 1-2 мс и частотой следования 80-120 Гц, вызывающие длительное ("тетаническое") сокращение нормальной мышцы,

2. Прямоугольной формы и с экспоненциальными фронтом или срезом, частотой от 5 до 50 Гц, обеспечивающие различное раздражающее действие, так как согласно закону Дюбуа Раймона раздражающее действие пропорционально скорости изменения силы постоянного тока, т.е. .

Δt

t₀

Рис.2. Основные виды импульсных токов, используемых для электростимуляции

3. Диадинамические токи, представляющие собой комбинации импульсов, по форме близких к синусоидальным, с постепенным увеличением и спаданием амплитуд импульсов, что обеспечивает плавное, безболезненное сокращение мышц. Подача импульсов отдельными посылками (сериями) с перерывами, обеспечивает возможность отдыха ткани, необходимого при сокращении мышц.

4. А также токи не в виде однополярных импульсов, а в виде переменных токов частотой до 10 кГц модулированных по амплитуде напряжением низкой частоты.

Использование модулированных переменных токов повышенной частоты позволяет уменьшить болезненность при воздействии, т.к. порог болевой чувствительности растёт с частотой быстрее, чем порог возбуждения. Нернстом было установлено снижение раздражающего действия переменного тока и соответствующее увеличение его пороговой величины в зависимости от частоты: сначала пропорционально корню квадратному из частоты (в пределах частот 100-300 Гц), затем пропорционально частоте (при частотах больше 50 кГц). При низкой частоте переменного тока (50-100 Гц) смещения тканевых ионов столь значительны, что происходит изменение их концентрации по обе стороны клеточной мембраны, приводящее к очень сильному раздражению.

МЕТОДЫ ЭЛЕКТРОДИАГНОСТИКИ И ЭЛЕКТРОЛЕЧЕНИЯ.

ЭЛЕКТРОДИАГНОСТИКА - метод диагностики двигательных нарушений, основанный на исследовании электровозбудимости нервов и мышц, позволяющий определить локализацию поражения. Исследование электровозбудимости основано на сопоставлении формы и интенсивности электрического раздражения с характером ответной реакции преимущественно в виде сокращения мышц. При исследовании определяют пороговую силу тока, вызывающую пороговую, т.е. наименьшую заметную реакцию раздражения при воздействии одиночными прямоугольными импульсами длительностью от 50 мкс до 1 с. По графику зависимости порогового тока от длительности импульса (кривая электровозбудимости) судят о состоянии нерва или мышцы. При более простом методе "хронаксиметрии" определяют два характерных параметра электровозбудимости: реобазу и хронаксию. При электродиагностике определяют также лабильность ткани - способность ткани воспроизводить без трансформации ритм раздражения. При исследовании воздействуют на ткань кратковременными импульсами, частота которых может меняться в широких пределах, и определяют максимальную воспроизводимую частоту. Уменьшение оптимальной частоты следования импульсов, по сравнению со здоровой тканью, свидетельствует о той или иной степени поражения мышцы или нерва. При электродиагностики используется и такой параметр импульса, как крутизна фронта. При этом исследуется аккомодационная способность ткани, проявляющаяся в зависимости возбудимости ткани от скорости нарастания импульса: чем круче фронт одиночного достаточно длительного импульса, тем меньше пороговый ток. Пораженная мышца в той или иной степени теряет такую способность.

Для электродиагностики используют два электрода - активный и пассивный. Первый имеет малую площадь, на нём образуется высокая плотность раздражающего тока, он располагается в точке нанесения раздражения. Второй электрод имеет значительную площадь и располагается в любом нейтральном месте.

ЭЛЕКТРОЛЕЧЕНИЕ. Импульсные токи используются при лечении самых различных заболеваний с целью борьбы с болями, отёками (нарушением кровообращения), спастическими явлениями, нарушением трофики тканей и т.п. При поражении периферических нервов мышца начинает дегенерировать, терять функциональную способность, превращаться в соединительную ткань. Атрофия мышц возникает при длительном вынужденном бездействии. Для поддержания жизнедеятельности нервно-мышечного аппарата применяется электрическое раздражение нервных стволов и мышц - ЭЛЕКТРОСТИМУЛЯЦИЯ. Этому предшествует электродиагностическое исследование для определения состояния тканей и благоприятных параметров тока. При электростимуляции применяются активный и пассивный электроды. Электрическое раздражение на мышцу подается ритмически с паузами, необходимыми для отдыха поврежденных мышц между сокращениями, т.к. эти мышцы имеют удлиненный рефрактерный период и быстрее утомляются, чем здоровые. Для воздействия преимущественно на пораженные мышцы с ослабленной аккомодационной способностью без вовлечения здоровых мышц применяют экспоненциальные токи.

Электростимуляция основана на раздражающем действии импульсного тока. Однако, при определённых параметрах и условиях воздействия, импульсный ток может вызвать и процессы торможения в центральной нервной системе. Метод воздействия на головной мозг импульсным током слабой силы с целью вызвать разлитое торможение, переходящее в обычный сон, называется “ЭЛЕКТРОСНОМ''.

Импульсный ток широко попользуется дм стимуляции внутренних органов. Наиболее широко в медицинскую практику вошел метод электрической стимуляции сердца - ЭЛЕКТРОКАРДИОСТИМУЛЯЦИЯ.

СВЕДЕНИЯ ОБ АППАРАТАХ, ИЗУЧАЕМЫХ В ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

Аппарат "ДЕЛЬТА-101" является генератором электрических импульсов, предназначен для подавления болевых синдромов посттравматического и неврологического происхождения. Аппарат выдаёт биполярные несимметричные импульсы, форму которых Вы определите при проведении работы. В верхней части корпуса находятся регуляторы: тока с маркировкой ТСК, частоты импульсов-ЧАCTOTA, длительности импульсов - ДЛИТ, а также индикатор включения аппарата и два гнезда для подключения электродов.

Включают аппарат поворотом регулятора TСК по часовой стрелке. При эксплуатации аппарата (при процедурах) электроды размещают в определённых врачом точках на теле пациента, включают аппарат и добиваются покалывания под электродами.

Вращением регулятора ЧАСТОТАиз крайнего левого положения по часовой стрелке увеличивают частоту, пока ощущение отдельныхтолчков не сменится ощущением приятной вибрации. Если регулятор ТОК находится в положении "10", а ощущение не достигает требуемой интенсивности, то регулятор ТОК ставят в положение "5" и вращением регулятора ДЛИТ. добиваются требуемой интенсивности.

Аппарат "ЭЛЕКТРОСОН-4Т" предназначен для лечения процедурами электросна ряда нервно-психических заболеваний, особенно при неэффективности и непереносимости медикаментов. Используется также при лечении гипертонической болезни, бронхиальной астмы, начальных форм язвенной болезни, атеросклеротической формы облитерирующего эндартериита и др. Действие аппарата основано на ритмическом раздражающем воздействии импульсным током низкой частоты и малой силы на нервные клетки головного мозга.

На передней панели находится ручка ТОК ПАЦИЕНТА для регулировки величины (дозы) тока, подаваемого пациенту.

Клавиша ЧАСТОТА Гц для грубого переключения на два положения "30" и "150".

Ручка ЧАСТОТА Гц для плавной установки необходимой частоты следования импульсов тока внутри поддиапазона.

На верхней поверхности корпуса - прибор для контроля амплитуды тока, подаваемого пациенту, регулятор для установки стрелки прибора на нуль и индикатор включения. В отсеке с крышкой - клавиша включения и выключения аппарата, кнопка КОНТРОЛЬ и ручка УРОВЕНЬ для дозировки и измерения по прибору дополнительной постоянной составляющей тока (ДПС). Нa. левой стороне корпуса гнездо ПАЦИЕНТ для подключения маски с электродами и проводами пациента. На дне - отсек с предохранителями.

При эксплуатации прибора электроды накладывают на пациента, устанавливают заданную частоту, нажав кнопку КОНТРОЛЬ, ручкой УРОВЕНЬ устанавливают рекомендованную ДПС, кнопку КОНТРОЛЬ отпускают. Ручкой ТОК ПАЦИЕНTA медленно увеличивают амплитуду импульсного тока до субпороговой (по опущению легкого покалывания) или пороговой (по усилению покалывания) величины. При процедуре электросна у больного не должно быть неприятных ощущений.

Аппарат для терапии диадинамическими токами "TOНУC-1" представляет собой генератор амплитудно-модулированных импульсов с синусоидальным фронтом и экспоненциальным срезом с частотой повторения 50 и 100 Гц, а также их комбинации. Перечень видов тока: двухполупериодный непрерывный (ДН), однополулериодный непрерывный (ОН), однополупериодный ритмический (ОР), короткий период (КП), длинный период (ДП), однополупериодний волновой (ОВ), двухполупериодный волновой (ДВ), однополупериодный волновой (ОВ'), двухполупериодный волновой (ДВ'). На панели управления аппарата находятся: слева - миллиамперметр 1 для измерения постоянной составляющей выходного тока, справа - ручка 4 процедурных часов, ручка 5 регулятора выходного тока; в центре - экран 3 электронно-лучевой трубки: внизу - кнопки 2 переключателя видов тока, ручка 8 выключателя сети, глазок 7 индикатора включения сети, ручка 6 переключателя полярности тока. В левой боковой стенке - отверстие для подключения электродов к выходному гнезду. Применяются электроды в виде свинцовой пластины, вкладываемой в карман прокладки, сшитой из нескольких слоев байки, и чашечные электроды - графитовый вкладыш в чашке держателя, закрываемый многослойной байтовой прокладкой. Место подключения сетевого шнура находится на задней стенке прибора.

Перед включением прибора выключатель сети должен находиться в положении "выкл", а регулятор тока в нулевом положении. Включают прибор, на экране осциллографической трубки должна появиться линия. Электроды через смоченные прокладки накладывают и закрепляют на теле и подключают к прибору. Установив назначенные направления и вид тока, поворачивают ручку часов вправо до упора, а затем - в положение, соответствующее длительности процедуры. Плавно поворачивая ручку выходного тока, устанавливают необходимую величину. При изменении направления или вида тока регулятор тока предварительно выводят в нулевое положение.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПО ТЕМЕ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Какими величинами характеризуется импульсный ток? Какие импульсные токи используются в мед. аппаратах?

2. Что называется пороговым током?

3. Поясните смысл уравнения Вейса-Лепика.

4. Что такое реобаза, хронаксия?

5. Как меняется с увеличением частоты тока порог возбуждения и порог болевой чувствительности?

6. Почему при низкой частоте тока возникает сильное раздражение тканей?

7. Что такое электродиагностика и на чем она основана?

8. Каким образом судят о состоянии нерва или мышцы в электродиагностики?

9. Что такое лабильность ткани? Каким образом можно выяснить лабильность ткани?

10. В чем проявляется аккомодационная способность ткани?

11. Какие электроды называются активным и пассивным?

12. Приведите примеры, при каких заболеваниях и с какой конкретной целью применяют электролечение?

13. На чем основана электростимуляция и в чем она заключается?

14. Почему при электростимуляции раздражение подается ритмически с паузами?

15. Расскажите о назначении аппаратов " Электросон", " Дельта", "Тонус".

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

МЕPЫ БЕЗОПАСНОСТИ

1. Аппарата при эксплуатации не требуют защитного заземления.

2. При нарушении работоспособности аппаратов (при резком увеличении тока пациента, появлении дыма, запахе) аппарат немедленно отключить.

3. При наложении и снятии электродов, при изменении режима процедуры регуляторы тока должны быть выведены в нулевое положение.

4. Питание аппарата ДЕЛЬТА-101 должно производиться от аккумуляторной батареи.

5. Запрещается подключать аппараты к сети шнурами, не имеющими вилки.

ЗАДАНИЕ ПО РАБОТЕ

Провести исследование (наблюдение и измерение) с помощью осциллографа типа ОМЛ-2М характеристик импульсных токов на выходе аппаратов.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. К выходу аппарата (клемм пациента) подключить соответствующий нагрузочный кабель (плату). Кабель (плату) соответствующими штепселями "у" и "^" вставить в осциллограф. При использовании осциллографа для измерения амплитудного значения импульса напряжения U_a необходимо помнить, что искомую величину напряжения рассчитывают по формуле U_a = k₁×l₁, где l - длина вертикальной линии, выраженная числом крупных делений с долями, k - цена одного крупного делания в В/дел, стоящая возле нажатой клавиши на лицевой панели осциллографа. Для расчета амплитудного значения импульса тока следует воспользоваться законом Ома: .

При измерении длительности импульса Dt или периода тока T искомую величину рассчитывают по формуле

T=k₂l (Dt= k₂l),

где l расстояние, соответствующее измеряемой величине, выраженное числом крупных делений с долями, k₂ - цена одного крупного деления в единицах ВРЕМЯ/ДЕЛ., стоящая возле нажатой клавиши на лицевой панели осциллографа. Единицы "мс" или "мкс" устанавливают специальной клавишей. Измерения следует проводить, когда получена максимальная развертка (почти во весь экран) путём подбора подходящей цены деления. Например, при измерении периода тока рекомендуется получить на экране изображение двух импульсов, нажав клавишу яа диапазона 1 – 2 – 5 мс, а при измерении длительности импульса - получить на экране один импульс путем перехода на диапазон 0,1 - 0,2 - 0,5 мс в ждущем режиме развертки.

2. Перед включением аппаратов в сеть все регуляторы (тока, частоты, длительности) поставить в крайнее левое положение (на наименьшее значение). Шнур питания включить в сеть (кроме аппарата ДЕЛЬТА-101), тумблеры включения перевести в положение ВКЛ, свидетельством включения является загорание индикаторной лампочки.

3. При работе о аппаратом ТОНУС-1.

а) Произвести включение в соответствии с пунктом 2 и указаниями по мерам безопасности.

б) Включить осциллограф.

в) Завести встроенные часы прибора поворотом соответствующей ручки часовой стрелки в положение 25, в дальнейшем по мере необходимости часы можно подзаводить.

г) Пронаблюдать 5 любых видов токов, соответствующих разным ре-мимам работы аппарата (при силе тока не более 15 mA), как на экране встроенной электронно-лучевой трубки, так и на экране осциллографа, поставив его кнопки управления в положения: "ждущ" 5В/дел, 5мс/дел. Регулятор - синх+ до упора по часовой стрелке. Подстраивать изображение ручкой ®.

ВНИМАНИЕ! Перед переключением аппарата в другой режим переводить регулятор тока на 0, а поднимать значение силы тока надо медленно и плавно.

д) В режиме ДН установить произвольное значение силы тока от 2mА до 15mA, записав его в тетрадь. Зарисовать изображение в тетрадь. Измерить U_a, T, Dt. Рассчитать I_a, f, S, (значение R соответствует номиналу сопротивления на нагрузочном кабеле.). Результаты измерений и расчетов оформить по образцу, представленному на плакате, который находится в аудитории. ПРОДЕЛАТЬ ТЕ ЖЕ ИЗМЕРЕНИЯ В РЕЖИМЕ «ОН» ПО УКАЗАНИЮ ПРЕПОДАВАТЕЛЯ.

г) В режиме ОВ с помощью электронного осциллографа и электронного секундомера измерить длительности:

1) посылки импульсов, 2) паузы, 3) интервала нарастания импульсов, 4) интервала времени, когда импульсы не меняют свою величину, 5) периода следования посылок импульсов, а также измерить амплитуду импульсов, когда они не меняют свою величину. По результатам измерений изобразить вид тока ритма ОВ.

4. При работе с аппаратом ДЕЛЬТА-101 произвести включение в соответствии с пунктом 2 и указаниями по мерам безопасности.

а) Включение аппарата производится путем поворота регулятора "ток" до щелчка,. Затем включить осциллограф, поставив кнопку управления в резким "АВТ", а ручку - синхр+ по часовой стрелке до упора.

б) Установить регулятор "ток" в любое положение от 4 до 10, "длит" от 2 до 10, "частота" в произвольное положение. Записать установку регуляторов.

в) Выбрать такой масштаб по вертикали, нажав соответствующую кнопку В/дел., чтобы по амплитуде импульсы занимали не менее половины экрана. Заметьте, что импульсы имеют как положительную (+), так и отрицательную (-) части, причем положительная часть должна быть больше. Если это не так, то просто поменяйте полярность проводов, подключенных к прибору.

г) Перейдите в режим "ждущ" и добейтесь устойчивого изображения на экране не более 2-3 импульсов, выбрав подходящий временной масштаб (одной из кнопок ВРЕМЯ/ДЕЛ).. подстраивая изображение (если можно) ручкой ®. Зарисуйте изображение в тетради.

д) Измерьте Dt, T, U_a⁺, U_a^-, (U_a^- можно измерить более точно, если выбрать масштаб в/дел поменьше).

е) Установить масштаб 0.5-0.2 или 0.1 мс/дел. Получите изображение положительной части импульса. Зарисовать изображение в тетради. Измерьте Dt⁺. Рассчитать I_a⁺, I_a^-, S, f (значение R соответствует номиналу сопротивления на нагрузочной плате). Результаты измерений и расчетов оформить по образцу, представленному на плакате.

ВНИМАНИЕ! После работы обязательно выключить аппарат поворотом регулятора «ток» против часовой стрелки до щелчка.

5. При работе с аппаратом ЭЛЕКТРОСОН-4Т произвести включение в соответствии с п.2 и указаниями по мерам безопасности.

а) Установить "ЧАСТОТУ 30-150" в положение 150, ДПС на 0. Включить осциллограф и дав ему прогреться, установить его кнопки управления в положение "ждущ" 5 В/дел. Регулятор - синх+ в крайнее положение по часовой стрелке.

б) Установить регулятор "ЧАСТОТА Гц" (справа) в произвольное положение, а регулятором "ТОК ПАЦИЕНТА" установить любое значение тока от 0.5 до 4 mA. Записать показания прибора,

в) Добиться на экране изображения 3-6 импульсов, подобрав (нажав) соответствующую кнопку ВРЕМЯ/ДЕЛ. Подстраивать изображение ручкой ®. Зарисовать изображение на экране. Измерить U_a, T.

г) Установив масштаб 0.2 или 0.1 мс/дел, получить устойчивое изображение одного импульса на экране осциллографа. Зарисовать изображение в тетради и измерить Dt.

д) Рассчитать I_a, f, S, I₀ (значение R соответствует номиналу сопротивления на разгрузочном кабеле). Результаты измерений и расчетов оформить по образцу, представленному на плакате

ЗАДАНИЕ ПО УИРС

1. Определить предельные характеристики импульсных токов: предельные значения частотного диапазона при регулируемой частоте, амплитуды импульсов при регулируемом токе, длительности регулируемых импульсов.

2. Изучить все девять видов тока аппарата TOНУС-1.

3. Сделать сообщение об аппарате для терапии модулированными синусоидальными токами.

ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА

Ремизов А.Н., Максина А.Г., Потапенко А.Я. Учебник по медицинской и биологической физике М.: Дрофа, 2008 -559с.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

Антонов В.Ф. Физика и биофизика для студентов медицинских вузов: учебник. - М.: ГЭОТАР, 2010 -477 с.
Федорова В.Н. Медицинская и биологическая физика. Курс лекций с задачами: учеб. пособие для вузов - М.:ГЭОТАР, 2009