Воздействие переменными (импульсными) токами

Действие переменного тока на организм существенно зависит от его частоты. При низких, звуковых и ультразвуковых частотах (см. § 14.7) переменный ток, как и постоянный, вызывает раздра­жающее действие на биологические ткани. Это обусловлено сме­щением ионов растворов электролитов, их разделением, измене­нием их концентрации в разных частях клетки и межклеточного пространства.

Раздражение тканей зависит также и от формы импульсного тока, длительности импульса и его амплитуды. Так, например, увеличение крутизны фронта импульса уменьшает пороговую си­лу тока, который вызывает сокращение мышц. Это свидетельст­вует о том, что мышцы приспосабливаются к изменению силы то­ка, наступают ионные компенсационные процессы. Крутизна прямоугольного импульса очень велика (теоретически — беско­нечна), поэтому для таких импульсов пороговая сила тока мень­ше, чем для других. Существует определенная связь между поро­говой I_тах амплитудой и длительностью прямоугольного импуль­са, который вызывает раздражение (рис. 15.2). Каждой точке кривой и точкам, лежащим выше кривой, соответствуют импуль­сы, которые вызывают сокращение мышц. Точки, расположен­ные ниже кривой, отображают импульсы, не вызывающие раз­дражения. Кривая на рисунке называется характеристикой воз­буждения. Она специфична для разных мышц.

Так как специфическое физиологическое действие электрическо­го тока зависит от формы импульсов, то в медицине для стимуляции центральной нервной системы (электросон, электронаркоз), нервно-мышечной систе­мы, сердечно-сосудистой системы (кардио­стимуляторы, дефибрилляторы) и т. д. ис­пользуют токи с различной временной зависимостью.

Ток с импульсами прямоугольной фор­мы с длительностью импульсов τ_и = 0,1 — 1 мс и диапазоном частот 5—150 Гц ис­пользуют для лечения электросном, токи

с τ_и = 0,8—3 мс и диапазоном частот 1—1,2 Гц применяют во вживляе­мых (имплантируемых) кардиости­муляторах. Ток с импульсами тре­угольной формы (рис. 15.3, а; с τ_и = = 1—1,5 мс, частота 100 Гц), а так­же с импульсами экспоненциальной формы (рис. 15.3, б; τ_и = 3—60 мс, частоты 8—80 Гц) применяют для возбуждения мышц, в частности при электрогимнастике. Для разных ви­дов электролечения используют диа-динамические токи, предложенные Бернаром. На рис. 15.3, в показана форма одного из видов такого им­пульсного тока, частота следования импульсов около 100 Гц.

Действие переменного (гармонического) тока на организм при низких, звуковых и ультразвуковых частотах оценивается сле­дующими пороговыми значениями: порогом ощутимого тока и порогом неотпускающего тока.

Порогом ощутимого тока называют наименьшую силу тока, раздражающее действие которого ощущает человек. Эта величина зависит от места и площади контакта тела с подведенным нап­ряжением, частоты тока, индивидуальных особенностей челове­ка (пол, возраст, специфика организма). Для однородных групп испытуемых порог ощутимого тока подчиняется закону нормаль­ного распределения со средним значением около 1 мА на частоте 50 Гц у мужчин для участка предплечье — кисть, на рис. 15.4 (кривая 1) показана зависимость среднего значения порога ощу­тимого тока для этой группы испытуемых от частоты тока.

Если увеличивать силу тока от порога ощутимого его значения, то можно вызвать такое сгибание сустава, при котором человек не смо­жет самостоятельно разжать руку и ос­вободиться от проводника — источни­ка напряжения. Минимальную силу этого тока называют порогом неот­пускающего тока. Токи меньшей си­лы являются отпускающими. Порог неотпускающего тока — важный пара­метр, его превышение может быть гу­бительным для человека. Значения порога неотпускающего тока также подчиняются закону нор­мального распределения. На рис. 15.4 (кривая 2) графически представлена зависимость среднего по группе испытуемых муж­чин значения порога неотпускающего тока от частоты.

Воздействуя на сердце, ток может вызвать фибрилляцию желу­дочков, которая приводит к гибели человека. Пороговая сила тока, вызывающего фибрилляцию, зависит от плотности тока, проте­кающего через сердце, частоты и длительности его действия.

При частотах приблизительно более 500 кГц смещение ионов становится соизмеримым с их смещением в результате молекулярно-теплового движения, поэтому ток или электромагнитная волна не будет вызывать раздражающего действия. Основным первичным эффектом в этом случае является тепловое воздейст­вие. Лечебное прогревание высокочастотными электромагнитны­ми колебаниями обладает рядом преимуществ перед таким тради­ционным и простым способом, который реализуется грелкой.

Прогревание грелкой внутренних органов осуществляется за счет теплопроводности наружных тканей — кожи и подкожножировой клетчатки. Высокочастотное прогревание происходит за счет образования теплоты во внутренних частях организма, т. е. его можно создать там, где оно нужно. Выделяемая теплота зави­сит от диэлектрической проницаемости тканей, их удельного со­противления и частоты электромагнитных колебаний. Подбирая соответствующую частоту, можно осуществлять «термоселектив­ное» воздействие, т. е. преимущественное образование теплоты в нужных тканях и органах.

Прогревание высокочастотными колебаниями удобно и тем, что, регулируя мощность генератора, можно управлять мощно­стью тепловыделения во внутренних органах, а при некоторых процедурах возможно и дозирование нагрева. Кроме теплового эффекта электромагнитные колебания и волны при большой час­тоте вызывают и внутримолекулярные процессы, которые приво­дят к некоторым специфическим воздействиям.

Чтобы нагреть ткани, необходимо пропускать большой ток. Как уже было отмечено, в этих случаях постоянный ток или ток низкой, звуковой и даже ультразвуковой частот может привести к электролизу и разрушению ткани. Поэтому для нагревания то­ками используются токи высокой частоты (см. § 14.7).

Мощность тока, расходуемую на нагревание тканей, вычислим по формуле Р = I²R. Преобразуем ее, считая, что биологическая ткань расположена между двумя плоскими электродами с пло­щадью S, находящимися на расстоянии I, вплотную к ним (анало­гично тому, что изображено на рис. 12.28).Пусть плотность тока у одинакова во всех точках ткани и равна плотности тока на электродах. Учитывая, что R = pl/S, получаем

где V = SI — объем ткани, ρ — ее удельное сопротивление. Разде­лив (15.1) на этот объем, получим количество теплоты q, выделяющееся за 1 с в 1 м³:

Как и следовало ожидать, q зависит от плотности тока и удельного сопротивления ткани.

Пропускание тока высокой частоты через ткань использу-1ют в физиотерапевтических процедурах, называемых диатер­мией и местной дарсонвализацией.

При диатермии применяют ток частотой около 1 МГц со слабо­затухающими колебаниями, напряжение 100—150 В; сила тока несколько ампер. Так как наибольшим удельным сопротивлени­ем обладают кожа, жир, кости, мышцы, то они и нагреваются сильнее. Наименьшее нагревание у органов, богатых кровью или лимфой, — легкие, печень, лимфатические узлы. Недостаток ди­атермии — большое количество теплоты непродуктивно выделя­ется в слое кожи и подкожной клетчатке.

В последнее время диатермия уходит из терапевтической прак­тики и заменяется другими методами высокочастотного воздейст­вия. Это обусловлено повышенной опасностью диатермии: неисп­равность аппарата, случайное искрение в месте наложения элект­родов при прямом двухполюсном касании биологического объекта и значительном токе могут привести к трагическим последствиям. Для местной дарсонвализации применяют ток частотой 100— 400 кГц, напряжение его — десятки киловольт, а сила тока небольшая — 10—15 мА.

Ток к пациенту П (рис. 15.5) по­ступает от источника высокочастот­ных колебаний И через вакуумный гили заполненный графитом стеклянный электрод Э. Второго электрода нет, так как участок между точкой А 'Цепи и пациентом обладает электро­емкостью (на рисунке на этом участке условно изображен конденсатор), что Означает [см. (14.33)] электропровод­ность среды для переменного тока. Действующим фактором является не только импульсный ток высокой час

тоты, но и электрический разряд, возникающий между кожей пациента и электродом.

Токи высокой частоты используются также и для хирургиче­ских целей (электрохирургия). Они позволяют прижигать, «сва­ривать» ткани (диатермокоагуляция) или рассекать их (диатер-мотомия).

При диатермокоагуляции применяют ток плотностью 6— 10 мА/мм², в результате чего температура ткани повышается и ткань коагулирует. При диатермотомии плотность тока доводят до 40 мА/мм², в результате чего острым электродом (электроно­жом) удается рассечь ткань. Электрохирургическое воздействие имеет определенные преимущества перед обычным хирургиче­ским вмешательством.