Электростимуляция органов и тканей.
1. Электростимуляция органов и тканей. Параметры импульсных сигналов, применяемых для электростимуляции и их физиологическое обоснование. Законы Вейса-Лапика и Дюбуа-Реймонда.
Электростимуляция – дозированное воздействие электрическим током на определённые органы и возбудимые ткани организма с целью обеспечения или улучшения их деятельности. Используются низкочастотные (до 200Гц) импульсные и модулированные токи различной формы. Токи, используемые при электростимуляции, могут вызывать стимуляцию нервов и сокращения мышц, не управляемые ЦНС! Ток частотой 1-200Гц и силой 10-15мА вызывает сокращение мелких скелетных мышц (кисть, гортань) – не отпускающий ток. Ток силой 50-60мА через грудную клетку человека вызывает паралич межрёберных и регулирующих движение диафрагмы мышц и через несколько минут может наступить смерть от удушья. Ток силой 100мА через грудную клетку может вызвать фибрилляцию миокарда и последующую остановку сердца. Поэтому стимулирующий ток должен иметь амплитуду меньше значений поражающего тока.
Импульсные токи прямоугольной формы используют для стимуляции нервной системы, непрямоугольной – для стимуляции мышц.
Прямоугольный импульсный ток. Для его полного описания необходимо знать: амплитуду I0 (мА); частоту v=1/T (Гц) импульсного тока (или период повторения импульса Т=tи+t0 [c]); скважность Q=Т/tи – безразмерная величина которая показывает во сколько раз период повторения T больше длительности импульса tи. Если tи=t0, то импульсный ток симметричный, Q=2.
Коэф. заполнения k – показывает какую долю периода занимает сам импульс k=1/Q=tи/T.
Непрямоугольные импульсные токи. Все те же параметры. Длительность фронта tфр – время нарастания тока от 0,1I0 до0,9I0. Крутизна фронта импульса Кр=0,8I0/tфр определяет скорость нарастания тока во времени от 0,1I0 до0,9I0. Длительность спада импульса tсп – время спада тока от 0,9I0 до0,1I0. Длительность вершины импульса tвер – время, в течение которого I>=0,9I0. Длительность импульса tи=tфр+tвер+tсп.
Амплитуда импульсного тока. Физиологический ответ возбудимой ткани на действие электрического тока (генерация потенциала действия в клетках, возникновение нервных импульсов) возникает, когда сила тока Iстим>=Iпор. Но при этом сила тока не должна превышать безопасных значений: Iпор<Iстим<Iпораж.
Величина порогового тока зависит от вида ткани, от длительности и формы импульса тока.
Реобаза R – min значение порогового тока для данной ткани, наблюдается при tu>=tполезн, способное вызывать возбуждение при действии на ткань в течение полезного времени.
Хроноксия tхр – длительность импульса, для которого пороговый ток вдвое больше реобазы: Iпор=2R.
Зависимость порогового тока от длительности tu прямоугольного импульса приблизительно описывается уравнением Вейса-Лапика: Iпор=a/tu+b, где а и b –константы, зависящие от вида ткани.
1) при tu стремящемся к бесконечности, значение Iпор=b, значит b=R, b в [А или мА];
2) при tu=tхр, то Iпор=2R и по уравнению Вейса-Лапика: а=Rtхр. Реально I0=0,1мА-50мА. Тепловые эффекты при электростимуляции незначительны.
Частота, ограничена абсолютным рефрактерным периодом – время, в течение которого клетку нельзя возбудить никаким стимулом. Для нервных клеток vmax=500-1000Гц, Трефр=1-2мс. Для скелетных мышц vmax=100-200Гц, Трефр=5-10мс. Для сердечной мышцы vmax=3,3Гц, Трефр=300-350мс. На практике используют частоты v<200Гц. На частотах v>1000Гц электростимуляция практически отсутствует. Длительность импульсного сигнала – её влияние на пороговое значение амплитуды тока определяется уравнением Вейса-Лапика. Крутизна фронта импульса, зависимость величины Iпор от скорости нарастания фронта импульса отражена в законе Дюбуа-Реймона: Раздражающее действие импульсного тока прямо пропорционально крутизне переднего фронта импульса. Т.е. с увеличением крутизны фронта импульса пороговый ток уменьшается!
2. Запишите уравнение Бернулли, описывающее течение идеальной жидкости и укажите смысл входящих в него величин.
Уравнение Бернулли описывает течение невязкой жидкости. Теорема: Изменение полной мех. Энергии тела равно работе внешних сил (сил давления, т.к.к сил трения нет): (mv22/2+mgh2)- (mv12/2+mgh1)=(P1-P2)V.
m- масса жидкости, протекающей через сечения S1 и S2; v1 и v2 – линейные скорости частиц жидкости в сечениях S1 и S2; Р1 и Р2 – давление жидкости в сечениях S1 и S2; h1 и h2 – высоты, на которых расположены центры сечений S1 и S2. Перегруппировав получим: mv22/2+mgh2+Р2V= mv12/2+mgh1+P1V; кинетическая энергия жидкости - mv2/2; потенциальная энергия, обусловленная расположением жидкости на высотах h1 и h2 – mgh. Разделив на объём V получим УРАВНЕНИЕ БЕРНУЛЛИ: рv22/2+рgh2+Р2= рv12/2+рgh1+P1, где рv2/2 – динамическое давление; Р – статическое давление; рgh – весовое (гидростатическое) давление.
3. В расчётах по технике электробезопасности сопротивление тела человека принимают равным 1кОм. Может ли оказаться смертельным для человека контакт его рук с электродами, напряжение между которыми 100В при частоте 50Гц?
I=U/R=100/1000=0,1А=100мА. При частоте v=50Гц, ток силой 10-15мА вызывает сокращение мелких скелетных мышц (кисть, гортань) – не отпускающий ток. Ток силой 50-60мА через грудную клетку человека вызывает паралич межрёберных и регулирующих движение диафрагмы мышц и через несколько минут может наступить смерть от удушья. Ток силой 100мА через грудную клетку может вызвать фибрилляцию миокарда и последующую остановку сердца.
4. В чем состоит эффект Доплера и как он используется для определения скорости кровотока?
Эффект Доплера состоит в изменении частоты волн, воспринимаемых некоторым приёмником, в зависимости от относительной скорости движения источника и наблюдателя. Когда источник и приёмник неподвижны, то частота волн, регистрируемых приёмником, совпадает с частотой волн, испускаемых источником vпр=vист. Если источник приближается к приёмнику, частота воспринимаемого волнового процесса увеличивается vпр>vист. При удалении источника всё происходит наоборот. Разность принимаемой и излучаемой частот ∆ v= vпр-vист – доплеровский сдвиг зависит от скорости крови. Представим кровеносный сосуд, на некотором участке которого необходимо определить скорость движения крови. От источника ультразвука на кровеносный сосуд направляется пучок ультразвуковых волн с частотой vист. Некоторый объём кори отражает волны в разных направлениях, и в направлении приёмника ультразвука. Широкое применение метода обусловлено неинвазивностью (сосуд не повреждается), высокой точностью.
5. Какова активность 1 грамма 137 Сs, если период его полураспада 109с?
A=0,69mNA/MT=0,69*1*6,02*1023/137*109=3*1012Бк. Ответ: 3*1012Бк
6. Определите концентрацию сахара в р-ре, если угол поворота плоскости поляризации света 2,20 при длине кюветы 4 см. Удельное вращение сахара для используемого излучения равно 6,6 град*см2/г.
α=α0CL; С=α/α0L=2,2/6,6*4=1/12=0,083 г/cм3. Ответ: 0,083 г/cм3
Электростимуляция – дозированное воздействие электрическим током на определённые органы и возбудимые ткани организма с целью обеспечения или улучшения их деятельности. Используются низкочастотные (до 200Гц) импульсные и модулированные токи различной формы. Токи, используемые при электростимуляции, могут вызывать стимуляцию нервов и сокращения мышц, не управляемые ЦНС! Ток частотой 1-200Гц и силой 10-15мА вызывает сокращение мелких скелетных мышц (кисть, гортань) – не отпускающий ток. Ток силой 50-60мА через грудную клетку человека вызывает паралич межрёберных и регулирующих движение диафрагмы мышц и через несколько минут может наступить смерть от удушья. Ток силой 100мА через грудную клетку может вызвать фибрилляцию миокарда и последующую остановку сердца. Поэтому стимулирующий ток должен иметь амплитуду меньше значений поражающего тока.
Импульсные токи прямоугольной формы используют для стимуляции нервной системы, непрямоугольной – для стимуляции мышц.
Прямоугольный импульсный ток. Для его полного описания необходимо знать: амплитуду I0 (мА); частоту v=1/T (Гц) импульсного тока (или период повторения импульса Т=tи+t0 [c]); скважность Q=Т/tи – безразмерная величина которая показывает во сколько раз период повторения T больше длительности импульса tи. Если tи=t0, то импульсный ток симметричный, Q=2.
Коэф. заполнения k – показывает какую долю периода занимает сам импульс k=1/Q=tи/T.
Непрямоугольные импульсные токи. Все те же параметры. Длительность фронта tфр – время нарастания тока от 0,1I0 до0,9I0. Крутизна фронта импульса Кр=0,8I0/tфр определяет скорость нарастания тока во времени от 0,1I0 до0,9I0. Длительность спада импульса tсп – время спада тока от 0,9I0 до0,1I0. Длительность вершины импульса tвер – время, в течение которого I>=0,9I0. Длительность импульса tи=tфр+tвер+tсп.
Амплитуда импульсного тока. Физиологический ответ возбудимой ткани на действие электрического тока (генерация потенциала действия в клетках, возникновение нервных импульсов) возникает, когда сила тока Iстим>=Iпор. Но при этом сила тока не должна превышать безопасных значений: Iпор<Iстим<Iпораж.
Величина порогового тока зависит от вида ткани, от длительности и формы импульса тока.
Реобаза R – min значение порогового тока для данной ткани, наблюдается при tu>=tполезн, способное вызывать возбуждение при действии на ткань в течение полезного времени.
Хроноксия tхр – длительность импульса, для которого пороговый ток вдвое больше реобазы: Iпор=2R.
Зависимость порогового тока от длительности tu прямоугольного импульса приблизительно описывается уравнением Вейса-Лапика: Iпор=a/tu+b, где а и b –константы, зависящие от вида ткани.
1) при tu стремящемся к бесконечности, значение Iпор=b, значит b=R, b в [А или мА];
2) при tu=tхр, то Iпор=2R и по уравнению Вейса-Лапика: а=Rtхр. Реально I0=0,1мА-50мА. Тепловые эффекты при электростимуляции незначительны.
Частота, ограничена абсолютным рефрактерным периодом – время, в течение которого клетку нельзя возбудить никаким стимулом. Для нервных клеток vmax=500-1000Гц, Трефр=1-2мс. Для скелетных мышц vmax=100-200Гц, Трефр=5-10мс. Для сердечной мышцы vmax=3,3Гц, Трефр=300-350мс. На практике используют частоты v<200Гц. На частотах v>1000Гц электростимуляция практически отсутствует. Длительность импульсного сигнала – её влияние на пороговое значение амплитуды тока определяется уравнением Вейса-Лапика. Крутизна фронта импульса, зависимость величины Iпор от скорости нарастания фронта импульса отражена в законе Дюбуа-Реймона: Раздражающее действие импульсного тока прямо пропорционально крутизне переднего фронта импульса. Т.е. с увеличением крутизны фронта импульса пороговый ток уменьшается!
2. Запишите уравнение Бернулли, описывающее течение идеальной жидкости и укажите смысл входящих в него величин.
Уравнение Бернулли описывает течение невязкой жидкости. Теорема: Изменение полной мех. Энергии тела равно работе внешних сил (сил давления, т.к.к сил трения нет): (mv22/2+mgh2)- (mv12/2+mgh1)=(P1-P2)V.
m- масса жидкости, протекающей через сечения S1 и S2; v1 и v2 – линейные скорости частиц жидкости в сечениях S1 и S2; Р1 и Р2 – давление жидкости в сечениях S1 и S2; h1 и h2 – высоты, на которых расположены центры сечений S1 и S2. Перегруппировав получим: mv22/2+mgh2+Р2V= mv12/2+mgh1+P1V; кинетическая энергия жидкости - mv2/2; потенциальная энергия, обусловленная расположением жидкости на высотах h1 и h2 – mgh. Разделив на объём V получим УРАВНЕНИЕ БЕРНУЛЛИ: рv22/2+рgh2+Р2= рv12/2+рgh1+P1, где рv2/2 – динамическое давление; Р – статическое давление; рgh – весовое (гидростатическое) давление.
3. В расчётах по технике электробезопасности сопротивление тела человека принимают равным 1кОм. Может ли оказаться смертельным для человека контакт его рук с электродами, напряжение между которыми 100В при частоте 50Гц?
I=U/R=100/1000=0,1А=100мА. При частоте v=50Гц, ток силой 10-15мА вызывает сокращение мелких скелетных мышц (кисть, гортань) – не отпускающий ток. Ток силой 50-60мА через грудную клетку человека вызывает паралич межрёберных и регулирующих движение диафрагмы мышц и через несколько минут может наступить смерть от удушья. Ток силой 100мА через грудную клетку может вызвать фибрилляцию миокарда и последующую остановку сердца.
4. В чем состоит эффект Доплера и как он используется для определения скорости кровотока?
Эффект Доплера состоит в изменении частоты волн, воспринимаемых некоторым приёмником, в зависимости от относительной скорости движения источника и наблюдателя. Когда источник и приёмник неподвижны, то частота волн, регистрируемых приёмником, совпадает с частотой волн, испускаемых источником vпр=vист. Если источник приближается к приёмнику, частота воспринимаемого волнового процесса увеличивается vпр>vист. При удалении источника всё происходит наоборот. Разность принимаемой и излучаемой частот ∆ v= vпр-vист – доплеровский сдвиг зависит от скорости крови. Представим кровеносный сосуд, на некотором участке которого необходимо определить скорость движения крови. От источника ультразвука на кровеносный сосуд направляется пучок ультразвуковых волн с частотой vист. Некоторый объём кори отражает волны в разных направлениях, и в направлении приёмника ультразвука. Широкое применение метода обусловлено неинвазивностью (сосуд не повреждается), высокой точностью.
5. Какова активность 1 грамма 137 Сs, если период его полураспада 109с?
A=0,69mNA/MT=0,69*1*6,02*1023/137*109=3*1012Бк. Ответ: 3*1012Бк
6. Определите концентрацию сахара в р-ре, если угол поворота плоскости поляризации света 2,20 при длине кюветы 4 см. Удельное вращение сахара для используемого излучения равно 6,6 град*см2/г.
α=α0CL; С=α/α0L=2,2/6,6*4=1/12=0,083 г/cм3. Ответ: 0,083 г/cм3