Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки
кафедра ЕТТ
РЕФЕРАТ на тему:
"Моделювання процесу електростимуляції методом передавальної функції"
МІНСЬК, 2008
Деякі автори розглядають нервово-м'язовий апарат як біологічну структуру, що складається з аналогової та дискретної частин, з'єднаних послідовно. Дискретна частина представлена пороговим елементом 2 і керуючим мультивібратором - 3. Ця частина описує поведінку структури при підпорогової вхідних впливах. Аналогову частину 1 можна вважати лінійної при підпорогової електричних подразненнях. Методика знімання АВК полягає в отримання динамічної (перехідної) характеристики ланки за допомогою вхідних впливів у вигляді імпульсів з кінцевою амплітудою і тривалістю. Індикатором є пороговий елемент 2. Виявилося, що АВК представляє собою величину, зворотну перехідною характеристиці ланки 1, і має форму, показану на малюнку. В якості вхідних сигналів можуть бути використані лінійно-наростаючі (трикутні) імпульси, максимальна тривалість яких повинна достілать 3с.
Малюнок 1. Амплітудно-часова крива (АВК) збудливості нервово-м'язового апарату.
а - АВК без обробки; б - структурна схема аналого-дискретного перетворювача; в - АВК після обробки, I 0 - Реобаза, I - подвоєна Реобаза.
Функціональний стан нервово-м'язового апарату може бути детально вивчено за допомогою стимуляційної електроміографії. В її основі лежить дослідження прямого м'язового відповіді, або М-відповіді, що виникає при електричному подразненні периферичного нерва внаслідок ортодромного поширення порушення (в дистальному напрямку). М-відповідь є сумарним моторним потенціалом, він виникає в результаті підсумовування потенціалів дії ДЕ, порушили майже одночасно. Методика дослідження та характеристики М-відповіді описані у відповідних інструкціях. Одержані дані характеризують тривалість латентного періоду, М-відповіді та його амплітуду в нормі і при патологічних змінах Відомо, що слідом за латентним періодом настає абсолютна рефракторная фаза. Для нерва і нервово-м'язового синапсу м'язів вона різна. Це обумовлює їх різну лабільність, тобто неоднакову здатність проводити максимальне числа імпульсів в секунду.
Найбільшою лабільністю має нервове волокно, а найменшій - нервово-м'язовий синапс. Так, песимальних гальмування виникає в нервово-м'язової бляшці на частотах 100-200, а в нерві 350-600 імп. / С. Якщо подразнення наноситься в фазі відносної рефрактерності, то латентний період збільшується, а амплітуда відповіді зменшується.
Здатність нерва, нервово-м'язового синапсу та м'язів проводити максимальне число імпульсів в секунду залежить від продолжительностей латентного періоду і фази абсолютної рефрактерності. За сумою цих тимчасових інтервалів і тривалості одиночного стимулювального сигналу визначаються максимальні частоти, а за тривалістю латентного періоду і всієї рефрактерної фази - мінімальні частоти проходження стімулірующіх імпульсів, що викликають гладкий тетанус. При появі втоми амплітуда і інші параметри викликаного сумарного моторного потенціалу змінюються. Цінні дані дає дослідження швидкості розповсюдження збудження по периферичних нервах, нервово-м'язової передачі і рефлекторного відповіді м'яза (Н-рефлексу) У цілому електрофізіологічні параметри нервово-м'язового апарату чітко характеризують його функціональний стан і дозволяють визначати режими електростимуляції.
Застосовуючи імпульсний і особливо змінний струм для впливу на тканини організму, слід враховувати, що електропровідність тканин має також ємнісну складову, обумовлену поляризаційними явищами в тканинах. У загальному вигляді еквівалентна електрична схема для ланцюга, що містить тканини організму, при дії постійним і імпульсним струмами може бути представлена у вигляді декількох послідовно включених резисторів кожен з яких шунтований конденсатором. У цій схемі Rк і Ск відповідають еквівалентним опору і ємності шару шкіри та підшкірної клітковини, в яких ємність відіграє значну роль, а Rвн і свн опору і ємності глибоко лежачих тканин, де ємність має менше значення.
Малюнок 2. Еквівалентна електрична схема тканин організму при впливі постійними і імпульсними струмами.
Для орієнтування зазначимо, що, наприклад, при невеликій площі електродів (кілька квадратних сантиметрів) і незначною силі струму (постійна складова-частки міліампер) для еквівалентної схеми потужно прийняти наступний порядок величин Rк: 1000-2000 Ом, Ск: 0.03-0.05мкФ, Rвн: 500-1000 Ом і свн: 0.01-0.02 мкФ.
Для електростимуляції нервово м'язового апарату людини використовують різні імпульси, які умовно можна розділити дві групи імпульси низької частоти (до 1000 Гц) і імпульси середньої частоти (від 1 до 100 кГц).
Параметри імпульсів вибираються іноді на основі загальних міркувань; нерідко їх підбирають просто, виходячи з суб'єктивних відчуттів пацієнта, що піддається впливу. Досліджуються форма амплітуда (струму або напруги), тривалість, частота проходження, а також інші характеристики електростімулірующіх імпульсів, що викликають, наприклад, граничне скорочення м'язи, тобто з яких-небудь об'єктивних критеріях визначаються оптимальні параметри. Які електричні параметри надають ефективну дію на тканину і як вони змінюються усередині живих тканин, в даний час ще остаточно не з'ясовано. Велику роль при дії електричного струму на нервово-м'язовий апарат грає повний опір (активна і реактивна складові) шкіри, нервів, м'язів і інших тканин. Цим пояснюється висока ефективність лише певної частини амплітудно-частотного спектру стимулу, а не всього спектра.
Форма, тривалість, потужність імпульсу.
Оптимальним електростімулірующім імпульсом, що викликає скорочення м'язи, є, мабуть, імпульс, який має мінімальну потужність і чинить найменший вплив на шкіру і її рецептори. Для лабораторних досліджень зручна прямокутна форма імпульсу, що полегшує кількісний аналіз, дозування стимулів і яка припускає досить просту конструкцію апаратури. Роздратування імпульсами однієї полярності призводить до "хімічним" повреждающему ефекту, аналогічного тривалого дії на тканину постійного струму, через зміщення іонів в одну сторону під впливом монофазних сигналів. Щоб уникнути явищ електролізу в системі електроди - шкіра треба використовувати імпульси чергується полярності.
Тут можливі різні варіанти:
один високоамплітудний імпульс викликає скорочення м'язи, а йому передує (або слідує за ним) низькоамплітудних протилежної полярності, але рівною енергії (рис.3, а, б);
чергується полярність однакових за своїми параметрами прямокутних імпульсів (рис.3, в). Приватним випадком може бути чергування полярності парних імпульсів (рис.3, г), які використовуються для того, щоб знизити амплітуду стимулів і тим самим зменшити подразнюючу дію на рецептори шкіри.
Малюнок 3. Прямокутні імпульси з чергується полярністю і рівної енергією.
Вважається, що найбільш енергетично вигідною є експонентна форма імпульсу струму; при прямокутній формі імпульсу збудження виникає з витратами потужності, що перевищують оптимальні на 22%. Для скелетної мускулатури оптимальна тривалість імпульсу при мінімальній енергії подразнення становить 0,064 - 1,23 мс, що відповідає тривалості потенціалу дії рухових нервових волокон. Це відноситься до іннервіруемие ними здоровим м'язів або до м'язів, що знаходяться в спастичному стані в результаті центральних парезів і паралічів. При периферичних рухових порушеннях тривалість стимулу повинна бути більшою (до сотень мілісекунд).
У ряді досліджень порівнювали енергію подразнення з енергією надпороговое тетанічного скорочення м'яза, варіюючи по черзі частоту, амплітуду і тривалість стимулюючих імпульсів. Якщо при цьому один із зазначених параметрів змінювався, а два інших залишалися постійними, то можна було отримати оптимальні значення частоти, сили і тривалості. При цьому відповідна реакція визначалася енергією роздратування. Однак такий підхід справедливий лише до того моменту, поки не настане м'язове стомлення, при якому сила скорочення м'язів падає при тих же параметрах роздратування. Важливою властивістю нервово-м'язових структур при подразненні електричними сигналами є залежність збудливості від швидкості зміни амплітуди стимулюючого сигналу, тобто похідної du / dt. Відома робота, в якій порушення W виражається у вигляді функції ряду характеристик електричного стимулу, в число яких входять енергетична та інформаційна компоненти, швидкість зміни амплітуди та ін:
(1)
Кількісне значення кожної з компонент пропонується визначати з рівняння , Де
- Вагові коефіцієнти.
Будемо вважати, що за період електростімуляціонного впливу T про характеристики біологічних тканин змінюються незначно. Відомо, що оптимальним електростімулірующім імпульсом, що викликає скорочення м'язи, є імпульс, якій має мінімальну потужність і чинить найменший вплив на шкіру і рецептори:
(2)
де P ел - потужність сигналу електростимуляції, P м - потужність, що розвивається відповідної м'язом, u (t) - падіння напруги на електродах у процесі електростимуляції, i (t) - струм, що протікає через електроди, T с - період сигналу, F (t ) - сила, що розвивається м'язом, V (t) - швидкість скорочення м'яза, t - поточний час сеансу електростимуляції.
Цей критерій справедливий при виборі сигналів для м'язів, основною функцією яких є скорочувальна. Функціонування внутрішніх органів пов'язано не тільки зі скороченням відповідних гладких або поперечно-смугастих мускулатури. Воно носить більш складний характер, оскільки пов'язано з діяльністю різних фізіологічних систем і може включати безліч фізіологічних зворотних зв'язків. Так, наприклад, стан шлунково-кишкового тракту визначається моторної, моторно-евакуаторної і секреторної функціями травної системи. У зв'язку з цим для вибору оптимальних сигналів стимуляції внутрішніх органів пропонується наступний енергетичний критерій:
(3)
де P см - потужність, яка визначається скоротливою здатністю відповідних м'язів органу, P ф - потужність, що характеризує функціонування даного органу (виконання відповідної функції).
Значення P см може бути виміряна за допомогою визначення проінтегрувати електроактивних м'язи A за одиницю часу, або через вимір сили F (t) і швидкості V (t). Як правило, на інтервалі T про потужність P см є безперервною функцією часу. Потужність P ф носить періодичний характер, що пов'язано з періодичністю функціонування самого органу. Тому для оцінки потужності P ф запропоновано використовувати відношення часу функціонування органу T ф (проявляється виділенням потужності P ф і P см) до часу T е, протягом якого присутні лише скорочення м'язів у околоелектродной області (виділення потужності P см). Тоді енергетичний критерій вибору сигналів електростимуляції набуває вигляду:
(4)
де K 1, K 2 - емпіричні коефіцієнти пропорційності, що визначаються індивідуально для кожного органу.
Поріг больового відчуття, що викликається електричними подразниками, змінюється в залежності від форми імпульсів, причому її рівень залежить від щільності і робочі місця струму. Щоб дослідити різноманіття місцевих і загальних реакцій організму на електростимуляцію, недостатньо використовувати тільки прямокутні імпульси. З метою оптимізації форми імпульсів були випробувані стимули різної форм (прямокутні, синусоїдальні, трикутні, трапецієвидні, експоненціальні та дзвоновидні) і тривалості (від мікросекунд до десятків мілісекунд), однофазні і двофазні з різною тривалістю фронту і зрізу, частотою прямування, з амплітудною, частотною і амплітудно-частотною модуляцією, з виходом по напрузі і по струму. Було встановлено, що в діапазоні частот проходження від 1 до 150 Гц найменш болючі імпульси, які моделюють форму струму дії нервового волокна, що генерується в області перехоплення Ранвье, тривалістю 0,7-0,8 мс (тривалість фронту 25-100 мкс, зрізу 600 -700 мкс). Зі збільшенням тривалості імпульсу понад 1 мс при впливі через шкіру на нервово-м'язові структури ці стимули викликають у людини дискомфорт при частотах проходження 1-20 Гц. Зменшення тривалості стимулюючих імпульсів до 0,1-0,2 мс не призводить до виникнення неприємних відчуттів, але вимагає збільшення амплітуди.
Застосування низькочастотних імпульсів для електростимуляції нервово-м'язових структур дасть певний лікувальний ефект. Вони мають порівняно невеликою потужністю, і шляхом зміни їх параметрів можна домогтися узгодження з лабільністю стимульованих структур (це не відноситься до диадинамические струмів). Однак ці процедури болючі, тому що значна частина енергії стимулів поглинається поверхневим шаром шкіри, що призводить до подразнення рецепторів (відчувається поколювання і печіння).
Доцільно використання для електростимуляції змінних струмів звукового діапазону (2-20 кГц). Зменшення повного опору поверхневого шару шкіри з підвищенням частоти змінного струму дозволяє більш рівномірно розподілити енергію стимулів між епідермісом і підшкірними тканинами. Відзначаються наступні особливості цих струмів:
специфічний механізм збудження, пов'язаний з появою деполяризації в обох електродів;
асинхронне збудження волокон, що наближає імпульсацію до існуючої в природних умовах;
менше розгалуження струмів, що дозволяє вибірково стимулювати м'язи;
повільний розвиток акомодації м'язів;
переважне роздратування струмом м'язів, а не рецепторів шкіри, звідси менша болючість.
При цьому можливо як блокування рецепторів, так і проведення збудження в чутливих нервових волокнах. Неприємні відчуття при електростимуляції в основному можуть бути пов'язані з виникаючим потужним тетаніческое скорочення м'язів.
З 1969 р. використовується форма імпульсу, що виникає в перехопленні Ранвье нервового волокна, як облямовує для отримання радіоімпульсного стимулу (що несе коливання - синусоїдальний струм з частотою 10 кГц); такий стимул викликає практично безболісні скорочення м'язів. У залежності від збудливості стимульованих тканин (особливо при периферичних рухових розладах) регулюють крутизну фронту і зрізу імпульсу. Серед вивчених електричних стимулів, що викликають безболісне скорочення м'яза при мінімальної енергії, цей імпульс виявився оптимальним. Проведено порівняння потужності різних імпульсів, що викликають порогове скорочення. Дослідження проводилося шляхом впливу синусоїдальними струмами в діапазоні частот від 200 до 15000 Гц. Було встановлено, що на частотах 10 ± 2 кГц больові відчуття вже мінімальні. При застосуванні амплітудної модуляції стимулу різко зменшувалася потужність, необхідна для отримання скорочення м'яза такої ж величини, в порівнянні з немодульованою коливаннями. Тривалість імпульсів становила 1 мс на рівні 0,1 амплітудного значення, тобто перебувала в межах оптимальних тривалостей, що дозволяють отримати скорочення м'яза при мінімальної енергій роздратування. При порівнянні потужності стимулів різної форми, що викликають порогове скорочення двоголового м'яза плеча (частота проходження 75 Гц, площа електродів 15 см2, відстань між електродами 5 см), отримано такі порогові значення (наведені усереднені дані дослідження 12 здорових осіб): (7,6 + 0,8) мВт для прямокутного видеоимпульса, (4,0 +1,1) мВт для трапецієподібного видеоимпульса з тривалістю фронту 0,3 мс; (2,3 ± 0,5) мВт для видеоимпульса з крутим фронтом (25 мкс) і експоненціальним зрізом; (1,1 ± 0,3) мВт для радіоімпульсу з аналогічною попередньому випадку формою і з несучою частотою 10 кГц. Потужність прямокутного радіоімпульсу становила (3,5 ± 1,8) мВт при несучій частоті 1 кГц; (4,6 ± 0,7) мВт при несучій частоті 5 кГц і (8,3 ± 1,2) мВт при несучої частоті 10 кГц.
З вивчених стимулів енергетично найбільш вигідний радіоімпульс виду з крутим фронтом (тривалістю 25 мкс), експоненціальним зрізом (975 мкс) і несучої частотою 10 кГц. Цей імпульс викликає мінімальні больові відчуття; мабуть, це пояснюється тим, що кожен період коливання впливає на рецептори тоді, коли вони ще знаходяться в рефрактерної фазі, тобто блокується виникнення сигналів в рецепторах і проходження в чутливих нервових волокнах.
ЛІТЕРАТУРА
1. Системи комплексної електромагнітотерапіі: Навчальний посібник для вузів / Під ред А.М. Беркутова, В.І. Жулев, Г.А. Кураєва, Є.М. Прошина. - М.: Лабораторія Базових знань, 2000р. - 376с.
2. Електронна апаратура для стимуляції органів і тканин / Под ред Р.І. Утямишева і М. Брехня - М.: Вища школа, 2000.384с.
3. Електрична стимуляція мозку і нервів у людини / Н.П. Бехтерєва, С.В. Медведєв, О.М. Шандуріна та ін - Спб.: Наука, 2000. - 263с.
4. Лівенсон А.Р. Електромедицинська апаратура.: [Навч. посібник] - М.: Медицина, 2001. - 344с.
5. Катона З. Електроніка в медицині: Пер. з угор. / Под ред. М.К. Розмахіна - М.: 2000. - 140с.
6. Медична електронна апаратура для охорони здоров'я: Пер. з англ. / Л. Кромвелл и др. - М.: Радіо і зв'язок, 2001 - 344с.