4. Між предметна інтеграція.

№ за п	Дисципліна	Знати	Вміти
	Фізика (електродинаміка)	Загальну характеристику електричного струму, поняття опору та провідності речовин. Природу електричного струму в рідинах, явища електролізу.	Вимірювати величини, що характеризують електричний струм, складати електричне коло, визначати опір провідника.
	Хімія	Поняття електроліт, електролітична дисоціація.	Пояснювати явище електролітичної дисоціації та рекомбінації молекул.
	Біологія	Вплив електричного струму на біологічні тканини.

5. Зміст теми.

Дія електричного струму на біологічні тканини

Первинна дія постійного струму на організм пов'язана в основному з двома процесами: поляризацією - виникненням дипольного моменту в тканинах та рухом заряджених частинок - їх появою і зміною концентрації, які призводять до порушення нормального для клітини розподілу зарядів і, як наслідок, її функцій.

Небезпеку для організму становить не саме електричне поле (напруга чи напруженість), а електричний струм, що протікає. Найкращою провідністю характеризуються нервові волокна; тому навіть слабкий струм є своєрідним ударом для нервової системи. Із зменшенням опору R (при збільшенні вологості, наприклад) сила струму І навіть за малих напруг може різко зростати. Особливо небезпечно, коли струм проходить через життєво важливі органи - серце, мозок. Із збільшенням частоти струму його шкідлива дія зменшується. В таблиці наведені порогові значення сили струму побутової частоти та ефекти, що мають місце при його дії на людський організм.

Сила струму	Ефект дії
0,1-1 мА	Відсутній
1-1,5 мА	Подразнююча дія. 1 мА – поріг відчутного струму.
1,5-2 мА	Втрата чутливості.
2-16 мА	Біль, м’язові скорочення.
16-20 мА	16 мА – струм,вище якого людина не може звільнитись самостійно від електродів.
20-100 мА	Дихальний параліч.
0,1-3 А	Смертельні шлуночкові фібриляції (необхідна термінова реанімація)
Більше 3 А	Зупинка серця.

Процеси, що відбуваються в біологічних тканинах за наявності низькочастотного електромагнітного поля зумовлені в основному іонними струмами провідності.

Ці струми виникають при наявності замкненого електричного кола між біологічними тканинами та джерелом струму. Густина струму визначається за законом Ома:

До методик з використанням дії постійних іонних струмів відносять гальванізацію, електрофорез.

Гальванізація - метод, в основу якого покладено пропускання постійного струму малої величини через тканини ор ганізму. Апарати для гальванізації являють собою джерело постійного струму, сила якого регулюється. Основними функціональними блоками апарата є: генератор високої частоти, котрий виробляє безпечну для пацієнта високочастотну (110-440 кГц) напругу, випрямляч, який перетворює високочастотну напругу в постійну, а також система електричного захисту, яка уберігає пацієнта на випадок несправностей у роботі апарата. Робочі параметри процедури: діапазон зміни напруги - (0-60) В; робочий струм - (0-50) мА, гранично допустима густина струму -0,1 мА/см².

Електрофорез - лікувальна методика, яка базується на сумісній дії постійного струму та лікарського препарату, що вводиться в організм за допомогою цього струму. Електрофорез використовується для введення лікарських речовин, що продисоціювали на іони через шкіру або слизові оболонки під дією електричного поля. Електрофорез дозволяє створювати значні концентрації речовин у поверхневих зонах ураження і, тим самим уникати побічних ефектів перорального та перентерального введення.

Оскільки рухливість - величина, характерна для даного типу іонів, то за її значенням можна встановити вид іонів, або, якщо є суміш іонів, розділити їх в електричному полі. Цю особливість використовують для аналізу сироватки крові, шлункового соку електрофоретичним методом. Фракції білків (альбуміни, а-, β-, γ-глобуліни) мають різні значення рухливості, тому їх можна розділити електричним полем, а потім і визначити їхні концентрації.

Сильні електричні імпульси використовуються для подраз­нення серця після його зупинки. Для цього на декілька мілісекунд через серце пропускають струм силою біля 10 А. Цей струм викликає рівномірну поляризацію (в дійсності деполяри­зацію) серцевої мембрани і дає можливість потенціалу дії скоординувати скорочення серцевих м'язів. Пристрій, який для цього використовується, називається дефібрилятор.

Подразнювальна дія слабких струмів низької частоти (v < 20 кГц) використовується під час фізіологічних досліджень, а також з лікувальною метою - для відновлення провідності нервових волокон, скорочувальної здатності м'язів (електростимуляція, кардіостимуляція), відновлення кісткової тканини при переломах.

Важливе значення в цьому випадку має не тільки амплітуда й частота, а також і форма імпульсу, конфігурація його переднього та заднього фронтів. Вдалий підбір цих параметрів дозволяє отримати електричні імпульси, які адекватні до певних фізіологічних подразників. Імпульси прямокутної форми (рис. 3.14, а) застосовуються, наприклад, при лікуванні електросном, для кардіостимуляції; при електрогімнастиці використовують ім­пульси трикутної та експоненційної форми (рис. 3.14, б, в).

При визначенні конфігурації імпульсу користуються законом Дюбуа-Реймона, згідно з яким подразнення прямо пропорційне до швидкості зміни сили струму dl/dt.

Відповідно до закону Дюбуа-Реймона реакції збудливих тканин залежать від швидкості зміни сили струму. Це означає, що порогове значення сили струму, який здатен викликати збудження залежить від часу його дії. Чим більша амплітуда сили струму, тим при меншій його тривалості виникатиме збудження. Цей закон графічно відображається кривою „амплітудна сила струму - тривалість імпульсу" І(Т), яка є сукупністю точок, утворених правими верхніми кутами порогових електричних імпульсів прямокутної форми, що викликають збудження (рис. 3.15). Ця крива може бути описана рівнянням Вейса-Лапіка

де І та Т - амплітуда і тривалість порогового електричного імпульсу, який викликає збудження, Q - сумарний заряд, що переноситься електричним імпульсом, R - реобаза (порогова амплітуда сили струму імпульсу, який викликає реакцію збудження незалежно від тривалості його дії). При дії електричними імпульсами амплітудою в одну реобазу реакція збудження не залежить від тривалості імпульсу (рис. 3.15).

М інімальну тривалість такого імпульсу називають корисним часом t_K. Значення t_K залежить від виду біологічної тканини і від її функціонального стану.

Так, наприклад, скелетні м'язи здорової людини відповідають скороченням на імпульси тривалістю 10^-4 – 10^-3 с, а при патологічних змінах реакція спостерігається при тривалості імпульсів 10^-3-10^-2с.

Крива „амплітудна сила струму - тривалість імпульсу" І(Т) має максимальну швидкість зміни (є найкрутішою) в точці, яка відповідає струму в дві реобази. Тривалість порогового прямокутного імпульсу величиною 2R називається хронаксією (Ch). Хронаксія і реобаза характеризують збудливість тканин і свідчать про їх функціональний стан.

Дію на біологічні тканини імпульсними струмами використовують і з діагностичною метою, зокрема для оцінки збудливості і функціональної рухливості (лабільності) м'язів.

Пропускання електричного струму через біологічні тканини супроводжується нагріванням. Кількість теплоти, яка при цьому виділяється, може бути знайдена за законом Джоуля-Ленца

Обчислимо теплову потужність q, яка виділяється в одиниці об'єму: q = Q/Vt. Скориставшись (3.30), (3.33) і врахувавши, щоV=Sl матимемо:

Остання рівність з урахуванням закону Ома в диференційній формі (3.34) може бути записана

(3.41)

Формули (3.40) і (3.41) виражають закон Джоуля-Ленца в диференційній формі.

Для лікувального прогрівання через небезпеку не використовують низькочастотні та постійні струми. З цією метою використовують високочастотні струми та електромагнітні поля.