Лабораторная работа
Импульсный сигнал: применение в медицине
Импульсные токи нашли широкое применение в медицине как стимуляторы нервно-мышечной системы. Поэтому врачу необходимо знать физические характеристики электрических импульсов и приборы, используемые в качестве генераторов импульсного тока
ЦЕЛЬ занятия:
1. Изучить прямоугольные импульсные сигналы, исследовать прохождение их через дифференцирующую и интегрирующую цепи.
2. Ознакомиться с применением импульсных токов в медицине.
ИСХОДНЫЙ УРОВЕНЬ ЗНАНИЙ
1. Параметры импульсного тока: амплитуда, период, частота, длительность импульса.
2. Назначение, устройство и принцип работы осциллографа.
ПЛАН ИЗУЧЕНИЯ ТЕМЫ
1. Электрические (электромагнитные ) колебания.
2. Импульсный сигнал и его параметры.
3. Изменение формы импульсного сигнала при прохождении им линейной цепи.
4. Роль факторов силы тока и времени для стимуляции тканей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Лекции.
2. А.Н. Ремизов. Медицинская и биологическая физика, М., 1987, гл. 14, с. 278 - 290.
3. Н.М. Ливенцев Курс физики, М., 1978, т.1, гл.5. с. 103 - 106.
4. М.Е. Блохина, И.А. Эссаулова, Г.В. Мансурова. Руководство к лаб. работам по медицинской и биологической физике, М., 2001, с. 77-82.
Теоретические предпосылки работы
В настоящее время в медицине используются электрические импульсные сигналы с лечебной и диагностической целью. Применение электрических импульсов основано на их способности оказывать стимулирующее воздействие на биологические ткани, нервно-мышечный аппарат, центральную нервную систему
Электрическим импульсом называется кратковременное изменение электрического напряжения или силы тока. Повторяющиеся импульсы называют импульсным током.
В импульсных устройствах для электростимуляции используют сигналы различной формы: прямоугольные, трапецевидные, треугольные, экспоненциальные, колоколообра.зные, ступенчатые, пилообразные и др. (рис. 1)
Рис. 1.
Обычно импульсы следуют периодически с периодом Т, которому соответствует частота повторения (рис. 2)
f = 1/T
Рис.2.
Отношение периода Т к длительности импульсов τu называют скважностью: Q = T/τu
Величина, обратная скважности, есть коэффициент заполнения
К = 1/Q = fτu
Рис. 3.
Приведенные на рис. 1 импульсы идеализированы. Реальные импульсы искажены, что выражается обычно в замедлении нарастания и убывания импульса, а также в спаде его плоской вершины. Для уменьшения возможной погрешности условились выделять моменты времени, при которых напряжение или сила тока имеют значения 0,1Umax и 0,9Umax, где Umax – амплитуда, т.е. наибольшее значение импульса. Реальные импульсы характеризуются следующими основными параметрами (рис. 3):
- амплитудой импульса Umax,
- длительностью фронта импульса τф, временем нарастания импульса от 0,1 до 0,9 Umax,
- длительностью среза импульса от 0,9 до 0,1Umax —τср..
Отношение
Кф = (0,9 Umax - 0,1Umax) /τср = 0,8 Umax/ τср
называется крутизной фронта.
Во многих случаях для изменения формы прямоугольных импульсов применяют дифференцирующую или интегрирующую цепь. Эти названия связаны с тем, что при подаче на вход этой цепи напряжения, изменяющегося во времени как некоторая функция U = f(t), напряжение на выходе будет меняться приблизительно как ее производная или как интеграл от этой функции.
Простейшая дифференцирующая цепь состоит из последовательно включенного конденсатора С и параллельно включенного резистора R.
Если на вход цепи подан прямоугольный импульс напряжения (U = const), то напряжение на выходе U = IR, т. е. повторяет по форме экспоненциальные импульсы при зарядке и разрядке конденсатора. Таким образом, форма выходного сигнала дифференцирующей цепи всегда имеет «остроконечную конфигурацию». Форма же выходного импульса интегрирующей цепи всегда имеет «овальную конфигурацию».
ЭЛЕКТРОСТИМУЛИРУЮЩИЕ ПАРАМЕТРЫ ИМПУЛЬСНОГО ТОКА
Раздражение электрическим током определенного характера и силы у большей части органов и тканей вызывает такую же реакцию, как и естественное возбуждение. Применение электрического раздражения для изменения функционального состояния клеток, органов и тканей называется электростимуляцией
В основе действия электрического тока на ткани организма лежит движение заряженных частиц, преимущественно ионов тканевых электролитов, в результате которых происходит деполяризация клеточной мембраны
Раздражение вызывается при изменении силы тока и зависит от скорости, с которой это изменение происходит (закон Дюбуа — Реймона). Учитывая, что сила тока i = dq/dt в растворе электролита зависит как от числа движущихся ионов, так и от скорости их перемещения, скорость изменения силы тока di/dt = d2q/dt2 следует сопоставить с их ускорением. Поэтому можно считать, что раздражающее действие тока обусловлено ускорением при перемещении ионов тканевых электролитов.
Поскольку раздражающее действие свойственно быстрым изменениям силы тока, для электростимуляции используются электрические импульсы, представляющие кратковременное изменение тока или напряжения. Применяются одиночные импульсы, посылки (серии), состоящие из определенного числа импульсов, а также импульсы, повторяющиеся ритмически с определенной частотой.
Раздражающее действие одиночного импульса тока зависит от его формы (преимущественное значение имеет крутизна нарастания tg a), длительности tu и амплитуды, которые являются его основными характеристиками.
При физиологических исследованиях чаще применяются импульсы прямоугольной формы, но следует иметь в виду, что емкостные свойства тканей могут вызывать изменение формы импульсов тока (рис. 5, кривая 2) по сравнению с формой импульсов напряжения (рис. 4, кривая 1).
Рис. 4. Рис. 5.
Раздражающее действие прямоугольных импульсов в значительной мере зависит от их длительности, обусловливающее наибольшее смещение ионов за время действия импульса.
Согласно закону Дюбуа — Реймона, раздражающее действие тока зависит от скорости нарастания его мгновенных значений, т. е. от крутизны переднего фронта импульса. Это связано со свойством возбудимых тканей повышать порог («приспосабливаться») к постепенно нарастающей силе раздражения. Это свойство тканей называется аккомодацией и характеризуется снижением порогового тока in npи возрастании крутизны переднего фронта одиночных достаточно длительных импульсов. Исследование аккомодации производится с помощью треугольных и трапецеидальных импульсов с регулируемой крутизной переднего фронта.
В лечебной практике используются четыре основные формы импульсных токов.
1. Ток с импульсами прямоугольной формы (ток Ледюка). Длительность импульсов может колебаться от 0,1 до 4,0 м/с, а частота от 1 до 160 Гц. Применяют в методиках электросна, электроанальгезии и электростимуляции (в т.ч. и транскраниальной).
2. Ток с импульсами остроконечной (треугольной) формы. Раньше был известен под названием фарадического, а теперь, используемый при частоте 100 Гц и с длительностью импульсов 1-1,5 м/с, называют тетанизирующим. Применяют в электродиагностике и электростимуляции.
3. Ток с импульсами экспоненциальной формы (ток Лапика). Характеризуется пологим подъемом и спуском, имеет частоту от 8 до 80 Гц, длительность импульса – от 1,6 до 60 м/с. Используется в электродиагностике и электростимуляции.
4. Ток с импульсами синусоидальной или полусинусоидальной формы..