ЛЕКЦИЯ 9 ОСНОВЫ МЕДИЦИНСКОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ НИЗКОЧАСТОТНАЯ

ЛЕКЦИЯ № 9 ОСНОВЫ МЕДИЦИНСКОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ НИЗКОЧАСТОТНАЯ И ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ ЭЛЕКТРОФИЗИОТЕРАПИЯ

ЭЛЕКТРОНИКА – область науки и техники, в которой рассматривают устройство, принцип действия и применение электровакуумных, полупроводниковых и других электронных устройств (приборов). МЕДИЦИНСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА - раздел общей электроники, в котором рассматривают особенности применения электронных систем для решения медикобиологических задач, а также устройство соответствующей аппаратуры. (основана не только на физике, математике и технических науках, но и на медицине, биологии, физиологии, биофизике и т. д. ) По назначению медицинские электронные приборы Диагностическая аппаратура Кибернетические Терапевтическая электронные аппаратура устройства

ДИАГНОСТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ АППАРАТУРА предназначена для: 1. получения информации о процессах, происходящих в организме (электрокардиографы, реографы и т. д. ); 2. о состоянии окружающей среды (санитарногигиеническое значение); 3. для некоторых видов лабораторных исследований Общая схема диагностической электронной системы Х Средства съёма МБИ (электрод, датчик) УСИЛИТЕЛЬ Передатчик Приёмник Канал связи Выходной У измерительный (регистрирующий) прибор Х- некоторый измеряемый параметр биологической системы (потенциал, температура и т. д. ) Он имеет необязательно электрическую природу. У- выходная электрическая величина (например, сила тока) или смещение писчика (мм) на бумаге, пропорциональное силе тока. У = f (X)

СРЕДСТВА СЪЁМА МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ (МБИ): 1. Электроды применяют в том случае, если измеряемый параметр имеет электрическую природу (например, измерение МП с помощью микроэлектродов, регистрация разности потенциалов в ЭКГ и т. д. ) Электроды – это проводники специальной формы, соединяющие организм с измерительной системой. Требования к электродам – должны быстро фиксироваться и сниматься, иметь высокую стабильность электрических параметров, быть прочными, не создавать помех, не раздражать биологические ткани и т. д. Для уменьшения электросопротивления контакта кожа-электрод применяют смоченные салфетки или электродную пасту. Специфические проблемы использования электродов: возникновение гальванической ЭДС при контакте с биологической тканью и электролитической поляризации электродов вследствие прохождения в нём электрического тока. Их решают путём изготовления электродов из неполяризуемых материалов.

Средства съёма МБИ: 2. Датчики применяют в том случае, если измеряемый параметр не имеет электрической природы (например, измерение температуры, давления, движения и т. д. ) Датчик – это устройство, которое преобразует измеряемую (или контролируемую) величину неэлектрической природы в электрический сигнал, удобный для регистрации, измерения и последующего хранения. 2 вида Генераторный датчик (активный) под действием измеряемой величины генерирует электрический ток -Пьезоэлектрический (УЗИ) -Термоэлектрический (возникновение ЭДС в цепи из двух разнородных проводников, имеющих различную температуру спаев) -Индукционный (электромагнитная индукция) -Фотоэлектрические (фотоэффект) Параметрический датчик (пассивный) представляет собой электрическую цепь, в которой под действием измеряемой величины меняется какойлибо параметр - Ёмкостные (меняется ёмкость) -Резистивные (омическое сопротив. ) -Индуктивные (индуктивное сопр. )

Основные характеристики датчиков: 1. Функция преобразования – функциональная зависимость выходной величины от входной у = f (x). 2. Чувствительность показывает, в какой мере выходная величина реагирует на изменение входной: Основные проблемы (погрешности) использования датчиков: 1. Зависимость функции преобразования от температуры. 2. Гистерезис – запаздывание изменения выходной величины от изменения входной 3. Непостоянство функции преобразования во времени 4. Обратное воздействие датчика на биологическую систему , в результате которого меняются показания и т. д. Датчики – технические аналоги рецепторов организма. Иногда от датчиков информация передаётся непосредственно к регистрирующему устройству а) по проводам (телеметрия) или б) с помощью радиоволн (радиотелеметрия). Эндорадиозондирование пищеварительного тракта.

УСИЛИТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ (электронные усилители) - приборы, которые увеличивают по амплитуде электрические сигналы за счёт внешнего источника энергии. Основная характеристика – коэффициент усиления – отношение приращения напряжения (силы тока, мощности) на выходе усилителя к приращению напряжения (силы тока, мощности) на входе: Имеет 1. вход, 2. выход, 3. источник питания. Если соединены несколько усилителей, то каждый из них называется усилительным каскадом. Увеличение многокаскадного усилителя: безразмерный децибел Усилители обязательно применяют для регистрации биопотенциалов!

Существенное требование к усилителям – воспроизведение усиливаемого сигнала без искажения его формы. Необходимо знать, что у каждого усилителя есть: Амплитудная характеристика – Частотная характеристика – зависимость амплитуды выходного зависимость коэффициента сигнала от амплитуды входного усиления от частоты входного сигнала. k=c ons t k=const Область амплитуд входных сигналов, которые подвергаются нелинейным искажениям Для усилителя постоянного тока Области частот входных сигналов, которые повергаются линейным искажениям k=const Для усилителя переменного тока

ТЕРАПЕВТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ АППАРАТУРА - все виды электронных приборов, которые предназначены для дозированного воздействия на организм различными физическими факторами для лечения заболеваний. Среди терапевтических электронных приборов выделяют: 1. Аппараты для электростимуляции и электрохирургии 2. Аппараты для проведения электрофизиотерапии С физической точки зрения все эти приборы являются генераторами электрических колебаний. Генераторы - это устройства, которые позволяют получать электромагнитные колебания различной формы и частоты за счёт энергии внешнего источника. Генераторы (по форме Генераторы получаемых релаксационных электромагнитных синусоидальных колебаний ) (импульсных) колебаний

Генератор синусоидальных колебаний содержит в своей основе колебательный контур – параллельно соединённые конденсатор (ёмкостью С) и катушку индуктивности (индуктивностью L). При подключении к источнику питания (ЭДС) в нём возникают электромагнитные колебания. формула Томпсона Один и тот же генератор может производить ЭМК различной частоты (чаще за счёт переменной ёмкости). (пример, генератор электрических колебаний в аудиометре). Генераторы релаксационных колебаний: 1. мульвибратор и блокинг- генератор (с их помощью получают прямоугольные импульсы). 2. генератор на неоновой лампе ( пилообразные импульсы).

Схема генератора на неоновой лампе 1. При подключении к источнику питания в цепи растёт напряжение за счёт ёмкости конденсатора (участок ОА). 2 Когда напряжение достигнет достаточного значения для зажигания лампы, через неё начинает разряжаться ёмкость конденсатора: падает напряжение в цепи до значения, при котором лампа гаснет (АВ) и т. д. Такие импульсы подаются от генератора развёртки на электронно–лучевую трубку осциллографа – прибора для записи электрических импульсов (обеспечивает движение светящегося луча по экрану – «отсчёт» времени).

Осциллограф – прибор для изучения электрических импульсов (технических и генерируемых в организме человека). Содержит: 1. Вход, на который подаётся сигнал (импульс) от 1. Катод подогревается переменным током внешнего устройства. 2. Усилитель 3. Генератор развёртки (генератор внешней сети и испускает электроны (термоэлектронная эмиссия). пилообразных импульсов) 4. Электронно-лучевую трубку 2. Электроны движутся к анодам (фокусирующему и ускоряющему). 3. Электроны пролетают между вертикальными отклоняющими пластинами (к ним подаётся разность напряжение от входа) и горизонтальными отклоняющими пластинами (к ним подаётся напряжение от 2 1 1. Генератор развёртки (напряжение между генератора развёртки). пластинами Х). 2. 4. Электроны попадают на экран, покрытый Генератор развёртки + внешний сигнал люминофором, и визуализируются. (напряжение между пластинами Х и У).

ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА состоит в возбуждении нервной и мышечной тканей, для которых электрический ток – адекватный (естественный) раздражитель. 1. Для постоянного тока малой силы биологические ткани малочувствительны ( в возбудимых тканях происходит «аккомодация» - привыкание). 2. Для переменного тока и, особенно, импульсного – высокая чувствительность. Чаще применяют синусоидальные ( их действие зависит от частоты) и прямоугольные импульсы (из-за быстрого нарастания силы тока). 3. Закон полярности раздражения: Imin возбуждение наступает под катодом, м. А обладающим деполяризующим воздействием на мембрану. 4. Чтобы возник распространяющийся ПД необходимо, что сила тока достигала пороговой величины. Пороговая сила тока – минимальная сила тока, способная вызывать ПД (возбуждение). I 2 t 1 t 2 t, мс 5. Закон Вейса-Лапика связывает пороговую силу тока с длительностью импульса обратной зависимостью.

1. Для импульса относительно большой длительности (t 2) пороговая сила тока невелика. Такие импульсы применяют при стимуляции. Imin м. А t 1 t 2 t, мс 2. Для коротких импульсов (t 1) пороговая сила тока недостижима, так через мембрану не успевает пройти ток, способный вызвать критический уровень деполяризации для возникновения ПД (перпендикуляр не пересекает график). Такие импульсы применяют в высокочастотной электрофизиотерапии и электрохирургии (частота является обратной величиной периоду). 3. Импульсы промежуточной длительности применяют в низкочастотной электрофизиотерапии. Они вызывают стимуляцию нервных окончаний в коже, которые в связи с поверхностным расположением (относительно нервов и мышц) обладают меньшими порогами для возбуждения.

ПРИМЕНЕНИЕ СТИМУЛЯТОРОВ В МЕДИЦИНЕ Электростимуляция - применение электрического тока с целью возбуждения деятельности (или её усиления) определённых органо и их систем. Стимуляторы – приборы, применяемые для электростимуляции. Наиболее широкое применение получили: 1. электростимуляция сердца, что составляет особый раздел медицины 2. электростимуляция двигательных нервов и мышц.

КАРДИОСТИМУЛЯТОРЫ применяют для стимуляции сердечных сокращений при нарушениях ритма сердца, вплоть до случаев, когда естественные водители ритма в сердце не осуществляют своих функций. Существуют кардиостимуляторы для: 1. Кратковременного использования. Представляют собой генераторы прямоугольных импульсов, частоту и амплитуду которых можно регулировать. На непродолжительное время стимулирующий электрод вводится в сердце через кровеносные сосуды, а стимулятор остается снаружи. 2. Длительного использования. В тело пациента вживляют хирургическим путем миниатюрный кардиостимулятор. Стимулятор имеет автономный источник питания, рассчитанный на срок в несколько лет, который обеспечивает энергией электронные схемы прибора. Кардиостимуляторы бывают: 1. асинхронного типа ( обеспечивает возбуждение и сокращение сердца постоянной частотой, не синхронно с потребностями сердца и организма) 2. синхронного типа (возбуждение сердца синхронизировано с нарушениями в нём ритма и потребностями организма)

СИНХРОННЫЕ КАРДИОСТИМУЛЯТОРЫ 1. Ждущий кардиостимулятор – регистрирует комплекс зубцов QRS электрокардиограммы пациента. Если сердце возбуждается с нормальной частотой, кардиостимулятор остается в ждущем режиме и не генерирует электрических импульсов. Кардиостимулятор начинает генерировать импульсы лишь в том случае, если частота возбуждений (сокращений) сердца становится ниже определенного критического уровня. 2. Предсердно-синхронный кардиостимулятор – сконструирован для замены заблокированной проводящей системы сердца. Электрический сигнал, соответствующий возбуждению предсердий, регистрируется с помощью электрода, вживленного в предсердие. Он используется для запуска кардиостимулятора, который после необходимой задержки (она существует в здоровом сердце) подает электрический импульс на желудочки. Имплантируемые Кардиостимулятор записывает данные о кардиостимуляторы с функцией работе сердца, которые врач частотной адаптации. Сенсор либо анализирует с помощью программатора. акселерометр, либо химический) Позволяет анализировать нарушения реагирует на нагрузку и в ритма сердца и назначать соответствие с этим стимулятор медикаментозное лечение + меняет частоту. оптимальные параметры стимуляции.

ПРОЦЕДУРА ДЕФИБРИЛЛЯЦИИ Электрическая дефибрилляция осуществляется с помощью одиночного импульса тока треугольной формы достаточной силы и продолжительности, генерируемого в специальном симулятором - дефибриллятором. Он содержит: 1. конденсатор; 2. аккумулятор для зарядки конденсатора; 3. электроды, через которые осуществляют стимуляцию.

ЭЛЕКТРОФИЗИОТЕРАПИЯ – применение электрических токов и электромагнитных волн с лечебной целью. Применение переменных электрических токов и электромагнитных волн оказывает сходный эффект на биологические ткани организма (согласно электродинамике их происхождение связано друг с другом). 1. Причиной переменного электрического тока служит переменное электрическое поле, и наоборот, вокруг проводников с переменным током существует переменное электрическое и магнитные поля. 2. Фарадей открыл явление электромагнитной индукции, которое заключается в том, что переменное магнитное поле порождает в проводнике с током ЭДС, которая равна скорости изменения магнитного потока. 3. Изменение магнитного потока всегда происходит вокруг проводника с переменным электрическим током, что приводит к возникновению ЭДС либо в самом проводнике (самоиндукция), либо в соседнем проводнике (взаимная индукция).

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ВОЛНА (ЭМВ) – распространение единого переменного электромагнитного поля в пространстве, при котором колебания векторов напряжённости электрического и магнитного полей осуществляются во взаимоперпендикулярных плоскостях, перпендикулярных плоскости, в которой лежит вектор скорости волны. ЭМВ описывает теория Максвелла: 1. Эффекты электрических токов , электрического и магнитного полей подобны: инициируют движения заряженных частиц – токи проводимости, токи смещения и вихревые токи. 2. Эффекты зависят от силы воздействия и частоты. 3. Основная разница применения токов и полей - в контактном и бесконтактном воздействии соответственно.

ПРИРОДНАЯ ШКАЛА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН Длина волны Частота волны МЕДИЦИНСКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ЭМВ (касается радиодиапазона) 1. НИЗКОЧАСТОТНЫЕ ВОЛНЫ (условная граница - ниже 20 000 Гц). 2. ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ВОЛНЫ ( свыше 20 000 Гц).

НИЗКОЧАСТОТНАЯ ЭЛЕКТРОФИЗИОТЕРАПИЯ 1. Диадинамотерапия - метод электролечения, в котором используют воздействие на участки тела больного низкочастотными монополярными импульсными токами полусинусоидальной формы с экспоненциальным задним фронтом частотой 50 и 100 Гц (токи Бернара). Механизм физиологического воздействия Однополупериодный ток • • Двухполупериодный ток • 1. Диадинамические токи обладают выраженным обезболивающим эффектом: А. за счёт ритмического раздражения увеличивается порог активации болевых окончаний в ткани Б. раздражение большого количества рецепторов ведёт к образованию ритмически упорядоченного потока нервных импульсов, приводящего к формированию доминантного очага возбуждения в коре головного мозга. Этот очаг возбуждения подавляет болевую доминанту. 2. Местно – улучшается кровоснабжение, что приводит к улучшению трофики (питания) тканей, поступлению в них кислорода и активации метаболизма, улучшению обменных процессов.

НИЗКОЧАСТОТНАЯ ЭЛЕКТРОФИЗИОТЕРАПИЯ 2. Амплипульстерапия - метод электролечения, в основе которого лежит воздействие на участки тела больного синусоидальными токами частотой 5000 Гц (несущая частота), модулированными по амплитуде электрическими токами частотой 10 -150 Гц. НК — немодулированные колебания с частотой 5 к. Гц; 1 — модулированные колебания неполной (а), полной (б) и превышающей 100% (в) глубиной модуляции; 2 — модулированный ток, прерываемый паузами; 3 — чередование модулированного и немодулированного тока; 4 — чередование токов с разной частотой модуляции.

АМПЛИПУЛЬСТЕРАПИЯ Несущая частота (5000 Гц) – обеспечивает глубокое проникновение импульсов (уменьшается ёмкость кожи). Модулирующая частота (10 -150 Гц) – обеспечивает стимулирующее действие тока на мышцы, нервы. Эффект тем больше, чем больше глубина модуляции – отношение минимальной и максимальной амплитуд импульсов. Цель применения: как и у диадинамотерапии - обезболивание, но при амплипульсотерапии осуществляется более глубокое воздействие в диапазоне частот естественных биопотенциалов мышц и нервов. При этом пациент ощущает вибрацию – следствие упорядоченного поступления в мозг информации от рецепторов мышц (проприорецепторов), кожи (экстерорецепторов) и внутренних органов (интерорецепторов). Другие методы: интерференцтерапия (переменные токи от 3000 до 5000 Гц, путём наложения двух токов получается ритмическое воздействие определённой частоты), флюктуоризация (синусоидальные токи с беспорядочно меняющейся во времени амплитудой и частотой в пределах 100 -2000 -3000 Гц).

НИЗКОЧАСТОТНАЯ ЭЛЕКТРОФИЗИОТЕРАПИЯ 3. Электросон (трансцеребральная импульсная электротерапия)- глазничной методике, ектроды размещают на азницы (раздвоенный катод) и ушные пространства в области сцевидных отростков аздвоенный анод). воздействие импульсными токами мало частоты и силы с целью нормализации функционального состояния центральн нервной системы. Применяют прямоугольные импульсы (токи Ледюка -Седативный (успокоительный) эфф (5 -20 Гц) -Обезболивающий эффект (10 и 80 -1 Гц) и этом ток распространяется через -Гемодинамический эффект суды и ликворные пространства на -Снижение АД дкорково-стволовые центры – тикулярную формацию ствола мозга, -Гормональные и иммунные эффект ламус, гипоталамо-гипофизарную и

ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ ЭЛЕКТРОФИЗИОТЕРАПИЯ 1. Согласно закону Вейса-Лапика, при малой длительности импульсов пороговая сила тока не достигается. 2. Чем больше частота электромагнитного воздействия, тем меньше длительность импульсов. Следовательно, высокочастотные воздействия не вызывают возбуждения нервов и мышц даже при больших силах тока. Энергия высокочастотного электромагнитного воздействия будет рассеиваться в тканях в форме теплоты. Методы высокочастотной электрофизиотерапии: Диатермия - лечение электрическим током высокой частоты осуществляется контактно) Индуктотермия – лечение переменным магнитным полем высокой частоты УВЧ-терапия –лечение электрическим полем высокой частоты СВЧ-терапия – лечение ЭМВ сантиметрового диапазона Прогревание тканей!!! + рефлекторны реакции с нагретого

ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ ЭЛЕКТРОФИЗИОТЕРАПИЯ Дарсонвализация - применение с лечебной лью импульсного переменного тока высокой стоты (110 к. Гц), высокого напряжения (20 к. В) и большой силы (0, 02 м. А). Воздействие через еклянные вакуумные электроды (при местной рсонвализации) или в специальной камере-соленоиде ри общей дарсонвализации). еханизм действия: при общей – возникновение лебательных микротоков, вызывающих активацию менных процессов; при местной контактной – то же, при сконтактной - между электродом и кожей возникает кровой разряд, оказывающий дезинфицирующее и ижигающее действие. Эффект: местное понижение кожной чувствительности; улучшение крово- и лимфообращения, питания тканей, увеличение оттока из продуктов обмена веществ; дезинфицирующее и прижигающее действи педиатрической практике – аналогичная методика – применение еременных (неимпульсных) токов надтональной частоты (22 к. Гц), меньш

ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ ЭЛЕКТРОФИЗИОТЕРАПИЯ 2. Диатермия – применение электрического тока частотой 1 -2 МГц и силой 1 -1, 5 А для глубоко прогревания тканей. Прогреваются сильнее менее электропроводные ткани Диатермия имеет значение как метод электрохирургии. Электрический скальпель создаёт в зоне воздействия высокую температуру), что способствует разрушению тканей и коагуляции сосудов. В результате операция проходит: 1. менее травматично, 2. с меньшими потерями крови, 3. полностью стерильно. 4. в случае опухоли – без метастазирования. 3. Индуктотермия– применение высокочастотного магнитного поля для глубокого прогревания тканей бесконтактным способом. Действие энергии этого поля вызывает появление наведённых (индуктивных) вихревых токов, механи- ческая энергия которых переходит в теплоту. прогреваются сильнее более электропроводные ткани индуктор

ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ ЭЛЕКТРОФИЗИОТЕРАПИЯ 4. Ультравысокочастотная (УВЧ) терапия – применение с лечебной и профилактической целью воздействий на определённые участки тела непрерывным или импульсным электрическим пол ультравысокой частоты ( УВЧ). В нашей стране для этих целей используется частота 40, 68 МГц, вновь разрабатываемые аппараты работают на частоте 27, 12 МГц, которая используется и в других странах Подвергаемый воздействию объект помещают между пластинами конденсатора без непосредственного контакта с ними. Объект поглощает энергию электрического поля. Распределение энергии зависит от удельной электропроводности и диэлектрической постоянной различных тканей объекта и его расположения по отношению к силовым линиям электрического поля. При воздействии УВЧ электрическая энергия поглощается не только тканями с малым сопротивлением (лимфа, кровь, паренхиматозные органы и т. п. ), но и тканями,

диполи Хаотическое расположение диполей и ионов в отсутствии поля + ионы Переориентация диполей и перемещение ионов при наложении поля 1. Под действием электрического поля в тканях возникают два в токов – токи проводимо и токи смещения. 2. Токи проводимости являются результатом движения свободных зарядов (ионов). Токи проводимости преобладают при низки частотах. 3. При частотах более 5 к. Гц перемещение ионов один полупериод становится соизмеримы с хаотическим тепловы движением. При более высоких частотах преобладают токи смещения, которые в тканях иологических объектов связаны с поляризацией молекул и их переориентацией езультатом трения, возникающего при вращении дипольных молекул в вязкой реде является эндогенное образование тепла. При воздействии УВЧ возможно получить термоселективный эффект, т. к. азные ткани в зависимости от их электрических параметров могут нагреваться в

ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ ЭЛЕКТРОФИЗИОТЕРАПИЯ 5. Сверхвысокочастотная (СВЧ) терапия - применение воздействий электромагнитными колебаниями сверхвысокой частоты. дециметровая терапия сантиметровая терапия (460 МГц, 65 см) (2375 МГц, 12, 5 см) проникает на глубину 9 - 11 см проникает на глубину 3 - 5 см сточник таких волн магнетрон – одновременно выполняет функции лам колебательного контура. От него – через специальный кабель к злучателю, который выполнен так, чтобы меньше энергии отражалось. Близки по свойствам к видимому свету. Поэтому не только прогревает ткани, вызывая колебательные движения частиц (тепловое действие), но и поглощается связанными диполями воды, боковыми группами аминокислот и гликопротеинами мембран, вызывая в них конформационны перестройки (осцилляторный эффект), т. е. изменяются свойства биологически важны молекул. ВЧ-терапия - воздействие электромагнитными волнами миллиметрового диапазона край ысокой частоты (30 – 300 ГГц), низкой интенсивности 10 м. Вт/см 2. оглощается на глубине 1 мм, не оказывает теплового действия. В основном, используется

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!!!