Fale sprężyste w medycynie

Z szerokiego widma fal sprężystych wykorzystuję się fale ultradźwiękowe

- im fala jest krótsza (tym częstotliwość f większa) tym bardziej niszczy ona tkanki

• Np. fale elektromagnetyczne (X)

Fale ultradźwiękowe są to fale mechaniczne o częstotliwości większej niż 20 kHz rozchodzące się w ośrodku stałym, ciekłym, gazowym.

• W diagnostyce medycznej wykorzystuję się fale ultradźwiękowe o f = od 2 Mhz do 15 Mhz

Wyróżniamy fale :

- poprzeczne - drgania odbywają się prostopadle do kierunku rozchodzenia się fali

- podłużne - drgania odbywają się równolegle do kierunku rozchodzenia się fali

Do badan diagnostycznych falami ultradźwiękowymi wykorzystuje się :

- na tkankach miękkich - fale podłużne (rzadko poprzeczne)

- na tkankach kostnych - fale poprzeczne, podłużne, powierzchniowe

Wielkości opisujące stan zaburzenie ośrodka sprężystego :

1. ciśnienie akustyczne

2. temperatura

3. natężenie

4. prędkość drgania cząsteczek

Prędkość fali ultradźwiękowej :

E - moduł ściśliwości

Q - gęstość

Ponieważ Q i E zależą od temperatury to C także zależy od temperatury

Przykładowe prędkości fali ultradźwiękowej w danych tkankach :

Mięśnie Kość Tłuszcz Wątroba

- wzdłuż włókna - 1592 m/s 2500 - 4700 m/s 1450 m/s 1550 m/s

- poprzecznie - 1610 m/s

Na prędkość (C) ma wpływ stan czynnościowy ( st. uwodnienia, ukrwienia, różnice w składzie biochemicznym)

Oporność akustyczna właściwa :

E - moduł ściśliwości

Q - gęstość

X - grubość warstwy ośrodka

Np. kośc czaski 4,8 ∙ 10^-6 kg ∙ m² ∙ s^-1

Fale ultradźwiękowe ulegają :

- absorpcji

- załamaniu

- rozproszeniu

- odbiciu

Absorpcja :

Przyczyną jest to, że ośrodek w którym rozchodzi się fala nie jest idealnie sprężysty, tak więc energia mechaniczna Em zamieniana jest w energie cieplną Ec (pod wpływem tarcia, zjawisk molekularnych .. )

Absorpcja wpływa na głębokość wnikania fali ultradźwiękowej do ośrodka !

Załamanie :

Jest to zmiana kierunku rozchodzenia się fali, związana ze zmianą jej prędkości . Inna prędkość powoduję zmianę długości fali λ, a częstotliwość f pozostaje stała.

Rozproszenie :

Przemiana fali w zbiór fal rozchodzących się w różnych kierunkach.

Absorpcja, odbiciem, załamanie, ugięcie - odpowiadają za tłumienie fali

Współczynnik tłumienia = współ. absorpcji αa + współ. rozproszenia αr

α₁ - współ. absorpcji dla f odniesieniem f_i = 1Mhz

n- wykładnik potęgi (zazwyczaj nieco mniejszy niż 1)

Przykładowe współczynniki tłumienia :

krew - 1,2 kość czaski - 2 woda - 2 powietrze - 2

TKANKI MIĘKKIE - fale podłużne

TKANKI KOSTNE - fale podłużne, poprzeczne, powierzchniowe

Przykład zwiększenia współczynnika

tłumienia w przypadku wykorzystania

nie tej fali w celach diagnostycznych.

Odbicie :

Zmiana kierunku rozchodzenia się fali na granicy dwóch ośrodków powodująca, że pozostaje ona w ośrodku, w którym się rozchodzi. Wartości f i λ pozostają bez zmian.

Wszystkie te zjawiska ( absorpcja, załamanie, rozproszenie, odbicie) odpowiadają za tłumienie fali w ośrodku !

Jeśli chcemy przepuścić fale poprzeczne przez tkanki miękkie to rośnie współ. absorpcji !

Amplituda ciśnienia akustycznego maleje wykładniczo wraz z głębokością warstwy ośrodka

p = p₀ e^-αx

p₀ - max ciśnienie akustyczne

α - współ. tłumienia

e - podstawa log naturalnego

x - grubość warstwy ośrodka

Natężenie fali zależy od kwadratu ciśnienia akustycznego

I = I₀ e ^{-μ x}

μ = 2α - natężeniowy współ. tłumienia

I₀ - max natężenie

Efekt Dopplera :

Polega na zmianie częstotliwości f fali, gdy źródło fali znajduje się w ruchu względem obserwatora (lub na odwrót = jeżeli obserwator znajduje się w ruchu względem źródła ruchu)

- jeżeli wiązka ultradźwiękowa jest odbita od ruchomego obiektu ( np. krwinka) to ten obiekt można traktować jako ruchome źródło. Rejestruje się wtedy fale o zmienionej f₀ względem fn.

f₀ = f_n (1 + V/C) - gdy źródło się zbliża

f₀ = f_n (1 - V/C) - gdy źródło się oddala

V- prędkość ruchu źródła (np. krwinki)

C- prędkość fali ultradźwiękowej

Piezoelektryka

Zjawisko odwrotne piezoelektryczne :

- zjawisko fizyczne polegające na mechanicznej deformacji kryształu pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego (zjawisko piezoelektryczne odwrotne)

W medycynie wykorzystywane jest to jako metoda diagnostyczna pozwalająca w sposób nieinwazyjny uzyskać informacje o strukturach biologicznych oraz fizjologicznych i patologicznych przyczynach zjawisk występujących w organizmach żywych.

Schemat głowicy USG

Pole bliskie

- kształt cylindryczny

- bardzo niejednorodne *

- natężenie I

- maksymalne na osi

- minimalne na brzegach

L - odległość od pola bliskiego

R - promień

λ - długość fali emitowanej

* niejednorodność pól bliskich powoduje niedokładność odwzorowania badanej struktury dlatego używa się wiązek zogniskowanych

Pole dalekie

- kształt stożka

λ - długość fali emitowanej

R - promień

Amplituda ciśnienia jako funkcja odległości wzdłuż osi wiązki w środowisku o małym wsp. tłumienia

Efekty biologiczne oddziaływań ultradźwiękowych

- zależą przede wszystkim od czasu trwania ekspozycji i od wartości natężenia I fali ultradźwiękowej

Podział ultradźwięków ze względu na ich zastosowanie w medycynie i biologii :

- I małe - od 0.1 mW/cm² do 1W/cm² - powoduje przyspieszenie procesów wymiany, niewielkie nagrzanie i mikromasaż

Zastosowanie : USG i terapie ultradźwiękowe

- I średnie - do 10W/cm² - odwracalne procesy ucisku, szczególnie tkanki nerwowej, czas powrotu do normalności zależy od czasu eksploatacji i natężenia I

- I duże - do 100W/cm² - procesy nieodwracalne, zniszczenie całkowite tkanki

Zastosowanie : cele doświadczalne i lecznicze - chirurgia ultradźwiękowa

Np. okulistyka - usuwanie zaćmy za pomocą ultradźwięków

Efekty biologiczne oddziaływań ultradźwiękami następuje po etapie zmian właściwości fizykochemicznych w ośrodku (np. poprzez ciepło wygenerowane przez fale)

Może dojść do następujących procesów fizykochemicznych :

- depolimeryzacji dużych molekuł ( polisacharydów, poliglikoli, białek, DNA)

- wzrostu przewodnictwa elektrycznego

- katalizowanie reakcji chemicznych

- zwiększenie pęcznienia

- wzrostu dyfuzji (wzrost przepuszczalności błon komórkowych)

- zwiększania ph ( przesunięcie w stronę zasadową)

Np. częstotliwość z zakresu 1-4 Mhz może prowadzić do zaburzeń wzrostu populacji komórek a przy większym I nawet do śmierci i cytolizy

Problemy bezpieczeństwa USG

Można określić niektóre parametry w celu ustalenia minimalnego poziomu natężenia powyżej którego należy liczyć się z możliwością wystąpienia efektów szkodliwych

SSPA - natężenie uśrednione względem czasu trwania impulsu

SPTA - dawka maź pochłonięta w czasie najdłuższej ekspozycji

SATA I_t - dawka przeciętna pochłonięta w czasie normalnego badania

I_m - max natężenie impulsu

P_m - max ciśnienie akustyczne w impulsie

Rodzaje przedstawienia obrazu :

1)metody echograficzne - wykorzystują informacje zakodowane w amplitudzie, fazie I i czasu powrotu fali odbitej

- statyczna wizualizacja - polega na ręcznym prowadzeniu głowicy, która przeszukuje ciało pacjenta, echo po przekształceniu na sygnał elektryczny tworzy jasne kontury granic tkanek

- prezentacja czasu rzeczywistego - obraz jest dynamiczny, dzięki temu, że wiązka przeszukuje ciało pacjenta z regulowana prędkością. W prezentacji tej możliwa jest obserwacja ruchów badanych struktur w różnych przekrojach

2)metody dopplerowskie

- informacja przekazywana jest w postaci zmiany częstotliwości

Zjawisko rezonansu magnetycznego (NMR) i momentu magnetycznego

Moment magnetyczny

- cząstki materii posiadają moment magnetyczny

Kołowy przewodnik z prądem umieszczony w jednorodnym polu magnetycznym stanowi dipol.

Moment magnetyczny prądu elektrycznego

I - natężenie

S - pole powierzchni

Orbitalny moment magnetyczny elektronu

e - ładunek

v - prędkość elektronu po orbicie

r - promień orbity

Orbitalny moment pędu

L - orbitalny moment pędu

Spinowy moment magnetyczny elektronu

_s - spinowy stosunek geometryczny

L_s - spinowy moment pędu

Za rezonansowe pochłanianie energii odpowiedzialne są cząstki materii posiadające moment magnetyczny !

Zjawisko rezonansu magnetycznego

Aby zaszło zjawisko rezonansu magnetycznego potrzeba :

- materii z momentem magnetycznym

- zewnętrznego pola magnetycznego

- fali elektromagnetycznej, której fotony mają określona energię

Schemat blokowy aparatury do badania rezonansu magnetycznego

Przebieg zjawiska rezonansu magnetycznego :

- następuje absorpcja energii (fali elektromagnetycznej) poprzez próbkę,

∙ absorpcja fali może nastąpić tylko wtedy gdy jej składowa magnetyczna (B) jest prostopadła do kierunku zew. pola magnetycznego

- energia ta zostaje zużyta na przeniesienie cząstki na wyższy poziom energetyczny

- rezonansowe pochłanianie energii fali elektromagnetycznej prowadzi do przechodzenia jąder na wyższy poziom energetyczny (tzw. zwiększa się w próbce liczba jąder o większej energii)

Po ustaniu absorpcji

- zbiór jąder wraca do stanu równowagi, tzn. jądra pozbywają się nadmiaru energii przechodząc na niższy poziom energetyczny (proces relaksacji)

T₁ - relaksacja podłużna - jądro przekazuje nadmiar energii atomom lub cząsteczkom ośrodka

T2 - jądra o większej energii przekazują część swojej energii jądrom sąsiednim posiadającym energie mniejszą

W badaniach biometrycznych wykorzystuje się rezonans magnetyczny jąder ¹H, ¹⁹C, ³¹ P

1) Analiza widma NMR ³¹P - spektroskopia NMR

- analiza procesów metabolicznych w tkankach

- odczytuje się T₁ i T₂ oraz zależności pomiędzy nimi (informacje diagnostyczne)

T₁ tkanki nowotworowej > T₁ tkanki zdrowej

T₁ nowotwora złośliwego nie jest taki sam jak T₁ nowotwora niezłośliwego

2) NMR - Obrazowanie przekroju ciała

Rezonansowa absorpcja fal radiowych przez jądra wodoru ¹H

Pole magnetyczne wpływa na :

- struktury ciekło-krystaliczne w błonach komórkowych

- prądy przewodzone w układzie nerwowym

- szybkość reakcji enzymatycznych

Tomograf komputerowy (TK)

-fale bardzo krótkie (przenikliwe) np. rentgenowskie

Pozytonowy tomograf emisyjny (PET)

Pozwala wniknąć w strukturę komórkową, ustalić gdzie są ogniska nowotworowe, ustalić czy są przerzuty, które nie są widoczne w NMR czy TK, oraz zwiększyć precyzję ogniskowania promieniowania w radioterapii.

Zasada działania PET:

- promieniowanie przenika przez ciało ludzkie, jest rejestrowane przez detektory. Zmiany w promieniowaniu są analizowane co w rezultacie daje nam przekrój przez tkanki i narządy człowieka.

- PET rejestruje promieniowanie powstałe w czasie anihilacji, czyli unicestwianiu pozytonów (które są takie same jak elektrony tylko mają przeciwny ładunek) poprzez elektrony.

- W badaniu PET wykorzystuje się fakt iż określonym zmianom chorobowym towarzyszy podwyższony metabolizm pewnych związków chemicznych np. cukrów. Ponieważ energia w organizmie uzyskiwana jest głównie poprzez spalanie cukrów, to w badaniach wykorzystuje się deoxyglukozę znakowaną izotopem ¹⁸F

Pole elektromagnetyczne

jako istotny składnik środowiska człowieka

- pole to znalazło zastosowanie w medycynie :

- cele diagnostyczne

- cele terapeutyczne

E - natężenie pola elektrycznego

B - indukcja magnetyczna

Charakterystyka fali elektromagnetycznej :

- fala ta jest przykładem fali poprzecznej

- pole magnetyczne tworzą sprzężone ze sobą zmienne pola elektryczne i magnetyczne

- drgania pól elektrycznych (tutaj E) oraz pól magnetycznych (tutaj B) są do siebie prostopadłe

- zmiana pola elektrycznego powoduje zmianę pola magnetycznego

- składowe pole elektryczne i magnetyczne to pole elektromagnetyczne

Pole elektromagnetyczne to przestrzeń, w której w każdym punkcie możemy określić wektory E i B a tym samym można określić jej wartość, kierunek, zwrot siły elektromagnetycznej działającej na znajdujące się w polu ładunki ( q )

Przykładem fali elektromagnetycznej jest światło

Wartość siły elektromagnetycznej F która działa na ładunek znajdujący się w polu

E - natężenie pola elektrycznego [V/m]

B - indukcja magnetyczna [T]

Pole elektromagnetyczne rozprzestrzenia się od źródła w postaci fali elektromagnetycznej.

Podział na jonizujące i niejonizujące zawiera wzór

Niejonizujące < 8∙10¹⁴ Hz < Jonizujące

8∙10¹⁴ Hz odpowiada fali o długości 10^-6 m

O podziale na jonizujące i niejonizujące decydują kryteria :

- różne sposoby generacji promieniowania

- różne sposoby oddziaływania z materią

- st. Energii wyrażona wzorem

Tp - temp. zbliżona do pokojowej

- wartość tego ilorazu dla danego promieniowania mówi nam na ile mocno promieniowanie to ingeruje w strukturę cząsteczki, destrukcyjnym działaniem na cząsteczki oznacza się promieniowanie dla którego iloraz jest bardzo duży (większy od 10⁴)

Prędkość rozprzestrzeniania się fali

C - prędkość światła

- względna przenikalność elektryczna

- względna przenikalność magnetyczna w którym rozchodzi się fala elektromagnetyczna

Wielkości charakteryzujące fale elektromagnetyczną :

f - częstotliwość

λ - długość fali

S - gęstość strumienia energii przenoszonej przez fale

E₀ - amplituda pola elektrycznego

H₀ - amplituda indukcji magnetycznej

S = W/m²

Źródła pól elektromagnetycznych

Pole elektryczne Ziemi

- wektor zwrócony w stronę Ziemi ( ziemia naładowana „-” a górne warstwy atmosfery „+”)

- natężenie zależy od szerokości geograficznej

- średnia wartość E=100V/m² maleje ekspotencjonalnie z wysokością

Pole magnetyczne Ziemi

- dwie składowe (pionowe i poziome)

- jest następstwem zjawisk zachodzących we wnętrzu Ziemi

Sztuczne źródła

- generatory drgań elektrycznych (w przemyśle, w medycynie, w siłach zbrojnych, oraz w badaniach naukowych

Pole magnetyczne i pole elektryczne w organizmie człowieka

- źródłem pola elektrycznego jest każda komórka (potencjał spoczynkowy komórek, potencjał czynnościowy komórek mięśni i nerwów)

- źródłem pól magnetycznych są bioprądy, które towarzyszą elektrycznej czynności serca, mózgu, włókien nerwowych, siatkówki oka

∙ są to bardzo słabe pola, wartość ich indukcji to 10^-9 do 10^-5 wartości indukcji pola magnetycznego Ziemi

Wpływ na organizm

Stałe pole magnetyczne

- Biologiczne efekty działania pola magnetycznego są następstwem

∙ elektrodynamicznego oddziaływania tego pola na strumienie jonów w organizmie

Oddziaływanie pola magnetycznego na cząsteczki z nieskompensowanymi spinami (oddziaływanie magnetomechaniczne)

Na poruszające się jony działa siła Lorenza F

Naczynie krwionośne traktujemy tutaj jako zbiór jonów. Umieszczone w stałym polu magnetycznym powstaję napięcie elektryczne.

Na dodatnią cząstkę umieszczoną w stałym polu magnetycznym (tutaj kierunek pola magnetycznego jest prostopadle do kartki) oraz poruszającą się do góry ( z prędkością V) działa siła Lorenza w lewo (gdyby to była cząstka ujemna to poruszałaby się w prawo)

Po „posegregowaniu” cząsteczek (na prawo bądź na lewo) powstaję napięcie elektryczne

Stan równowagi - wystąpi wtedy i tylko wtedy gdy siła działająca na jony ze strony pola elektrycznego zrównoważy siłę Lorenza.

- kąt zawarty pomiędzy V i B

V - prędkość krwi

d - średnica naczynia krwionośnego

U - napięcie wytworzone w naczyniu

Napięcie U zależy od

- średnicy naczynia krwionośnego (d)

- prędkości przepływu krwi (V)

- indukcji pola magnetycznego w którym dany przepływ odbywa się (B)

Przykładowe wielkości :

np. w polu magnetycznym o indukcji 2 T wytworzone napięcie pomiędzy ścianami naczynia krwionośnego (U) wynosiło :

- w aorcie człowieka 13.4mV

- w aorcie szczura 0.5mV

Wolnozmienne pole magnetyczne :

Zmienne w czasie pole magnetyczne indukują w obiekcie biologicznym pole elektryczne i prądy.

Próbka tkanki ( żyła o średnicy R) poddana działaniu strumienia pola magnetycznego o indukcji B (prostopadle do tkanki) indukuje w tkance pole elektryczne o natężeniu E.

Istnieje jeszcze pojęcie gęstości prądu indukowanego ( j )który płynie w tkance :

- przewodność właściwa tkanki

Gęstość prądu indukowanego mierzymy w A/m² ( A - amper)

Indukowane w organizmie człowieka przez zmienne pole magnetyczne prądy których

J= przekracza 1A/m² powodują :

- pobudzenie komórek nerwowych

- mogą wywołać migotanie komór serca i gwałtowne nieskoordynowane skurcze mięśnia sercowego

Pole magnetyczne indukujące prąd impulsowy o max J rzędu kilku do kilkunastu mA/m²

- wywołują zmiany w funkcjonowaniu komórek, tkanek, narządów (m.in. w metabolizmie węglowodanów, białek, oraz w przepuszczalności komórek)

- wywołują wrażenia świetle tzw. magnetofosfeny, elektrofosfeny przy f < 100Hz

max wrażenia przy 20 Hz ( B = 10mT) pulsujące pole magnetyczne (dla osób z normalnym postrzeganiem fal)

∙ nie jest wiadome czy zjawisko magnetofosfenu związane jest z działaniem pola magnetycznego na fotoreceptory czy na włókna nerwowe siatkówki

W materii umieszczonej w stałym polu elektrycznym zachodzą zjawiska polaryzacji elektrycznej

Polaryzacja indukowana - polega na :

1. 
   Przesunięciu chmur elektronowych w atomach względem jąder atomowych

2. Polaryzacja atomowa - przesunięcie atomów bądź jonów w cząsteczce

Skutkiem w/w przesunięć są deformacje atomów i cząstek

Polaryzacja orientacyjna

- ustawienie się molekuł o trwałym momencie dipolowym wzdłuż lini sił pola elektrycznego

Polaryzacja ładunku przestrzennego - polega na rozdzieleniu przez pole elektryczne swobodnych ładunków elektrycznych ( elektronów i jonów) znajdujących się wew. objętości której powierzchnia jest ograniczona (np. przez błonę komórkową w przypadku komórki) oraz uniemożliwia ruch nośników ładunków do elektrod

Polaryzacja międzywarstwowa - dla próbek o budowie warstwowej (rożnej przewodności właściwej tkanki γ ). Pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego na granicy warstw powstaje indukowane pole elektryczne.

γ ₁ γ₂

Efekty biologiczne wywołane przez pole elektromagnetyczne o f fal radiowych i mikrofalowych ( niejonizujące)

Szybkość pochłaniania energii promieniowania elektromagnetycznego

E - zaabsorbowane w czasie t promieniowanie elektromagnetyczne przez obiekt o masie m

Maksymalna absorpcja energii promieniowania elektromagnetycznego o f radiowych występuje gdy

- wektor ( pola elektromagnetycznego) padającego na organizm jest równoległy do osi ciała a długość fali elektromagnetycznej spełnia warunek

Efekty biologiczne w działaniu pół elektromagnetycznych o f fal radiowych :

- efekty termiczne (odwrotnie proporcjonalnie do masy )

- zmiany w transporcie jonów przez błonę erytrocytów

- hemolizę erytrocytów

- zmiany w właściwościach limfocytów

- zmiany w bioenergetyce komórek mózgu

- zmiany czasu trwania poszczególnych faz cyklu komórkowego

Działanie

- zmiany w systemie immunologicznym

- zmiany genetyczne

Naturalne źródła fal elektromagnetycznych :

- naturalne 10^-9 - 10^-8 W/m²

- liczne rejony (ekspozycja środowiskowa 10^-2 - 10^-1 W/m²

Grupy zawodowe narażone na ekspozycje fal elektromagnetycznych :

- przemysł energetyczny

- przemysł elektroniczny

- pracownicy stacji radiowych

FIZYKOTERAPIA

- dział medycyny wykorzystujący „medycynę fizykalną”

- wykorzystywana jako leczenie wspomagające metody farmakologiczne, chirurgiczne.

Wyróżniamy działy fizykoterapii :

- balneoterapia

- klimatoterapia

- aeroterapia

- kinezyterapia

- fototerapia

- ultrasonoterapia

- elektroterapia

Elektroterapia :

- prąd elektryczny

I - natężenie prądu [A - amper]

Q - ładunek [C - culomb]

t - czas

Prąd elektryczny płynie w :

- metalach - przepływ elektronów

- półprzewodnikach - przepływ elektronów i „dziur”

- gazach - przepływ jonów i elektronów

- elektrolitach - przepływ jonów

Prąd stały :

- stały kierunek

- stała wartość

Prąd pulsujący :

- stały kierunek

- zmienna wartość

Prąd zmienny :

- zmienny kierunek

- zmienna wartość

Prawo OHMA dla obwodu całkowitego :

R_c - opór całkowity

E - napięcie na biegunach ogniwa otwartego

I - natężenie prądu

R_z - opór zewnętrzny

R_w - opór wewnętrzny

Przyjmuje się, że Rz (opór źródła prądu) jest = 0, zatem wzór przyjmuje wartość

a U - napięcie użyteczne

więc lub

Opór :

- oporność właściwa

L - długość przewodnika

S - pole przekroju poprzecznego

Prawo Kirchoffa

1. Dotyczy węzłów sieci

I₁+I₂=I₃+I₄+I₅

Wpływ prądu na układ człowieka :

- ustrój człowieka to komórki, tkanki a także elektrolity o zróżnicowanym przewodnictwie elektrycznym

- tkanki żywe to zespół połączonych szeregowo i równolegle przewodników jonowych, połączeń i izolatorów

- jest to uproszczenie, gdyż nie uwzględnia się tutaj sterowania przez układ nerwowy podstawowej cechy tkanki, czyli zmienności wynikającej z reakcji na bodźce pochodzenia wew. i zew.

Tkanki i płyny ustrojowe różnią się przewodnictwem elektrycznym, które zależą od :

- stanu uwodnienia komórki

- stężenia elektrolitów

Największe przewodnictwo :

- płyn mózgowo - rdzeniowy

Mniejsze przewodnictwo :

- osocze krwi, krew

- mięśnie

- wątroba

- mózg

- tkanka łączna i kostna

W zabiegach należy pamiętać o dużym oporze skóry !!!

- pozostałe elementy mają znikomy opór

Przepływowi prądu stałego przez tkanki towarzyszą zjawiska

- elektrochemiczne

- elektrokinetyczne

- elektrotermiczne

- a także specyficzne reakcje tkanki nerwowej, mięśniowej oraz naczyń krwionośnych

Część z tych zjawisk wywołuje niekorzystne działanie na organizm powodując np. martwicę

Część jednak ma zastosowanie praktyczne w :

- elektroforezie

- elektroosmozie

- wpływa leczniczo poprzez rozszerzenie naczyń krwionośnych pod wpływem ciepła oraz drażnienia prowadzące do skurczu mięśni

Zjawiska elektrochemiczne :

- Elektroliza - zjawisko gdy prąd stały przepływa przez elektrolity tkankowe.

Doprowadzona z zew. energia elektryczna zostaje zużyta na przeprowadzenie przemian chemicznych związanych z przepływem ładunku elektrycznego przez roztwór elektrolitów.

W zabiegach elektrochemicznych reakcje wtórne (koagulacja) zachodzące w trakcie elektrolizy występują w obszarze oddziaływania elektrody ze skórą pacjenta.

Zjawiska elektrokinetyczne :

- zachodzą w roztworach koloidów tkankowych

roztwór koloidów - zawiesiny i emulsje składające się z drobnych ciał stałych, ciekłych bądź gazowych rozpuszczonych w ośrodku ciekłym

Wyróżnia się :

- faza roproszona

- faza rozpraszająca

Na powierzchni naładowanych cząstek fazy rozproszonej są absorbowane jony przeciwnego znaku, w ten sposób powstaje warstwa podwójna i na jej granicy ustala się potencjał elektrokinetyczny

Z istnieniem warstwy podwójnej i potencjału elektrokinetycznego związane są :

- elektroforeza

- elektroosmoza

Elektroforeza :

- polega na ruchu pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego naładowanych cząstek fazy rozproszonej względem nieruchomego ośrodka dyspersyjnego.

np. kliniczne badanie składu białkowego surowicy

Elektroosmoza :
- polega na ruchu pod wpływem pola elektrycznego fazy rozpraszającej układu koloidu w stosunku do fazy roproszonej.

np. transport wody przez błony komórkowe

Zjawiska elektrotermiczne :
- związane są z powstawaniem w tkankach ciepła pod wpływem przepływającego prądu elektrycznego

- ciepło to powstaje pod wpływem tarcia pomiędzy środowiskiem a poruszającymi się w polu elektrycznym jonami

Wzrost temperatury zachodzi również pod wpływem prądu stałego zgodnie z prawem Joula -Lenza :

I < 50 mA (ze względu na bezpieczeństwo pacjenta) ponieważ wtedy wydziela się mało ciepła Q

Wzrost temperatury jest rezultatem rozszerzenia naczyń krwionośnych spowodowanego bezpośrednim pobudzającym wpływem prądu elektrycznego na naczynia lub nerwy rozszerzające.

Reakcja na nerwy, mięśnie, naczynia krwionośne

Działanie drażniące - zmiany stężenia jonów zachodzące lokalnie w tkankach.

Polaryzacja komórki w polu elektrycznym :

- jony są wprawiane w ruch

- jony wewnątrzkomórkowe napotykają na przeszkodę (błona), więc ruch możliwy jest tylko w obrębie komórki - prowadzi to do polaryzacji komórki

- powstaje pole elektryczne wewnętrzne przeciwdziałające dalszemu ruchowi jonów.

Działania drażniące na komórkę :
- wynika z wrażliwości zakończeń nerwowych oraz mięśni na bodźce elektryczne pod wpływem prądu elektrycznego

Prąd elektryczny :

- zmienia pobudliwość mięśnia i poprawia stan jego odżywienia, jest to spowodowane :

- przemieszczanie się jonów

- zmianę polaryzacji błony

Pobudliwość :

- wzrasta pod katodą a maleje pod anodą

- przy długim przepływie następuje adaptacja tkanki na skutek procesów dyfuzyjnych,

które przywracają równowagę jonową w danym środowisku

Ważny jest czas działania prądu

- skurcz mięśnia może powstawać tylko w czasie włączania lub wyłączania prądu

Te zjawiska wykorzystuje się w zabiegach elektroleczniczych :

- galwanizacji

- kąpiel wodno-lecznicza

- jonoforeza

Galwanizacja - zastosowanie :

- w celu zmniejszenia pobudliwości nerwów w przypadku nerwobólu

- w chorobach zwyrodnieniowych kręgosłupa

- w leczeniu porażeń

- w leczeniu zaburzeń układu krążenia

Prąd doprowadza się do ciała pacjenta za pomocą elektrod :

- elektrody z foli cynowej

- elektrody dyszlowej

- elektroda wałeczkowa

- elektroda półmaska

Dla zmniejszenia oporu naskórka zakłada się tkaninę zwilżoną 0.5% NaCl !

Przepływ prądu zależy od :

- przewodnictwa elektrycznego tkanki

- różnego ułożenia elektrod (względem siebie)

Rozkład sił linii pola elektrycznego w zależności od rozmiarów i układu elektrod :

- w sąsiedztwie elektrody tzw. czynnej o mniejszej powierzchni zwiększa się zagęszczenie lin pola elektrycznego

- dla małych powierzchni (10-20cm2) -> I od 0.01mA/cm² do 1mA/cm²

- dla dużych powierzchni wartość I nie powinna przekraczać 25-30mA/ cm²

I max < 50 mA/cm²

Czas galwanizacji - 10 do 30 minut

Zmiany pojawiające się w tkance poddanej galwanizacji zależą od dostarczonej energii na którą ma wpływ :

- I prądu

- t jego działania

Jonoforeza :

- zabieg polegający na wprowadzaniu do ciała pacjenta, przy pomocy prądu stałego leczniczo działających jonów

W zależności od rodzajów jonów działają one:

- znieczulająco

- bakteriostatyczne

- przeciwzapalne

- uszczelniająco na naczynia krwionośne lub powodują ich zwężanie bądź

Rozszerzająco

Pod elektrodą + lub -

umieszcza się podkład higroskopijny nasycony roztworem związku chemicznego ulegającego dysocjacji na jony ( z których jeden ma być wprowadzony do tkanki)

Pod drugą elektrodą (zamykającą obwód) znajduje się podkład zwilżony 0.5% NaCl

- w zależności od tego, do jonoforezy stosuje się roztwory z dużą liczbą nośników prądu

- w zależności od tego, jaki ładunek posiadają jony, które mają być wprowadzone do ustroju podkład z roztworem związku chemicznego należy umieścić pod odpowiednią elektrodą

- istotne znaczenie w jonoforezie odgrywa ruchliwość jonów

- prąd od 0.001 mA - 0.1mA na 1cm²

Kąpiele wodno - lecznicze :

Stosuje się tak zwane odpowiednie kierunki prądów :

- wstępujący

kończyny górne (-)

kończyny dolne (+)

wpływa na dopływ krwi do płuc i kończyn górnych

- zstępujący

kończyny górne (+)

kończyny dolne (-)

obniża pobudliwość ośrodkowego układu nerwowego

Zabiegi z wykorzystaniem prądu zmiennego :

Zabiegi z wykorzystaniem prądu impulsowego :

- zabiegi elektrolecznicze, w których wykorzystuje się prąd impulsowy - elektrostymulacja (najczęściej do nerwów i mięśni)

Prąd impulsowy o małej f = 0.5 - 500 Hz o kształcie :

1. Prostokątów

2. Trójkątów

3. Trapezów

Asymetryczne prądy indukcyjne f = 50-100 Hz, źródło - induktor

1. faradyczny

2. trapezowy

Prądy diadynamiczne :

- 2 składowe

- prąd stały

- prąd zmienny jednopołówkowy o f = 50Hz lub 100Hz

Prąd w postaci impulsów prostokątów

- czas trwania - 2ms z przerwą między impulsami 5ms

- wywołuje skurcze mięśni szkieletowych, co powoduje zmniejszenie ich napięcie co

co skutkuje uśmierzeniem bólu

Stosuje się w przypadkach bólów mięśniowych oraz w chorobie zwyrodnieniowej kręgosłupa

Prąd w postaci impulsów trójkątnych

- działa na nerwy ruchowe

Jeżeli natężenie oraz czas osiągają wartość progową to następuje skurcz mięśni ( istotne znaczenie ma szybkość narastania natężenia prądu)

- ważne dla pobudzenia mięśni porażonych np. po przebytej chorobie Heine-Medina lub w przypadku zapobiegania zanikom mięśniowym.

Prąd faradyczny

- powoduje rozszerzenie naczyń krwionośnych w okolicach jego oddziaływania na skórę, a także wywołuje tężcowe skurcze mięśnia trwające przez cały czas przepływu prądu

BRAK DZIAŁANIA MIĘŚNIA NA PRĄD FARADYCZNY ŚWIADCZY O JEGO POWAŻNYM USZKODZENIU !

Prąd diadynamiczny

- stosuje się np. przy bólach pleców i kręgosłupa, w zespole rwy kulszowej, w nerwobólach, migrenach, stanach pourazowych i zapaleniach okołostawowych

Działanie prądów impulsowych na ustrój jest skuteczne jeżeli :

- natężenie przewyższa próg pobudliwości

- max natężenie tego prądu musi trwać przez określony czas

- narastanie natężenia musi odbywać się dostatecznie szybko

- odstępy czasowe pomiędzy max impulsów muszą być dość długie

Prąd średniej częstotliwości o modelowanej amplitudzie a f = 4000-500Hz

Prąd o modulowanej amplitudzie (f od 1-500Hz) czyli na tkankę działają serie impulsów o małej częstotliwości uformowane z prądu średniej częstotliwości

Ten prąd nie działa na receptor skóry - nie jest przykry dla pacjenta

Prąd szybkozmienne od 1-3000Hz

Metoda polega na wytwarzaniu ciepła w tkance poddanej działaniu pól elektromagnetycznych.

Źródłem tych pól (wykorzystywanych w celach terapeutycznych) są aparaty nazywane diatermami.

W zależności od częstotliwości zmian pola oraz od sposobu polaczenia pacjenta do obwodu dzielimy na :

- długofalowa - 1Mhz

- krótkofalowa

- indukcyjna 10-15 Mhz

- kondensatorowa 40-50 Mhz

- mikrofalowa 300-3000 Mhz

Diatermia dlugofalowa :
- elektrody w obwodzie terapeutycznym przylegają bezpośrednio do skory pacjenta

j - gęstość prądu j = I/s

y - przewodnictwo właściwe

Ilość wydzielonego ciepła Q w jednostce objętości i w jednostce czasu

- ciepło wydziela się w płynach ustrojowych

Zastosowanie :

- dermatologii i kosmetyce

- jej odmiana jest diatermia chirurgiczna - ciepło które się wydziela w elektrodzie o malej powierzchni niszczy tkanki lub jako nóż rozcina

Diatermia krótkofalowa (indukcyjna)

- okolice ciała poddawane zabiegowi umieszcza się wew. Cewki lub do powierzchni ciała przykłada się cewkę w postaci krótkiej spirali.

- pacjent znajduje się w „cewce”

Szybkozmienne pole magnetyczne :

- wywołuje w tkankach, na skutek indukcji wirowe pole elektryczne, co powoduje powstanie prądów wirowych, które powodują ogrzewanie tkanek ( dobrze przewodzących elektrolitów )

Ciepło wydzielone w jednostce objętości elektrolitu i w jednostce czasu

y - przewodność właściwości roztworu

h - natężenie pola magnetycznego

Zastosowanie :

- do nagrzewania mięśni (ponieważ skóra i tkanka tłuszczowa mają charakter dielektryka - > więc nagrzewają się mniej )

Diatermia krótkofalowa kondensatorowa :

- tkanka znajduje się miedzy okładkami kondensatora włączonego w obwód terapeutyczny, elektrody nie przylegają bezpośrednio do ciała pacjenta.

Ilość wydzielonego ciepła Q w jednostce objętości elektrolitu i w jednostce czasu

E - natężenia pola elektrycznego

PRZECIWSKAZANIA :

- Galwanizacja i jonoforeza - przy ropnych zapaleniach skory, podwyższonej temp

- Kąpiel elektryczno - wodna, prądy impulsowe - nie wolno stosować u pacjentów z niskim ciśnieniem krwi, wysokim ciśnieniem krwi, niewydolnością krążenia

- Prądów diadynamicznych - nie wolno stosować przy nowotworach, gruźlicy płuc, chorobie wrzodowej żołądka.

---