Корсунов А.Р., канд. техн. наук

Украинская инженерно-педагогическая академия, г. Харьков

Оценка эффективности воздействия при электрической стимуляции тканевых биоструктур

Электрические свойства биологических объектов усложняются по сравнению с неживыми, так как организм – это совокупность ионов с переменной концентрацией в пространстве. Под влиянием электрического поля ионы движутся с разной скоростью и скапливаются около клеточных мембран, образуя встречное электрическое поле, известное как поляризационное.

Учитывая омические и емкостные свойства биологических тканей необходимо принять во внимание и то как сама биологическая система искажает форму подаваемого импульсного сигнала на живой объект с целью воздействия на него. Так, например, установлено, что увеличение крутизны фронта имульса уменьшает пороговую силу тока, который вызывает сокращение мышц.

Многослойность и различная теплопроводность тканей организма приводят к тому, что ток в тканях движется по пути наименьшего сопротивления по межклеточным промежуткам, кровеносным и лимфатическим сосудам.

Цель работы – разработать метод оценки текущего сопротивления тканей организма при воздействии на них электрическими сигналами импульсного характера. Полученные данные позволяют оценить величину токов, протекающих по проводным путям организма, при известном напряжении сигнала и тем самым оценить реальную интенсивность воздействия.

Несмотря на целый ряд неясностей в настоящее время установлено, что нервные импулься в каком-либо одном волокне имеют постоянную амплитуду и форму. При этом ни интенсивность, ни качество раздражения не влияют на их характеристики. На основании этого делается вывод, что интенсивность ощущения и двигательной реакции регулируется посредством изменения частоты следования импульсов и числа активных волокон.

Важно то, что энергия, используемая для распространения возбуждения, не поставляется раздражением, а вырабатывается самим нервным волокном. Основной единицей информации является потенциал действия, который длится примерно 1 мс, со скоростью распространения 1-100 м/сек и амплитудой до 110 мВ. Вслед за импульсом наступает абсолютный рефрактерный период (АРП), во время которого никакое повторное раздражение, независимо от его силы не может вызвать второго импульса.

Длительность АРП примерно равна длительности основной части потенциалы действия. Нормальнве рабочие пределы частоты импульсов в высокоорганизованных биообъектов 5-100 имп/сек. Медленно нарастающий ток возбуждения не в состоянии вызвать потенциал действия, поскольку большинство нервов переходит при этом в рефрактерное состояние, не генерируя потенциала действия.

Если стимулирующий электрический импульс подается в биологически активную точку (БАТ), то при этом начинается перераспределение зарядов на мембранах нервных волокон, что приводит к возникновению дополнительного поля, противоположного по знаку приложенному. Этот процесс происходит в течении некоторого промежутка пока среда не поляризуется полностью (наступит рефрактерный период). По окончании стимулирующего импульса возникает процесс восстановления исходного распределения зарядов. В ходе указанного процесса ток в цепи продолжает существовать, создавая остаточное напряжение ΔU_ост в БАТ. График зависимости ΔU от времени приведен на рис. 1.

Рис. 1. Установление электрического поля при электрической стимуляции БАТ

Здесь t_и – длительность стимулирующего импульса, t_н – промежуток времени от момента выключения тока до начала измерения остаточного напряжения ΔU_ост. При измерениях длительность импульса необходимо экспериментально подобрать так, чтобы его окончание совпадало с началом рефрактерного периода. Экспериментально установлено, что при небольших токах величина остаточного напряжения U_ост после окончания импульса прямо пропорциональна плотности текущего по цепи стимуляции тока. С определенным приближением можно сказать, что в режимах воздействия на БАТ поле, возникающее в рефрактерный период Е_реф, пропорционально напряженности поля Е, которое его вызывает, но имеет противоположное ему направление: , где η – коэффициент пропорциональности.

Поскольку в общем случае исследуемая среда не является однородной, примем, что коэффициент η является условным эквивалентным коэффициентом пропорциональности (η_уэ) и выразим его в процентах по формуле: ,где ΔU – разность потенциалов в стационарном режиме.

Для расматриваемого процесса закон Ома имеет следующий вид: , где σ_эф – эффективная электропроводность.

По аналогии определяем и эффективное удельное сопротивление . Если остаточное напряжение невелико, можно принять .

Проведен измерительный эксперимент по воздействию на БАТ, расположенной на средней фаланге пятого пальца средней фаланги левой руки импульсами с частотой 2,2 Гц, амплитудой 2 В и длительностью 1,0 мс. При этом измеренное время t_н составило 0,8 мс, а ΔU_ост=0,7 В. В стациоанарном режиме ΔU=1,5 В. Отсюда .

Выводы.

Разработанный метод диагностики состояния проводящих стимулирующие импульсы путей в БАТ позволит оценить не только ρ_эф, но и характерные параметры электрической активности нервных волокон для различных БАТ и учесть это при их возбуждении.