Физические основы электронейростимуляторов

Введение
Актуальность. Прогресс в области медицины немыслим без создания новых технических средств для диагностики и лечения заболеваний и болезненных состояний [1].
Каждое вещество имеет электрический заряд, величина которого может быть положительной, отрицательной или быть равной нулю. Например, электроны заряжены отрицательно, а протоны - положительно. Поскольку каждый атом содержит один или более электронов и равное количество протонов, общее число зарядов в макроскопическом объекте - чрезвычайно большое, но в целом такой объект не заряжен или имеет небольшой заряд.
Если через мембрану нервной или мышечной клетки проходит кратковременный электрический ток, то мембранный потенциал подвергается последовательным изменениям, которые специфичны и уникальны для возбудимых клеток. Возбудимые ткани можно стимулировать также механическими или химическими средствами, но в экспериментальной работе, как правило, используются электрические стимулы.
В связи с вышесказанным весьма актуальными являются вопросы, которые касаются изучения использования электрических импульсов в биологических клетках.
Цель данной работы заключается в изучении физических основ электронейростимуляторов. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
- изучен имеющийся материал по тематике исследования;
- рассмотрены условия возникновения потенциала действия в биологических мембранах;
- изучен принцип действия противоболевого электронейростимулятора и возможности его применения;
- проведено ознакомление с электрокардиографией.
В ходе выполнения данных задач применялись такие методы исследования, как анализ, синтез, описание и обобщение.
В качестве объекта исследования выступает биологическая сфера, а предметом исследования являются физические основы электронейростимуляторов.
1 Условия возникновения потенциала действия в биологических мембранах
Если через мембрану нервной или мышечной клетки проходит кратковременный электрический ток, то мембранный потенциал подвергается последовательным изменениям, которые специфичны и уникальны для возбудимых клеток. Возбудимые ткани можно стимулировать также механическими или химическими средствами, но в экспериментальной работе, как правило, используются электрические стимулы.
Потенциал действия - быстрое колебание величины мембранного потенциала, вызванное действием на возбудимую клетку электрического или другого раздражителей. На рисунке 1 показан потенциал действия нервной клетки, записанный с помощью микроэлектрода.
Рисунок 1 - Потенциал действия нервной клетки [2]
Если к клетке прикладывают кратковременный электрический стимул, мембранный потенциал уменьшается быстро до нуля. Это отклонение характеризуют как фазу деполяризации. В течение короткого времени внутренняя среда клетки становится электроположительна по отношению к наружней (фаза реверсии мембранного потенциала, или овершут). Затем мембранный потенциал возвращается к уровню мембранного потенциала покоя (этап реполяризации). Фазы потенциала действий показаны на рисунке 2.
Рисунок 2 - Фазы потенциала действия [2]
Длительность потенциала действия составляет от 0,5 до 1 миллисекунды в больших нервных клетках и несколько миллисекунд в клетках скелетных мышц. Общая амплитуда - почти 100 – 120 мВ, отклонение от нулевой линии - около 30-50 мВ.
Потенциал действия играет ведущую роль в обработке информации в нервной системе. Он имеет постоянную амплитуду, которая не является вероятностной величиной. Это имеет большое значение в обработке информации нервной системой. Кодирование интенсивности раздражения осуществляется числом потенциалов действия и частотой, с которой потенциалы действия следуют друг за другом.
Потенциал действия возникает из-за специфических изменений ионной проницаемости в плазматической мембране. Английский физиолог Ходжкин показал, что основной механизм потенциала действия состоит в кратковременном и очень специфическом изменении проницаемости мембраны для ионов натрия (см. рисунок 3). Ионы натрия при этом поступают в клетку до момента, пока мембранный потенциал не достигнет потенциала электрохимического равновесия ионов натрия.
Рисунок 3 - Изменение проницаемости мембраны для ионов натрия и калия во время потенциала действия [2]
Проницаемость мембраны для натрия при действии на клетку электрического стимула возрастает приблизительно в 500 раз и становится значительно больше, чем проницаемость мембраны для ионов калия

. В клетке резко повышается концентрация ионов натрия. В результате мембранный потенциал принимает положительное значение, и поток ионов натрия в клетку замедляется.
Во время возникновения потенциала действия происходит деполяризация плазматической мембраны. Быстрая деполяризация мембраны под действием электрического стимула вызывает увеличение её проницаемости для ионов натрия. Возросшее поступление ионов натрия в клетку усиливает деполяризацию мембраны, что, в свою очередь, вызывает дальнейшее увеличение проницаемости мембраны для натрия и т.д.
Но величина мембранного потенциала при деполяризации не достигает уровня потенциала электрохимического равновесия ионов натрия. Причиной этому является снижение проницаемости мембраны для ионов натрия из-за инактивации натриевого трансмембранного переноса. Этот процесс резко уменьшает проницаемость мембраны для ионов натрия и останавливает наплыв натрия в клетку.
В этот момент происходит увеличение проницаемости мембраны для ионов калия, что приводит к быстрому снижению величины мембранного потенциала к уровню потенциала покоя. Проницаемость мембраны для ионов калия также снижается до своего нормального значения. Таким образом, инактивация входящего натриевого тока и повышение проницаемости мембраны для ионов калия ограничивают длительность потенциала действия и приводят к реполяризации мембраны.
Таким образом, в течение потенциала действия некоторое количество ионов натрия поступают в клетку. Но это количество достаточно небольшое. Изменение концентрации ионов в больших нервных клетках составляет лишь около 1/300000 начальной величины.
Основной механизм изменений проницаемости мембраны обусловлен событиями в натриевых и калиевых каналах мембраны. Состояние их ворот управляется величиной мембранного потенциала. Натриевые каналы имеют два типа ворот. Один из них, называемые активационными воротами закрыты в состоянии покоя и открываются при деполяризации мембраны. Поступление ионов натрия в клетку вызывает открытие всё большего числа активационных ворот. Второй тип ворот натриевых каналов - инактивационные при усиливающейся деполяризации мембраны постепенно закрываются, что останавливает приток натрия в клетку. Деполяризация мембраны также служит причиной открытия дополнительного числа калиевых каналов, в результате чего увеличивается проницаемость мембраны для ионов калия и происходит реполяризация мембраны.
2 Принцип действия противоболевого электронейростимулятора и возможности его применения
Если хроническая боль в спине или ногах не исчезает также после применения новейших методов, так называемый противоболевой электронейростимулятор может на долгое время облегчить недуг.
Действие прибора основано на чрескожной электростимуляции периферических нервных стволов, иннервирующих зону болевого раздражения. Противоболевой эффект достигается путем подачи импульсного тока через гибкие плоские электроды на крупные нервные стволы, иннервирующие источник болевых ощущений. Через 45-60 минут электростимуляции боли исчезают полностью или значительно стихают. В течении 2-4 часов после отключения стимулов пациенты не испытывают боли. При возобновлении болей возможно проведение повторных сеансов электростимуляции.
Впервые в практике чрескожной электронейростимуляции использовано автоматическое биорегулирование параметров стимула. Периодическая подстройка стимула в зависимости от импеданса тканей под электродами ослабляет адаптацию нервных структур к действию стимулирующего тока, что обеспечивает высокую эффективность обезболивания в течение длительного лечения.
За счет выбора оптимальной формы тока стимуляции обеспечивается эффективное возбуждение нервных структур при минимальных ощущениях под электродами [3].
Распространенность болевых синдромов различной этиологии, разная степень выраженности болей, неодинаковая продолжительность лечения, а также различие условий использования аппаратуры (стационар, поликлиника, скорая медицинская помощь, лечение на дому) делают нецелесообразной разработку универсальных многоцелевых электростимуляторов. Лечение острых болей постоперационного, посттравматического, нейрогенного характера, обезболивание в родах требуют охвата стимуляцией обширных зон, связанных с очагами боли. Здесь необходимо применение аппаратов, обеспечивающих достаточно большой ток стимула и позволяющих использовать электроды значительной площади. Данный тип электростимуляторов предназначен для использования в специализированных палатах лечебных учреждений, где важное значение имеет способность аппаратуры работать непрерывно в течение длительного времени