Механизмы действия и режимы электростимуляции

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ кафедра ЭТТ РЕФЕРАТ на тему:

" Механизмы действия и режимы электростимуляции"

МИНСК, 2008

Электростимуляция — это использование импульсных токов для восстановительного лечения органов и систем, особенно нервов и мышц, утративших свою нормальную функцию в результате болезни или травмы.

Электростимуляция, вызывая двигательное возбуждение и сокращение мышц, одновременно рефлекторно усиливает весь комплекс обменно-трофических процессов, направленных на энергетическое обеспечение работающих мышц, а также повышает активность регулирующих систем, в том числе клеток коры головного мозга. При прохождении стимулирующего электрического тока вдоль нервных стволов повышается проводимость по ним нервного возбуждения, ускоряется регенерация поврежденных нервов. Сокращение мышц, вызываемое стимулирующим электрическим током даже при полном нарушении проводимости нерва, в силу указанных выше процессов, тормозит развитие атрофии мышц и склеротических изменений (перерождение мышечной ткани в соединительную, т. е. в ткань не способную к активному сокращению) в них.

Электростимуляция улучшает кровообращение путём расширения кровеносных сосудов и ускорения в них кровотока. Активизация крово — и лимфообращения происходит и в более глубоких тканях межэлектродного пространства, повышается проницаемость сосудистых стенок, раскрываются резервные капилляры. Активизация кровообращения под воздействием электростимуляции является фактором, обеспечивающим многие компоненты лечебного процесса. Это улучшение трофики тканей, удаление продуктов нарушенного обмена веществ из патологических очагов, рассасывание отёков, размягчение и рассасывание рубцов, регенерация поврежденных тканей, нормализация нарушенных функций. Наряду с улучшением кровообращения стимулируемой области активизируются процессы синтеза нуклеиновых кислот, в том числе РНК.

Электростимуляция регулирует активность центральной нервной системы (головного и спинного мозга), восстанавливает активность нервно-мышечного аппарата, восстанавливает тонус мышц и объем мышечной массы, увеличивает сосудистое русло артериальной и венозной крови, питающее нервы и мышцы, а также обладает обезболивающим эффектом.

Было отмечено, что при электростимуляции достигается больший и более быстрый прирост мышечной массы, чем при обычной тренировке. Можно проводить избирательную электростимуляцию наиболее важных мышц или мышечных групп в режиме максимальных сокращений с последующими расслаблениями.

Сила, скорость сокращения и работоспособность мышц характеризуют функциональное состояние нервно-мышечного аппарата. Сила зависит от толщины мышечных волокон и регуляции мышц, участвующих в движении или усилии, а также от взаимодействия мышц-синергистов и мышц-антагонистов. Прирост силы мышцы максимален при изометрической тренировке, т. е. когда она напрягается, но движения в суставе не происходит; при этом увеличиваются поперечные размеры мышечных волокон. Прирост времени работоспособности (динамическая тренировка) связан с нарастающей двигательной деятельностью; он обусловлен в основном усиленным кровотоком. Здесь играет роль и обучение той или иной функционально-динамической системы двигательного анализатора. Исходя из этого, можно применять один или оба режима (изометрическая и динамическая тренировка). В зависимости от амплитуды сигналов и порога возбуждения стимулируемой нервно-мышечной структуры различают следующие режимы электростимуляции: подпороговый, пороговый и надпороговый.

Подпорговый режим воздействия не вызывает сокращения мышцы, регистрируемого визуально или при помощи датчика. В опытах с подпороговой стимуляцией нервно-мышечного аппарата при выполнении динамической или статической работы нами было обнаружено повышение его работоспособности. При электростимуляции подпороговыми сигналами 5 раз в неделю (длительность процедуры 10 мин) в течение месяца нарастала сила и возбудимость мышц. Анализ данных проводился путем оценки электромиограмм, интегральной электрической активности мышцы и эргограмм. Полученные результаты можно объяснить тем, что эфферентная стимуляция связана со способностью рецепторов (в том числе проприорецепторов) длительно отвечать на раздражение импульсами, в связи с чем через спинальные мотонейроны одноименных сегментов замыкается обратная связь, т. е. возникающая в ответ эфферентная импульсация поддерживает мышечный тонус и трофические процессы на более высоком уровне, чем в покое. Следовательно, стимулирующее воздействие влияет в основном на эфферентную систему. Этот режим целесообразно использовать в клинической практике и в других случаях, сопровождающихся гиподинамией, он может сочетаться с воздействием пороговых и надпороговых стимулов.

Пороговый режим представляет собой такое воздействие, при котором происходит едва регистрируемое сокращение стимулируемой мышцы. Эффект воздействия заключается не только в эфферентной электростимуляции, но и в непосредственном влиянии на нервно-мышечные структуры. Например, применяется так называемый электромассаж, т. е. такая процедура, при которой стимулирующие сигналы вызывают фасцикулярные подергивания мышечных волокон, но вся мышца не напрягается и движения в суставе не происходит. Исследования проводились на группе испытуемых, включавшей 21 чел. обоего пола в возрасте от 20 до 40 лет. Пластинчатые электроды размерами 3×6 см прикрепляли на левом бицепсе. Использовали прямоугольный импульс длительностью 2 мс и паузу 5 мс; общая продолжительность процедуры равнялась 15 мин. Изучали максимальную силу мышцы, соответствующую наибольшей массе, которую может удержать испытуемый при прямоугольном положении плеча по отношению к предплечью. Динамическую силу определяли путем подъема наибольшей массы бицепсом при перемещении предплечья из положения, соответствующего углу 180° в локтевом суставе, до угла 90°. Работоспособность мышцы рассчитывали по нагрузке, составляющей 60% наибольшей массы, и максимально возможному числу перемещений предплечья между углами 180 и 90° при 28 сокращениях в минуту (обратное движение было разгружено). Оказалось, что электромассаж приводит к улучшению рабочих параметров мышцы и может частично заменить двигательную тренировку. При ежедневной электростимуляции в течение трех недель максимальная сила возросла на 17%, динамическая сила I на 23%, работоспособность на 93%. Электростимуляция должна проводиться, по меньшей мере, 3 раза в неделю, так как при этом ее эффективность вдвое выше, чем при двухразовой тренировке.

Надпороговый режим представляет собой такое воздействие, при котором сокращение стимулируемой мышцы больше порогового, при этом оно может иметь различную степень выраженности. Эффект воздействия сходен с достигаемым при пороговом режиме электростимуляции, однако непосредственное влияние на нервно-мышечные структуры оказывается более сильным, четко выражено эфферентное влияние на все уровни двигательного анализатора и целостный организм. Вызванное максимальное сокращение мышцы может поддерживаться дольше и повторяться большее число раз, чем при произвольных усилиях. По сравнению с обычной тренировкой электростимуляция нервно-мышечного аппарата имеет определенные преимущества. Так, при многолетней тренировке спортсмен достигает высокого уровня силового развития, однако отдельные мышечные группы отстают в этом развитии. Вспомогательные упражнения, например, с увеличением отягощений, способствуют росту силы и мышечной массы, вместе с тем степень развития мышечной координации снижается, а сложный координационный навык основного движения не укрепляется, даже расшатывается. Тренировка мышцы ведет к замедлению скорости ее сокращений. При систематической электростимуляции, несмотря на увеличение силы максимального сокращения мышцы (в среднем на 20−30%), у здоровых лиц она практически не влияет на координацию движений, а больных координация улучшается. После 35 дней электростимуляции по часу в день с достижением максимального напряжения прямой мышцы бедра белых крыс установлено, что электровозбудимость этой мышцы повысилась на 30%, а работоспособность стала выше контрольной на 70,8% через 1 мин, на 94,8% через 2 мин и на 23,3% через 15 мин. Достигнутый прирост силы даже через 6−7 мес. снижался лишь на 13%.

Во избежание замедления скорости сокращения мышцы, подвергающейся электростимуляции целесообразно применение двух режимов, один из которых обеспечивает получение медленных (тонических) напряжений, а другой позволяет осуществлять быстрые (кинетические) сокращения. Длительность времени сокращений и интервалы между ними должны быть индивидуализированы для каждой мышцы так, чтобы не наступало выраженного утомления.

Таким образом, при проведении электростимуляции нервно-мышечного аппарата важен рациональный выбор ее режимов и сочетания тонических и кинетических сокращений; это существенно влияет на процессы аэробного и анаэробного гликолиза, на увеличение массы, развитие силы, повышение возбудимости и работоспособности мышц. Электростимуляция увеличивает кровоток в мышцах, оказывает болеутоляющее и противовоспалительное действие, предупреждает возникновение атрофии от бездействия, замедляет ее развитие при денервации, понижает тонус при наличии спастичности, улучшает регенерацию нервов. При систематической стимуляции нервно-мышечного аппарата с использованием даже одноканального электростимулятора происходят положительные биохимические сдвиги и в нетренируемых симметричных мышцах, а также улучшается функциональное состояние всего организма.

Электрические и электрофизиологические параметры объектов электростимуляции.

При разработке аппаратов для электростимуляции скелетной мускулатуры, внутренних тканей органов, необходимо знать особенности процессов, протекающих в зоне стимуляционного воздействия, в том числе процессов, связанных с изменением междуэлектродного сопротивления.

1. Сопротивления кожи и подкожных тканей существенно различаются. Участки мышечной ткани, находящейся под биполярными электродами, условно можно считать гомогенными, однако различные органы и части тела нельзя характеризовать одинаковыми значениями удельного сопротивления, так как между далеко расположенными электродами оказываются разнородные ткани и органы. Это важно учитывать при разработке методов электростимуляции, так как целесообразно биполярное наложение пары электродов одного канала электростимулятора на стимулируемую мышцу и нежелательно (даже недопустимо) их разнесение на разные группы мышц и тем более на одноименные мышцы противоположной стороны тела. Продольное сопротивление мышц, например, в звуковом диапазоне частот примерно в 2 раза меньше поперечного, что указывает на целесообразность такого наложения электродов, при котором биологический участок электрической цепи замыкается по ходу мышечных волокон и их синаптического аппарата, так как при этом для обеспечения сокращения мышцы нужна меньшая мощность стимулирующих электрических воздействий.

2. Сопротивление междуэлектродной цепи зависит от силы тока. Эта зависимость сходна с соответствующей зависимостью в электролите, чем меньше плотность тока, тем больше сопротивлении цепи. Например, при частоте синусоидального тока 12 кГц, площади электродов 1 см², междуэлектродном расстоянии 2 см и силе тока 50 мкА сопротивление кожи составляло 312±14 Ом, а при силе тока 100 мкА — 28З±11 Ом (исследовано 28 здоровых мужчин).

3. Полное сопротивление Z кожи и лежащих под нею тканей состоит из активного R и реактивного (емкостного) Хс сопротивлений, которые зависят от емкости С. R — это омическое сопротивление кожи и электролитов подкожных тканей, С — сумма емкости клеток ткани и поляризационной емкости, образующейся на границе тканей с различными удельными сопротивлениями. Поэтому при изменении частоты пропускаемого синусоидального тока электрические характеристики исследуемого участка тела человека изменяются. Разность электрических параметров жидких и клеточных фаз организма максимальна на частотах порядка сотен герц.

На низких частотах энергия стимулирующих сигналов в основном приходится на кожу, где расположено много различных рецепторов, при раздражении которых у человека появляются ощущения дискомфорта. При повышении частоты увеличивается емкостная проводимость (соответственно изменяется сдвиг по фазе), за счет чего уменьшается падение напряжения на роговом слое кожи и все большая часть энергии приходится на внутренние ткани.

Участки поверхности кожи с толстым роговым слоем обладают в норме наибольшим активным сопротивлением и наименьшей емкостью. Опубликованы данные о результатах измерения у 104 здоровых лиц обоего пола полного сопротивления и фазового угла для середины внутренней стороны предплечья в полосе частот 1−20 кГц. Электродами служили два диска из нержавеющей стали диаметром 2 см, расстояние между их центрами составляло 4 см.

Полное сопротивление в полосе частот от 1 до 20 кГц снижалось в среднем от 6487 до 507 Ом, составляя (1882±468) Ом при частоте 4 кГц. Фазовый угол при этом уменьшался от 75 до 57 о и составлял 73,6±З, 6°. Удаление рогового слоя кожи снижало полное сопротивление, при частоте 4 кГц до 304±54 Ом и фазовый угол ц до 10±1,8°.

4. Чем больше площадь электродов, тем меньше полное сопротивление кожи и подкожных тканей, так как проводимость растет при увеличении площади поперечного сечения проводника. Для измерений целесообразно применять жидкостные электроды, у которых площадью является поверхность кожи со всеми ее углублениями и выступами, с которыми соприкасается жидкость, налитая в плотно прижатую к коже трубку из диэлектрика.

5. С целью уменьшения электрического сопротивления кожа перед электростимуляцией обрабатывается нетоксичным веществом, растворяющим жир. Спирт для обработки кожи непригоден, так как наряду с обезжириванием он удаляет влагу из эпидермиса и особенно из протоков потовых желез, в результате чего появляются амплитудные и частотные искажения сигналов. Установлено, что обрабатывать кожу с целью увеличения ее проводимости рационально эфиром с последующим применением токопроводящих паст или растворов.

6. Оптимальной накожной электродной системой является такая система, которая минимизирует изменения полного сопротивления во время движения, хорошо прилегает к поверхности тела, обеспечивая одинаковое полное сопротивление по всей поверхности электрода, причем не имеет точек жжения. Термическое повреждение кожи широко варьируется в зависимости от ее полного сопротивления, значение которого, как уже отмечалось, зависит от способа обработки, а также от площади поверхности электрода, контактирующей с кожей.

Плоские накожные электроды имеют большую собственную поверхность, но площадь контактной поверхности между электродом и кожей зависит от давления, с которым электрод прижимается к коже.

7. Электрическое сопротивление постепенно снижается, особенно в течение первых 30 мин после наложения электродов на кожу человека. Это надо учитывать при электростимуляции; например, если в начале процедуры напряжение стимулирующего сигнала было установлено режиме пороговой стимуляции, то в конце ее могут появиться сверху пороговые сокращения мышцы при том же уровне сигнала. В целом полное сопротивление является функцией частоты и плотности тока, в связи с чем целесообразно проводить оптимизацию — минимизировать мощность, поглощаемую участком электроды — кожа. При наличии основной и гармонических составляющих сигнала большая часть энергии должна поступать к нервно — мышечному аппарату.

8. Имеются топографические различия в электрическом сопротивлении кожи и подкожных тканей: на голове оно меньше, чем па предплечье; на конечностях больше, чем на туловище.

9. Электрическое сопротивление кожи и подкожных тканей человека зависит от температуры окружающего воздуха. С ее понижением кровеносные сосуды кожи сужаются, что приводит к увеличению сопротивления ткани. Например, при резком понижении температуры окружающего воздуха и кожи испытуемого даже после обработки кожи специальной пастой сопротивление увеличивалось при приложении постоянного тока от 10 до 100 кОм. Установлено, что при изменении температуры кожи на 20 0С ее проводимость (по переменному току) изменяется нелинейно на 52%. Во избежание этих изменений нами были разработаны электроды с автоматической, регулировкой подогрева в пределах 38−43 °С, что позволило существенно уменьшить полное сопротивление кожи под электродами и тем самым снизить мощность сигналов при электростимуляции нервно-мышечного аппарата и проводить процедуру при практически стабильном переходном сопротивлении системы электроды — кожа — подкожные ткани.

10. На проводимость живой ткани влияют воздействия на органы чувств, различные формы физической и психической деятельности (например, испуг и др.). Измерение проводимости кожи в диапазоне частот 0−100 Гц применяется для регистрации кожно-гальванического рефлекса.

11. Перспективно использование результатов измерений полного сопротивления мышцы для характеристики ее функционального состояния.

При сокращении мышцы ее полное сопротивление возрастает, при расслаблении — уменьшается. Осциллограмма этих изменений отражает механические явления в мышце во время ее работы.

Изложенное выше указывает на наличие нелинейных изменений электрических характеристик кожи и подкожных тканей в зависимости от различных условий. Полное сопротивление различно у людей; иногда оно зависит от топографической области исследуемого участка тела. Изменения проводимости можно использовать как объективный показатель реакции нервно-мышечного аппарата на электростимуляционные воздействия.

1. Системы комплексной электромагнитотерапии: Учебное пособие для вузов/ Под ред А. М. Беркутова, В. И. Жулева, Г. А. Кураева, Е. М. Прошина. — М.: Лаборатория Базовых знаний, 2000 г. — 376с.

2. Электронная аппаратура для стимуляции органов и тканей /Под ред Р. И. Утямышева и М. Враны — М.: Энергоатомиздат, 2000.384с.

3. Электрическая стимуляция мозга и нервов у человека / Н. П. Бехтерева, С. В. Медведев, А. Н. Шандурина и др. — Спб.: Наука, 2000. — 263с.

4. Ливенсон А. Р. Электромедицинская аппаратура.: [Учебн. пособие] - М.: Медицина, 2001. — 344с.