ELEKTRICKÉ POLE V BUŇKÁCH A V ORGANISMU Helena Uhrová
Hierarichické uspořádání struktury z fyzikálního hlediska organismus
člověk
buňka
akční potenciál
suprabuněčná struktura
membránový potenciál
atomární a molekulární struktura
elektrodynamika – Maxwellovy rovnice fenomenologická termodynamika Nernst-Planckovy rovnice statistická termodynamika Poisson-Boltzmannova rovnice vlnění a kvantová mechanika Schrödingerova rovnice
Organismus - složitá heterogenní soustava z hlediska proudů a elektrických polí uspořádání a rozdělení elektrických nábojů různé polarity membránové a akční potenciály komplikovaný vodič elektrického proudu mezibuněčná tekutina (R) má jiné vlastnosti než buňky (Z)
Vstup proudu do těla
epidermis - vysoký odpor vrstva tuku kožní maz ------------------------------ vnitřní vrstva kůže - značný obsah vody a elektrolytů ------------------------------
dobrý izolátor -----------------------------dobrý vodič -----------------------------dobrý x špatný vodič
Proud procházející lidským tělem U - dotykové napětí, Rt - odpor lidského těla (za normálních podmínek 2 až 3 kΩ), Rp - přechodový odpor- odpor mezi živým koncem instalace a tělem a mezi tělem a zemí.
U I= Rt + Rp
Elektrické vlastnosti tkání
měrná vodivost cytoplazmy a mezibuněčného prostoru měrná vodivost buněčných membrán
0,2 – 1,0 s/m
10-6 – 10-8 s/m
Stejnosměrný proud
způsoben pohybem iontů elektrolytický teče především mezibuněčnou tekutinou (velký odpor XC membrán) permanentní dipóly dipólové molekuly x dipólové momenty polarizace dielektrika x posuvný proud
Střídavý proud
veden tkáněmi převážně jako posuvný proud natáčení dipólů molekul ve směru pole v rytmu střídajících se půlperiod velké množství Q = R I2t vedení elektrického proudu závisí na
ε
E = E0/ε, kde ε = ε0.εr
Membrány a frekvence proudu
nízkofrekvenční proud - membrány kladou velký odpor vysokofrekvenční proud - kapacitní přemostění membrán = proud prochází snadno díky malému kapacitnímu odporu membrán
Impedance
R, XC, (XL) Sériový obvod
U Z= I= Z Paralelní obvod
R + XC 2
2
1 = R + 2 2 ωC
ˆ Uˆ Uˆ U Iˆ = IˆR + Iˆc ⇒ = + , tedy Z = Z R XC
2
R 1 + ω 2C 2 R 2
Frekvenční závislost Z
kapacitní odpor kůže XC f = 50 Hz, f = 1 kHz ,
(Rtěla ~ 2000 Ω). XC
1 = R 6
f = 10 kHz, XC =
1 R 60
Měrný odpor tkání (rezistivita) ρ [Ωm]
ρ tkání tukových + kostí: – 30
10
ρ tělních tekutin: – 1,3
0,8
ρ svalů:
Odpor kůže
proměnný, cca 3x vyšší než tkání mezi L a P rukou při napětí do U = 50 V je R > 10 kΩ, s rostoucím napětím R klesá při napětí U = 220 V je R = 5 kΩ, ve vlhku R = 1kΩ ve vodě R = 500 Ω
Rozdíly mezi suchou a vlhkou kůží
suchá kůže
U = 220 V
mA vlhká kůže
ρk = 105 Ω I = 2,2
U = 220 V
ρk = 1,5 Ω I=
146,7 mA
⇒
přípustné hodnoty stejnosměrných a střídavých proudů
Střídavý proud jde tkání cestou nejmenšího odporu, tj. mezi buněčnými prostorami, podél cév, nervových vláken Při průchodu stejnosměrného proudu dochází postupně k depolarizaci a vzrůstu permeability pokles ⇒ membrán měrného odporu
Diagnostika poruch prokrvení končetin
měření elektrického odporu kůže měření elektrického odporu tkání reopletyzmografie - pro zjištění objemových změn v cévách přírůstek objemu je přímo úměrný poklesu elektrického odporu
Elektrická dráždivost -
-
-
-
Stejnosměrný proud nemá dlouhodobé dráždivé účinky stálý proud zvyšuje membránový potenciál podráždění vzniká až při prahové hodnotě intenzity působící po určitou dobu reobáze nejmenší intenzita I vyvolávající podráždění chronaxie – kvantitativní vyjádření
chronaxie
Účinky stejnosměrných proudů
Elektrolýza - transport disociovaných iontů Elektroforéza - pohyb disociovaných molekul a koloidů Elektroosmóza – redistribuce vody membránovými strukturami směrem ke katodě Tepelné účinky (Q = R I2t) Dráždivé účinky
Účinky stejnosměrného el. proudu se nejvýrazněji projevují na nervech • motorických - snížení prahu dráždivosti v důsledku alkalizace • senzorických - snížení dráždivosti v důsledku kyselých reakcí – analgetický účinek • vázomotorických (kůže, svaly) – až trojnásobné prokrvení proti stavu klidovému
Léčebné účinky stejnosměrných proudů
iontoforéza – vpravení léků s el. nábojem do injekčně špatně přístupných tkání proudem (oči, klouby) hloubková galvanizace – tlumení bolesti po úrazech, při zánětech vazivových tkání, nervů a svalů, při žilních trombózách zvýšením místního metabolismu, urychlením tkáňové difůze apod.
Účinky střídavých proudů Účinky střídavého proudu jsou závislé na f do 100 Hz roste dráždivý účinek s rostoucí frekvencí nad 100 Hz - klesá dráždivý účinek I I= k ⋅ f s rostoucí frekvencí I = k-. f 100 - 3000 Hz stále klesá u 10 kHz, kde , mizí nad 100 kHz - žádné dráždivé účinky
Léčebné účinky střídavých proudů Elektrostimulátory využívající dráždivých účinků proudu
defibrilátor kardiostimulátor neurostimulátor elektrošoky
Léčebné účinky střídavých proudů Vysokofrekvenční proudy diatermie - krátkovlnná λ = 11,06 nm – 27,12 MHz, - ultrakrátkovlnná λ = 69 cm – 433,92 MHz prohřívání v kondenzátorovém poli prohřívání v indukčním poli mikrovlnná terapie - (λ = 12,4, 12,25 cm – 2400, 2450 Hz)
