Реферати українською » Коммуникации и связь » Моделювання процесу електростимуляції методом передавальної функції


Реферат Моделювання процесу електростимуляції методом передавальної функції

БІЛОРУСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІНФОРМАТИКИ ІРАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

кафедраЭТТ

>РЕФЕРАТ на задану тему:

"Моделювання процесуелектростимуляции методом передавальної функції"

МІНСЬК, 2008


Деякі автори розглядаютьнервно-мишечний апарат як біологічну структуру, що складається з аналогової та дискретною частин, з'єднаних послідовно.Дискретная частина представлена пороговою елементом 2 і управляючиммультивибратором - 3. Ця частина описує поведінка структури приподпорогових вхідних впливах.Аналоговую частина 1 вважатимуться лінійної приподпорогових електричних роздратуваннях. Методика знімання АВК полягає у отримання динамічної (перехідною) характеристики ланки з допомогою вхідних у вигляді імпульсів з кінцевої амплітудою і тривалістю. Індикатором є граничний елемент 2. Виявилося, що АВК є величину, зворотний перехідною характеристиці ланки 1, і має форму, показану малюнку. Як вхідних сигналів можна використовуватилинейно-нарастающие (трикутні) імпульси, максимальна тривалість яких маєдостилать3с.

Малюнок 1.Амплитудно-временная крива (АВК) збуджуваності нервово-м'язового апарату.

а - АВК без обробки; б - структурна схемааналого-дискретного перетворювача; в - АВК після обробки,I0 -реобаза, I - подвоєнареобаза.

Функціональне стан нервово-м'язового апарату то, можливо детально вивчено з допомогоюстимуляционнойелектромиографии. У його основі лежить дослідження прямого м'язового відповіді, чиМ-ответа, виникає при електричному роздратування периферичного нерва внаслідокортодромного поширення порушення (вдистальном напрямі).М-ответ є сумарним моторним потенціалом, він виникає й унаслідок підсумовування потенціалів дії ДЕ,возбудившихся майже одночасно. Методика дослідження та характеристикиМ-ответа описані у відповідних інструкціях. Одержувані дані характеризують тривалість латентного періоду,М-ответа та її амплітуду гаразд і за патологічних змінах Відомо, що за латентними періодом настає абсолютнарефракторная фаза. Для нерва і нервово-м'язовогосинапса м'язів вона різна. Це обумовлює їх різну лабільність, тобто. неоднакову здатність проводити максимальне числа імпульсів в секунду.

Найбільшоюлабильностью має нервове волокно, а найменшій -нервно-мишечнийсинапс. Так,пессимальное гальмування виникає у нервово-м'язовоїбляшке на частотах 100-200, а нерві 350-600имп. /з. Якщо роздратування наноситься в фазі відносноїрефрактерности, то латентний період збільшується, а амплітуда відповіді зменшується.

Здатність нерва, нервово-м'язовогосинапса та м'язів проводити максимальну кількість імпульсів в секунду залежить відпродолжительностей латентного періоду й фази абсолютноїрефрактерности. По сумі цих тимчасових інтервалів і тривалості одиночного стимулюючого сигналу визначаються максимальні частоти, а, по тривалості латентного періоду й всієїрефрактерной фази - мінімальні частоти прямування стимулюючих імпульсів, викликають гладкий тетанус. За появи втоми амплітуда та інші параметри викликаного сумарного моторного потенціалу змінюються. Цінні дані дає дослідження швидкості поширення порушення по периферичним нервах, нервово-м'язової передачі й рефлекторного відповіді м'язи (>Н-рефлекса) У цілому ниніелектрофизиологические параметри нервово-м'язового апарату чітко характеризують його функціональне стан й дозволяють визначати режимиелектростимуляции.

Застосовуючи імпульсний і особливо перемінний струм для на тканини організму, треба враховувати, що електропровідність тканин має такожемкостную складову, зумовленуполяризационними явищами в тканинах. Загалом вигляді еквівалентна електрична схема для ланцюга, що містить тканини організму, при вплив постійних і імпульсним струмами то, можливо представленій у вигляді кількох послідовно включених резисторів кожен із якихшунтирован конденсатором. У цій схеміRк іСк відповідають еквівалентним опору і ємності шару шкіри підшкірній клітковини, у яких ємність відіграє серйозну роль, аRвн іСвн опору і ємності глибоко лежачих тканин, де ємність має менше значення.

Малюнок 2.Эквивалентная електрична схема тканин організму при вплив постійними і імпульсними струмами.

Для орієнтування зазначимо, що, наприклад, при невеличкий площі електродів (кілька квадратних сантиметрів) і незначною силі струму (сталасоставляющая-доли міліампер) для еквівалентній схеми потужно прийняти наступний порядок величинRк: 1000-2000Ом,Ск:0.03-0.05мкФ,Rвн: 500-1000Ом іСвн: 0.01-0.02мкФ.

Дляелектростимуляции нервово м'язового апарату людини використовують різні імпульси, які умовно можна розділити дві групи імпульси низькою частоти (до 1000 гц) і імпульси середньої частоти (від 1 до 100кГц).

Параметри імпульсів вибираються іноді основі спільних міркувань; нерідко їх підбирають просто, з суб'єктивних відчуттів пацієнта, яке зазнає впливу.Исследуются форма амплітуда (струму чи напруги), тривалість, частота прямування, і навіть інші характеристикиелектростимулирующих імпульсів, викликають, наприклад, граничне скорочення м'язи, тобто. по будь-яким об'єктивним критеріям визначаються оптимальні параметри. Які електричні параметри надають ефективне вплив на тканину й як вони змінюються всередині живих тканин, нині ще остаточно не з'ясовано. Велику роль при вплив електричного струму нанервно-мишечний апарат грає повне опір (активна і реактивна складові) шкіри, нервів, м'язів та інших тканин. Цим пояснюється високою ефективністю лише певній його частиніамплитудно-частотного спектра стимулу, а чи не усього спектру.

Форма, тривалість, потужність імпульсу.

Оптимальнимелектростимулирующим імпульсом, що викликають скорочення м'язи, є, очевидно, імпульс, який має мінімальну міць і надає найменше вплив на шкіру її рецептори. Для лабораторних досліджень зручна прямокутна форма імпульсу, яка полегшує кількісний аналіз, дозування стимулів і яка припускає досить просту конструкцію апаратури. Роздратування імпульсами однієї полярності призводить до “хімічному”повреждающему ефекту, аналогічному тривалого дії на тканину постійного струму, через усунення іонів до однієї бік під впливоммонофазних сигналів. Щоб уникнути явищ електролізу у системі електроди - шкіра треба використовувати імпульси що чергується полярності.

Тут різні варіанти:

· одинвисокоамплитудний імпульс викликає скорочення м'язи, а йому передує (чи слід його)низкоамплитудний протилежної полярності, але рівної енергії (рис.3, а, б);

· чергується полярність однакових за своїми параметрами прямокутних імпульсів (рис.3, в). Приватним випадком то, можливо чергування полярності парних імпульсів (рис.3, р), що використовуються здобуття права знизити амплітуду стимулів і тим самим зменшити дратуючий вплив на рецептори шкіри.

Малюнок 3. Прямокутні імпульси з що чергується полярністю і рівної енергією.

Вважається, що енергетично вигідною єекспоненциальная форма імпульсу струму; при прямокутної формі імпульсу порушення виникає до витрат потужності, перевищують оптимальні на 22%. Для кістякової мускулатури оптимальна тривалість імпульсу при мінімальної енергії роздратування становить 0,064 - 1,23 мс, що він відповідає тривалості потенціалу дії рухових нервових волокон. Це стосується йиннервируемим ними здоровим м'язам або до м'язам, які успастическом стані результаті центральнихпарезов і паралічів. При периферичних рухових порушеннях тривалість стимулу мусить бути більшої (до сотень мілісекунд).

У багатьох досліджень порівнювали енергію роздратування з енергієюнадпороговоготетанического скорочення м'язи, варіюючи по черзі частоту, амплітуду і тривалість стимулюючих імпульсів. Якщо за цьому одне із зазначених параметрів змінювався, а через два інших залишалися постійними, можна давалися оптимальні значення частоти, сили та тривалості. У цьому відповідна реакція визначалася енергією роздратування. Але такий підхід справедливий лише доти, доки настане м'язове стомлення, у якому сила скорочення м'язів падає за ті самі параметрах роздратування. Важливим властивістю нервово-м'язових структур при роздратування електричними сигналами є залежність збуджуваності від швидкості зміни амплітуди стимулюючого сигналу, тобто. похідноюdu/dt. Відома робота, у якій порушення W виявляється у вигляді функції низки характеристик електричного стимулу, до яких входять енергетична і інформаційна компоненти, швидкість зміни амплітуди та інших.:

 (1)

Кількісне значення кожної з компонент пропонується визначати з рівняння , де - вагові коефіцієнти.

Вважатимемо, що з періоделектростимуляционного впливуTо характеристики біологічних тканин змінюються незначно. Відомо, що оптимальноюелектростимулирующим імпульсом, що викликають скорочення м'язи, є імпульс, якої має мінімальну міць і надає найменше вплив на шкіру рецептори:

 (2)

деPел - потужність сигналуелектростимуляции,Pм - потужність,развиваемая відповідної м'язом,u(t) – падіння напруги на електродах у процесіелектростимуляции,i(t) - струм,протекающий через електроди,Tс – період сигналу,F(t) – сила,развиваемая м'язом,V(t) - швидкість скорочення м'язи,t – час сеансуелектростимуляции.

Цей критерій справедливий під час виборів сигналів для м'язів, основний функцією якого єсократительная. Функціонування внутрішніх органів пов'язано лише з скороченням відповідних гладких чипоперечно-полосатих мускулатури. Воно має складніший характер, оскільки пов'язані з діяльністю різних фізіологічних систем і може охоплювати безліч фізіологічних зворотного зв'язку. Приміром, стан шлунково-кишкового тракту визначається моторної,моторно-евакуаторной і секреторній функціями травної системи. У зв'язку з цим для вибору оптимальних сигналів стимуляції внутрішніх органів пропонується наступний енергетичний критерій:

 (3)

деPсм - потужність, обумовленасократительной здатністю відповідних м'язів органу,Pф - потужність, характеризує функціонування даного органу (виконання відповідної функції).

ЗначенняPсм то, можливо обмірювано у вигляді визначенняпроинтегрированнойелектроактивности м'язи A за одиницю часу, або через вимір силиF(t) і швидкостіV(t). Зазвичай, на інтерваліTо потужністьPсм є неперервним функцією часу. ПотужністьPф носить періодичний характер, що пов'язані з періодичністю функціонування самого органу. Тож оцінки потужностіPф запропоновано використовувати ставлення часу функціонування органуTф (проявляється виділенням потужностіPф іPсм) до часуTе, протягом якого присутні скорочення м'язів воколоелектродной області (виділення потужностіPсм). Тоді енергетичний критерій вибору сигналівелектростимуляции набуває вигляду:

 (4)

деK1,K2 – емпіричні коефіцієнти пропорційності, зумовлені індивідуально кожному за органу.

Поріг больового відчуття, викликаний електричними подразниками, змінюється залежно від форми імпульсів, причому її залежить від щільності й визначити місця докладання струму. Щоб досліджувати розмаїття місцевих податків та загальних реакцій організму наелектростимуляцию, недостатньо використовувати лише прямокутні імпульси. З метою оптимізації форми імпульсів було випробувано стимули різною форм (прямокутні, синусоїдальні, трикутні,трапециевидние,експоненциальние іколоколообразние) і тривалості (від мікросекунд до десятків мілісекунд),однофазние ідвухфазние з різною тривалістю фронту й зрізу, частотою прямування, з амплітудної, частотною іамплитудно-частотной модуляцією, після виходу за напругою і з току. Встановлено, що у діапазоні частот прямування від 1 до 150 гц найменш болючі імпульси, які моделюють форму струму дії нервового волокна, генерованого у сфері перехопленняРанвье, тривалістю 0,7-0,8 мс (тривалість фронту 25-100 мкс, зрізу 600-700 мкс). Зі збільшенням тривалості імпульсу понад 1 мс при вплив через шкіру на нервово-м'язові структури ці стимули цікавить людини дискомфорт при частотах прямування 1-20 гц. Зменшення тривалості стимулюючих імпульсів до 0,1-0,2 мс не призводить до виникнення неприємних відчуттів, але вимагає збільшення амплітуди.

Застосування низькочастотних імпульсів дляелектростимуляции нервово-м'язових структур дасть певний лікувальний ефект. Вони мають порівняно невеличкий потужністю, і шляхом зміни їх параметрів можна домогтися погодження злабильностьюстимулируемих структур (це належить додиадинамическим струмів). Але ці процедури болючі, оскільки значної частини енергії стимулів поглинається поверховим шаром шкіри, що зумовлює роздратуванню рецепторів (відчувається поколювання і печіння).

Доцільно використання дляелектростимуляции змінних струмів звукового діапазону (2-20кГц). Зменшення повного опору поверхневого шару шкіри на підвищення частоти змінного струму дозволяє рівномірніше розподілити енергію стимулів міжепидермисом і підшкірними тканинами. З'являються такі особливості цих струмів:

· механізм порушення, пов'язані з появоюдеполяризации в обох електродів;

· асинхронне порушення волокон, наближаєимпульсацию до яка у природних умовах;

· менше галуження струмів, що дозволяє вибірково стимулювати м'язи;

· повільний розвиток акомодації м'язів;

· переважне роздратування струмом м'язів, а чи не рецепторів шкіри, звідси менша болючість.

У цьому може бути як блокування рецепторів, і проведення порушення в чутливих нервових волокнах. Неприємні відчуття приелектростимуляции переважно може бути пов'язані з які виникають потужнимтетаническим скороченням м'язи.

З 1969 р. використовується форма імпульсу, виникає в перехопленняРанвье нервового волокна, як облямовує щоб одержатирадиоимпульсного стимулу (несучий коливання - синус струм із частотою 10кГц); такий стимул викликає практично безболісні скорочення м'язів. Залежно від збуджуваностістимулируемих тканин (особливо в периферичних рухових розладах) регулюють крутизну фронту й зрізу імпульсу. Серед вивчених електричних стимулів, викликають безболісне скорочення м'язи при мінімальної енергії, цей імпульс виявився оптимальним. Проведено порівняння потужності різних імпульсів, викликають граничне скорочення. Дослідження проводилося шляхом впливусинусоидальними струмами буде в діапазоні частот від 200 до 15000 гц. Встановлено, що у частотах 10±2кГц больові відчуття вже мінімальні. При застосуванні амплітудної модуляції стимулу різко зменшувалася потужність, необхідна щоб одержати скорочення м'язи той самий величини, протинемодулированними коливаннями. Тривалість імпульсів становила 1 мс лише на рівні 0,1амплитудного значення, тобто. лежить у межах оптимальнихдлительностей, дозволяють отримати скорочення м'язи при мінімальної енергій роздратування. При порівнянні потужності стимулів різної форми, викликають граничне скорочення двоголовою м'язи плеча (частота прямування 75 гц, площа електродів 15см2, відстань між електродами 5 див), отримані такі пороговими значеннями (наведено усереднені дані дослідження 12 здорових осіб): (7,6+0,8) мВт для прямокутноговидеоимпульса, (4,0+1,1) мВт длятрапециевидноговидеоимпульса з тривалістю фронту 0,3 мс; (2,3±0,5) мВт длявидеоимпульса з крутим фронтом (25 мкс) і експонентним зрізом; (1,1 ±0,3) мВт длярадиоимпульса з аналогічної попередньому випадку формою і з несучою частотою 10кГц. Потужність прямокутногорадиоимпульса становила (3,5±1,8) мВт при несучою частоті 1кГц; (4,6±0,7) мВт при несучою частоті 5кГц і (8,3±1,2) мВт при несучою частоті 10кГц.

З вивчених стимулів енергетично найвигідніший радіоімпульс виду з крутим фронтом (тривалістю 25 мкс), експонентним зрізом (975 мкс) і несучою частотою 10кГц. Цей імпульс викликає мінімальні больові відчуття; очевидно, це пояснюється лише тим, кожен період коливання впливає на рецептори тоді, коли вони ще перебувають урефрактерной фазі, тобто. блокується виникнення сигналів в рецепторах і проходження в чутливих нервових волокнах.


ЛІТЕРАТУРА

1. Системи комплексноїелектромагнитотерапии: Навчальний посібник для вузів/ Під ред А.М.Беркутова, В.І.Жулева, Г.А. Кураєва, О.М.Прошина. – М.: Лабораторія Базових знань, 2000 р. –376с.

2. Електронна апаратура для стимуляції органів прокуратури та тканин /Під редР.И.Утямишева і М.Врани - М.:Энергоатомиздат,2000.384с.

3. Електрична стимуляція мозку і нервів в людини / Н.П. Бехтерєва, С.В. Медведєв, О.Н.Шандурина та інших. –Спб.: Наука, 2000. -263с.

4.Ливенсон Г.Р.Электромедицинская апаратура.: [Учбов. посібник] - М.: Медицина, 2001. -344с.

5. Катона З. Електроніка до медицини: Пер. звенг. / Під ред. М.К.Розмахина - М.: 2000. -140с.

6. Медична електронна апаратура для охорони здоров'я: Пер. з анг. / Л.Кромвелл та інших. - М.: Радіо і зв'язок, 2001 -344с.


Схожі реферати:

Навігація