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) Х_с 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 φ 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.