Oddziaływanie prądu elektrycznego i pól elektromagnetycznych na organizm człowieka 12 listopada 2006

Elektrostatyka Rozróżniamy ładunki dodatnie i ujemne. W atomie: jądro + elektron - Ładunek elektronu e [C] to ładunek elementarny, każdy ładunek elektryczny jest wielokrotnością e. q = ne e = 1,6·10-19 C, me = 9,11·10-31 kg

Elektrostatyka Elektrony odłączają się od atomów i tworzą gaz elektronowy wypełniający przestrzeń między dodatnimi jonami. Elektrony swobodne to elektrony przewodnictwa. Metale – typowe przewodniki. Szkło, bawełna, jedwab, sztuczne tworzywa – izolatory.

Elektrostatyka Prawo Coulomba (Karol August Coulomb 1785): k0 = 9·109Nm2/C2 k = 1/4π ε0 ε0 – przenikalność el. próżni ε 0 = 1/4πk0 = 8,9·10-12 C2/Nm2 ε = ε 0 ε r ε r – stała dielektryczna 2 – nafta, 1,00 – powietrze, 5 ÷ 10 – szkło 1 – próżnia 81 - woda

Charles Coulomb (1736-1806) Badania dotyczące magnetyzmu, teorii maszyn prostych i elektrostatyki

Elektrostatyka Prawo Coulomba: siła wzajemnego oddziaływania dwóch naelektryzowanych kulek jest wprost proporcjonalna do iloczynu wartości ich ładunków i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między ich środkami. Zależy ona także od ośrodka.

Elektrostatyka Zasada zachowania ładunku, w układzie izolowanym elektrycznie, ładunek może być przemieszczany z jednego ciała na drugie, ale jego całkowita wartość (suma algebraiczna) nie może ulec zmianie.

Elektrostatyka Natężeniem pola elektrostatycznego E w danym punkcie nazywamy stosunek siły elektrycznej działającej na umieszczony w tym punkcie ładunek próbny do wartości tego ładunku.

Elektrostatyka Wypadkowe natężenie pola elektrostatycznego oblicza się stosując zasadę superpozycji – sumowania wektorów natężeń od poszczególnych ładunków punktowych.

Elektrostatyka Potencjałem pola elektrostatycznego V nazywamy iloraz energii potencjalnej punktowego ciała naelektryzowanego ładunkiem q i wartości tego ładunku

Prąd elektryczny Napięciem między zaciskami danego odbiornika energii elektrycznej nazywamy iloraz mocy P wydzielanej w tym odbiorniku i natężenia prądu I płynącego przez ten odbiornik: U = P/I [V] ; P = UI

Prąd elektryczny Ruch elektronów to prąd elektryczny I = Δq/Δt [1A] = [1C/1s]

Prąd elektryczny Prawo Ohma, sformułowane w 1827 roku, w oparciu o doświadczenia, mówi o prostej proporcjonalności prądu I płynącego przez przewodnik do napięcia U przyłożonego na jego końcach: I = U/R = (V1 – V2)/R ; U = IR

Prąd elektryczny R oznacza współczynnik proporcjonalności zwany oporem elektrycznym (rezystancją). 1Ω = 1V/1A. Opór przewodnika równa się 1 omowi, jeżeli niezmienne napięcie równe 1 woltowi istniejące na końcach przewodnika wywołuje w nim prąd o natężeniu 1 ampera. Opór przewodnika R o długości l, powierzchni przekroju S i oporze właściwym ρ jest równy: R = ρl/S

Prąd elektryczny I Prawo Kirchhoffa: W dowolnym punkcie W obwodu ( węźle) suma algebraiczna natężeń prądów stałych dopływających i odpływających równa się zeru. ΣI = 0

Prąd elektryczny II Prawo Kirchhoffa: W dowolnie wydzielonej zamknietej części obwodu elektrycznego, w tzw. oczku, suma algebraiczna wszystkich napięć elektrycznych panujących na poszczególnych elementach oczka równa się zeru. ΣU = ΣE + ΣIR = 0 E – czynne siły elektromotoryczne IR – spadki potencjałów

Prąd zmienny Zjawisko powstawania prądu indukcyjnego w zamkniętym obwodzie pod wpływem zmian strumienia indukcji magnetycznej nazywamy zjawiskiem indukcji elektromagnetycznej. Powstające prądy nazywamy prądami indukcyjnymi. Ε = Emsinωt.

Prąd zmienny Źródło napięcia, w którym siła elektromotoryczna zmienia się sinusoidalnie, nazywamy źródłem napięcia przemiennego. W Europie f = 50 Hz, Esk = 230 V

Porażenie prądem elektrycznym JZ - JR R RC – rezystancja ciała człowieka RP – rezystancja przejścia prądu do ziemi UD - napięcie dotykowe UR – napięcie rażeniowe JZ – prąd zwarcia JR – prąd rażeniowy UD UR RC RP RP

Porażenie prądem elektrycznym Napięcie dotykowe – jest to napięcie między dwoma punktami nie należącymi do obwodu elektrycznego, z którymi mogą zetknąć się jednocześnie ręce lub ręka i stopy, albo inne części ciała człowieka UD = (0,5RP + RC)JR Napięcie rażeniowe – jest to spadek napięcia na drodze przepływu prądu przez ciało człowieka UR = RCJC

Porażenie prądem elektrycznym Najbardziej niebezpieczny jest dla człowieka prąd przemienny o częstotliwości 50 – 60 Hz Stwierdzono, że ludzie są mniej wrażliwi na działanie prądu stałego niż przemiennego. Dotyczy to natężeń do 20 mA Przy prądzie przemiennym 50 – 60 Hz wyprostowanie palców i samodzielne oderwanie ich od przewodu możliwe jest przy natężeniu prądu: dla kobiet ≤ 10,5 mA, dla mężczyzn ≤ 16 mA

Porażenie prądem elektrycznym Zatrzymanie krążenia krwi na czas dłuższy niż 3-5 minut prowadzi nieodwołalnie do śmierci. Spowodowane jest ono zawsze wstrzymaniem lub niedostateczną pracą serca, albo też migotaniem (fibrylacją) komór sercowych. Migotanie komór polega na niesynchronicznych skurczach poszczególnych części mięśnia sercowego dokonujących się z częstotliwością 300-500 skurczów na minutę. Czynnikiem decydującym o wystąpieniu migotania jest obok wartości natężenia prądu czas przepływu. Przy czasach krótszych od 0.2s możliwość wystąpienia migotania jest niewielka

0,6 – 1,6 Prąd wyraźnie wyczuwalny (swędzenie łaskotanie) Objawy działania prądu przemiennego 50 – 60 Hz na człowieka przy przepływie na drodze ręka – ręka lub noga – ręka. Wartość skuteczna prądu [mA] 0 – 0,5 Prąd niewyczuwalny 0,6 – 1,6 Prąd wyraźnie wyczuwalny (swędzenie łaskotanie) 1,6 – 3,5 Cierpnięcie dłoni i przegubów, lekkie sztywnienie rąk 3,5 – 15 Silne sztywnienie rąk, ból przedramion, skurcze dłoni i drżenie rąk; przy wzroście wartości prądu coraz silniejsze skurcze mięśni palców i ramion, zaciskanie się rąk obejmujących przedmiot i niemożność samodzielnego oderwania się 15 – 25 Niekontrolowane skurcze, utrudniony oddech, wzrost ciśnienia krwi; prąd nie powoduje groźnych następstw przy czasie przepływu nie dłuższym niż kilkanaście sekund 25 – 50 Bardzo silne skurcze mięśni rak i klatki piersiowej; nieregularność pracy serca, przy dłuższym działaniu prądu w górnym zakresie – migotanie komór sercowych 50 – 70 Migotanie komór sercowych, porażenie mięśni oddechowych, przy dłuższym działaniu śmierć przez uduszenie > 70 Przy dłuższym działaniu zwykle kończy się śmiercią

Oddziaływanie pól elektromagnetycznych Istnienie pól magnetycznych jest traktowane jako objaw wtórny, jako skutek ruchu ładunków elektrycznych. Ziemia jest wielkim magnesem. Indukcję magnetyczną B definiuje się wykorzystując siłę oddziaływania pola magnetycznego na poruszający się ładunek próbny q0: F = q0(v¤B) B = Fmax/q0v [T]

Indukcja magnetyczna 1T - duża jednostka [N/Am] 10 T - uzyskuje się w laboratoriach 100 T – bardzo krótko B = 10-4T – na powierzchni Ziemi Prąd 100 mA w odległości 1 cm B = 2·10-3 T Układ nerwowy w okolicy klatki piersiowej B = 10-11 T

Oddziaływanie pól elektromagnetycznych Pola elektromagnetyczne powstają: wokół stacji nadawczych radiowych i TV, radarów, urządzeń przemysłowych, zgrzewarek, pieców indukcyjnych, silników, telewizorów… Długotrwałe przebywanie powoduje: bóle i zawroty głowy, zaburzenia snu, zaburzenia pamięci, dolegliwości sercowe, szybkie męczenie, choroby oczu (zaćma).

Oddziaływanie pól elektromagnetycznych Efekty termiczne – część energii jest pochłonięta i zamieniona na ciepło. Progowa gęstość mocy wynosi około 10mW/cm2.. Ze wzrostem długości fali wartości te wyraźnie wzrastają co wiąże się z zależnością współczynnika pochłaniania energii elektromagnetycznej od częstotliwości.

Oddziaływanie pól elektromagnetycznych Ciepło powstające w tkankach pod wpływem pola elektromagnetycznego wytwarzane jest w dwóch procesach: przepływu nośników ładunku przez ośrodek o pewnym oporze i obrotu dipoli cząsteczkowych w ośrodku lepkim

Oddziaływanie pól elektromagnetycznych Efekty termiczne w tkankach wywołane przepływem prądów wysokiej częstotliwości są wykorzystywane w praktyce medycznej jako diatermia. Obecnie prawie wyłącznie stosowane są aparaty krótkofalowe i mikrofalowe. Zastosowanie diatermii: przewlekłe stany zapalne mięśni, tkanki łącznej, stawów i nerwów.

Oddziaływanie pól elektromagnetycznych Różnica między diatermią a innymi metodami ciepłolecznictwa polega na tym, że w przypadku diatermii ciepło wytwarzane jest przede wszystkim wewnątrz tkanek, a nie doprowadzane z zewnątrz. Skutki diatermii: rozszerzenie naczyń krwionośnych, zmniejszenie pobudliwości nerwowo- mięśniowej, zmniejszenie napięcia mięśni, przyspieszenie procesów wchłaniania tkankowego, działanie przeciw bólowe i inne.

Oddziaływanie pól elektromagnetycznych Doświadczenia wykazały, że promieniowanie elektromagnetyczne wpływa na przebieg wielu procesów biologicznych nawet znacznie poniżej efektu termicznego (10 mW/cm2)

Oddziaływanie pól elektromagnetycznych Zmiany morfologiczne Oparzenia, martwice tkanek, degeneracja komórek Najwrażliwsze są tkanki obwodowego i ośrodkowego UN Zmiany w układzie sercowo-naczyniowym Działanie mutagenne Zmniejszenie płodności

Metody ochrony Bierne: organizacja pracy, automatyzacja, skracanie czasu pracy, zakaz pracy poniżej 18 l., kobiet w ciąży, okresowe badania lekarskie. Czynne: Ekranowanie za pomocą blach, siatek, anteny, odzież ochronna konstrukcja urządzeń. Widmo fal elektromagnetycznych dzieli się na cztery zakresy – w zależności od częstotliwości i dla każdego zakresu określa się dopuszczalny czas przebywania w zależności od występującego w danej strefie natężenia

Oddziaływanie pól elektromagnetycznych Należy pamiętać, że pola elektromagnetyczne generowane są przez: Radiotelefony (komórki) Odbiorniki radiowe i telewizyjne Kuchenki mikrofalowe Komputery

Biopotencjały Funkcjonowaniu żywych narządów towarzyszy występowanie potencjałów elektrycznych. Różnice potencjałów występuje pomiędzy wewnętrzną i zewnętrzną stroną błony komórkowej. Różnica ta w zależności od rodzaju komórki wynosi około 40-100 mV. Dla większości neuronów wynosi ona od -40 do -75 mV.

Metody badania biopotencjalów Elektrokardiografia EKG – metoda rejestrowania zmian prądów i różnic potencjałów czynnościowych wytwarzanych przez układ bodźcotwórczo-przewodzący w mięśniu sercowym w czasie jego czynności. Elektroencefalografia EEG – metoda badania polegająca na odbiorze prądów czynnościowych mózgu z różnych okolic czaszki lub mózgu. Elektromiografia EMG – metoda badania i rejestracji zjawisk bioelektrycznych (prądów czynnościowych) zachodzących w mięśniach podczas ich pracy.

Historia EKG Standardowe odprowadzenia I, II, III zostały zaproponowane przez Willema Einthovena, który w 1912 r. przy ich pomocy wyznaczył tzw. "trójkąt Einthovena". Za opracowanie pierwszego aparatu do EKG Willem Einthoven otrzymał Nagrodę Nobla w 1924 roku. W 1934 przez połączenie drutów do prawego i lewego ramienia oraz lewej stopy z opornikiem 5000 omów Frank Wilson zdefiniował "elektrodę obojętną".

Aparat EKG Willema Einthovena

Trójkąt Einthowena commons.wikimedia.org/ wiki/File:ECG-Einthoven...

EKG http://www.forumzdrowia.pl/index.php?id=322&art=874 Linia izoelektryczna Linia izoelektryczna jest poziomą, podstawową linią zapisu elektrokardiografu, zarejestrowaną w czasie, gdy serce nie wykazuje aktywności elektrycznej. Służy jako układ odniesienia dla amplitud załamków i położenia odcinków. Najprostszym sposobem wyznaczenia linii podstawowej jest poprowadzenie linii prostej przez odcinek PQ lub odcinek TP. Załamek P Załamek P to pierwszy załamek podczas cyklu pracy serca. Delikatnie zaokrąglony, skierowany przeważnie ku górze, odzwierciedla depolaryzację oraz skurcz przedsionków. Jego część wstępująca odpowiada pobudzeniu prawego, a część zstępująca - lewego przedsionka. Czas trwania prawidłowego załamka P wynosi od 0,04 do 0,11 s, a amplituda - do 2,5 mm (0,25 mV) w odprowadzeniach kończynowych i do 3 mm (0,3 mV) w odprowadzeniach przedsercowych. Prawidłowy załamek P jest dodatni w odprowadzeniach I, II, aVF i V2-V6, najczęściej dodatni w odprowadzeniu III, ujemny w aVR, przeważnie płaski w aVL, a w odprowadzeniu V1 - dodatni, dwufazowy lub ujemny. Na podstawie załamków P wnioskujemy, czy rytm prowadzący był wygenerowany prawidłowo, czyli w węźle zatokowym. Cechą rytmu zatokowego jest obecność dodatnich załamków P w odprowadzeniach I i II oraz ujemnych w odprowadzeniu aVR. Odcinek PQ Odcinek PQ jest częścią krzywej EKG pomiędzy końcem załamka P a początkiem pierwszego wychylenia zespołu QRS. Odpowiada on okresowi repolaryzacji przedsionków. W prawidłowym elektrokardiogramie przebiega w osi izoelektrycznej, a czas jego trwania wynosi od 0,04 s do 0,10 s. Odstęp PQ Odstęp PQ to odległość między początkiem załamka P a początkiem zespołu QRS. Stanowi on odzwierciedlenie czasu szerzenia się depolaryzacji z przedsionków do komór, na który składają się czas przewodzenia bodźca przez prawy przedsionek, węzeł przedsionkowo-komorowy, pęczek Hisa i jego odnogi, włókna Purkiniego, aż do komórek roboczych mięśnia sercowego. Prawidłowy czas trwania odstępu PQ mieści się w granicach od 0,12 s do 0,20 s. Przy określaniu górnej granicy czasu trwania odstępu PQ należy uwzględnić, iż zależy ona od wieku i częstotliwości rytmu pracy serca. W piśmiennictwie anglosaskim stosowane jest określenie odcinek/odstęp PR. Zespół QRS Mianem zespołu QRS określa się 3 kolejne wychylenia następujące po załamku P. W jego skład wchodzą załamki: ujemny - Q, dodatni - R i drugi ujemny - S. Po załamku R może pojawić się drugi załamek dodatni, oznaczany literą R`, oraz kolejny załamek ujemny, oznaczany literą S`. Zespół QRS stanowi elektrokardiograficzny wykładnik depolaryzacji mięśnia komór. Norma czasu trwania całego zespołu QRS mieści się w granicach od 0,06 s do 0,10 s. Amplituda zespołu w odprowadzeniach kończynowych jest nie mniejsza niż 5 mm i nie większa niż 24 mm, a w odprowadzeniach przedsercowych - odpowiednio 8 mm i 24 mm. Zespoły QRS są zwykle dodatnie w odprowadzeniach I, II, aVL, V4-V6, a ujemne w odprowadzeniach V1-V3. Przy opisie, w celu zaznaczenia wartości amplitudy załamków, stosuje się duże litery (Q, R, S) - gdy amplituda załamka przekracza 5 mm, lub małe litery (q, r, s) - gdy amplituda załamka nie przekracza wartości 5 mm. Załamek Q jest pierwszym ujemnym wychyleniem zespołu QRS. Prawidłowy załamek Q rozpoznaje się, gdy czas jego trwania jest mniejszy od wartości 0,04, a jego amplituda nie osiąga 1/4 amplitudy załamka R w odprowadzeniach przedsercowych i kończynowych dwubiegunowych. Należy jednak pamiętać, że kryteria patologicznego załamka Q ulegają zmianie i aktualnie są już nieco bardziej skomplikowane. W odprowadzeniu aVR szeroki, przekraczający 0,04 s załamek Q jest zjawiskiem w pełni fizjologicznym. Załamek R stanowi pierwsze dodatnie wychylenie zespołu QRS. Zespół QRS, w którym brak załamka R, nosi nazwę zespołu QS. Amplituda załamków R nie powinna przekraczać 20 mm w odprowadzeniach I, II, III i aVF, 11 mm - w aVL, 7 mm - w V1 i 26 mm - w V5 i V6. Wysokość załamka R w odprowadzeniach przedsercowych wzrasta stopniowo od V1 do V5 i nieznacznie maleje w V6. Załamkiem S określa się pierwsze ujemne wychylenie występujące po załamku R. Głębokość załamka S w odprowadzeniach przedsercowych stopniowo maleje od V1 do V6. Często załamek S nie występuje w odprowadzeniach V5 i V6. Czas pobudzenia istotnego Czas pobudzenia istotnego, zwany również czasem ujemnego zwrotu, jest fragmentem zespołu QRS od początku pobudzenia komór (wyrażonego początkiem zespołu QRS) do szczytu ostatniego załamka R. Czas pobudzenia istotnego mierzy się wyłącznie w odprowadzeniach przedsercowych. Jest miarą szybkości przewodzenia i grubości mięśnia sercowego. Według definicji, jest to czas niezbędny, aby pobudzenie elektryczne przebyło drogę przez całą grubość mięśnia sercowego: od wsierdzia do warstwy nasierdziowej. Czas zwrotu ujemnego jest różny nad prawą i lewą komorą. W warunkach prawidłowych nie przekracza 0,035 s w odprowadzeniach prawokomorowych V1 i V2 oraz 0,045 s w odprowadzeniach lewokomorowych V5 i V6. Punkt łączący J Punkt J znajduje się w miejscu, w którym kończy się zespół QRS i rozpoczyna odcinek ST. W prawidłowych elektrokardiogramach przemieszczenie punktu łączącego nie powinno przekraczać 1 mm w górę lub w dół od linii izoelektrycznej. Wariantem normy jest również wyższe odejście punktu J w odprowadzeniach przedsercowych prawokomorowych V1 i V2 w tzw. zespole wczesnej repolaryzacji. Odcinek ST Odcinek ST definiuje się jako odległość między załamkiem S a początkiem załamka T. Reprezentuje w zapisie krzywej EKG czas, który upływa pomiędzy depolaryzacją komór a początkiem okresu repolaryzacji, oraz okres powolnej repolaryzacji. Prawidłowy odcinek ST trwa od 0,02 do 0,12 s i jest położony w linii izoelektrycznej z odchyleniem od niej nie przekraczającym 0,5 mm w dół (w każdym odprowadzeniu) oraz 1 mm w górę w odprowadzeniach kończynowych i 2 mm w górę w odprowadzeniach przedsercowych. Załamek T Stanowi on zaokrąglony, skierowany zazwyczaj ku górze, załamek występujący zaraz po zespole QRS. Reprezentuje właściwą, szybką repolaryzację komór. Czas trwania prawidłowego załamka T mieści się w granicach od 0,12 s do 0,16 s. Nie ma natomiast ściśle wyznaczonych norm amplitudy załamka T. Przyjmuje się, że w odprowadzeniach kończynowych dwubiegunowych nie powinna być ona większa od 5 mm, a w odprowadzeniach przedsercowych nie powinna przekraczać wartości 10 mm. Prawidłowe załamki T są zawsze dodatnie w odprowadzeniu I, prawie zawsze dodatnie lub izoelektryczne (płaskie) w odprowadzeniu II oraz dodatnie, dwufazowe lub ujemne, w odprowadzeniu III, aVL i aVF. W odprowadzeniu aVR załamki T są zawsze ujemne, a w odprowadzeniach przedsercowych V1-V6 - prawie zawsze dodatnie. Odstęp QT Odstęp QT jest fragmentem krzywej EKG mierzonym od początku zespołu QRS do końca załamka T. Odpowiada czasowi trwania całkowitej aktywności elektrycznej komór (czyli depolaryzacji i repolaryzacji). W warunkach prawidłowych czas trwania odstępu QT zależy od częstotliwości rytmu serca, płci, wieku i stanu napięcia autonomicznego serca. Do przeliczenia wartości uzyskanej z EKG na skorygowany odstęp QT można stosować znane formuły matematyczne, np. regułę Bazetta: QTc = QT/RR0,5. Przyjmuje się, że otrzymana wartość nie powinna przekraczać 0,44 s. Reguła ta ma jednak dość słabe podstawy empiryczne. W Tabeli przedstawiono sumaryczne charakterystyki poszczególnych składowych krzywej EKG. Tabela 1. Prawidłowe czasy trwania i amplitudy podstawowych składowych krzywej elektrokardiograficznej. składowa krzywej EKG czas trwania [s] amplituda [mm] załamki załamek P 0,04-0,11 <2,5* <3,0** załamek T 0,12-0,16 <5,0* <10,0** zespół QRS 0,06-0,10 5,0-24,0* 8,0-24,0** czas pobudzenia istotnego prawokomorowy <0,035 lewokomorowy <0,045 odstępy odstęp PQ 0,12-0,20 odstęp QT skorygowany <0,44 odcinki odcinek PQ 0,04-0,10 odcinek ST 0,02-0,12 * w odprowadzeniach kończynowych ** w odprowadzeniach przedsercowych Odcinek TP

Elektromiografia (EMG) 1666 pierwsza udokumentowana praca o elektryczności generowanej przez mięsień węgorza Francesco Redi (1626-1697)

AMPLITUDA EMG kilka µV do kilku mv

AMPLITUDA EMG

po aproksymacji jako sygnał sterujący pracą mieśni AMPLITUDA EMG po aproksymacji jako sygnał sterujący pracą mieśni