Fysiologiska effekter av elektrisk ström. Linda Rattfält

Transkript

1 Fysiologiska effekter av elektrisk ström Linda Rattfält

2 ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström 16 MARCH Fysiologisk reaktion på elektrisk ström Muskelsammandragning genom nerv- eller muskelstimulering Stimulerar sensoriska nerver för att hjälpa till vid behandling av smärta Skapar ett elektriskt fält i biologiska vävnader för att stimulera eller ändra läkningsprocessen Skapar ett elektriskt fält på hudytan för att driva joner in i eller genom huden Typ och omfattning av fysiologisk respons beroende av: Typ av vävnad som stimuleras Egenskaper hos den elektriska ström som används

3 ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström 16 MARCH Eftersom elektricitet rör sig genom kroppens ledande medium, kan förändringar i den fysiologiska funktionen ske på flera nivåer Cellulär Vävnad Segment Systematisk

4 ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström 16 MARCH Effekter på cellnivå Excitation av nervceller Förändringar i cellmembranpermeabilitet

5 Effekter på vävnadsnivå Kontraktion av skelettmuskulatur Kontraktion av glattmuskulatur

6 Effekter på segmentnivå Ändring av rörlighet i kroppens leder

7 Fysiologisk reaktion på elektrisk ström Effekter kan vara direkta eller indirekta Direkta effekter uppstår utmed strömflödeslinjer och under elektroder Indirekta effekter uppstår i avlägsna områden till strömflödeslinjer och är oftast resultatet av en stimulering orsakad av en naturlig fysiologisk händelse

8 Muskel- och nervsvar på elektrisk ström Retbarhet beroende av cellmembranets spänningskänsliga permeabilitet Producerar ojämna fördelningen av laddade joner på varje sida av membranet Skapar en potentialskillnad mellan insidan och utsidan av cellen Potentialskillnaden är känd som vilopotential Cellen försöker upprätthålla en elektrokemisk gradient likt sin normala homeostatiska miljö

9 ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström 16 MARCH

10 Jontransport över cellmembranet kan vara passiv eller aktiv

11 ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström 16 MARCH Signalering över cellmembranet Cellen reagerar på yttre stimuli genom att potentialskillnaden över cellmembranet rubbas. Det sker genom att en sk aktionspotential genereras. För nervvävnad innebär det att en signal förs vidare från hjärnan till tex en muskel. I muskelvävnad sker en kontraktion till följd av aktionspotentialen

12 ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström 16 MARCH Aktionspotentialens utseende

13 ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström 16 MARCH

14 ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström 16 MARCH

15 ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström 16 MARCH

16 ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström 16 MARCH

17 ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström 16 MARCH Stimuli vs aktionspotential

18 ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström 16 MARCH Elektrofysiologiska mätningar möjliggörs Dessa små lokala laddningsförskjutningar kan mätas och tex summeras över ett organ och möjliggör att vi tex kan mäta EKG, EEG, EMG, OEG mm. Elektroder placeras på huden för att fånga upp signalen. De mäts typiskt mellan två eller fler avledningar och mätes differentiellt.

19 Wallers patient Jimmy

20 ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström 16 MARCH Gränssnittet mellan hud och elektrod Översta lagret av epidermis heter stratum corneum och leder ström väldigt dåligt. Signalen förlorar i styrka. Genom att väta huden och/eller skrapa bort det översta lagret hud kan impedansen minskas drastiskt!

21 Impedans vid strippad hud 21

22 ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström 16 MARCH Men vad händer om stimulit kommer utifrån? Minskad impedans i huden gör oss också mer mottagliga för strömmar utifrån som kan störa den inneboende signaleringen. Tex kan muskelvävnad beröras direkt (ryckningar i benen) Nervvävnad stimuleras så att dess effektor stimuleras. För exempelvis hjärtat kan detta vara livshotande! Man slår ut hjärtats inneboende funktion i retledningssystemet (flimmer).

23 Effekter av ändringar i strömparametrar AC vs DC Vävnadsimpedans Strömtäthet Frekvens av våg eller puls Intensitet av våg eller puls Varaktighet för våg eller puls Polariteten av elektroderna Elektrodplacering

24 AC vs DC Största skillnaden mellan effekterna av AC-och DC är förmågan hos DC att förorsaka kemiska förändringar Kemiska effekter uppträder vanligen först när kontinuerlig likström appliceras över en tidsperiod

25 Vävnadsimpedans Impedans = resistansen hos vävnaden mot passage av elektrisk ström. Ben och fett, yttre delen av huden = hög impedans Nerv och muskel = låg impedans

26 ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström 16 MARCH

27 Styrka vs varaktighet av stimuli Formen på kurvan Avser vilken intensiteten av elektriska impulser (styrka) och tid (duration) som krävs för att orsaka depolarisation av muskelvävnad

28 Strömtäthet Strömtäthet relaterar till mängden av ström i vävnaderna Strömtätheten är störst vid ytan och minskar i djupare vävnad

29 Strömtäthet Om man flyttar elektroder längre ifrån varandra ökar strömtätheten i djupare vävnader

30 Strömtäthet Under en liten elektrod är strömtätheten större. Under en större elektrod är strömtätheten lägre.

31 Frekvens Frivillig muskelkontraktion framkallar asynkron bränning av motorenheterna Förlänger uppkomsten av trötthet på grund av rekryteringen av inaktiva motoriska enheter Elektriskt inducerad muskelsammandragning kan framkalla synkron bränning av motorenheterna Samma motorenhet stimuleras, och därför är snabbt insättande av trötthet Olika frekvenser påverkar oss i olika hög grad.

32 ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström 16 MARCH Elsäkerhet är viktigt!

33 Fysiologiska effekter av elektricitet För att elektricitet skall ha en effekt på den mänskliga kroppen: En elektrisk potentialskillnad måste uppstå Den som påverkas måste vara en del av den elektriska kretsen, en ström måste gå in i kroppen vid en punkt och lämna den på en annan. Men det som ger upphov till fysiologiska effekter är inte spänningen, utan snarare STRÖMMEN. En hög spänning ( 10^3V) som appliceras över en stor impedans (grov hud) orsakar sällan någon skada En låg spänning applicerad över en mycket liten impedans (hjärtvävnad) kan ge allvarliga konsekvenser (ventrikelflimmer)

34 ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström 16 MARCH forts. Storleken av strömmen är enkelt den pålagda spänningen dividerad med det totala effektiva impedansen mellan de aktuella punkterna Elektricitet kan uppvisa en av tre effekter: Elektrisk stimulering av exciterbara vävnader (muskler, nerver) Resistiv uppvärmning av vävnad Elektriska brännskador / vävnadsskada för likström och höga spänningar

35 Fysiologiska effekter av elektricitet Förnimmelse: Den minsta ström som en individ kan uppleva. För AC ( med våta händer ) kan vara så liten som 0,5 ma vid 60 Hz. För DC, 2 ~ 10 ma Let- go ström: Den maximala ström som man kan frivilligt kan släppa. 6 ~ 100 ma, där ofrivilliga muskelsammandragningar, reflexer, sekundära fysiska effekter (faller, slår i huvudet ) kan förekomma Andningsförlamning/ smärta / trötthet: Redan vid 20 ma, kan ofrivilliga sammandragningar av andningsmuskulaturen orsaka kvävning / andningsstillestånd, om den inte avbryts. Starka ofrivillig sammandragningar av andra muskler kan orsaka smärta och trötthet Ventrikelflimmer: 75 ~ 400 ma kan orsaka att hjärtmusklen drar ihop sig okontrollerat, förändrar den normala fortledningen av den elektriska aktiviteten i hjärtat. HR kan stiga till till 300 slag per minut, snabb, oorganiserade och för högt för att meningsfullt pumpa rätt mängd blod => ventrikelflimmer. Ihållande myokardiell kontraktion / Brännskador och fysisk skada: Vid 1 ~ 6 A kan hela hjärtmuskeln kontraheras och hjärtat slutar slå. Detta åstadkommer inte en irreversibel vävnadsskada, emellertid, den normala rytmen återkommer så snart strömmen avlägsnats. Vid 10A eller mer, kan brännskador uppstå, särskilt vid kontaktställena.

36 Fysiologiska effekter av elektricitet Den verkliga fysiologiska effekten beror på den aktuella vägen som strömmen tar. Fysiologiska effekter av elektricitet. Tröskel eller beräknade medelvärden anges för varje effekt för en människa på 70 kg under en 1 till 3 s exponering av 60 Hz ström, applicerad via koppartrådar till händerna.

37 Frekvenssvar för förnimmelse och let-go -strömmen 37

38 Tröskel för ventrikelflimmer 38

39 Fysiologiskt viktiga parametrar Elektriska kontaktpunkter Storleken av den ström som krävs för att fibrillera hjärtat är mycket större, om strömmen inte appliceras direkt på hjärtat; externt applicerad ström förlorar mycket av dess amplitud beror på strömfördelningar. Stora, externt tillämpade strömmar orsakar macroshock. Om katetrar används, försvinner det naturliga skydd som huden (15 kω ~ 2 MΩ) utgör, vilket normalt minskar den ström som kan orsaka flimmer. Även de minsta strömmarna (80 ~ 600 μa), kan orsaka microshock och därmed flimmer. Gränsen för mikrochocker är 10 μa. Den exakta elektriska kontaktpunkten är mycket viktig: Om båda punkter för anslutning är på samma extremitet, är risken för flimmer kraftig minskad även vid höga strömmar.

40 Macroshock och microshock Effekt av anslutning (a) Macroshock, strömmen sprider sig genom hela kroppen. (b) Microshock, all ström som anbringas genom en intrakardiell kateter passerar genom hjärtat.

41 Makroshock De flesta elektriska apparater har ett metallhölje, som utgör en fara i händelse av bristfällig isolering eller en kortslutning mellan fasen och och chassit. Det är då ~ 230 V mellan chassit och alla andra jordade föremål. Det första naturliga försvaret hos patienten är huden. Det yttre lagret uppvisar en impedans på 15 kω till 1 MΩ beroende på del av kroppen, fukt och andra kroppsvätskor, endast 1 % av den för torr hud om huden är skadad, Bulkmotståndet i kroppen är 200Ω för varje extremitet, och 100Ω för bålen, dvs en inre resistans mellan två ben är ungefär 500Ω! Varje förfarande som minskar eller eliminerar hudmotståndet ökar risken för elektriska stötar, inklusive elektrodgel, elektroniska termometrar som placeras i öron, mun, ändtarm, intravenösa katetrar, etc. En tredje kabel, som jordas, kan kraftigt minska effekten av macroshock, eftersom motståndet i den skulle vara mycket mindre än kroppen motstånd!

42 Effekter av makroshock 42

43 Makroshock risker Direkta fel mellan fasledaren och jord är inte vanliga, och tekniskt sett är jordanslutning inte nödvändig vid normal drift. I själva verket kommer ett jordfel inte att detekteras vid normal drift av anordningen, endast när någon vidrör det blir risken känd. Därför måste jordledning i apparater och behållare regelbundet testas.

44 Vägar till hjärtat Pacemakerkablar Intrakardiella elektroder Vätskefyllda katetrar för: Blodtrycksmätning Blodtagning Injektion av medicin eller kontrast Jordloopar och oavsiktliga läckströmsvägar

45 Speciellt känsliga perioder 45

46 Mikroshockrisker Små strömmar passerar mellan angränsande isolerade ledare vid olika potentialer => läckströmmar som flyter genom strökapacitanser, isolering, damm och fukt Läckströmmen passerar till chassit och transporteras säkert till jord, om en lågresistiv jordledning är tillgänglig.

47 Mikroshock risker Om jordledningen är bruten, stiger chassipotentialen över jordplanet och en patient som har en jordad anslutning till hjärtat (t.ex. genom en kateter) tar emot en microshock om han / hon rör vid chassit. Om det finns en anslutning från chassit till patientens hjärta, och en anslutning till jordplanet var som helst i kroppen så orsakar det också microshock.

48 SKYDDSJORDNING! Den ledning som är ansluten direkt till jordplanet medger följande: händelse av ett fel (kortslutning mellan strömförande ledare och metallhölje), kommer en stor ström att passera genom jordledning (i stället för patienten) och inte bara skydda patienten, men också leda till att säkringen utlöses. Förmågan hos skyddsjordsystemet att leda stora strömmar till jord är avgörande för att det ska fungera! Om inget fel föreligger, fungerar jordledningen som en väg för den evntuella läckström som går tillbaka till den strömkällan, så länge som skyddsjordningen har en låg resistans. Läckströmmens storlek har fastställts för att förhindra skador då skyddsjordningen inte fungerar och patienten vidrör en elektriskt aktiv yta (10 ~ 100 μa).

49 Testning av elektriska apparater Skyddsjord--till-chassi motstånd: Bör vara <0.15Ω under användningstiden för apparaten

50 Testning av elektriska apparater Läckström i patientledningar: Potentiellt mest skadliga läckaget är den med patientens egna ledningar, eftersom de vanligtvis har låg impedans i anslutningarna Strömmen bör begränsas till 50 μa för icke-isolerade ledningar och till 10 μa för isolerade ledningar (används med katetrar / elektroder som gör anslutning till hjärtat) Läckström mellan två ledningar, eller mellan en enskild ledning och andra patientanslutningar bör också kontrolleras Läckage då nätspänning förekommer på patienten bör också begränsas.

51 Klass 1 Utrustning där skyddet mot elchock inte enbart förlitar sig på grundisolering. Den innehåller någon form av extra säkerhetsåtgärd, vilket innebär att anslutning av utrustningen till skyddsjordledare i den fasta installationens ledningar skall vara på ett sådant sätt att åtkomliga metalldelar inte kan bli strömförande i händelse av ett fel i den grundläggande isoleringen

52 Klass 2 Utrustning där skyddet mot elchock inte enbart förlitar sig på grundisolering, utan i vilken ytterligare säkerhetsåtgärder såsom dubbel isolering eller förstärkt isolering finns. Det finns dock inga bestämmelser för skyddsjordning eller tillit till installationsförhållanden

53 Typ B Body Utrustning som ger en viss grad av skydd mot elektriska stötar, särskilt beträffande: Tillåten läckström Tillförlitlighet för skyddsjordning om den finns

54 Typ BF Body floating Utrustning av BF-typ, den använda delen är isolerad från alla andra delar av utrustningen i en sådan grad att patientens tillåtna läckström vid ett första fel inte överskrids när en spänning lika med 1,1 gånger den högst rankade nätspänningen appliceras mellan den använda delen & jord

55 Typ CF Cardiac floating Utrustning som ger ett visst skydd högre än för typ BFutrustning mot elektriska stötar i synnerhet avseende tillåtna läckströmmar, och som har en F-typ använd del

56 5 Symbols

57 Gränser för tillåtna läckströmmar Läckström Vid normalfall (ma) Vid felfall (ma) B BF CF B BF CF Jordläckström Höljets läckström Patientläckström

58