Fysiologiska effekter av elektrisk ströminsidan.imt.liu.se/edu/ete034/forelasningar/pdf/...ETE034...

Fysiologiska effekter av elektrisk ström

Linda Rattfält

15 MARCH 2017 2ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström

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 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

15 MARCH 2017 3ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström

• Eftersom elektricitet rör sig genom kroppens ledande medium, kan förändringar i den fysiologiska funktionen ske på flera nivåer

• Cellulär

• Vävnad

• Segment

• System

Effekter på cellnivå

15 MARCH 2017 4ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström

• Excitation av nervceller

• Förändringar i cellmembranpermeabilitet

Effekter på vävnadsnivå• Kontraktion av skelettmuskulatur

• Kontraktion av glattmuskulatur

Effekter på segmentnivå• Ändring av rörlighet i kroppens leder

Muskel- och nervsvar på elektrisk ström• Retbarhet beroende av cellmembranets

spänningskänsliga permeabilitet

– Producerar ojämna fördelningen av laddade jonerpå varje sida av membranet

• Skapar en potentialskillnad mellan insidan ochutsidan av cellen

– Potentialskillnaden är känd som vilopotential– Cellen försöker upprätthålla en elektrokemisk

gradient likt sin normala homeostatiska miljö

15 MARCH 2017 9ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström

Jontransport över cellmembranet kan varapassiv eller aktiv

Signalering över cellmembranet

15 MARCH 2017 11ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström

• 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

Aktionspotentialens utseende

15 MARCH 2017 12ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström

15 MARCH 2017 13ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström

15 MARCH 2017 14ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström

15 MARCH 2017 15ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström

15 MARCH 2017 16ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström

Stimuli vs aktionspotential

15 MARCH 2017 17ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström

Elektrofysiologiska mätningar möjliggörs

15 MARCH 2017 18ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström

• 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.

Wallers patient Jimmy

Gränssnittet mellan hud och elektrod

15 MARCH 2017 20ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström

• 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!

Impedans vid strippad hud

21

Men vad händer om stimulit kommer utifrån?

15 MARCH 2017 22ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström

• 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).

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

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

Vävnadsimpedans• Impedans = resistansen hos vävnaden mot passage

av elektrisk ström.

– Ben och fett, yttre delen av huden = hög impedans

– Nerv och muskel = låg impedans

15 MARCH 2017 26ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström

Styrka vs varaktighet av stimuli• Formen på kurvan

• Avser vilken intensiteten av elektriska impulser(styrka) och tid (duration) som krävs för att orsakadepolarisation av muskelvävnad

Strömtäthet• Strömtäthet relaterar till mängden av ström i

vävnaderna

• Strömtätheten är störst vid ytan och minskar idjupare vävnad

StrömtäthetOm man flyttar elektroder längre ifrån varandra ökarströmtätheten i djupare vävnader

Strömtäthet• Under en liten elektrod är strömtätheten större.

• Under en större elektrod är strömtätheten lägre.

Frekvens• Frivillig muskelkontraktion framkallar asynkron

bränning av motorenheterna

– Förlänger uppkomsten av trötthet på grund avrekryteringen av inaktiva motoriska enheter

• Elektriskt inducerad muskelsammandragning kanframkalla synkron bränning av motorenheterna

– Samma motorenhet stimuleras, och därför ärsnabbt insättande av trötthet

• Olika frekvenser påverkar oss i olika hög grad.

Elsäkerhet är viktigt!

15 MARCH 2017 32ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström

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 elektriskakretsen, en ström måste gå in i kroppen vid en punkt ochlämna den på en annan.

• Men det som ger upphov till fysiologiska effekter är intespänningen, utan snarare STRÖMMEN.

– En hög spänning (≈10^3V) som appliceras över en storimpedans (grov hud) orsakar sällan någon skada

– En låg spänning applicerad över en mycket liten impedans(hjärtvävnad) kan ge allvarliga konsekvenser(ventrikelflimmer)

forts.

15 MARCH 2017 34ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström

• Storleken av strömmen är enkelt den pålagdaspänningen dividerad med det totala effektivaimpedansen 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 förlikström och höga spänningar

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 , därofrivilliga muskelsammandragningar , reflexer, sekundära fysiska effekter (faller , slår i huvudet ) kan förekomma

• Andningsförlamning/ smärta / trötthet: Redan vid 20 mA , kan ofrivilligasammandragningar av andningsmuskulaturen orsaka kvävning / andningsstillestånd , om den inteavbryts . 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 irreversibelvävnadsskada, emellertid, den normala rytmen återkommer så snart strömmen avlägsnats. Vid 10A eller mer, kan brännskador uppstå, särskilt vid kontaktställena.

Fysiologiska effekter av elektricitet

Fysiologiska effekter av elektricitet. Tröskel eller beräknade medelvärdenanges för varje effekt för en människa på 70 kg under en 1 till 3 s exponeringav 60 Hz ström, applicerad via koppartrådar till händerna.

Den verkliga fysiologiska effekten beror på den aktuella vägen som strömmen tar.

Frekvenssvar för förnimmelse och “let-go”-strömmen

37

Tröskel för ventrikelflimmer

38

Fysiologiskt viktiga parametrar• Elektriska kontaktpunkter

– Storleken av den ström som krävs för att fibrillera hjärtat ärmycket större, om strömmen inte appliceras direkt påhjärtat; externt applicerad ström förlorar mycket av dessamplitud beror på strömfördelningar. Stora, externttillämpade strömmar orsakar macroshock.

– Om katetrar används, försvinner det naturliga skydd somhuden (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, ärrisken för flimmer kraftig minskad även vid höga strömmar.

Macroshock och microshock

Effekt av anslutning (a) Macroshock, strömmen sprider sig genom helakroppen. (b) Microshock, all ström som anbringas genom en intrakardiellkateter passerar genom hjärtat.

Makroshock• De flesta elektriska apparater har ett metallhölje, som utgör en fara i

händelse av bristfällig isolering eller en kortslutning mellan fasen ochoch chassit. Det är då ~ 230 V mellan chassit och alla andra jordadeföremål.

• 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 hudom huden är skadad,

– Bulkmotståndet i kroppen är 200Ω för varje extremitet, och 100Ω förbålen, dvs en inre resistans mellan två ben är ungefär 500Ω!

– Varje förfarande som minskar eller eliminerar hudmotståndet ökar riskenför elektriska stötar, inklusive elektrodgel, elektroniska termometrar somplaceras i öron, mun, ändtarm, intravenösa katetrar , etc.

• En tredje kabel, som jordas, kan kraftigt minska effekten avmacroshock, eftersom motståndet i den skulle vara mycket mindre änkroppen motstånd!

Effekter av makroshock

42

Makroshock risker• Direkta fel mellan fasledaren

och jord är inte vanliga, ochtekniskt sett är jordanslutninginte nödvändig vid normal drift.

• I själva verket kommer ettjordfel inte att detekteras vid normal drift av anordningen, endast när någon vidrör detblir risken känd. Därför måstejordledning i apparater ochbehållare regelbundet testas.

Vägar till hjärtat• Pacemakerkablar• Intrakardiella elektroder• Vätskefyllda katetrar för:

– Blodtrycksmätning– Blodtagning– Injektion av medicin eller kontrast

• Jordloopar och oavsiktliga läckströmsvägar

Speciellt känsliga perioder

45

Mikroshockrisker

Små strömmar passerar mellan angränsande isolerade ledare vid olikapotentialer => läckströmmar som flyter genom strökapacitanser, isolering, damm och fukt

Läckströmmen passerar till chassit och transporteras säkert till jord, om en lågresistiv jordledning är tillgänglig.

Mikroshock risker

Om jordledningen är bruten, stiger chassipotentialen över jordplanet ochen 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 ocksåmicroshock.

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 (istället för patienten) och inte bara skydda patienten, men också leda till att säkringen utlöses. Förmågan hos skyddsjordsystemet att leda storaströmmar 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 somskyddsjordningen har en låg resistans.

• Läckströmmens storlek har fastställts för att förhindra skador dåskyddsjordningen inte fungerar och patienten vidrör en elektriskt aktivyta (10 ~ 100 μA).

Testning av elektriska apparater• Skyddsjord--till-chassi motstånd: Bör vara <0.15Ω

under användningstiden för apparaten

Testning av elektriska apparaterLäckström i patientledningar: • Potentiellt mest skadliga läckaget är den med patientens egna

ledningar, eftersom de vanligtvis har låg impedans ianslutningarna

• Strömmen bör begränsas till 50 μA för icke-isolerade ledningaroch till 10 μA för isolerade ledningar (används med katetrar / elektroder som gör anslutning till hjärtat)

• Läckström mellan två ledningar, eller mellan en enskild ledningoch andra patientanslutningar bör också kontrolleras

• Läckage då nätspänning förekommer på patienten bör ocksåbegränsas.

Klass 1Utrustning där skyddet mot elchock inte enbart förlitarsig på grundisolering. Den innehåller någon form avextra säkerhetsåtgärd, vilket innebär att anslutning avutrustningen till skyddsjordledare i den fastainstallationens ledningar skall vara på ett sådant sätt attåtkomliga metalldelar inte kan bli strömförande ihändelse av ett fel i den grundläggande isoleringen

Klass 2Utrustning där skyddet mot elchock inte enbart förlitarsig på grundisolering, utan i vilken ytterligaresäkerhetsåtgärder såsom dubbel isolering eller förstärktisolering finns. Det finns dock inga bestämmelser förskyddsjordning eller tillit till installationsförhållanden

Typ B – Body• Utrustning som ger en viss grad av skydd mot

elektriska stötar, särskilt beträffande: – Tillåten läckström– Tillförlitlighet för skyddsjordning om den finns

Typ BF – Body floatingUtrustning av BF-typ, den använda delen är isoleradfrån alla andra delar av utrustningen i en sådan grad attpatientens tillåtna läckström vid ett första fel inteöverskrids när en spänning lika med 1,1 gånger den högst rankade nätspänningen appliceras mellan den använda delen & jord

Typ CF – Cardiac floatingUtrustning som ger ett visst skydd högre än för typ BF-utrustning mot elektriska stötar i synnerhet avseendetillåtna läckströmmar, och som har en F-typ använd del

Symbols

5

Gränser för tillåtna läckströmmar

Läckström Vid normalfall (mA) Vid felfall (mA)

B BF CF B BF CF

Jordläckström 0.5 0.5 0.5 1 1 1

Höljets läckström 0.1 0.1 0.01 0.5 0.5 0.5

Patientläckström 0.1 0.1 0.01 0.5 0.5 0.05

www.liu.se