Fysiologiska effekter
av elektrisk ström
Linda Rattfält
ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström
15 MARCH 2017
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
2
ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström
15 MARCH 2017
• Eftersom elektricitet rör sig genom kroppens ledande
medium, kan förändringar i den fysiologiska
funktionen ske på flera nivåer
• Cellulär
• Vävnad
• Segment
• System
3
ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström
Effekter på cellnivå
• Excitation av nervceller
• Förändringar i cellmembranpermeabilitet
15 MARCH 2017
4
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 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
ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström
15 MARCH 2017
9
Jontransport över cellmembranet kan vara
passiv eller aktiv
ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström
15 MARCH 2017
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
11
ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström
Aktionspotentialens utseende
15 MARCH 2017
12
ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström
15 MARCH 2017
13
ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström
15 MARCH 2017
14
ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström
15 MARCH 2017
15
ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström
15 MARCH 2017
16
ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström
Stimuli vs aktionspotential
15 MARCH 2017
17
ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström
15 MARCH 2017
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.
18
Wallers patient Jimmy
ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström
15 MARCH 2017
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!
20
21
Impedans vid strippad hud
ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström
15 MARCH 2017
22
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).
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
ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström
15 MARCH 2017
26
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
Strömtäthet
• Strömtäthet relaterar till mängden av ström i
vävnaderna
• Strömtätheten är störst vid ytan och minskar i
djupare vävnad
Strömtäthet
Om man flyttar elektroder längre ifrån varandra ökar
strömtätheten 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 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.
ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström
Elsäkerhet är viktigt!
15 MARCH 2017
32
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)
ETE034 Fysiologiska effekter av elektrisk ström
15 MARCH 2017
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
34
Fysiologiska effekter av elektricitet
•
Förnimmelse: Den minsta ström som en individ kan uppleva. För AC ( med våta händer ) kan
•
Let- go ström: Den maximala ström som man kan frivilligt kan släppa. 6 ~ 100 mA , där
•
Andningsförlamning/ smärta / trötthet: Redan vid 20 mA , kan ofrivilliga
•
•
vara så liten som 0,5 mA vid 60 Hz . För DC , 2 ~ 10 mA
ofrivilliga muskelsammandragningar , reflexer, sekundära fysiska effekter (faller , slår i huvudet )
kan förekomma
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.
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
38
Tröskel för ventrikelflimmer
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.
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.
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
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.
Vägar till hjärtat
• Pacemakerkablar
• Intrakardiella elektroder
• Vätskefyllda katetrar för:
– Blodtrycksmätning
– Blodtagning
– Injektion av medicin eller kontrast
• Jordloopar och oavsiktliga läckströmsvägar
45
Speciellt känsliga perioder
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.
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.
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).
Testning av elektriska apparater
• Skyddsjord--till-chassi motstånd: Bör vara <0.15Ω
under användningstiden för apparaten
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.
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
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
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 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
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
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
