•‹#› •1 Biologické účinky elektrického proudu, elektromagnetických polí a neionizujícího záření BiStim Module sunburn cataract%20eye Jednotkou intenzity elektrického pole je volt na metr (V/m). Je to jednotka velmi malá – elektrické pole s intenzitou rovnou jednomu voltu na metr se vytvoří mezi dvěma rovnoběžnými rozměrnými („nekonečnými“) vodivými deskami vzdálenými od sebe jeden metr, jestliže je na desky připojeno elektrické napětí rovné jednomu voltu. Při zemském povrchu se trvale samovolně udržuje elektrické pole rovné za normálního počasí přibližně 140 voltům na metr. Před bouřkou a při bouřce však intenzita tohoto pole mnohonásobně vzroste. Elektrický průraz suchého vzduchu následovaný elektrickým výbojem nastane přibližně při elektrickém poli rovném třem miliónům voltů na metr. Při chůzi po koberci z umělé hmoty nebo z čisté vlny a často i při chůzi po podlaze z dobře izolující umělé hmoty se tělo člověka elektricky nabije tak, že mezi ním a zemí je napětí větší než deset tisíc voltů. •‹#› •2 Vedení elektrických proudů ve tkáních •Průchod proudu lidským tělem se řídí Kirchhoffovými zákony. Tkáňový odpor je proměnlivý. Nositeli proudu jsou ionty. •Můžeme rozlišit dva typy elektrické vodivosti tkáně. Cytoplasma a mezibuněčné prostředí se chová jako vodič druhého řádu, jehož rezistance nezávisí na frekvenci. Membránové struktury mají kapacitní vlastnosti, impedanci Z, v níž se uplatňuje rezistance R a kapacitance XC: 8-3 •‹#› •3 Měrný odpor tkání • •‹#› •4 Polarizace tkáně •Ve tkáních nejsou všechny náboje volné, často jsou vázány na makromolekuly, které jsou integrální součástí buněčných struktur a mají omezenou pohyblivost. Makromolekuly se chovají jako elektrické dipóly - různě orientované . •Působením zevního elektrického pole se dipóly orientují podle elektrického pole - dochází k jejich polarizaci. Vzniká vnitřní elektrické pole opačné polarity, a tím dochází ke snížení intenzity zevního elektrického pole. Natáčením polárních molekul vzniká posuvný proud. Mírou schopnosti látky vytvářet posuvný proud je permitivita e. •‹#› •5 Elektrická dráždivost •Dráždivost je obecnou vlastností živých systémů. U savců je nejvýraznější u tkáně nervové a svalové. Elektrická dráždivost - schopnost tkáně reagovat na elektrické podněty. Stejnosměrný proud má dráždivé účinky jen při náhlé změně •Podráždění je jev prahový, nastává až při dosažení určité prahové intenzity - reobáze. •Pro kvantifikaci dráždivosti je důležitější časový faktor: Chronaxie - doba potřebná k vyvoláni podráždění při intenzitě proudu rovné dvojnásobné reobázi. •Každý kosterní sval má charakteristickou chronaxii, podle jejíž změny lze určit stupeň postižení dráždivosti a tím i stupeň postižení svalu. Reobáze – prahová intenzita dráždícího impulzu – je nejnižší intenzita, kterou můžeme vyvolat podráždění (záškub) při dostatečně dlouhé době trvání impulzu Reobáze je odrazem změn dráždivosti, nízká reobáze znamená vysokou dráždivost a naopak. Chronaxie – je nejkratší doba potřebná k vyvolání podráždění, pokud dráždící impulz má intenzitu dvojnásobku reobáze. Stanovení hodnoty chronaxie svalů u člověka má význam v neurologické diagnostice. U rychle reagujících svalů je hodnota chronaxie kratší nežli je tomu u svalů reagujících pomalu. Proto při poruchách svalů nebo nervového systému je patrná změna chronaxie a dochází k deformaci I/t křivky, případně k jejímu posunutí nahoru doprava. Více o laboratorní úloze a měření I/t křivky bude pojednáno ve článku. •‹#› •6 Reobáze a chronaxie – I/t křivka •Nejkratší chronaxii mají kosterní svaly (< 1 ms), srdeční sval (5 ms), nejdelší chronaxii hladké svaly (50-700 ms). Chronaxie se odečítá z tzv. I/t křivky, závislosti intenzity proudového impulsu na jeho trvání. Mezi vnitřkem a vnějškem buněčné membrány můžeme změřit napětí okolo 60-90 mV. Při dráždění srdce elektrickými impulsy zjistíme, že není lhostejné, zda jsou dráždící impulsy krátkého či dlouhého trvání. Práh podráždění bude na délce stimulačních impulsů závislý a to tak, že čím je dráždící impuls delšího trvání, tím je potřebná intenzita proudu menší a naopak (Hoorweg-Weissova křivka). Pro měření dráždivosti byly vypracovány metodiky a zvoleny dvě veličiny - reobáze RE, což je nejmenší potřebná intenzita proudu, kterou srdce ještě podráždíme při velmi dlouhém dráždícím impulsu, a chronaxie CH, což je taková délka stimulačního impulsu, která odpovídá dráždícímu proudu, který je dvojnásobkem reobáze. K tomu, aby srdce mohlo plnit tuto svoji hlavni úlohu, tj. pumpovat krev bohatou na kyslík k ostatním organum lidského těla, potřebuje být rytmicky poháněno elektrickými impulsy. Ty vznikají normálně ve shluku buněk specializovaného převodního systému srdce, který se nazývá sinusový uzel a nachází se v horní části pravé srdeční síně. Odtud se elektricky vzruch šíří svalovinou obou síni do síňokomorového uzlu, který je umístěn v dolní části přepážky mezi oběma síněmi. •‹#› •7 Elektrotonus, elektrokinetické jevy •Nepřerušovaný =proud podráždění nezpůsobuje, může však vyvolat jeho změny. Toto působení =proudu se nazývá elektrotonus. ØV oblasti katody (-) dochází k zvýšení dráždivosti motorických nervů. Tento stav se nazývá katelektrotonus. ØV oblasti anody (+) je snížena dráždivost senzitivních nervů - anelektrotonus. ØVyužití při elektroterapii. Ø •Elektrokinetické jevy – pohyb iontů či rozpouštědla v elektrickém poli Øelektrokinetický potenciál z (zéta). ØElektroforéza Øelektroosmóza • Nedráždí tedy elektrický proud svou fysickou hodnotou, nýbrž svým časovým průběhem Elektroforéza je separační metodA, kterÁ využívají k dělení látek jejich odlišnou pohyblivost ve stejnosměrném elektrickém poli. •‹#› •8 Frekvenční závislost účinků •U velmi nízkých frekvencí (< 100 Hz) se dráždivý účinek zvyšuje lineárně s frekvencí. U vyšších frekvencí se nárůst dráždivého účinku zpomaluje a přechází v pokles. V rozmezí 500 - 3000 Hz závisí prahová hodnota dráždivého proudu na Öf. Nad 3000 Hz dráždivý účinek klesá a při 100 kHz zcela ustává. •Vf proudy nemají dráždivé účinky, protože délka trvání impulsu je kratší než nejkratší chronaxie. Nemají ani elektrochemické účinky. ELEKG Tepová frekvence určuje počet srdečních stahů – tepů za minutu. U dospělého člověka v klidu je 70 – 80 tepů za minutu. Zrychlení tepové frekvence (tachykardie) je více jak 100 tepů za minutu v klidu. Zpomalení (bradykardie) je pod 60 tepů za minutu v klidu. Kvalita tepu může být různá: při normální akci je puls pravidelný, jasný. Dále může být tep nitkovitý při hypotenzi a v šoku nebo střídavý při poruše srdečního rytmu (arytmii) či při selhávání levé srdeční komory. Lidské srdce je z technického hlediska obdivuhodným organem, který je schopen pracovat bez přestávky 24 hodin denně po cely život člověka. Srdce se přitom stáhne zhruba 100 000krat denně, •‹#› •9 Tepelné účinky vf proudů •Mechanismus účinku vf proudů spočívá v přeměně absorbované elektrické energie v teplo Q dle Jouleova zákona: Q = U.I.t •kde U je napětí, t je doba průchodu proudu I. Mechanismus vzniku tepla závisí na způsobu aplikace vf proudů. • ØPři kapacitním způsobu dochází k dielektrickému ohřevu v důsledku ztrát v dielektriku. ØPři indukční aplikaci vzniká teplo v důsledku indukovaných tzv. vířivých proudů. •‹#› •10 Elektrická pole - stacionární •Přirozená •-mezi povrchem (-) a ionosférou (+) vzdálenost asi 80km •-intenzita: v údolích asi 20 V/m • v horách okolo 250 V/m • před bouřkou až tisíce V/m => Eliášův oheň • •Umělá •-koleje tramvají 30 V/m, kolejová železnice (Itálie) 800 V/m, televizor (odstup asi 30 cm ) 300-700 V/m, interiér auta v létě –6 000 V/m, svetr (umělé vlakno) – 80 000 V/m •-!!Stejnosměrné vedení od gigantické hydroelektrárny Tři soutěsek v Číně (až 18GW) • • • •‹#› •11 Úrazy elektrickým proudem •Účinky ~proudu (zvláště 50Hz) jsou závažnější než účinky =proudu. Nebezpečí úrazu u vf proudů nad 10 kHz je malé. •Nebezpečí úrazu závisí na U zdroje, na vnitřním R zdroje a na R těla. Zdroje s velkým vnitřním R (např. obrazovky) nemusí být nebezpečné, protože zkratový proud je velmi nízký. •Hlavní nebezpečí představuje rozvodná síť a zdroje s malým vnitřním R. Ve vlhku se snižuje kožní odpor a nebezpečí úrazu roste. •Nebezpečný je tzv. dvoupólový dotyk, kdy je do obvodu zařazen jen odpor lidského těla mezi místy dotyku. •U jednopólového dotyku hraje důležitou roli izolace vůči zemi (obuv). •Nejcitlivější je mozek, dýchací ústrojí (zvláště centra řídící dýchání a dýchací svaly) a srdce. •‹#› •12 MAELPROUD •‹#› •13 •Základní pravidla pro řešení ochrany před nebezpečným •dotykovým napětím (ČSN 33 200-4-41, -47, -481): • •části s napětím, které jsou vystaveny dotyku, nesmějí v lidském •těle vyvolat proud překračující práh vnímání •konstrukční části, na nichž by se mohlo objevit napětí vlivem •vady izolace, •Ty je třeba chránit tak, aby proud procházející tělem byl •buď pod prahem vnímání nebo byl ve velmi krátké době vypnut… ELDOTEK •‹#› •14 •‹#› •15 •Meze bezpečných malých napětí tempimage82.tiff • dle aktualizace ČSN 33 2000-4-41 z roku 2007 •‹#› •16 •Účinky střídavého proudu na člověka pro f = 50Hz •A - přímka vyznačující práh reakce •B - čára vyznačující mez uvolnění •C1 - čára vymezující práh fibrilace srdečních komor •C2 - hranice pravděpodobnosti fibrilací 5 % •C3 - hranice pravděpodobnosti fibrilací 50 % •L - dohodnutá čára vymezující dovolené doby působení proudu bez nebezpečných •fyziologických účinků tempimage53.tiff •‹#› •17 Úrazy elektrickým proudem •Hodnota bezpečného proudu, který může bez ohrožení zdraví procházet tělem, je • u ~proudů do 1 kHz asi 10 mA, =proudu asi 25 mA. •Mezní hodnota ~proudu, při níž je možno se odtrhnout od rukou sevřeného vodiče je asi 20 mA. •Proudy do 25 mA mohou způsobit zástavu dýchání, proudy vyšší (25 - 80 mA) vyvolávají reverzibilní zástavu srdeční činnosti s nebezpečím úmrtí. Nad 80 mA stoupá počet smrtelných úrazů • •Proudy kolem 1A mají již zcela ireverzibilní následky. •K podráždění svalu el. proudem je nutné, aby proud probíhal ve směru svalového vlákna. V srdci svalová vlákna probíhají všemi směry, takže při průchodu proudu je vždy postižena jen jejich část. Důsledkem jsou nekoordinované stahy myokardu (extrasystoly), při vyšších hodnotách proudu (100-200 mA) kmitání (fibrilace) srdečních komor. •‹#› •18 Také aplikace •Elektrické křeslo: •Stovky až tisíce voltů •Jednotky až desítky ampérů ilchichair •‹#› •19 Elektroencefalografie •- Vlny a: f = 8-13 Hz, s amplitudou (A) do 50 mV. Charakteristické pro tělesný i duševní klid. •- Vlny b: f = 15 - 20 Hz, A = 5 - 10 mV. Rytmus zdravého člověka v bdělém stavu. •- Vlny J: f = 4 - 7 Hz, A = nad 50 mV. Fyziologický u dětí, u dospělého člověka je patologický. •- Vlny d: f = 1 - 4 Hz, A = 100 mV. Za normálních okolností v hlubokém spánku. V bdělém stavu je patologický. •V EEG záznamu se může objevit řada dalších grafických tvarů elektrické aktivity, charakteristických pro onemocnění mozku. •Činnostní potenciály mozkové jsou spontánní nebo vyvolané – evokované, a to nepřímým drážděním mozkové kůry senzorickými podněty (zrakovými, sluchovými) i přímým drážděním např. impulsy magnetického pole. •‹#› •20 Elektromyografie •Amplituda jednotlivých činnostních potenciálů kolísá v rozmezí 50 mV - 1m V, jejich frekvence od 10 Hz do 3 kHz. •‹#› •21 Magnetická pole •Účinky stacionárních polí •Až od 350 mT měřitelné účinky na funkci srdce, vliv na nervové dráhy a složité molekuly až od 1T. Lidské orgány vydávají slabé magnetické pole (mozek 1pT, srdce 50 pT), proto je možné, že silná magnetická pole mají vliv i na funkci orgánů. •Účinky střídavých polí •5000 – 10 000 μT…prahové hodnoty pro smyslové vjemy (20 - 30Hz) •nad 100 000 μT…nastávají křeče ve svalech • •Jev •Vzdálenost [cm] •Magnetické indukce [μT] •Zemské magnetické pole • •47 - 50 •Tomograf(pacient) • •2 000 000 – 4 000 000 •televizor •30 •4 •Elektrický holící strojek •1 •100 •‹#› •22 Účinky magnetických polí •Základní pojmy: mg pole statická, střídavá a pulsní. Dle rozložení pole v prostoru rozlišujeme mg pole homogenní a nehomogenní. •Magnetická indukce B závisí na intenzitě mg pole H (obě veličiny jsou vektorové) a na magnetické permeabilitě m: •B = m.H m = mr.m0 •Ferromagnetické látky - mr >>1. •Diamagnetické - mr je nepatrně nižší než 1 •Paramagnetických - mr je nepatrně vyšší než 1. •Tkáně lidského těla jsou složeny téměř výhradně z látek diamagnetických a paramagnetických. Důsledkem mg indukce je ve vodivém prostředí vznik elektrických napětí a proudů (působením Lorentzovy síly u pohybujících se elektrických nábojů, nebo Faradayových proudů u nestatických mg polí). Indukovaná napětí jsou však podstatně nižší než membránová napětí. Možnost ovlivnění membránových receptorů indukovaným napětím? •‹#› •23 Magnetomechanické a magnetochemické účinky •V silném homogenním mg poli se orientují diamagnetické a paramagnetické molekuly. •Dále je nutno uvažovat i působení nepřímé, přes volné radikály, vznikající jako důsledek magnetochemických reakcí. • •Lze říci, že stálé mg pole vyšších intenzit metabolické pochody tlumí, proměnné mg pole stimuluje. Tyto změny jsou přechodné. • •Interakcí magnetických polí s lidskými tkáněmi se využívá diagnosticky i léčebně. Diagnostickou metodou je MRI a, léčebnou magnetoterapie. Magnetickou stimulaci mozku lze využít k účelům diagnostickým i terapeutickým Paramagnetické materiály jsou přitahované magnetickým polem, proto mají relativní magnetickou permeabilitu větší než jedna (nebo kladnou magnetickou susceptibilitu). Ale na rozdíl od feromagnetických látek, které jsou také přitahované magnetickým polem, paramagnetické látky /hliník) nedokážou udržet magnetismus bez přítomnosti vnějšího pole. metodu cílené magnetické stimulace mozku, která využívá schopností magnetického pole indukovat v tkáni mozkové kůry elektrický potenciál. Stimulace specifické oblasti mozku u části pacientů vede k úplnému nebo dočasnému odeznění depresivní nálady. Pomáhá také pacientům s obsedantními poruchami, při nichž mají lidé nutkavý pocit k určitým úkonům, například si stále myjí ruce nebo opakovaně kontrolují, zda zamkli dveře. Lze ji využít i při odstraňování migrén. Vložením diamagnetické látky do vnějšího magnetického pole dojde v látce k zeslabení magnetického pole. •‹#› •24 Magnety v medicíně •Magnetoterapie • • •Transkraniální magnetická stimulace biotesla_2000 BiStim Module mesmtub •‹#› •25 anteny • •E(t) •B(t) •Elektromagnetické pole •‹#› •26 Účinky mikrovln a radiofrekvenčního záření •Převážně tepelné, nespecifické, viz též účinky vf proudů ØMikrovlnné zdroje ØRadary ØMobilní telefony ØRozhlasové a televizní vysílače ØElektrické rozvodné sítě ØTroleje •Studie poukazující např. na kancerogenní účinky se ukazují jako málo průkazné, přesto by se expozice měly omezovat. •‹#› •27 •Zkratka SAR (Specific Absorption Rate) je speciální termín zavedený pro mobilní telefony •a udává max.množství absorbované radiace z telefonu na 1kg hmoty. Tato hodnota byla odvozena právě z tepelného účinku elmg pole. • •Limit vychází z toho, že člověk je schopen se s tímto ohřevem vyrovnat, sám produkuje zhruba 100 wattů. Pokud těchto 100 wattů vztáhneme na povrch lidského těla, což je asi 1m2, vyjde výkonová hustota, se kterou se může zdravý organismus sám vyrovnat. •‹#› •28 Hygienické limity podle norem •výnosu hlavního hygienika ČR zavádí nepřekročitelné limity pro obyvatelstvo pro okamžité hodnoty veličin Emax a pmax: • •pro lékařsky kontrolovanou skupinu lidí pracujících na vysokofrekvenčních výkonových zařízeních: • SAR (Specific Absorption Rate) [W/kg] - jde o výkon absorbovaný na 1 kg tkáně - přesně definuje míru expozice biologické tkáně elektromagnetickým polem - obtížně se měří - využívá ji norma USA (vydal ANSI (American National Standard Institute)) SAR (Specific Absorption Rate) [W/kg] - jde o výkon absorbovaný na 1 kg tkáně - přesně definuje míru expozice biologické tkáně elektromagnetickým polem - obtížně se měří - využívá ji norma USA (vydal ANSI (American National Standard Institute)) SAR (Specific Absorption Rate) [W/kg] - jde o výkon absorbovaný na 1 kg tkáně - přesně definuje míru expozice biologické tkáně elektromagnetickým polem - obtížně se měří - využívá ji norma USA (vydal ANSI (American National Standard Institute)) •‹#› •29 •Nejvyšší přípustné hodnoty indukov. proudů, absorbovaných výkonů a hustoty ozáření •podle vyhlášky Ministerstva zdravotnictví ČR č. 480/2000 Sb. • •Pro pásmo 100kHz - 10GHz je limit SAR 0,4W/kg pro zaměstnance (pracující s RF •zařízeními) a 0,08W/kg pro ostatní osoby. •Tento limit nesmí být překročen při expozici delší než 6 minut. • •Při kratší expozici je limitována max. absorbovaná energie 0,01J/kg pro •zaměstnance a 0,02J/kg pro ostatní osoby. •V případě expozice jen malé části těla (i případ mobilních telefonů) se limit SAR zvyšuje na 10W/kg (20W/kg pro ruce, chodidla a kotníky) pro zaměstnance a 2W/kg (4W/kg pro ruce, chodidla a kotníky) pro ostatní. • Nejcitlivějším orgánem jsou oči, kde není možné dostatečné chlazení krevním prouděním a může dojít k zákalu. •‹#› •30 •Pro zajímavost tabulka SAR různých mobilních telefonů: • •Typ SAR [W/kg] •Nokia 6210 1,19 •Siemens M35i 1,14 •Siemens S35i 0,99 •Nokia 3210 0,81 •Nokia 8210 0,72 •Ericsson T18s 0,61 •Nokia 8850 0,22 •Jak je vidět, tak prakticky žádný dnešní telefon normu nepřekračuje. Výrobci se hodnotu SAR •většinou snaží snižovat pomocí interních antén, které jsou na zadní straně mobilu a vyzařují •směrově od hlavy na rozdíl od vnějších antén, kde šla do hlavy až 1/2 výkonu. • 6210 nokia-8850-1 •‹#› •31 •Wireless LAN •2.4 až 5.8 GHz (protokol WiFi, ). •Výkon a typického wireless access point je 35 mW, •Ač standardy dovolují až 200 mW. • •‹#› •32 •‹#› •33 •‹#› •34 • • • •Definitivní seznam vstupních dat • 1.Vf výkon přenášený svazkem při vysílání impulsu je 170 kilowattů; impuls je dlouhý 2.Plocha aktivní (přibliž.kruhové) části rovinné antény je 105 m2, 3.Frekvence vysílače je z pásma „X“ (8 GHz – 12 GHz, vlnová délka středu pásma je 0,03 metru). 4.Úhlová šířka svazku v dostatečné vzdálenosti od antény je 0,18 stupně. 5.Nejmenší používaný elevační úhel svazku je rovný 2 úhlovým stupňům. 6.Vysokofrekvenční výkon vyzařovaný jednotlivými postranními (parazitními) laloky je o 40 dB (tj. desettisíckrát) menší než vysokofrekvenční výkon hlavního svazku. 7.Počet elementárních GaAs zářičů v anténě je 16896. •8.Výkon vyzařovaný v impulsu je jen čtyřikrát větší než průměrný vyzařovaný výkon (42,5 kW), což odpovídá poměru 1:3 časové délky impulsu k délce doby, kdy radar nevysílá •‹#› •35 •‹#› •36 •Měření dne 3. 10. 2007 Kwajalein, Marshallovy ostrovy •RADAR GBX •Elevace vyzařovaného svazku: 2º (= minimální možná) •Doba měření: vždy 6 minut v každém měřicím bodu • •Vzdálenost měřicího bodu •50 m •100 m •210 m •270 m •560 m •931 m •2104 m •2666 m •hustota zářivého toku MAX (W/m2) špičková hodnota •5,70 •7,00 •2,60 •1,80 •< 0,5 •< 0,5 •< 0,5 •< 0,5 •nejistota měření (W/m2) •± 1,4 •± 1,8 •± 0,7 •±0,5 • • • • •hustota zářivého toku AVG (W/m2) časový průměr •2,14 •4,40 •1,40 •1,06 • • • • •Měřili pracovníci ČSA přístroji ministerstva obrany ČR, přítomni pracovníci ministerstva zdravotnictví a čeští nezávislí experti. •ČR: nejvyšší přípustná hodnota pro obyvatelstvo je 10 W/m (NV č. 480/2000 Sb.) • •2 •‹#› •37