Wykorzystanie elektryczności w terapii medycznej
The use of electricity in medical therapy
Elektrostymulacja w drugiej połowie XX wieku
archiwum autora
W ostatnich latach trwa dyskusja o szkodliwości narażenia człowieka na pole elektromagnetyczne. Pole to, rzekomo szkodliwe, jest wykorzystywane z sukcesem terapeutycznym w medycynie.
Zobacz także
prof. dr hab. inż. Stanisław Czapp Ochrona przeciwporażeniowa i działanie wyłączników różnicowoprądowych w instalacjach prądu stałego (część 2.)
Poprawna detekcja prądu ziemnozwarciowego (różnicowego) przez zabezpieczenie różnicowoprądowe jest możliwa tylko wtedy, gdy jest ono właściwie dobrane z punktu widzenia spodziewanego kształtu tego prądu....
Poprawna detekcja prądu ziemnozwarciowego (różnicowego) przez zabezpieczenie różnicowoprądowe jest możliwa tylko wtedy, gdy jest ono właściwie dobrane z punktu widzenia spodziewanego kształtu tego prądu. W tabeli 1. podano podział zabezpieczeń różnicowoprądowych ze względu na zdolność wykrywania określonego kształtu przebiegu prądu różnicowego.
prof. dr hab. inż. Stanisław Czapp Ochrona przeciwporażeniowa i działanie wyłączników różnicowoprądowych w instalacjach prądu stałego (część 1.)
Obwody prądu stałego w instalacji niskiego napięcia do niedawna stanowiły niemal wyłącznie końcowe jej odcinki pomiędzy prostownikiem a odbiornikiem. W ostatnich latach zauważa się jednak wykorzystanie...
Obwody prądu stałego w instalacji niskiego napięcia do niedawna stanowiły niemal wyłącznie końcowe jej odcinki pomiędzy prostownikiem a odbiornikiem. W ostatnich latach zauważa się jednak wykorzystanie na szerszą skalę odnawialnych źródeł energii, w szczególności fotowoltaicznych, a to przyczynia się do większego zainteresowania instalacjami prądu stałego, również w kontekście rozdziału energii. Instalacje DC w budynkach ułatwiają integrację odnawialnych źródeł i magazynów energii oraz mogą służyć...
mgr inż. Julian Wiatr, dr inż. Kazimierz Herlender Ochrona przeciwporażeniowa w obwodach zasilających urządzenia przeciwpożarowe
W artykule przedstawiono wpływ temperatury pożaru na rezystancję przewodów elektrycznych, zasilających urządzenia funkcjonujące w czasie pożaru. Wykazano nieprzydatność wyłączników różnicowoprądowych do...
W artykule przedstawiono wpływ temperatury pożaru na rezystancję przewodów elektrycznych, zasilających urządzenia funkcjonujące w czasie pożaru. Wykazano nieprzydatność wyłączników różnicowoprądowych do zabezpieczania obwodów zasilających urządzenia elektryczne, których funkcjonowanie jest niezbędne w czasie pożaru. Omówiono możliwe do wykorzystania w tych obwodach sposoby ochrony przeciwporażeniowej, zgodnie z wymaganiami normy PN-HD 60364-4-41 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 4-41:...
Wykorzystanie elektryczności do celów terapeutycznych było stosowane już w starożytnej Grecji i Rzymie. Zabiegi elektrycznej stymulacji ciała człowieka wykonywano wkładając nogi pacjenta do wanny, w której znajdowały się ryby wytwarzające prąd elektryczny.
W XVIII wieku, kiedy poznawane były zjawiska elektryczne, terapie prądem elektrycznym stały się modne w całej Europie. Oprócz praktykujących lekarzy uzdrawiające terapie elektryczne oferowali różni szarlatani, podobnie jak obecnie.
W 1743 roku Johann Gottlob Krüger, profesor uniwersytetu w Halle, rozpoczął stosowanie terapii elektrycznej w stymulacji mięśni i innych narządów człowieka. Prowadził wykłady z medycyny oraz fizyki i elektryczności.
W tym samym czasie Christian Gottlieb Kratzenstein na uniwersytecie w Kopenhadze leczył prądem elektrycznym bóle głowy i inne dolegliwości. Zalecał stosowanie niewielkich butelek lejdejskich, których pojemność zwiększał w kolejnych dniach terapii.
W Regensburgu lekarz Johann Gottlieb Schäffer zajmował się elektryzacją mięśni i nerwów. Stosował elektryczność do leczenia sparaliżowanych członków. Popularyzował pogląd, że elektryczna terapia przyspiesza tętno u człowieka.
Po zbudowaniu w 1766 roku maszyny elektrostatycznej przez Anglika Jesse Ramsdena generatory elektrostatyczne stosowali różni wędrowni znachorzy do uzdrawiania rozmaitych schorzeń. Elektroterapię maszyną elektrostatyczną stosowano również przy leczeniu impotencji.
W 1786 roku Luigi Galvani, profesor anatomii na uniwersytecie w Bolonii, zaobserwował, że butelka lejdejska razi prądem podobnie jak ryby elektryczne. Galvani zauważył powstawanie skurczu mięśni żabiej kończyny po jej dotknięciu końcówkami drutów wykonanych z różnych metali.
W 1796 roku Alessandro Volta, profesor fizyki na uniwersytecie w Pawii, wyjaśnił zjawisko jako wynik pobudzenia mięśnia przez prąd elektryczny, powstały na skutek różnicy potencjałów między dwoma różnymi metalami zanurzonymi w elektrolicie wypełniającym tkankę mięśniową.
Po wynalezieniu w 1800 roku przez Alessandra Volta ogniwa galwanicznego modne stały się kąpiele elektryczne.
Siostrzeniec Galvaniego, Giovanni Aldini, stosując ogniwo galwaniczne Volty rozpoczął w 1804 roku zabiegi medyczne w wannie z wodą, w której pomiędzy dwiema elektrodami płynął prąd stały o natężeniu do 100 mA. Zaleceniem do tych kąpieli była terapia reumatyzmu, gośćca i bólów wszelkiego rodzaju.
Pierwszy kliniczny oddział leczenia galwanoterapią założył w Anglii Golding Bird w 1849 roku. Bird opracował wykaz schorzeń kwalifikujących się do elektroterapii.
W Berlinie Robert Remak w 1851 roku rozpoczął kliniczną galwanoterapię w leczeniu schorzeń mięśniowych i neurologicznych.
Elektryzacja pacjenta maszyną elektrostatyczną w początkach XIX wieku: rys. arch. autora
W Niemczech z końcem XIX wieku do leczenia reumatyzmu i innych chorób nerwów rozpowszechniła się metoda dr. Schnee. Opracował on specjalny fotel do zabiegów elektryzacyjnych, który miał dwie pary naczyń elektrolitycznych dla rąk i nóg. Zabiegi terapii elektrycznej na takich fotelach były w początkach XX wieku bardzo modne i powszechnie wykonywane w klinikach.
W 1884 roku William Henry Stone po doświadczeniach z wpływem elektryczności na układ nerwowy i mięśniowy rozpoczął elektroterapię w leczeniu paraliżu o podłożu neurologicznym oraz różnych nerwobólach. Zauważył podczas badań, że rezystancja ciała człowieka chorego ma mniejszą wartość niż ciała zdrowego.
Stymulacja prądem elektrycznym okazała się najskuteczniejszą metodą w fizykoterapii. Pod wpływem prądu mięśnie rozluźniają się lub kurczą, stymulacja nerwów wywołuje znieczulenie lub pobudza ruchy, a stymulacja wszystkich tych tkanek ma pozytywny wpływ na krążenie krwi. Terapia dotyczy nerwów – czuciowych, ruchowych lub receptorów czucia – ponieważ prąd docierający do komórek mięśni płynie wzdłuż włókien nerwowych. Stosowano generatory o napięciu do 100 V i częstotliwości mniejszej niż 1 kHz, generatory prądu stałego o napięciu 300–500 V wytwarzające impulsy mikrosekundowe oraz generatory o częstotliwości w zakresie 2400–2500 Hz.
Od połowy lat siedemdziesiątych XX wieku rozpoczęto terapie z wykorzystaniem stymulacji prądem w procesie tworzenia się tkanki kostnej. Lekarze przepuszczali prąd bezpośrednio przez miejsce złamania, stosując elektrody w kształcie szpilki. Tkanka kostna ma własności piezoelektryczne i pod wpływem czynników mechanicznych w kości powstają prądy elektryczne, choć ich natężenie nie przekracza kilku mikroamperów. Drażnienie tkanki kostnej prądem elektrycznym pobudza procesy kościotwórcze.
Elektrostymulacja serca
W 1842 roku Carlo Matteucci, profesor fizyki na uniwersytecie w Pizie, stwierdził, że prąd elektryczny towarzyszy każdemu uderzeniu serca żaby.
Francuski fizjolog Etienne-Jules Marey w 1861 roku, badając ciało człowieka galwanometrem, zarejestrował czynność serca.
W 1901 roku Willem Einthoven, używając drobnej kwarcowej struny pokrytej srebrem, skonstruował specjalny galwanometr do wykonywania elektrokardiogramu. W 1906 roku Einthoven opublikował pierwszą instrukcję diagnozy prawidłowych i nieprawidłowych przebiegów w zapisie elektrokardiograficznym na galwanometrze strunowym. W 1924 roku Einthoven otrzymał Nagrodę Nobla za wynalezienie elektrokardiografii.
Dużym osiągnięciem było wykorzystanie prądu elektrycznego w leczeniu fibrylacji komór serca.
Pierwsze próby z defibrylatorem elektrycznym przeprowadził na psach w 1947 roku Claude Beck w klinice University Hospital w Cleveland. Skurcz serca wymuszony był impulsem elektrycznym o napięciu do 1500 V przyłożonym bezpośrednio na mięsień sercowy. Defibrylację na ludziach wykonywał Beck, rażąc pacjentów impulsem elektrycznym o napięciu 1000 V w czasie do pół sekundy. Defibrylacja Becka wymagała otwarcia klatki piersiowej i przykładania łyżkowych elektrod bezpośrednio do serca.
W 1952 roku lekarz Paul Zoll z Harvard Medical School opracował metodę defibrylacji bez otwierania klatki piersiowej. Stosowany defibrylator był urządzeniem dużym i stacjonarnym, a stosowano go tylko w szpitalach.
Bernard Lown z Harvard School of Public Health i Karl William Edmark z University of Washington w 1960 roku wykonali przenośny defibrylator zasilany z akumulatorów. Urządzenie ważące 16 kg gromadziło w kondensatorach energię potrzebną do impulsu defibrylującego serce.
Do lat siedemdziesiątych defibrylatory obsługiwał lekarz ręcznie. Rytm serca musiał interpretować, odczytując jego przebieg z małego oscyloskopu. Po stwierdzeniu migotania komór lekarz przykładał łyżki w okolice serca i we właściwej fazie pracy serca uruchamiał impuls elektryczny. W latach osiemdziesiątych rozwój techniki mikroprocesorowej spowodował zastosowanie układów scalonych, co zmniejszyło ciężar defibrylatora do 2 kg. Rozbudowano również defibrylatory o układ automatyki interpretujący rytm serca chorego z podaniem impulsu elektrycznego po stwierdzeniu migotania komór.
Konstrukcję znacznie mniejszych i inteligentniejszych defibrylatorów opracował Michael Mirowski z Sinai Hospital w Baltimore.
Pierwszy zewnętrzny rozrusznik serca zbudował John Hopps w 1950 roku.
W 1962 roku D. Nathan i S. Center wszczepili pacjentowi indywidualny stymulator synchroniczny, w którym impuls pobudzający był wywołany elektrycznym potencjałem kontrolowanego przedsionka serca.
W 1980 roku po pozytywnych wynikach doświadczalnych z indywidualnym defibrylatorem na psach w John Hopkins Hospital rozpoczęto próby wszczepienia defibrylatora do klatki piersiowej człowieka. Pierwsze defibrylatory tego typu ważyły około 340 g. Ze względu na rozmiary defibrylatora umieszczano go w kieszonce skórnej w jamie brzusznej razem z przewodami i elektrodami biegnącymi do serca.
Ponieważ elektrody musiały być naszyte bezpośrednio na komorę, niezbędny był zabieg na otwartym sercu. Urządzenie ciągle monitorowało jego rytm i w razie wykrycia migotania komór układ dostarczał energię stymulującą. W nowych wykonaniach tytanowa puszka pokrywająca urządzenie służy zarazem jako jedna z elektrod, podczas gdy drugą jest przewód elektryczny przebiegający wewnątrz dużej żyły aż do samego serca. W ten sposób unika się operacji na otwartym sercu.
Elektrostymulacja w psychiatrii
W 1855 roku Guillaume Duchenne, stosując w terapii elektrostymulację, opracował na podstawie doświadczeń podstawy diagnostyki chorób nerwowych.
Psychiatra Eduard Hitzig w zakładzie dla obłąkanych w Berlinie przeprowadził w 1870 roku cykl eksperymentów dla zbadania funkcji mózgu. Drażniąc słabym prądem elektrycznym korę mózgową, określił na jej powierzchni miejsca, które powodują realizację wybranych grup mięśni. Wyniki tych badań stanowią bardzo duży krok w historii badań nad mózgiem. W 1875 roku Richard Caton przy użyciu galwanometru zarejestrował prądy zmierzone na powierzchni kory mózgowej zwierząt. Wykazał zależność pomiędzy wykonywanymi czynnościami a zmianą potencjału elektrycznego w odpowiednich obszarach kory mózgowej.
W 1929 roku niemiecki neurolog Hans Berger uzyskał zapis bioelektrycznej czynności mózgu. Badania wykonywał przy użyciu galwanometru strunowego Einthowena-Edelmena. W 1932 roku H. Berger oraz J. Toennis skonstruowali pierwszy elektroencefalograf rejestrujący sygnały bioelektryczne odbierane z powierzchni głowy.
W psychiatrii, gdy leczenie zachowawcze preparatami farmakologicznymi nie przynosiło skutku, stosowano inne metody, jak gorące i zimne kąpiele, wirowanie oraz terapię prądem elektrycznym.
W 1935 roku węgierski lekarz L. Meduza wprowadził do leczenia schorzeń psychiatrycznych terapię wstrząsową, w której drgawki powodował przez wstrzyknięcie kardiazolu.
W 1938 roku włoscy lekarze Ugo Cerletti i Lucio Bini wprowadzili w miejsce kardiazolu prąd elektryczny, który wywoływał podobne drgawki. Terapię nazwano terapią elektrowstrząsową. Wcześniej Ugo Cerletti, będący dyrektorem Neuropsychiatrycznej Kliniki Uniwersyteckiej w Rzymie, wykonał wiele doświadczeń na zwierzętach w rzeźni miejskiej w Rzymie. Przykładał elektrody do skroni prosiąt i raził je prądem o napięciu 80 V. Rażone prądem prosięta robiły początkowo wrażenie pogrążonych we śnie, a po kilku minutach podnosiły się i wracały do stada. W 1938 roku Ugo Cerletti przeprowadził u chorego z objawami schizofrenii pierwszy zabieg elektrowstrząsowy napięciem 100 V w czasie 1,5 s. Pacjent po 80 s drgawek wzbudził się, a uzyskana poprawa była zadowalająca.
Terapia elektrowstrząsowa polega na aplikowaniu impulsów prądu elektrycznego na głowę pacjenta za pomocą dwóch elektrod przykładanych do skroni. Między elektrodami przepływa prąd elektryczny w czasie od 0,2 do 0,5 s o napięciu 30–130 V i natężeniu 200–900 mA. Skutkiem przepływu prądu jest wywołanie napadu padaczkowego w obrębie sieci neuronalnej ośrodkowego układu nerwowego (drgawki mięśni są eliminowane przez podanie środków zwiotczających), co skutkuje ostatecznie uzyskaniem efektu klinicznego – zmniejszeniem nasilenia objawów depresji.
Objawem niepowołanym w terapii elektrowstrząsowej są zaburzenia pamięci. Od połowy ubiegłego wieku terapia elektrowstrząsami była stosowana w większości schorzeń psychiatrycznych.
Elektroterapie prądami o wysokiej częstotliwości
Przenikanie przez organizm człowieka prądów szybkozmiennych zostało wykorzystane dla celów leczniczych. Przy prądach stałych i prądach zmiennych małej częstotliwości wydzielanie ciepła w organizmie jest związane z przepływem prądu, który wywołuje duże zmiany elektrochemiczne. Ponieważ prądy szybkozmienne nie powodują takich zmian, można je stosować do nagrzewania narządów zewnętrznych i wewnętrznych ciała. Ta metoda leczenia nosi nazwę diatermii.
Wykorzystanie prądów elektrycznych wysokiej częstotliwości w celach leczniczych wprowadził Zeynek w 1908 roku. Wykonywał terapie cieplne w organizmie prądami elektrycznymi o częstotliwości od 10 do 50 MHz. Stanowiło to początek terapii diatermicznej.
Obecnie w terapii stosuje się diatermię krótkofalową o częstotliwości 2,45–27,12 MHz, wykorzystywaną w rehabilitacji, oraz diatermię chirurgiczną, o częstotliwości 0,5–1,75 MHz, służącą do cięcia i koagulacji tkanek.
Pole magnetyczne w terapii medycznej
Stosowanie magnetytu w leczeniu różnych dolegliwości znane było już w starożytności.
Hipokrates z ok. 460 r. p.n.e. stosował magnetyt w bezpłodności u kobiet.
Mniszka, św. Hildegarda z Bingen zalecała stosowanie magnetytu w różnych chorobach i dolegliwościach.
W 1775 roku lekarz Franz Mesmer wydał w Wiedniu książkę „Sendschreiben an einen auswärtigen Arzt über die Magnetkur”, w której przedstawił terapeutyczne działanie magnesu na człowieka. Środowisko naukowe wiedeńskich lekarzy magnetoterapię oceniło negatywnie, uważając ją za pseudonaukę. Mimo braku naukowych przesłanek nadal stosowano magnesy w terapii rozmaitych schorzeń.
Magnesy noszone na ciele są źródłem pola jednostajnego, lecz ruchy ciała powodują zmianę jego właściwości, upodabniając je do wytwarzanych pól impulsowych.
Każda tkanka organizmu jest napełniona krwią, której głównym składnikiem jest hemoglobina, zawierająca atomy żelaza. Pole magnetyczne wywiera wpływ na wszystkie tkanki, powodując uporządkowanie ich momentów magnetycznych. Terapia magnetyczna zaliczana jest jednak do grupy terapii alternatywnych i nie jest akceptowana przez konwencjonalną medycynę.
Zastosowanie w terapeutyce stymulacji zmiennym polem magnetycznym nastąpiło po wynalezieniu w 1825 roku przez Williama Sturgeona elektromagnesu. Każda przestrzenna lub czasowa zmiana pola magnetycznego powoduje powstanie pola elektrycznego, następstwem którego jest przepływ prądu elektrycznego w materiałach o dobrej przewodności elektrycznej.
Kliniczne zastosowanie zmiennych pól magnetycznych znalazło zastosowanie w leczeniu chorób narządu ruchu i schorzeń układu kostnego.
Stosowanie magnetoterapii wykazało znaczne skrócenie czasu wzrostu kostnego po złamaniach. Pozytywne efekty magnetoterapii stwierdzono w chorobie zwyrodnieniowej stawów oraz w stanach zapalnych stawów. Szybkość powstawania efektu terapeutycznego jest zależna od wyjściowego stanu miejscowego uszkodzonej kości oraz czasu trwania terapii. U chorych z osteoporozą zaobserwowano korzystny hamujący wpływ zmiennego pola magnetycznego na procesy demineralizacji kości.
Działając na organizm żywy, zmienne pole magnetyczne powoduje zmianę potencjału elektrycznego błon komórkowych, co wpływa na ich przepuszczalność. Konsekwencją tego jest dostarczenie większej ilości tlenu biorącego udział w procesie przemiany materii i procesie regeneracji tkanek.
Pod wpływem pola magnetycznego obserwuje się pobudzanie reaktywności ustroju immunologicznego. Pole magnetyczne powoduje także miejscowe działanie przeciwzapalne, analgetyczne i wazodylatacyjne. Zauważono, że pole magnetyczne o indukcji 0,5 T wpływa na wzrost liczby leukocytów, ale też na zmniejszenie się ilości hemoglobiny. Wykazano, że w polu magnetycznym enzymy zwiększają swoją aktywność.
Pole magnetyczne znalazło zastosowanie w leczeniu chorób skóry i tkanek miękkich. Wśród chorób układu pokarmowego stwierdzono wpływ pól magnetycznych w leczeniu chorób jelita oraz pozytywny efekt w leczeniu przewlekłego zapalenia trzustki i choroby wrzodowej. W leczeniu chorób układu nerwowego pozytywne efekty obserwuje się w leczeniu stanów po udarach mózgowych, jak również w stwardnieniu rozsianym.
Dużym osiągnięciem było odkrycie hamowania syntezy DNA w komórkach nowotworowych umieszczonych w polu magnetycznym o niewielkiej indukcji 8 mT. Stwierdzono, że komórki nowotworowe transplantowane giną w polach o indukcji od 0,25 T do 0,45 T.
Do najlepiej udokumentowanych aktualnie biologicznych efektów działania zmiennych pól magnetycznych stosowanych w celach terapeutycznych należą:
- intensyfikacja procesu utylizacji tlenu oraz oddychania tkankowego,
- działanie wazodylatacyjne i angiogenetyczne (polepszenie ukrwienia),
- nasilenie procesów regeneracji tkanek miękkich,
- przyspieszenie procesu tworzenia zrostu kostnego,
- działania przeciwzapalne i przeciwobrzękowe,
- wpływ na układ immunologiczny.
Stosowanie pola magnetycznego w terapii medycznej jest praktykowane od wielu lat. Terapia polega na poddawaniu pacjenta działaniu pól magnetycznych stałych, jak i zmiennych o różnych częstotliwościach, weryfikując sukces terapeutyczny lub jego brak. Stwierdzono tym sposobem przydatność do celów terapeutycznych pól magnetycznych o częstotliwości przekraczającej 60 Hz i indukcji 1–15 mT.
Literatura
- G. Biegelmeier, Neue Erkenntnisse der Elektropathologie, Elektrotechnik und Informationstechnik 1989 H.1.
- G. Biegelmeier, J. Graiss, A. Mörx, D. Kieback, Neues Wissen über die Wirkungen des elektrischen Stroms auf Menschen und Nutztiere, „VEO Journal” nr 11/1995.
- S. Gierlotka, Elektropatologia porażeń prądem elektrycznym, Wydawnictwo Śląsk, Katowice 2006.
- S. Gierlotka, Historia elektrotechniki, Wydawnictwo Naukowe Śląsk, Katowice 2012.
- S. Gierlotka, Ryby elektryczne, „Wiadomości Elektrotechniczne” nr 11/2012.
- J. Kahn, Elektroterapia, PZWL, Warszawa 2002.
- A. Sieroń, G. Cieślara, Pole magnetyczne i światło w medycynie i fizjoterapii, Alfamedica, 2013.
- T. Zyss, A. Krawczyk, Wykorzystanie pól magnetycznych w medycynie, „Przegląd Elektrotechniczny” nr 12/2003.
