Cơ sở lý thuyết chung về thiết bị vật lý trị liệu

Khám phá của Fukuda và Yasuda về hiệu ứng áp điện của xương Fukuda và Yasuda,1957, khám phá của Becker về sự tăng trưởng và sự tái sinh có bản chất điện sinh học Becker 1990,những đo đạc

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU

Vật lý trị liệu (VLTL) là một chuyên ngành lâm sàng của y học , ứng dụng các kỹ thuật dựa trên các nhân tố vật lý , sinh lý , tâm lý …tác dụng trực tiếp hoặc gián tiếp lên cơ thể nhằm gây kích thích và điều trị một số bệnh

Với những ưu điểm đặc biệt , điều trị bệnh mà không cần dùng thuốc , VLTL đã nhanh chóng chiếm được ưu thế Tổng quát ,có thể nói những hiệu ứng phụ khi dùng thuốc hay các phương pháp hoá trị liệu tất nhiên dẫn đến xu huớng sử dụng các phương pháp chữa bệnh dựa trên những yếu tố tự nhiên Nhiều bệnh nhân cũng hy vọng sử dụng các biện pháp vật lý để trì hoãn hay tránh phẫu thuật Hơn nữa do tuổi thọ ngày càng cao,phân bố tuổi tác trong cộng đồng dân cư cũng đã khác, chuyển mạnh theo xu thế ngày càng có nhiều người cao tuổi trong cộng đồng Vì vậy số người mắc bệnh mãn tính ngày càng tăng cao, nhất là những bệnh sinh ra như kết quả của quá trình thoái hoá Chính với những bệnh này, phương pháp VLTL tỏ rõ những ưu việt của mình Nhờ sử dụng lặp lại một cách liên tục cơ chế kích thích – phản ứng , khả năng tự

tổ chức của cơ thể được phát huy và tăng sức phòng vệ,uy lực đề kháng vốn vẫn tiềmẩn trong con người.Cũng cần nhấn mạnh vai trò VLTL trong tổng thể y học phục hồi nói chung.VLTL và

y học phục hồi là hai phương pháp điều trị gắn bó chặt chẽ và bổ sung cho nhau Người ta tính ra rằng , hầu hết các phương pháp sử dụng trong y học phục hồi liên quan đến các tác nhân vật lý Cuối cùng,VLTL cũng có nhiều dạng ứng dụng trong y học dự phòng đối với nhiều loại bệnh khác nhau.Trong điều trị ngày nay có nhiều quá trình chuyển tiếp một các linh hoạt , bao gồm cả việc phòng bệnh cho những người chưa phải là đối tượng của bệnh viện

Lẽ đương nhiên, VLTL cần phải được hiểu và được nhìn nhận trong mối quan hệ nhất quán với tất cả các phương pháp trị liệu khác, trong đó nhiều trường hợp nó chỉ là một phương pháp điều trị bổ sung hay thay thế và cũng nhiều khi nó là phương pháp không thể thay thế.Sự thống nhất giữa các nhà VLTL và các bác sĩ thuộc nhiều chuyên khoa khác là một đảm bảo quan trọng cho thành công của phương pháp này.Ngoài ra,một môi trường tin cậy giữa bệnh nhân và nhà VLTL cũng là nhân tố có ý nghĩa lớn khiến cho sự hợp tác đôi bên là cơ sở cần thiết

để đạt tới hiệu quả mong muốn

Hiện nay khái niệm “vật lý trị liệu” (VLTL) thường gắn liền với “phục hồi chức năng”(PHCN)

1.2 Lịch sử vật lý trị liệu

Vật lý trị liệu ra đời vào 2500 BC tại Trung Quốc, Hippocrates mô tả mát xa và hydrotherapy trong 460 BC và có thể nói là một phiên bản của các cổ VLTL hiện đại ngày nay Ban đầu VLTL khởi nguồn từ việc mát xa nhằm xoá tan cơn mệt mỏi rồi những bài tập thể dục đơn giản nhằm hạn chế sự suy giảm chức năng đem lại hiệu quả khá rõ rệt Khi công nghệ khoa học phát triển thì VLTL không còn đơn thuần chỉ là những động tác thểdục đơn giản nữa con người đã biết áp dụng khoa học và công nghệ vào VLTL , bắt đầu xuất hiện những thiết

bị y khoa Những thiết bị này được ngày càng được cải thiện và không ngừng nâng cao những tính năng ,công dụng của chúng

Trong 3 phương pháp trị liệu chính thống của y học bao gồm ngoại khoa, hoá trị liệu và VLTL thì VLTL có lịch sử lâu đời và thăng trầm hơn cả Hàng ngàn năm trước công nguyên một số tác nhân vật lý như nhiệt, lạnh,từ trường của đá nam châm tự nhiên, … đã được dùng để chữa bệnh Đến tận cuối thế kỷ 17 chúng vẫn được xem là những trị liệu cơ bản của y học (Beckeer,1990)

Tuy nhiên hơn 40 năm trở lại đây, những phát triển mới của khoa học và công nghệ đã giúp các nhà khoa học phát hiện những quy luật mới liên quan đến sự sống Khám phá của Fukuda và Yasuda về hiệu ứng áp điện của xương (Fukuda và Yasuda,1957), khám phá của Becker về sự tăng trưởng và sự tái sinh có bản chất điện sinh học (Becker 1990),những đo đạc trường điện từ của các cơ quan trong cơ thể sống,…cùng với sự khám phá đã đi vào lịch sử của Galvanic về các dòng điện sinh lý của hệ thần kinh –cơ đã làm xuất hiện một quan điểm mới về bản chất của sự sống,bên cạnh các quá trình hoá học còn là các quá trình vật lýmà chủ yếu là các quá trình điện từ (Becker,1987).Khi đó có thể tác động cơ thể sống bằng các trường điện từ ngoại sinh thích hợp cũng như đánh giá trạng thái sống bằng cách nhận các tín hiệu điện từ nội sinh nhỏ bé và khó nắm bắt

Hiện nay ngành VLTL đang được quan tâm phát triển mạnh dựa trên nền tàng kiến thức vật

lý ứng dụng mới Đồng thời với nguyên lý chủ yếu là ít chịu sự tác động từ các yếu tố bên ngòai (ngoại khoa , thuốc ) , phương pháp sử dụng trong thời gian lâu dài và có tác dụng tốt với các chứng bệnh mãn tính nên VLTL ngày càng phát triển mạnh và ứng dụng rộng rãi

* Các tác nhân vật lý :

– Quang trị liệu (lighttherapy): dùng các ánh sáng hồng ngoại, tử ngoại, tia Laser:

(laser chất rắn, laser khí,laser chất lỏng)

– Nhiệt trị liệu (thermo therapie): là một phương pháp điều trị của vật lý trị liệu, trong

đó sử dụng các tác nhân gây nhiệt để mang lại hiệu quả điều trị Tùy theo nhiệt độ của tác nhân gây nhiệt, chia thành 2 loại: nhiệt nóng (có nhiệt độ từ trên 37°C đến khoảng 45-50°C) và nhiệt lạnh (thường dưới 15°C)

– Điện trị liệu (electrotherapy): dòng điện một chiều, dòng điện xung, điện trường cao tần, điện trường cao áp, điện cảm ứng, dòng galvanic, các dòng điện giảm đau (dòng siêu kích thích điện – xoa bớp, dòng diadynamic, dòng giao thoa), kích thích điện thần kinh cơ,… Sử dụng hiện tương tạo ra dịch chuyển ion, thay đổi điện thế màng, kích thích sợi thần kinh, chi phối dẫn truyền thần kinh qua sinap, hiện tượng điện di, … trong điều trị

– Siêu âm trị liệu (ultrasound therapy): dùng sóng nén

– Thuỷ trị liệu (hydrotherapy): các kỹ thuật như ngâm, tắm, vòi tia, uống, khí dung – Từ trị liệu (magnetotherapy): điện từ trường, nam châm vĩnh cửu,…

– Oxy cao áp trị liệu (hyperbaric oxygentherapy –HOT)

*Vận động trị liệu và phục hồi (therapeutic exercises): sử dụng các bài tập vận động cơ thể nhằm duy trì hay phục hồi các họat động thông thường của cơ thể Phương pháp này thường được sủ dụng song song với các phương pháp khác VLTL trong trường hợp bị tổn thương hệ vận động do chấn thương hay thoái hóa

CHƯƠNG 2 ĐIỀU TRỊ BẰNG DÒNG ĐIỆN (ĐIỆN MỘT CHIỀU,ĐIỆN XUNG)

2.1.1 Dòng điện

-Dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các điện tích trong môi trường dẫn điện Có hai môi trường dẫn điện điển hình và quen thuộc : dây dẫn và dung dịch điện lý Máu và các dịch sinh học khác dẫn điện như một chất điện lý vì trong đó có nhiều loại ion khác nhau có độ linh động cao Muốn có dòng điện phải có sự chênh lệch điện thế hay phải có một hiệu điện thế (thế hiệu còn gọi là điện áp) Đại lượng vật lý này được ký hiệu là U

- Đại lượng đặc trưng cho dòng điện là cường độ dòng điện I, cho biết lượng điện tích chạy qua tiết diện vật dẫn trong một đơn vị thời gian (s, giây) Nếu điện lượng vận chuyển q = 1C trong khoảng thời gian t = 1s thì cường độ dòng là 1A Đại lượng này rất hay dùng trong điện trị liệu Cường độ dòng cho chúng ta biết dòng mạnh hay yếu

- Có nhiều loại dòng điện khác nhau Một trong những tiêu chí để phân loại dựa vào dáng điệu của cường độ I Đầu tiên người ta phân ra hai loại dòng điện xoay chiều và dòng điện một chiều và sau đó là dựa vào tính chất của từng dòng mà phân loại thành dòng liên tục và dòng xung Các dòng dùng để chữa bệnh thường là các dòng xung có dạng tương đối phức tạp Mỗi dòng có hình dáng riêng và có thể đặc trưng bởi các tham số :

• Biên độ xung : đó là độ lớn của xung - cường độ dòng điện khi xung tác dụng

• Độ kéo dài của xung : thời gian khi có dòng điện tác dụng vào

• Khoảng cách thời gian giữa hai xung

• Tần số hay biên độ của cả dãy xung

Hình 2.1 : Dòng điện không đổi và dòng biến đổi tuần hoàn theo kiểu hình sine

Hình 2.2

Hình 2.3 : Dãy xung, khoảng cách giữa các xung, thời gian và chu kỳ

a Khái niệm

- Dòng điện một chiều đều (còn gọi là dòng Galvanic) là dòng điện có cường độ và chiều không đổi theo thời gian

b Các đại lượng đặc trưng cho dòng Galvanic:

+ Cường độ (I): đơn vị là Ampe (A), Miliampe (mA)

+ Hiệu điện thế (U): là mức độ chênh lệch điện thế giữa hai điện cực của nguồn điện (đơn vị

là Volt - V)

+ Điện trở (R): là sức cản dòng điện của dây dẫn

- Theo định luật Ôm, cường độ dòng điện tỷ lệ nghịch với điện trở: I=U/R

2.1.3 Dòng điện xung

a Khái niệm

-Xung điện là một dòng xung không liên tục trong một thời gian ngắn có xung sau đó là khoảng nghỉ Dòng điện xung là dòng điện có nhiều xung điện liên tiếp tạo ra Dòng điện xung không đổi hướng là dòng điện xung một chiều, dòng xung luôn đổi hướng gọi là dòng điện xung xoay chiều

b Các đặc trưng của dòng điện xung

- Hình dạng xung: thường dùng 3 loại hình thể là xung tam giác, xung chữ nhật, và xung hình sin Ngoài ra còn có các xung cải biên như: xung hình thang, hình lưỡi cày, exponentiel Hình dạng xung khác nhau thì mức độ tác dụng kích thích hay ức chế cũng khác nhau

Hình dạng các dòng điện xung

Thành phần một xung -Các thành phần của một xung, bao gồm:

+ Thời gian dốc lên: ta

+ Thời gian đỉnh xung: ti

+ Thời gian dốc xuống: tb

+ Thời gian xung: tx = ta + ti + tb

+ Thời gian nghỉ: tp

+ Thời gian một chu kỳ xung T = tx + tp

- Sự thay đổi các cấu phần của một xung điện có ảnh hưởng đến tác dụng sinh lý và điều trị

- Tần số xung (F): là số chu kỳ xung trong một giây (F=1/T), đơn vị là Hz Tần số xung có ý nghĩa rất quan trọng đối với điều trị bằng dòng điện xung

- Dòng điện xung dùng trong điều trị là dòng xung thấp tần (dưới 1000Hz) và dòng xung trung tần (1000-10000Hz)

+ Với tần số <20Hz thì dòng điện xung gây co cơ từng cái một

+ Với tần số từ 20-50Hz thì gây co cơ liên tục,

+ Với tần số >50Hz thì gây co cơ kiểu răng cưa,

+ Với tần số >1000Hz thì không gây co cơ

- Cường độ xung (I): là điểm biên độ xung đạt cao nhất Cường độ xung trung bình là cường độ bình quân theo thời gian, bao giờ cũng thấp hơn biên độ đỉnh xung Khi tăng cường độ dòng điện xung lên thì cảm giác của bệnh nhân sẽ thấy các ngưỡng sau:

+ Ngưỡng cảm giác: thấy cảm giác lăn tăn như kiến bò

+ Ngưỡng rung cơ: cơ bắt đầu có đáp ứng

+ Ngưỡng co cơ dễ chịu: cơ co dễ chịu có tác dụng giảm đau rõ rệt

+ Ngưỡng đau: thấy cảm giác đau buốt hay đau rát

- Điều trị bằng dòng điện xung là kết hợp các yếu tố trên qua tác động lên cơ thể để đạt những đáp ứng mong muốn

2.1.4.Các loại dòng điện xung thường dùng

a.Dòng xung một chiều

- Xung tam giác, hay gai nhọn (Faradic)

- Xung hình chữ nhật (Leduc): là xung một chiều đều

* Dòng gai nhọn và chữ nhật đều có tác dụng kích thích thần kinh cơ trong điều trị liệt, đặc biệt là ở cực âm Còn dùng trong chẩn đoán điện cổ điển

- Xung lưỡi cày (Lapique): dốc lên nhanh, dốc xuống từ từ Có tác dụng giảm đau mạnh

- Xung hình sin Diadynamic hay Bernard, bao gồm:

Các dòng Diadynamic

+ Dòng xung một pha cố định 50Hz MF (monophase fixe)

+ Dòng xung hai pha cố định 100Hz DF (diphase fixe)

+ Dòng chu kỳ ngắn CP (courtes périodes): 1giây MF + 1 giây DF

+ Dòng chu kỳ dài LP (longues périodes): 6 giây MF + 6 giây DF (Hình 4.7)

* Trong đó nhóm xung 6 giây 100Hz có thể biến điệu cường độ

* Dòng Diadynamic có tác dụng giảm đau nhanh và rõ rệt, đặc biệt là khi kết hợp CP và LP

Để có tác dụng kích thích thần kinh cơ, người ta kết hợp các nhóm MF theo nhịp cách: cứ 1 giây

MF xen kẽ với 1 giây nghỉ (dòng thể dục điện)

- Dòng xung Traebert (dòng 2-5, còn gọi là dòng Ultra Reiz - UR): là dòng xung hình chữ

nhật một chiều, có thời gian xung 2ms và thời gian nghỉ 5ms, nghĩa là tần số khoảng 143Hz Dòng này có tác dụng chống đau nhanh và kéo dài Tuy nhiên đây là dòng cố định nên trong khi điều trị phải tăng cường độ dòng liên tục

Dòng xung Traebert

Trong thực hành người ta sử dụng dòng 2-5 theo phản xạ đốt đoạn tại vùng cột sống như sơ đồ sau

- Xung một chiều trung tần (ID: intermittent current) Là xung một chiều đều có tần số

4000-8000Hz, dùng trong điện di thuốc hợp sinh lý hơn và có thể đạt được cường độ cao hơn so với dòng một chiều đều

Dòng một chiều trung tần

b Dòng xung xoay chiều

- Xung kích thích thần kinh (TENS – Transcutanous Electro Neuro Stimulation): gồm 3 loại

như sau

• Dòng TENS có tác dụng kích thích thần kinh cơ rõ rệt, được dùng trong điều trị phục hồi chức năng thần kinh cơ Dòng TENS khi được điều biến tần số theo nhóm xung (Burst - TENS) gọi là dòng kích thích thần kinh bột phát, dòng này có tác dụng giảm đau mạnh

- Dòng điện xung trung tần xoay chiều (AMF Amplitude Modulated Frequency): là dòng điện

xung xoay chiều tần số từ 1000-10000Hz Theo Wedenski, cơ không thể đáp ứng với những xung trung tần, do đó để có đáp ứng cần phải biến điệu tạo nên các nhóm xung tần số thấp Tần số nhóm

xung có thể biến điệu tùy theo yêu cầu, nên còn gọi là dòng biến điệu biên độ theo nhịp AMF hay xung bọc, có tác dụng kích thích chọn lọc sợi thần kinh dầy

Dòng trung tần xoay chiều biến điệu AMF

• Dòng AMF có thể điều biến bằng cách luôn thay đổi tần số xung bọc trong một khoảng nhất định (gọi là khoảng tần số quét), và chương trình quét là cách thức biến đổi tần số AMF trong khoảng tần số quét đó Ví dụ một số chương chình quét

Các chương trình quét của dòng AMF

• Ngoài ra dòng AMF còn có thể biến điệu theo độ sâu điều biến: 25%, 50%, 75% và 100%

Các kiểu biến điệu của dòng AMF

xung xoay chiều trung tần, có tần số khác nhau, chẳng hạn 4000Hz và 4200Hz, cùng tác động vào một vùng cơ thể, sẽ xuất hiện hiện tượng giao thoa giữa 2 dòng điện để tạo thành một dòng xung như dòng AMF với tần số nền là 4100Hz và tần số nhóm xung là 200Hz Dòng giao thao

có thể điều biến như dòng AMF

- Dòng xung kích thích kiểu Nga: (RS: Russian stimulation): Là dòng xung xoay chiều có tần

số 2500Hz ngắt quãng thành nhóm xung có tần số 50Hz, có thời gian 1 chu kỳ xung là 20ms trong

đó thời gian xung / thời gian nghỉ là 1/1 và 1/5.Dòng Nga được sử dụng rộng rãi để phục hồi cơ trong chỉnh hình, chống teo cơ

Dòng Kích thích kiểu Nga

- Vi dòng: là xung xoay chiều có cường độ rất thấp (mA), điện thế rất cao, hay dùng ở Mỹ

• Với dòng điện, định luật quen thuộc nhất đối với chúng ta là định luật Ôhm :

khi xét tác dụng của các loại dòng điện lên cơ thể sống

2.2 Cơ sở sinh học

- Các phân tử cơ bản cấu tạo nên cơ thể sống là protit, glucit và lipit hay ta thường gọi là chất đạm, chất đường và chất béo trong trạng thái tinh khiết và khô chúng không dẫn điện hay gọi là các chất điện môi Tuy nhiên tất cả các tế bào và mô trong cơ thể đều chứa hoặc thấm các chất lỏng (máu và các chất dịch khác nhau như nội bào, dịch gian bào) Trong thành phần của các dịch này ngoài các chất keo hữu cơ còn các dung dịch điện lý Các dịch này dẫn điện cao và do đó các phân tử cơ bản cấu tạo nên chất sống cũng là vật dẫn tương đối tốt, theo nguyên tắc : càng chứa nhiều dịch thì độ dẫn điện càng lớn Độ dẫn điện đối với dòng một chiều là một đại lượng vật lý đặc trưng cho các loại mô khác nhau

Bảng dưới đây cho ta giá trị độ dẫn điện {đơn vị đo 1/(ohm cm)} của một số mô cơ bản

Máu 0.006

Mô mỡ 0.0003

Da khô 7.10-7

Xương không màng 1.10-9

Để so sánh ta ghi nhớ rằng độ dẫn điện của dung dịch đẳng trương ở 37°C là 0.019

- Các mô trong cơ thể được cấu tạo từ các tế bào được bao bọc bởi dịch mô (dịch gian bao) Mỗi tế bào liên quan đến hai môi trường dẫn điện tương đối tốt là dịch gian bào và dịch nội bào (bào chất) bị ngăn cách bởi một lớp dẫn điện kém là màng tế bào Mỗi hệ thống như vậy hoạt động như một tụ điện và được đặc trưng bằng một giá trị của điện dung C Khi có điện trường một chiều tác dụng lên mô ở hai phía của màng có sự tích tụ các ion trái dấu do đó hệ thống hành xử như một tụ điện được tích điện

Điện dung của cơ thể sống với cấu trúc màng điển hình, tương đươnghai tụ điện mắc nối tiếp

- Từ đó ta thấy tế bào có độ dẫn điện không phải cao lắm với dòng một chiều Nhưng đối với dòng xoay chiều, dòng điện chủ yếu do sự dao động của các ion trong dịch nội bào và dịch gian bào tạo nên có giá trị lớn hơn nhiều Hơn nữa tần số càng tăng thì giá trị của dòng điện sẽ càng lớn theo tính chất của tụ điện Cấu trúc màng là một cấu trúc tương đối điển hình trong tổ chức của cơ thể sống không chỉ ở mức độ tế bào Chẳng hạn trong các mô còn có các cấu trúc vĩ mô gồm các mạc

mô liên kết khác nhau và các màng ngăn là những tổ chức dẫn điện kém,ở hai mặt của chúng lại

có các mô dồi dào dịch - tức là dẫn điện tốt Do đó dẫn điện theo kiểu tụ điện là một tính chất cơ bản về mặt điện của cơ thể sống Người ta nói các mô của cơ thể mang tính điện dung rõ rệt

- Nhờ các tính chất điện thụ động của cơ thể sống như đã miêu tả ở trên có thể dùng các sơ đồ tương đương khi nghiên cứu các dòng điện chạy qua cơ thể Một mạch điện tương đương với phần mô nằm giữa hai điện cực đặt lên bề mặt cơ thể phải chứa các thành phần có độ dẫn điện như điện dung tức là phải có các điện trở và các tụ điện mắc nối tiếp hay mắc song song Mạch tương đương hay được sử dụng nhất là là mạch gồm tụ điện C mắc nối tiếp với trở R’ rồi tất cả mắc song song với trở R (hình vẽ minh họa một thí dụ cho lớp da và các đám tế bào dưới da cùng với lớp lót giữa điện cực và da) Một khả năng khác cho mạch tương đương là hình b : điện trở R mắc song song với tụ điện C thường dùng cho các mô nằm sâu, trở kháng toàn mạch đối với dòng xoay chiều hình sin có tần số f là :

Theo biểu thức này, giả sử R và C không đổi, khi tần số tăng lên thì trở kháng sẽ giảm xuống Trong các điều kiện thông thường ở liệu pháp dòng một chiều thì trở kháng có giá trị trong khoảng 1000 - 5000Ω, còn với các liệu pháp cao tần trở kháng giảm xuống chỉ còn vài trăm thậm chí vài chục Ω Điều cuối cùng chúng ta cần lưu ý là các thông số biểu thị các đặc tính điện (độ dẫn và điện dung) của các cơ quan và mô trong cơ thể phụ thuộc vào nhiều trạng thái sinh lý của chúng Chẳng hạn cường độ dòng máu trong mạch ngoại vi ảnh hưởng rất nhiều đến

độ dẫn điện của mô có dòng máu chảy qua Đây cũng là một nguyên tắc sử dụng trong lưu huyết não đồ

Sơ đồ tương đương

a Cho lớp sát da

b Cho các mô nằm sâu dưới da

- Trong điện thụ động với tư cách là một tụ điện, mang tế bào giữ vai trò quan trọng trong độ dẫn điện của cấu trúc sống Trong điện sinh lý do cấu trúc bán thấm của màng và cơ chế vận chuyển tích cực qua màng khi tiêu thụ năng lượng nhờ phân huỷ ATP (bơm Na - K) sẽ xuất hiện sự phân bố bất đối xứng điện tích qua màng và từ đó sinh ra điện thế màng tế bào Sự tồn tại điện thế màng là một đặc trưng quan trọng của sự sống tế bào và quá trình biến đổi của điện thế màng liên quan chặt chẽ đến các chức năng sống của màng tế bào Các tác dụng kích thích lên tế bào cơ và tế bào thần kinh cùng sự lan truyền kích thích dọc theo các tế bào đó, các phép đo điện tim - điện não - điện cơ … đều liên quan đến điện thế màng tế bào

- Các phép đo chính xác đã chứng minh rằng, giữa phía trong và phía ngoài của màng tế bào sống bao giờ cũng tồn tại một hiệu điện thế Về giá trị, hiệu điện thế này là 70mV Về hướng phía trong màng tế bào tích điện âm còn phía ngoài màng tế bào tích điện dương Điện thế này gọi là điện thế nghỉ Nếu điện thế màng không còn thì tế bào cũng không thể bị kích thích, sự sống của

tế bào chấm dứt Về cơ bản điện thế màng tế bào do ion Kali sinh ra Trong cơ thể người nồng

độ Kali trong tế bào cao hơn ngoài tế bào chừng 50 lần và tồn tại dưới dạng các ion tích điện

là các đại phân tử protein hay axít amin (gọi là các anion) Tuy nhiên màng tế bào có tính bán thấm : các ion Kali có thể dễ dàng chui qua trong khi các đại phân tử bị chặn lại Do nồng độ ion Kali ở trong tế bào nhiều nên chúng chuyển ra ngoài để hướng tới cân bằng Kết quả là phía trong

tế bào mất đi các điện tích dương và thừa ra các điện tích âm Từ đó hình thành một điện trường

có xu hướng ngăn cản sự chuyển dời của ion ion Kali từ trong ra ngoài tế bào Tới một lúc nào đó hai quá trình ngược chiều này sẽ cân bằng và trạng thái dừng được hình thành Các ion Kali ở trạng thái dừng như vậy tạo nên một điện thế giữa hai phía màng tế bào Điện thế này có thể tính được và cũng có thể đo được Đó chính là điện thế nghỉ mà ta đã nói ở trên

- Nếu phía trong tế bào nồng độ Kali lớn hơn bên ngoài thì ở ngoài tế bào nồng độ Natri và ion Clo lại vượt trội Tuy nhiên ion Clo không đóng vai trò gì đáng kể trong điện thế màng Trong trạng thái nghỉ bình thường nồng độ Natri bên ngoài lớn gấp 10 lần nồng độ Natri bên trong tế bào Tuy nhiên ở trạng thái nghỉ này màng tế bào lại không cho phép ion Natri đi qua nên Natri không đóng góp gì trong điện thế nghỉ Tình hình sẽ hoàn toàn khác đi trong trạng thái màng bị kích thích, chẳng hạn nhờ một dòng điện, khi đó màng thay đổi tính chất và cho phép ion Natri đi qua

Điện thế nghỉ trên màng tế bào sống Bên trái : giá trị đo được Bên phải : cơ chế hình thành

Do chênh lệch nồng độ vừa nói ở trên, ion Natri đi từ ngoài vào trong tế bào theo cơ chế khuếch tán dưới dạng một đám mây và tạo nên một điện thế dương bên trong và âm bên ngoài tế bào Vì ngược dấu với điện thế nghỉ (vốn dương bên ngoài và âm bên trong tế bào) quá trình này

được gọi là đảo cực Thế hình thành lúc đó gọi là thế hoạt động Đi vào chi tiết ta sẽ có các quá trình sau :

• Giảm điện thế màng Trước hết thế nghỉ giảm dần xuống dưới một giá trị hiệu dụng nhờ một kích thích điện từ bên ngoài hay một dòng cục bộ bên trong một hoạt động tự phát nhờ

đó độ thấm qua của màng đối với Natri tăng lên Trong quá trình này vai trò của Natri là quyết định thông qua các kênh dẫn mở ra đột ngột

• Đảo cực trên màng Dòng chuyển vận Natri từ ngoài vào trong màng tăng lên liên tục đến lúc điện thế bên ngoài màng trở nên âm so với bên trong tế bào Tăng điện thế hoạt động Quá trình vận chuyển ion Natri mang tính chất bão táp Đây là hai quá trình song song hỗ trợ cho nhau : độ thấm của màng đối với Natri tăng lên và điện thế màng tiếp tục theo hướng đảo cực Người ta nói đây là quá trình tự khuếch đại Kết quả quá trình là dư thừa điện tích dương trong tế bào lên đến mức tương điện thế +40, +50mV Nếu kể điện thế nghỉ là -70mV thì tổng biên độ của điện thế hoạt động sẽ lên tới 110, 120mV

• Tái phân cực và quay trở về thế nghỉ ban đầu Thế hoạt động đạt giá trị cực đại khi màng đạt trạng thái cân bằng mới với Natri giống như cân bằng Kali trong trạng thái nghỉ, dòng Natri không còn nữa, hệ Natri chấm dứt hoạt động đồng thời quá trình vận chuyển ion Kali từ trong ra ngoài màng lại phát huy tác dụng Một cân bằng mới dần được hình thành, kết quả là cả hệ quay trở về trạng thái ban đầu, thế nghỉ được tái xác lập, màng tế bào cũng quay trở về trạng thái ban đầu Dấu hiệu còn lại sau một kích thích : lượng ion Kali trong tế bào ít hơn trước khi hoạt động một chút còn lượng ion Natri trong tế bào cũng hơi nhiều hơn

Hình vẽ dưới đây sẽ cho ta thấy toàn bộ quá trình xảy ra có liên quan đến kích thích đến

sự hình thành thế hoạt động Lượng Natri và Kali dự trữ trong tế bào thần kinh đủ cho hàng chục ngàn lần thực hiện những kích thích như vậy Tuy nhiên giữa các kích thích vẫn cần có thời gian để

hệ phục hồi hoàn toàn trạng thái ban đầu

Thế hoạt động

• Nếu kích thích là dưới ngưỡng, nghĩa là cường độ kích thích quá nhỏ, sẽ có hiện tượng đảo cực tại chỗ Nếu hệ vận chuyển Natri được kích tới mức dòng Natri chiếm ưu thế so với dòng Kali sẽ xảy ra quá trình đảo cực trên cả màng Giá trị ngưỡng hiệu dụng là 55mV nghĩa là phải có đảo cực lớn hơn 15mV mới có thể sinh ra thế hoạt động Nếu đảo cực lớn hơn nữa thì sự hình thành thế hoạt động vẫn sẽ diễn ra như cũ Đây là quy luật rất phổ biến trong hiện tượng kích thích :

“Tất cả hay không có gì”

• Sau một lần kích thích như vậy màng tế bào ở trạng thái trơ tuyệt đối (không thể bị kích thích) hay trơ tương đối (ngưỡng kícht hích tăng) Trơ tuyệt đối là do tính bất hoạt của hệ Natri Còn trong tình trạng trơ tương đối vẫn cần một kích thích dưới ngưỡng nhưng thời gian tác dụng phải dài gấp ba mới có thể sinh kích thích nối tiếp.Đấy chính là thời gian để hệ Natri phục hồi Nhìn chung một sợi dây thần kinh có thể chuyển tải những kích thích có tần số 500 xung/giây Nhờ những dòng điện tròn cục bộ, kích thích có thể truyền dọc theo sợi thần kinh hay sợi cơ Vùng vừa bị kích thích sẽ ở trạng thái trơ, vùng chưa bị kích thích sẽ được kích thích bằng dòng điện tròn

và trở nên kích thích (khử cực, sinh thế hoạt động,…) Cứ như vậy kích thích sẽ được truyền theo

một hướng xác định (hình vẽ bên dưới) Tốc độ truyền kích thích cũng là một tham số đặc trưng cho các sợi thần kinh

Ngưỡng kích thích (a) và lan truyền kích thích (b)

CHƯƠNG 3

3.1 Màng tế bào

3.1.1 Cấu trúc màng tế bào

- Màng tế bào là một khái niệm lý thuyết đã xuất hiện vào giữa thế kỷ 19 (1935) nhưng về cơ sở tế bào học đã được nêu ra từ thế kỷ thứ 17 (Robert Hook, 1655) và sau đó là quan sát bằng hiển vi quang học của A.Van Leeuwen Hoek (1674)

- Màng tế bào có đặc tính thấm chọn lọc, có bản chất hóa học Lipid và protein liên kết với nhau theo các tỷ lệ khác nhau, hình thành một lớp mỏng lipid kép có cấu trúc bất đối xứng cả về thành phần cấu tạo và cách sắp xếp các phân tử lipid và protein

- Mô hình cấu trúc về màng sinh chất tế bào đã được nghiên cứu từ đầu thế kỷ

20, được nêu ra lần lượt đáng chú ý là Gorter, Greden với lớp lipid kép đơn giản (1925), tiếp theo là Danielli-Davson (1935) với lớp lipid kép gắn thêm các phân tử protein, sau đó là Robertson (1960) và cuối cùng hoàn thiện hơn cả là mô hình màng khảm lỏng của Singer và Nicolson (1972)

- Màng tế bào đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong hoạt động trao đổi chất của

tế bào Màng tế bào phải có cấu trúc đáp ứng được yêu cầu của quá trình trao đổi vật chất

và năng lượng giữa tế bào với môi trường, đảm bảo thực hiện các chức năng sống của tế

bào Mô hình khảm lỏng được S Jonathan Singer và Garth Nicolson đưa ra năm 1972 Theo mô hình này, khung của màng vẫn là lớp kép các phân tử lipid có các đầu phân cực hướng về bên ngoài và đuôi không phân cực hướng vào trong Tuy nhiên, các phân tử

phospholipid có thể di động tự do với điều kiện giữ nguyên hướng phân bố trong một

nửa lớp kép của chúng Cholesterol sẽ hạn chế ở một mức độ nhất định sự di chuyển

của phospholipid và do đó có chiều hướng tạo sự ổn định cho cấu trúc màng Protein

(cả dạng cầu và dạng sợi) sẽ phân bố không đồng đều trong cấu trúc kép lipid đó Một

số protein xuyên qua màng, một số khác bám cố định vào màng ở một nửa của lớp kép hoặc chỉ bám vào bề mặt màng tuỳ vào chức năng của chúng

- Mô hình cấu trúc này giải thích được nhiều tính chất của màng và rất phù hợp

với tính linh động của một cấu trúc sinh học Chính vì vậy, đây là mô hình phổ biến

nhất hiện nay

Mô hình màng khảm lỏng của Sanger và Nicolson (1972)

- Theo các tác giả, màng tế bào là một lớp lipit kép ở trạng thái lỏng còn các phân tử protein được nhúng (khảm) vào lớp lipit với mức độ nông hoặc sâu khác nhau Do ở trạng thái lỏng nên các phân tử lipit và protein có thể di chuyển theo cả chiều dọc lẫn chiều ngang Tính lỏng của màng tế bào phụ thuộc chủ yếu vào tỷ lệ giữa 3 thành phần cơ bản tham gia vào cấu trúc màng là photpholipit, cholesteron, protein

3.1.2 Chức năng chung của màng tế bào

1 Duy trì hình dạng tế bào, che chắn và bảo vệ tế bào

2 Tham gia vào quá trình phân chia tế bào Cụ thể màng tế bào được nối với các nhiễm sắc thể tham gia vào phân chia tế bào

3 Tham gia vào phản ứng kết dính, màng tế bào có vai trò nhận biết và thực hiện chức năng tương tác giữa các tế bào

4 Chức năng enzym: Sự xúc tác của các enzym trong hệ thống enzym gắn mỏ neo vào màng (màng ti thể, màng lục lạp) Tạo ra năng lượng sinh học, các phản ứng

năng lượng trên màng và truyền năng lượng (màng ti thể, màng lục lạp).

5 Tham gia truyền tín hiệu quang hoá và tín hiệu điều hoà trao đổi chất (màng

tế bào võng mạc truyền tín hiệu photon trong cơ chế nhìn, màng tế bào gan truyền tín hiệu thông tin thứ nhất (hormon adrenalin, insulin) qua AMP vòng và protein G tác động đến điều hoà trao đổi đường trong máu

6 Giám sát đáp ứng miễn dịch Trên bề mặt màng có vô số thụ thể và các phân

tử biệt hóa (CD) có chức năng nhận biết và kiểm soát miễn dịch

7 Vận chuyển các phân tử nhỏ và phân tử lớn qua màng

- Vận chuyển đại phân tử Protein, lipid, axít nucleic, cấu trúc trên phân tử như vi khuẩn và virus bằng các cơ chế nuốt và nhập bào

- Vận chuyển các ion qua màng (K+, Na+, Ca2+) bằng cơ chế bơm ion

8 Truyền tín hiệu giữa các tế bào và tương tác giữa các tế bào như tín hiệu đáp ứng miễn dịch: Sự trình diện kháng nguyên, sự hoạt hoá và biệt hoá tế bào bằng các Cytokin v.v…

(tham khảo từ : sinh học màng tế bào –t/g ĐỖ NGỌC LIÊN-NXB ĐHQG Hà Nội 2007)

3.1.3 Qúa trình vận chuyển Ion qua màng tế bào

- Để hiểu rõ quá trình vận chuyển ion qua màng tế bào cần hiểu biết về :

• Điện thế màng tế bào (điện thế nghỉ , điện thế hoạt động , điện thế tổn thương …)

• Các loại ion và phương pháp vận chuyển ion qua màng tế bào

- Trước khi tìm hiểu về các loại điện thế sinh vật, ta lưu ý rằng các dịch thểở hai phía trong

và ngoài màng tế bào là các dung dịch điện phân (electrolytic solutions) Nồng độ trung bình của các anion có giá trị khoảng 155 mEq/l, đồng thời có xuất hiện một nồng độ tương ứng của các loại cation phát triển theo phía ngược lại

anion và cation ở hai phía màng Đồng thời với quá trình vận chuyển tích cực, thì có cả sự

khuyếch tán của các ion với các độ thấm khác nhau Kết quả cuối cùng là trong toàn bộ quá trình

hệ có sự chênh lệch nồng độ ion ở hai phía màng, do đó làm xuất hiện một hiệu số điện thế màng (membranne potential)

Sự khuếch tán :

tích điện không khuếch tán đơn giản qua màng , có thể di chuyển qua tế bào theo 2 cách :

+ đi xuyên qua

+ liên kết với các protein và được tăng tốc di chuyển qua màng

- Các chất di chuyển nhanh hay chậm phụ thuộc vào các yếu tố :

+ Đường kính của phân tử

+ Nhiệt độ của dung dịch

+ Điện tích của vật chất

+ Sự chênh lệch nồng độ trong hệ thống

- Ở trạng thái bình thường ta thấy có sự phân bố không đều của các ion ở hai phía của màng sinh vật Do có sự chênh lệch nồng độ, các ion này sẽ khuyếch tán qua màng từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp hơn Dưới ảnh hưởng của gradien nồng độ, các ion có khuynh hướng tiến tới trạng thái cân bằng mới, đồng thời hình thành giữa nó một lớp điện tích kép ngay

ở trong dịch sinh vật

- Trong cơ thể người và động vật có các protein (R+)ở dạng muối, nó là các đại phân tử không lọt được qua màng Mặc dầu các phân tử này không qua được màng nhưng nó đã đóng một vai trò hết sức quan trọng, đó là đã làm ảnh hưởng nhiều đến tác dụng của áp suất thẩm thấu lên màng

phía màng có sự chênh lệch nồng độ các ion (có khả năng khuyếch tán được) qua màng

thì sẽ tạo thành một sự cân bằng đặc biệt Đó chính là cân bằng Donnan Thực nghiệm cho thấy cân bằng Gibbs-Donnan không những phụ thuộc vào bản chất dung dịch, tính thấm chọn lọc ion, kích thước của màng mà còn phụ thuộc nhiều vào loại điện tích của các ion trong hệ sinh vật

Ở trạng thái cân bằng Gibbs - Donnan thì giữa hai phía màng luôn luôn tồn tại một sự chênh lệch điện thế Hiệu điện thế xuất hiện là do có sự phân bố không đồng đều các ion ở trạng thái cân bằng Donnan Hiệu điện thế đó được gọi là hiệu điện thế màng (Um)

Trong cơ thể động vật, trên các tế bào, mô sống thường xuất hiện và tồn tại nhiều loại điện thế khác nhau Các loại điện thế này có cùng nguồn gốc như nhau nhưng tuỳ theo nguyên nhân xuất hiện, phương pháp đo đạc và điều kiện thí nghiệm mà ta có thể phân chia ra thành

nhiều loại có tên gọi khác nhau Đó là các loại điện thế cơ bản như điện thế nghỉ, điện thế tổn thương, điện thế hoạt động, điện thế tại chỗ

bình thường của đối tượng sinh vật Nếu thay đổi trạng thái sinh lý sẽ liên quan đến trạng thái chức năng của hệ Nói cách khác, điện thế này cũng đặc trưng cho tính chất điện của hệ thống sống ở trạng thái trao đổi chất bình thường

bằng cách ghi đo sự chênh lệch hiệu thế giữa tế bào chất và dịch ngoại bào Điện thế nghỉ có hai đặc điểm như sau:

chiều điện thế nghỉ là không đổi

Các yếu tố nào làm ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất bình thường của nó cũng đều ảnh hưởng đến điện thế nghỉ của hệ, chẳng hạn như:

cơ , do đó sẽ làm ảnh hưởng đến điện thế nghỉ

3.2 Ảnh hưởng của dòng điện một chiều đều và dạng xung đến quá trình vận

chuyển ion qua màng tế bào:

Tính chất điện sinh học đã được Dr Louis De Galvanie khám phá Sau đó, đề tài này đã thu hút nhiều nhà khoa học khác quan tâm và đầu tư vào việc nghiên cứu một cách lý thú

khoa học, con người vẫn chưa giải thích được cơ chế hình thành hiện tượng điện sinh vật một cách rõ ràng Các kết quả thực nghiệm vẫn còn đóng khung trong việc mô tả hiện tượng Trong vài thập kỉ gần đây, nhờ các phương tiện ghi đo có độ nhạy cao, chính xác,

cũng như các thiết bịđiện tử hiện đại người ta mới khám phá được nhiều qui luật hình thành dòng điện của tế bào Từ kết quả thực nghiệm đo được bằng các phương pháp khác nhau

thấy bản chất của dòng điện sinh học

còn có nhiều hạn chế Sỡ dĩ như vậy là vì khi nghiên cứu hiện tượng điện sinh vật thường gặp phải một số giới hạn sau:

giá trị đo được thường rất nhỏ, nên yêu cầu về thiết bị nghiên cứu phải là các dụng cụ ghi đo thật nhạy và có độ chính xác thật cao

ảnh hưởng đến trạng thái sinh lý của đối tượng khảo sát

và ngoài màng tế bào là các dung dịch điện phân (electrolytic solutions) Nồng độ trung bình của các anion có giá trị khoảng 155 mEq/l, đông thời có xuất hiện một nồng độ tương ứng của các loại cation phát triển theo phía ngược lại

định đó là:

màng

pha khác, tạo thành một cân bằng mới đó là sự cân bằng đặc biệt của các ion

vật đó là:

tổn thương, điện thế hoạt động Ngoài ra cần nắm vững về cách ghi đo, điều kiện thí nghiệm, các giai đoạn xuất hiện

các kết quả ghi nhận được, kểcả các mối quan hệ giữa chúng

Tìm hiểu một số ứng dụng điện sinh học của các công trình nghiên cứu trong Y-Sinh học Đưa ra một số ứng dụng hiện tượng điện trong công tác chẩn đoán, thăm dò chức năng, cũng như các ứng dụng để điều trị bệnh trong y học

một ý nghĩa hết sức quan trọng Đặc biệt, ngày nay với các thiết bị khoa học hiện đại, việc ứng dụng hiện tượng điện trong Y học, xét nghiệm trên cận lâm sàng được sử dụng khá phổ biến Do

đó ta cần phải nắm kỷ phương pháp ghi đo, hiểu rõ bản chất của các loại điện thế sinh vật cơ bản

Ở các loại tế bào khác nhau thì điện thế nghỉ cũng có giá trị khác nhau Giá trị này thay đổi trong khoảng từ -10mV đến -100mV Sự chênh lệch điện thế tồn tại giữa các phần khác nhau trong một hệ sinh vật cũng là một trong những yếu tố đặc trưng cho cơ thể sống

Điện thế tổn thương là hiệu điện thế xuất hiện do sự chênh lệch

điện thế giữa vùng bị tổn thương và vùng không bị tổn thương Sự tổn thương xảy ra có thể do nhiều nguyên nhân khác nhau (như dưới tác động cơ học, nhiệt, điện, hoặc hoá học ) đều làm xuất hiện sự chênh lệch điện thế Loại điện thế này có cùng dạng như nhau trên các đối tượng sinh vật

Đặc trưng cơ bản của điện thế tổn thương là:

*Điện thế hoạt động

Tất cả tế bào sống đều có đặc tính dễ bị kích thích, nghĩa là có nhiều khả năng để chuyển từ trạng thái tĩnh sang trạng thái hoạt hoá dưới ảnh hưởng của các tác nhân Sự biến đổi các thông sốđặc trưng cho trạng thái, thực ra là do bị thay đổi tính thấm của màng

hiện trong các tế bào thần kinh, cơ, và một số tế bào khác khi có sóng hưng phấn truyền qua Do

đó dòng điện làm xuất hiện điện thế này còn được gọi là dòng điện hưng phấn Tất cả tế bào sống đều có đặc tính dễ bị kích thích, tức là có khả năng chuyển từđiều kiện sinh lý bình thường ở trạng thái tĩnh sang trạng thái hoạt hoá Dưới ảnh hưởng của tác nhân kích thích nào đó, tế bào sẽ

dễ dàng bị thay đổi tính chất hoá lý của màng

loại tế bào thần kinh, cơ nghĩa là các đối tượng này có khả năng đáp ứng ngay dưới tác dụng của nguồn kích thích Khi có sóng hưng phấn truyền đến, dấu hiệu điện tích ở hai phía màng tế bào bịđảo ngược hẳn lại so với giá trịđiện thế nghỉ lúc ban đầu Hiệu điện thế này xuất hiện là do

có sự chênh lệch về giá trịđiện thế giữa hai phía của màng Lúc này giá trị của điện thếở mặt bên ngoài sẽ âm hơn so với điện thế mặt bên trong của nó Đáp ứng thay đổi do kích thích thường được biểu hiện bằng sự xuất hiện một điện thế hoạt động Về bản chất và cơ chế hình thành điện thế khá phức tạp, dựa vào lý thuyết ion màng ta mới có thể giải thích một cách hợp lý nhất

+ Sự khử cực và tái phân cực:

-Ta biết rằng ở trạng thái nghỉ, có sự phân bố các loại ion ở hai phía màng làm cho bên

trong màng tích điện âm và phía bên ngoài màng tích điện dương Điện thế đó chính là giá trị cuả điệnthế nghỉ của tế bào trạng thái bình thường

- Khi màng tế bào được kích thích thì tế bào ở trạng thái hưngphấn Theo Bernstein và một số tác giả khác đã cho rằng màng tếbào thấm với một số loại ion nào đó Khi tính thấm của màng đối với những ion Na+ đột nhiên tăng, thì nhiều ion Na+ thấm từngoài vào phía trong màng, mang đủ lượng điện tích dương vào phía trong Trạng thái nghỉ bình thường biến mất, phía trongmàng có giá trịđiện thế dương hơn so với giá trịđiện thế âm lúcbình thường Sự phân cực trở lại trong lúc này được gọi là điện thế biến đổi (reversal potention) và giai đoạn này được gọi là giaiđoạn khử cực

- Ngay lập tức sau khi có sự khử cực khoảng một phần trăm giây (milisecond), màng hầu như thấm hoàn toàn đối với các ion Na+.Do mất cân bằng ion thì bơm và K+

xuất hiện đưa ion Na+ quay trở lại Vì vậy tạo thành đã tạo sự cân bằng mới của các ion giữa hai phía màng Sự phân cực lúc đó của màng giống như sự phân bố ion lúc ban đầu, nên giai đoạn này được gọi là giai đoạn phân cực lại

3.3 Tác dụng sinh học của dòng điện

3.3.1 Dòng một chiều đều

Cấu trúc cơ thể người và động vật có thể coi như một vật thể xốp thấp dung dịch tổng hợp nhiều thành phần (nước chiếm tỉ lệ 60%-70%) và nhiều chất điện giải khác mà NaCl chiếm tỉ lệ cao nhất Sự dẫn truyền điện trong tổ chức là do chuyển dời ion , khả năng dẫn truyền lệ thuộc nhiều yếu tố như lượng dịch thể hằng số điện môi (dielectric constant) của tồ chức, sự có mặt của các màng ngăn cách các cơ quan…) Điện trở da cao cũng cản trở dòng điện vào tổ chức

a.Hoạt động điện sinh vật của các tổ chức sống

- Tế bào, tổ chức sống đều có những biểu hiện về điện gắn liền với họat động của chúng, giữa tế bào chất và môi trường ngoài tế bào luôn có sự trao đổi về dinh dưỡng và các chất điện giải, làm cho sự tập trung của các ion không đồng đều ở hai mặt màng tế bào, tạo nên một hiệu điện thế từ 50 đến 100 milivôn ở trạng thái yên tĩnh (gọi là điện thế nghỉ) Mặt ngoài tích điện dương (+); mặt trong tích điện âm (–)

Điện thế nghỉ của tế bào

Khi tế bào bị kích thích chuyển sang tình trạng hưng phấn thì sự phân bố ion trên màng thay đổi Điện thế đo được ở chỗ bị kích thích cao hơn điện thế lúc nghỉ (gọi là điện thế hoạt động) Ở chỗ bị kích thích, mặt ngoài màng tế bào trở thành âm (–) và lan tỏa ra xung quanh Kích thích nhẹ thì màng tế bào nhanh chóng phục hồi lại tình trạng cũ và vùng lan tỏa hẹp Kích thích mạnh thì điện thế hoạt động cao hơn, thời gian tồn tại lâu hơn và bề mặt vùng lan tỏa rộng hơn

Sự thay đổi điện thế khi tế bào bị kích thích

Theo thuyết "Điện màng tế bào" sự kích thích tạo ra sự biến đổi tạm thời của bề mặt màng

tế bào, làm cho các ion có thể qua lại chỗ kích thích dễ dàng hơn, làm cho tình trạng cực hóa sẵn

có của màng bị phá hủy (gọi là hiện tượng hủy cực) Kích thích sẽ lan rộng và yếu dần, mang tế bào phục hồi lại trạng thái ban đầu Hiện tượng điện sinh vật trên đây được sử dụng trong chẩn đoán (ghi điện tim, điện cơ, điện não v.v…) và trong điều trị (điều trị bằng điện một chiều, thể dục điện v.v…)

Sự dẫn truyền dòng điện và sự thay đổi điện thế hoạt động

b Sự dẫn truyền điện của các tổ chức sống khi dòng điện một chiều đi qua cơ thể

Sự dẫn truyền điện là khả năng để dòng điện đi qua, phụ thuộc vào lượng chứa dịch tể của tổ chức Dịch tể càng nhiều thì lượng ion càng nhiều, dẫn truyền điện càng lớn Dịch não tủy huyết tương dẫn điện tốt nhất, sau đó đến nhu mô của các phủ tạng, mỡ, tổ chức thần kinh ; da xương

là những tổ chức dẫn điện kém nhất

Khi đặt hai điện cực lên bề mặt của cơ thể rồi nối vào một nguồn điện một chiều, giữa hai điện cực sẽ hình thành một điện trường không đổi Dưới tác dụng của điện trường, các ion trong tổ chức sẽ di chuyển : ion dương (+) chạy về cực âm (–) và ion âm (–) chạy về cực dương (+) Sự di chuyển này phụ thuộc vào nhiều yếu tố :

– Độ dẫn điện riêng khác nhau của các tổ chức sẽ làm cho dòng điện đi ngoằn ngoèo theo con đường ít sức cản nhất, có khi đi chếch rất xa con đường ngắn nhất giữa hai điện cực, theo các khe kẽ, các dòng dịch tể giữa các cơ quan, tổ chức

– Do có các màng ngăn cách (màng tế bào, màng ngăn cách các tổ chức, các vách ngăn giữa các cơ quan …) nên các ion không di chuyển tự do mà bị ùn tắc lại ở hai mặt màng, tạo nên hiện tượng cực hóa Hiện tượng này làm tăng điện trở của tổ chức và ngăn trở dòng điện đi qua cơ thể

– Tình trạng của lớp da ảnh hướng lớn đến dòng điện Khi khô các lớp sừng hóa của bề mặt

da hầu như không dẫn điện Khi da ẩm, dòng điện sẽ đi qua các lỗ chân lông và các tuyến mồ hôi Điện trở của da lúc khô với dòng điện một chiều là 50.000ôm – 200.000ôm Khi ẩm chỉ còn vài chục kilô ôm, có khi thấp hơn Vì vậy các máy điều trị điện một chiều ít nhất phải có điện thế

ở đầu ra là 100V mới đủ đưa điện vào cơ thể

c Cơ chế tác dụng của dòng điện một chiều

Khi dòng điện một chiều đều đi qua cơ thể, giữa các điện cực có một điện trường hằng định làm cho các ion (và các phân tử có ion bám vào) di chuyển, đồng thời có sự di chuyển các phân

tử nước về cực âm Tốc độ di chuyển các ion không đều, ion điện tích ít, trọng lượng nhỏ, ion vô

cơ di chuyển nhanh hơn Tốc độ các ion xuyên qua màng tế bào phụ thuộc vào kích thước ion sau khi đã hút nước, cho nên độ tích điện của các tế bào, tổ chức ở các màng ngăn có sự thay đổi lớn, các ion lớn bị chặn lại, còn các ion kích thước nhỏ thì vận chuyển xa hơn

sự kích thích tế bào do tính thấm màng tế bào tăng Các ion canxi, magiê tụ tập ở cực dương (+) làm giảm sự hưng phấn tế bào và làm các khe kẽ màng tế bào bịt kín lại Các ion hyđrô tập trung

ở cực âm (–), ion oxy ở cực dương (+) Sự thay đổi mật độ các ion ảnh hưởng đến sự phân tán của các chất dạng keo, làm chúng đẩy hoặc hút nhau mạnh hơn Các ion hyđrô và nhóm hyđrôxin (OH) quyết định quá trình di chuyển ion từ môi trường ngoài tế bào vào trong tế bào và

sự chuyển hóa các ion trong tế bào Sự thay đổi pH do tăng số lượng các phân tử chất điện giải chưa phân ly cũng kép theo sự thay đổi sức thấm qua màng tế bào

Sự thay đổi về ion (bố trí, vận động, tính chất …) nói trên là cơ sở cho tác dụng sinh l ý của dòng điện một chiều đều :

– Sự thay đổi về ion của các lớp trên cùng của da do dòng điện một chiều gây ra, trước hết gây kích thích các cảm thụ da, tạo nên hiện tượng cảm giác kiến bò, kim châm, nóng rát Các cảm giác này được đưa về các trung tâm trong tủy sóng và não Phản ứng phản xạ tiếp theo là sự giãn mạch ở vùng đặt điện cực kéo dài hàng giờ sau khi cắt dòng điện Bản thân yếu tố tăng tuần hoàn có tác dụng điều trị cao (tăng dinh dưỡng chuyển hóa, thải trừ các chất có hại …, làm giảm phù nề, giảm đau …) nó còn tạo ra histamin và nhiều chất có tác dụng sinh học như axêtylcholin

… làm thay đổi các quá trình chuyển hóa dinh dưỡng và là nguồn gốc của nhiều phản xạ khác – Ở các tổ chức nằm trong đường điện di (nói cách khác là đường sức của điện trường), cũng

có sự di chuyển, tập trung ion ở hai mặt các màng ngăn làm tăng sức cản dòng điện và là nguyên nhân kích thích các cơ quan cảm thụ nội trong mạch máu và phủ tạng, đầu mối của nhiều phản

xạ phức tạp tạo nên sự điều hòa tuần hoàn dinh dưỡng, điều hòa trương lực cơ xương, cơ phủ tạng và thành mạch, điều hòa bài tiết và tác dụng giảm đau

– Đáng chú là tác dụng điện một chiều đều, dùng theo cách thông thường trong vật l ý trị liệu phụ thuộc đáng kể vào lượng điện tích âm đưa vào cơ thể, nói một cách khác là phụ thuộc vào cường độ, thời gian và bề mặt điện cực Khi dòng điện quá yếu (dưới ngưỡng) các hiện tượng và tác dụng sinh l ý nói trên không quan sát được vì nó chưa đủ gây ra các phản ứng của cơ thể

- Khi có dòng điện một chiều đều đi qua cơ thể xuất hiện các hiện tượng :

• Kích thích các cơ quan cảm thụ ở da dẫn đến phản ứng dãn mạch kéo dài hàng giờ là

cơ chế tác dụng quan trọng của điều trị bằng dòng một chiều đều

• Kích thích vật lý về điện học dẫn đến hàng lọat các phản ứng do thay đổi tính chất của dịch thể

- Những biểu hiện trên cơ thể khi điều trị bằng dòng một chiều :

• Phỏng hóa học khi da tiếp xúc trực tiếp điện cực kim lọai :

Trong tổ chức cơ thể chứa thành phần chủ yếu là nước và các chất điện giải dưới dạng các ion (Na+, K+, Cl- ) Khi dòng điện một chiều đều đi qua tổ chức cơ thể sẽ gây nên hiện tượng điện ly trong tổ chức, ion âm sẽ di chuyển về cực dương và ion dương thì di chuyển về cực âm NaCl Na+ + Cl-

- Các ion Na + và Cl- khi chạm vào điện cực kim lọai bị mất điện tích trở thành nguyên tố

Cl và Na có họat tính hóa học , phản ứng với nước (H20) trở thành HCl và NaOH tại vùng da tiếp xúc với điện cực kim lọai , HCL gây bỏng axit và NaOH gây bỏng kiềm Bỏng do axit thường sâu và để lại sẹo cứng , bỏng kiềm nôn và sẹo mềm

- Da đỏ do dãn mao mạch , nhiệt độ tăng có thể kéo dài hàng giờ Tại điểm cực dương giảm kích thích và giảm co thắt có tác dụng chính trong giảm đau Tại điểm cực âm tăng mẫn cảm và trương lực có tác dụng kích thích

• Trong vùng tổ chức có dòng điện đi qua :

- Tăng tuần hoàn máu và dinh dưỡng , tăng quá trình chuyển hóa chất

• Tác dụng lên hệ thần kinh

- Tác dụng lên cảm giác: có 3 ngưỡng kích thích:

+ Ngưỡng cảm giác: gây cảm giác lăn tăn châm chích như kiến bò

+ Ngưỡng kích thích: gây cảm giác châm chích, cắn rứt như kiến cắn

+ Ngưỡng đau: gây cảm giác đau rát, buốt

Các ngưỡng trên khác nhau ở mỗi người, trên cùng một người thì mỗi vị trí khác nhau lại có ngưỡng khác nhau Trong điều trị chỉ nên dùng tới ngưỡng cảm giác là được

- Tác dụng lên thần kinh ngoại vi: làm tăng dẫn truyền thần kinh, tăng dinh dưỡng và trao đổi chất của các tế bào thần kinh và tổ chức xung quanh

- Tác dụng tại các điện cực:

+ Cực dương: có tác dụng giảm đau, giảm co thắt, giảm trương lực cơ

+ Cực âm: có tác dụng kích thích, làm tăng trương lực cơ

- Tác dụng phản xạ thần kinh: khi đặt điện cực trên vùng đốt đoạn thần kinh của tủy sống, dòng điện có thể gây phản ứng ở những cơ quan nội tạng cùng đốt đoạn thần kinh chi phối như: làm tăng tuần hoàn, tăng trao đổi chất, tăng vận động bài tiết…

• Toàn thân :

- Do phản ứng tòan thân khi ứng dụng kỹ thuật điều trị theo phản xa đốt đọan hay điện một chiều tòan thân Từ những tác dụng trên nên hiệu quả điều trị : giảm đau , tăng nuôi dưỡng cục

bộ , tăng chuyển hó, tăng thực bào , chống viêm

- Tác dụng trên được giải thích theo thuyết “ kích thích do ion “ Na+ , K+, Ca++, Mg++, H+,

O- , ở hai cực Với sự vận động của phân tử nước, tốc độ chuyển dời của các ion không đồng đều làm thay đổi mật độ các ion Vai trò của nhóm hydroxyl (H+ và OH-) quyết định quá trình

chuyển dời từ môi trương ngòai tế bào vào trong tế bào và tọa nên sự chuyển hóc ion trong tế

bào Sự thay đổi pH do thay đổi chất điện giải kéo theo thay đổi sức thấm qua màng tế bào Do vậy có thể xem điều trị bằng dòng một chiều là điều trị từ cấp tế bào

3.3.2 Tác dụng sinh học của dòng điện xung :

Khác với dòng điện một chiều đều , dòng điện xung thay đổi cường độ theo thời gian gây nên hiện tượng kích thích thần kinh-cơ Đối với dòng xung một chiều cũng gây hiện tượng cực hoá

Từ kích thích gây hưng phấn các cơ quan cảm thụ ở da, cơ và các tổ chức dòng điện đi qua gây nên nhiều phảm xa như dãn mạch , tăng tuần hoàn và dinh dưỡng cục bộ , tăng chuyển hóa …kèm theo hiện tượng co rút cơ không theo ý muốn là sự tăng cường các phản ứng oxy hoá khử , tiêu hao các chất glycogen… Dòng xung một chiểu có tác dụng vận chuyển điện tích như dòng một chiều (gây cực hóa …)

* Khi có dòng điện xung đi qua cơ thể xuất hiện các hiện tượng :

• Tác dụng ức chế: giảm đau và giảm trương lực cơ

Dùng các dòng điện xung có cường độ tăng từ từ, tần số cao, loại dòng như Diadynamic, Trọbert, Burst - TENS có tác dụng giảm đau rõ rệt, giảm trương lực cơ co thắt, thư giãn cơ Tác dụng giảm đau của dòng điện xung được giải thích bằng các cơ chế sau:

- Theo thuyết cổng kiểm soát của Melzack và Wall

Sự dẫn truyền cảm giác từ ngoại vi vào tủy sống do thân tế bào nằm ở hạch gai đảm nhiệm Các sợi thần kinh dẫn truyền cảm giác (hướng tâm) gồm các loại có kích thước và tốc độ dẫn truyền khác nhau như sau:

Loại Sợi thần kinh Týp Đường kính

(mm)

Tốc độ dẫn truyền (m/s)

6 - 30

3 - 14 0,5 - 2 Sợi có myelin và ko có myelin

chủ yếu dẫn truyền cảm giác bản thể (cảm giác nhiệt và xúc giác) Các sợi Ad (týp III) và C là những sợi nhỏ đảm nhiệm dẫn truyền cảm giác đau

+ Kích thích đau được truyền hướng tâm theo sợi Ad và C vào sừng sau tủy sống và tiếp xúc với tế bào vận chuyển T (transmission cell) và không gây hưng phấn neurone liên hợp do đó không gây ra ức chế dẫn truyền trước sinap của cả sợi Ad và sợi C (cổng mở), nên xung động được dẫn truyền lên đồi thị cho ta thấy cảm giác đau

+ Các xung động bản thể được chủ yếu theo các sợi to (Aa và Ab) cho một nhánh tiếp xúc với neurone liên hợp và gây hưng phấn neurone này, do đó gây ức chế trước sinap dẫn truyền của cả sợi to và sợi nhỏ (cổng đóng) Khi đó xung động đau từ sợi nhỏ Ad và C bị chặn lại trước khi tiếp xúc với tế bào T nên không bị dẫn truyền lên trên làm cho ta có cảm giác giảm đau Các kích thích của điện xung (đặc biệt là các dòng xung có tần số cao từ 80-200Hz, cường độ thấp, thời gian xung ngắn) được dẫn truyền theo các sợi to Aa và Ab làm đóng cổng kiểm soát ngăn không cho xung động đau được dẫn truyền lên, đây chính là cơ chế giảm đau của dòng điện xung theo

thuyết “cổng kiểm soát”

Sơ Đồ Thuyết Cổng Kiểm Soát

- Thuyết về sự phóng thích endorphine của Sjolund và Ericsson: khi kích thích bởi dòng điện xung có tần số thấp (dưới 50Hz), cường độ cao, thời gian kéo dài như dòng xung nhóm Burst - TENS, hay xung ngắt quãng trong điện châm, hệ thần kinh trung ương có thể sẽ phóng

thích ra endorphine là các chất giảm đau nội sinh (morphine nội sinh) gây tác dụng giảm đau mạnh và kéo dài

- Thuyết về ngừng trệ sau kích thích của hệ thần kinh giao cảm của Sato và Schmidt : kích thích các sơi thền kinh nhóm II và III sẽ hạn chế hoạt động quá mức của thần kinh giao cảm

- Ngoài ra một số tác giả qua nghiên cứu về khả năng kích thích chọn lọc các sợi thần kinh như nhóm II và III để ức chế đau , nhóm I (A-α) để kích thích vận động Howson (1978) cho rằng với thời gian xung (ti) rất ngắn để kích thích các sợi nhóm II , III và A-α là tố nhất , ti < 200µs gây kích thích dây thần kinh cảm giác và vận động mà không gây kích thích sợi thần kinh mảnh không có myelin (gây đau) Do thời gian xung (ti) ngắn nên có thể nân cường độ dòng mà không kích thích các sợi mảnh

Theo Lullies , dòng điện xung xoay chiều để kích thích các sợi thền kinh dầy có thể với cường độ dòng tương đối thấp nhưng tần số > 3Hz

- Wyss nghiên cứu dòng điện xung dạng tam giác cải biên ( xung lưỡi cày exponentiel ) thấy

để kích thích sợi thần kinh nhóm A cần cường độ và thời gian ti thấp hơn so với để kích thích sợi thần kinh nhóm B

Có thể nói tới nay phát triển của dòng xung rất đa dạng phong phú , đã có những tiến bộ lớn về cơ chế tác dụng cũng như hiệu quả Nhưng trong thực tế do tính phức tạp của bệnh sinh nên còn nhiều vấn đề chưa được giải thích thoả đáng , một phần do những thay đổi của quá trình bệnh lý gây nên những đáp ứng khác nhau thậm chí ngược lại Cho nên khi sử dụng dòng điện xung cần vận dụng những nguyên lý cơ bản kết hợp với diễn biến thực tế của từng trường hợp để chọn kỹ thuật tối ưu

Hiện tượng quen của cơ thể đối với dòng điện xung

Là hiện tượng sinh lý bình thường của cơ thể dần dần thích nghi với kích thích Trong thực hành ta thấy, khi nâng cường độ đạt tới mức rung cơ mạnh, nhưng sau khoảng 1 phút độ rung cơ yếu dần mặc dù cường độ kích thích vẫn giữ nguyên, muốn có độ rung như lúc đầu phải tăng cường độ lên một chút Vì vậy, trong điều trị phải hạn chế hiện tượng quen bằng cách: tăng dần hoặc biến điệu cường độ, thay đổi tần số, thay đổi kiểu xung, mặt khác không nên kéo dài thời gian trong một lần điều trị quá 15 phút