Влияние продолжительности прохождения тока на исход поражения

Анализ несчастных случаев с людьми от воздействия электрического тока и данные опытов над животными показывают, что длительность прохождения тока через организм существенно влияет на исход поражения: чем продолжительнее действие тока, тем больше вероятность тяжелого или смертельного исхода. Такая зависимость объясняется тем, что с увеличением времени воздействия тока на живую ткань повышается его значение, растут (накапливаются) последствия воздействия тока на организм и, наконец, повышается вероятность совпадения момента прохождения тока через сердце с уязвимой фазой Т сердечного цикла (кардиоцикла).

Рост тока с увеличением времени его действия объясняется уменьшением сопротивления тела человека.

Последствия воздействия тока на организм выражаются в нарушении функций центральной нервной системы, изменении состава крови, местном разрушении тканей организма под влиянием выделяющейся теплоты, нарушении работы сердца и легких и т.п.

Очевидно, что с увеличением времени воздействия тока эти отрицательные факторы накапливаются, а губительное влияние их на состояние организма усиливается.

Опасность совпадения момента прохождения тока через сердце с фазой Т кардиоцикла заключается в следующем.

Каждый цикл сердечной деятельности состоит из двух периодов: одного, называемого диастолой, когда желудочки сердца, находясь в расслабленном состоянии, заполняются кровью, и другого, именуемого систолой, когда сердце, сокращаясь, выталкивает кровь в артериальные сосуды (рис. 10, а).

На кардиограмме выделяются отдельные участки, соответствующие различным фазам работы сердца. Так, зубец Р возникает при сокращении предсердий (что обеспечивает заполнение расслабленных желудочков кровью), пик QRS - при сокращении желудочков сердца, благодаря чему кровь выталкивается в аорты, зубец Т - период, когда заканчивается сокращение желудочков, и они переходят в расслабленное состояние.

Установлено, что чувствительность сердца к электрическому току неодинакова в разные фазы его деятельности. Наиболее уязвимым сердце оказывается в фазе Т, продолжительность которой около 0,2 с. Поэтому, если во время фазы Т через сердце проходит ток, то при некотором его значении возникает фибрилляция сердца; если же время прохождения этого тока не совпадает с фазой Т, то вероятность возникновения фибрилляции резко уменьшается. Например, опыты над животными показали, что ток промышленной частоты разного значения (вплоть до 10 А) и длительностью 0,2 с, как правило, не вызывает фибрилляции сердца, если время прохождения его совпадает с периодом сокращения предсердий (пик Р) или желудочков (пик QRS). При совпадении же тока с фазой Т смертельное поражение наступает при значительно меньшем токе (0,6 - 0,7 А) той же длительности.

Следовательно, вероятность возникновения фибрилляции сердца, т.е. опасность смертельного поражения, зависит не только от значения тока, но и от того, с какой фазой сердечного цикла совпадает период прохождения тока через область сердца. Общий характер этой зависимости выражается кривой, приведенной на рис. 10, б.

 

б)

а)

 

Рис. 10. Опасность совпадения времени протекания тока

через сердце с фазой Т кардиоцикла:

а) электрокардиограмма здорового человека (в схематическом виде); б) кривая,

выражающая общий характер зависимости опасности поражения током

(т.е. вероятности возникновения фибрилляции сердца) от момента

протекания тока через сердце человека

 

При длительности прохождения тока, равной времени кардиоцикла (0,75 - 1 с) или превышающей его, ток «встречается» со всеми фазами работы сердца, в том числе с наиболее уязвимой фазой Т; это весьма опасно для организма.

Если же время воздействия тока меньше продолжительности кардиоцикла на 0,2 с или более, то вероятность совпадения момента прохождения тока с фазой Т, а, следовательно, и опасность поражения резко уменьшаются.

Необходимо отметить еще одно немаловажное обстоятельство, влияющее на исход поражения. Дело в том, что если время прохождения тока совпадает с фазой Т, то и в этом случае вероятность возникновения фибрилляции сердца зависит от длительности воздействия тока.

На рис. 11 показана зависимость порогового фибрилляционного тока частотой 50 Гц от длительности его прохождения через человека. Время прохождения тока во всех случаях совпадает с фазой Т кардиоцикла. Эта кривая получена путем соответствующей обработки результатов опытов над животными. Известно, что величина тока через тело человека (мА), не вызывающая фибрилляцию сердца у 99,5 % пострадавших, связана со временем

его воздействия соотношением (по данным профессора С. Ф. Дальзиеля из США):

где = 165 - 168 - экспериментальный коэффициент;

- время воздействия тока, с.

 

 

Рис. 11 Зависимость порогового фибрилляционного тока с частотой 50 Гц

Построенная по приведенному соотношению кривая имеет вид, представленный на рис. 12.

 

Рис. 12. Зависимость безопасного тока от времени его воздействия на человека

 

Влияние пути тока на исход поражения. Практикой и опытами установлено, что путь прохождения тока в теле человека играет существенную роль в исходе поражения. Так, если на пути тока оказываются жизненно важные органы - сердце, легкие, головной мозг, то опасность поражения весьма велика, поскольку ток воздействует непосредственно на эти органы.

Если же ток проходит иными путями, то воздействие его на жизненно важные органы может быть лишь рефлекторным, а не непосредственным.

При этом опасность тяжелого поражения хотя и сохраняется, но вероятность ее резко снижается.

Кроме того, поскольку путь тока определяется местом приложения токоведущих частей (электродов) к телу пострадавшего, его влияние на исход поражения обусловливается еще и различным сопротивлением кожи на разных участках тела.

Возможных путей тока в теле человека, которые именуются также петлями тока, очень много. Однако характерными, обычно встречающимися в практике являются не более 15 петель, показанных на рис. 13.

Наиболее часто цепь тока через человека возникает по пути правая рука - ноги.

Однако, если рассматривать лишь те случаи прохождения тока через человека, которые вызывают утрату трудоспособности более чем на 3 рабочих дня (т.е. учитываемые несчастные случаи), то, как это видно из табл. 5, наиболее распространенным окажется путь рука - рука, который возникает примерно в 40 % случаев.

Путь правая рука - ноги занимает второе место - 20 %. Другие петли возникают еще реже.

 

Рис. 13. Характерные пути тока в теле человека (петли тока)

 

Опасность различных петель тока можно оценить, пользуясь данными табл. 5, по относительному количеству случаев потери сознания во время воздействия тока (третья графа таблицы). Опасность петли можно оценить также по значению тока, проходящего через область сердца: чем больше этот ток, тем опаснее петля. Предполагается, что при наиболее распространенных путях в теле человека через сердце протекает 0,4 - 7 % общего тока.

В табл. 5 эти токи указаны для каждой из рассматриваемых петель (четвертая графа).

Наиболее опасными являются петли голова - руки и голова - ноги, когда ток может проходить через головной и спинной мозг. К счастью, эти петли возникают относительно редко.

Следующий по опасности путь правая рука - ноги, который по частоте образования занимает второе место.

Примечания:

1. Во второй графе за 100 % приняты все несчастные случаи поражения током, повлекшие за собой утрату трудоспособности более чем на 3 рабочих дня.

2. Предполагается, что при воздействии шагового напряжения (путь тока нога - нога) пострадавшие теряли сознание (15 %) после падения на землю, т.е. когда возникал новый путь тока.

Наименее опасен путь нога - нога, который именуется нижней петлей и возникает при воздействии на человека так называемого напряжения шага.

Напряжения шага - напряжение между двумя точками на поверхности земли, на расстоянии 1 м одна от другой, которое принимается равным длине шага человека.

В этом случае через сердце проходит, очевидно, небольшой ток.

Опыты, проводившиеся с животными, подтвердили меньшую опасность этой петли. Например, собаки оставались живыми при прохождении тока от одной задней ноги к другой, к которым было приложено напряжение 900 В течение 12 с; в другом случае напряжение 6000 В прикладывалось кратковременно дважды. Опытам подвергались и кролики, к задним ногам которых подводилось напряжение 180 - 400 В на 0,5 - 12,5 с. Кролики также оставались живыми. Здесь уместно еще раз напомнить, что при меньшем токе, протекающем через сердце, снижается лишь одна, хотя и самая грозная, опасность поражения током, а именно, опасность непосредственного воздействия тока на сердце. Опасность же непрямого (рефлекторного) действия тока на сердце и другие жизненно важные органы сохраняется.

 

Таблица 5

Характеристика наиболее распространенных путей тока в теле человека

 

Путь тока	Частота возникновения данного пути тока, %	Доля терявших сознание во время воздействия тока, %	Значение тока, проходящего через область сердца, % общего тока, проходящего через тело
Рука - рука			3,3
Правая рука - ноги			6,7
Левая рука - ноги			3,7
Нога - нога			0,4
Голова - ноги			6,8
Голова - руки			7,0
Прочие			-

 

Отсюда следует, что и в случае нижней петли, т.е. при небольшом токе, проходящем через сердце, также возможен смертельный исход вследствие его рефлекторного действия.

Кроме влияния рассмотренных физиологических факторов и условий окружающей природной среды на исход поражения влияют и другие факторы, хотя и в значительно меньшей степени.

Пол и возраст. У женщин, как правило, сопротивление тела меньше, чем у мужчин, а у детей - меньше, чем у взрослых, у молодых людей меньше, чем у пожилых. Объясняется это, очевидно, тем, что у одних людей кожа тоньше и нежнее, у других - толще и грубее.

Физические раздражения, возникающие неожиданно для человека; как-то болевые (уколы и удары), звуковые, световые и прочие воздействия - могут вызвать на несколько минут снижение сопротивления тела на 20 - 50 %.

Условия окружающей среды

Атмосферные условия. Уменьшение или увеличение парциального давления кислорода в воздухе по сравнению с нормой соответственно снижает или повышает сопротивление тела человека. Следовательно, в закрытых помещениях, где парциальное давление кислорода, как правило, меньше, опасность поражения током при прочих равных условиях выше, чем на открытом воздухе.

Повышенная температура окружающего воздуха (30 - 45 °С) или тепловое облучение человека вызывают некоторое понижение сопротивления тела, даже если человек в этих условиях находится кратковременно (несколько минут) и у него не наблюдается усиления потовыделения. Одной из причин этого может быть усиление снабжения сосудов кожи кровью в результате их расширения, что является ответной реакцией организма на тепловое воздействие.

Углекислый газ. Чувствительность к току изменяется также с изменением содержания в воздухе углекислого газа. С увеличением содержания этого газа в воздухе чувствительность к току возрастает, среднее значение ощутимого тока при этом уменьшается на 30 - 40 %.

Если парциальное содержание углекислого газа превышает значение, допустимое по санитарно-гигиеническим нормам (1 %), то чувствительность к току возрастает в два раза.

Электрическое поле. На человека постоянно действует электрическое поле напряженностью 12 - 150 В/м, а в предгрозовой и грозовой периоды - еще более сильное. Физиологическое воздействие электрических полей на живой организм объясняется контактом электроаэросистем с тканями организма. Активные вещества, образующиеся при этом в процессе биоэлектрохимических реакций в тканях, воздействуют на нервные рецепторные зоны и рефлекторным путем вызывают те или иные сдвиги систем организма, а это сказывается и на изменении его чувствительности к электрическому току. Чем дольше человек находится в электрическом поле, тем ниже его чувствительность к действию электрического тока.

Магнитное поле. Само по себе магнитное поле не вызывает патологии. Нарушения здоровья обуславливаются токами, возникающими в теле организма в процессе изменения численных значений напряженности магнитного поля, и чем она выше, тем выше опасность поражения электрическим током. Анализ факторов, влияющих на исход поражения электрическим током, и последствий этих влияний, позволил разработать методику оказания первой помощи пострадавшему при поражении электрическим током.

Прежде чем изложить порядок проведения практических исследований рассмотрим дополнительные сведения об электрическом сопротивлении тела человека. Рассмотрим лишь те положения, которые не вошли в п. 1.3.

Предметом исследования в данной работе является электрическое сопротивление тела человека, рассмотрим от каких факторов зависит его величина более подробно Сопротивление тела человека - величина нелинейная, меняется в широких пределах и зависит от ряда факторов, действие которых будет изложено ниже; состояние кожи (сухая, влажная, чистая, поврежденная и т.п.), тока через человека и приложенного напряжения, рода и частоты тока, времени воздействия тока на человека, плотности и площади контакта и др.

Разные ткани тела оказывают току разное сопротивление: кожа, кости, жировая ткань - большое, а мышечная ткань, кровь и, особенно спинной и головной мозг - малое. Но кожа, по сравнению с другими тканями, обладает наибольшим удельным сопротивлением и поэтому сопротивление тела человека определяется, главным образом, сопротивлением кожи.

Строение кожи весьма сложно. Кожа, как было указано выше состоит из двух основных слоев: наружного - эпидермиса и внутреннего - дермы. В свою очередь, эпидермис состоит из рогового слоя толщиной 0,05 - 0,2 мм, представляющего в электрическом отношении диэлектрик, и росткового слоя (он в несколько раз тоньше рогового и обладает меньшим сопротивлением).

При сухой неповрежденной коже и приложенном напряжении до 15 - 20 В сопротивление тела равно 3 - 10 кОм и может достигать 100 кОм и больше. Если на участках кожи, где прикладываются электроды, соскоблить роговой слой, сопротивление тела упадет до 1 - 5 кОм, а при удалении всего эпидермиса - до 500 - 700 Ом. Если под электродами удалить всю кожу, то будет измерено сопротивление внутренних тканей тела, которое составляет лишь 300 - 500 Ом.

При протекании электрического тока в теле человека происходят биофизические и биохимические процессы, значительно более сложные, чем в электролитах, металлах, проводниках. Однако при определенных допущениях тело человека можно представить в виде электрической схемы замещения. Чаще всего используется для анализа явлений при протекании тока через человека по пути рука - рука и расчета электрических параметров сопротивления человека - две схемы замещения: эквивалентная (рис. 14, а) и упрощенная (рис. 14, б). Здесь R_h и C_h - активное сопротивление и емкость тела человека.

Для упрощенной схемы можно принять R_h ≈ 2 r_Н + r_B, C_h ≈ 0,5 C_К, где r_Н, r_{B _}- сопротивление соответственно наружного слоя кожи и внутренних органов тела человека; C_К - емкость кожи тела человека, тогда полное сопротивление Z_h тела человека по пути рука - рука будет определяться по формуле

. (1)

Для эквивалентной схемы выражения для Z_h получается относительно сложным и здесь не приводится. Анализируя эквивалентную схему замещения, можно сделать несколько выводов:

а) Наличие емкости в схеме и соответственно реактивной составляющей в выражении для Z_h обусловливает влияние рода и частоты тока на значение сопротивления тела человека.

б) С увеличением частоты f емкостное сопротивление x_C = 1/2 π f c_H уменьшается и шунтирует активное сопротивление r_H. В пределе при ƒ→∞ полное сопротивление оказывается равным внутреннему сопротивлению r_B. Практически уже на частотах 10 - 20 кГц можно считать: Z_h ≈ r_{В .} Внутреннее сопротивление r_B является активным и от частоты не зависит.

в) При уменьшении частоты емкостное сопротивление возрастает и в пределе приƒ→0, т.е. при постоянном токе: Z_h = Z ₀ = 2 r_Н + r_В, откуда

. (2)

 

 

а) б)

 

Рис. 14. Электрическая схема замещения тела человека (рука-рука): а) эквивалентная;

б) упрощённая.

 

С некоторыми допущениями можно принять, что полное сопротивление тела человека на частотах 0 - 100 Гц находится в линейной зависимости от частоты тока и может быть определено методом экстраполяции. С этой целью в линейном масштабе строится график зависимости полного сопротивления от частоты, как показано на рис.15.

Значение Z ₀ находится при пересечении прямой z₁ - z₄ с осью координат.

Рис. 15. График экстраполяции при определении сопротивления

тела человека постоянному току

г) Значение полного сопротивления наружного слоя кожи Z_H при данной частоте может быть найдено из выражения

. (3)

Полное сопротивление наружного слоя кожи Z_H связано с r_H и 1/ ω c_H соотношением: 1/ Z_H ² = 1/ r_H ² + 1/ω² c_H ². Отсюда можно получить емкость наружного слоя кожи c_H из выражения:

. (4)

Приведенные выражения позволяют при наличии экспериментальной зависимости Z_h (f) определить расчетным путем для заданной частоты f значения r_B, z ₀, r_H, z_H, c_H.

Состояние кожи сильно влияет на значение электрического сопротивления тела человека. Так, повреждение рогового слоя, в том числе порезы, царапины, ссадины и другие микротравмы, могут снизить Z_h до значения, близкого к значению внутреннего сопротивления, что, безусловно, увеличивает опасность поражения током. Такое же влияние оказывает и увлажнение кожи водой или потом, а также загрязнение кожи проводящей пылью или грязью.

Поскольку у одного и того же человека электрическое сопротивление кожи неодинаково на разных участках тела, то на сопротивление в целом влияют и место приложения, а также плотность и площадь контакта.

Значение тока и длительность его прохождения через тело человека непосредственно влияют на полное электрическое сопротивление Z_h: с ростом тока и времени его прохождения сопротивление падает, поскольку при этом усиливается местный нагрев кожи, что приводит к расширению ее сосудов, а следовательно, к усилению снабжения этого участка кровью и увеличению потовыделения.

И наконец, повышение напряжения, приложенного к телу человека, уменьшает в десятки раз сопротивление кожи, а следовательно, и полное сопротивление тела, которое в пределе приближается к своему наименьшему значению 300 - 500 Ом. Это объясняется рядом факторов, прежде всего, пробоем рогового слоя кожи, который наступает при напряжении 50 - 200 В, а также ростом тока, проходящего через кожу (за счет повышения напряжения) и др.

Необходимо отметить, что оценкой электрофизических характеристик кожи, и в первую очередь его сопротивления, можно получить важную информацию о состоянии человека в целом, а также отдельных его органов.

Кожа является не только источником информации о состоянии органов и тканей человека, но в то же время – первой защитной оболочкой человека от вредного действия среды. В частности, на поверхности тела, площадь которого 1,5м², действуют 15 триллионов микробов, проникновению которых в организм препятствует кожа.

Самым тонким слоем кожи является эпидермис. Эпидермис, несмотря на незначительные размеры, обладает наиболее ответственными функциями - защитной функцией и функцией информации о состоянии органов и тканей. Информация эта необходима для саморегуляции ряда биофизических процессов в организме, прежде всего тепловых и биоэлектрохимических.

Электрофизический метод диагностики о состоянии человека и деятельности его отдельных систем был предложен в 1928 году академиком Павловым И.П. и получил название реографического. Реография основана на оценке изменения значения полного электрического сопротивления между двумя электродами, расположенными на теле больного. С помощью реографии можно оценить функцию внешнего дыхания, представить работу системы периферического кровообращения и дать ряд других диагностических оценок.

Кожа человека не только позволяет оценивать состояние человека, но через нее можно ввести человеку лекарственные средства (электрофорез), а также воздействовать на центральную нервную систему через акупунктурные зоны, куда подходят нервные окончания и где электрическое сопротивление на несколько порядков ниже, чем на соседних участках кожи.

Новые возможности в диагностике появились в связи с созданием простого прибора, измеряющего при напряжении 2 В мостовым способом поверхностное электрическое сопротивление кожи, т.е. эпидермиса, который несет максимальную информацию о воспалительных процессах в органах и тканях человека.