какие факторы снижают электропроводность кожи
Какие факторы снижают электропроводность кожи
Электрическое сопротивление кожи человека как показатель психофизиологического состояния организма.
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Определение понятия: детектор лжи (англ. Lie detector ) – условное название для комплекса аппаратов объективной регистрации физиологических параметров организма человека с целью проведения психофизиологических исследований. Для этого в современных детекторах состояния организма используется одновременная регистрация и анализ сердечно-сосудистой активности (артериального давления, пульса, кровенаполнения сосудов), исследование электрической активности головного мозга, дыхания, а также электрокожной проводимости. Весь организм человека, практически мгновенно реагирует на изменения эмоционального состояния. В тоже время, и особенности организма влияют на психофизиологическое состояние человека. На эмоциональное поведение влияет не только деятельность нервной системы и головного мозга личности, но и физиологическое, гормональное функционирование всего тела и организма человека. Для того чтобы хорошо работала человеческая, сложно организованная, психофизиологическая система человека необходимо поддерживать ряд необходимых биологических условий. Это степень содержания кислорода в клетках мозга и крови, здоровая температура тела, хороший обмен веществ. Есть целый ряд аналогичных органических параметров, которые влияют на нормальное функционирование психологического состояния человека. Так, различные болезни и нарушения в работе организма вызывают ряд специфических проявлений в психике человека. Доказано, что практически все хронические заболевания ведут к росту раздражительности, эмоциональной нестабильности и утомляемости, что приводит к изменениям в психологическом тонусе. Таким образом, как биологическое функционирование организма человека, так и его психологическое поведение, тесно взаимосвязаны друг с другом. Следовательно, определяя одни параметры организма можно в достаточной степени верности делать выводы о других параметрах. Кожа человека непосредственно контактирует как с внешней средой, так с внутренней средой организма. Её физиологические параметры способны отражать как внешние, так и внутренние воздействия. Одним из важных показателей кожного покрова, является показатель электрокожного сопротивления, то есть изменения электропроводимости кожи при влиянии физиологических и психоэмоциональных факторов (например, когда человек лжёт). Электрокожная проводимость, как компонент общепринятой методики анализа психофизиологического состояния человека, и является объектом моего исследования. Цель и задачи работы
Целью данной работы является: Разработка и изготовление приборов, позволяющих регистрировать электрическое сопротивление кожи человека для проведения психофизиологических исследований. Цель предполагала решение следующих задач:
— знакомство с литературой по данному вопросу, изучение основ психофизиологических исследований, знакомство с основами радиоэлектроники и конструирования радиоэлектронных устройств;
— использование полученных знаний для практической реализации поставленной цели;
— с практической стороны ставились задачи по разработке и изготовлению приборов позволяющих регистрировать электропотенциал кожи человека;
— проведение исследований функциональных возможностей, изготовленных приборов для определения психоэмоционального состояния человека.
Исторические аспекты, разработки анализаторов психоэмоционального состояния человека 3
Необходимость определения психофизиологического состояния организма, например выявления лжи возникла с того момента, когда человек начал объединяться в сообщества. Эту задачу, как правило, решали наиболее мудрые члены сообщества – вожди, старейшины, шаманы. Из истории известно, что у разных народов были выработаны специальные приемы и ритуалы для определения обмана и выявления лжеца. Уже в те далекие времена было замечено, что у человека, совершившего преступление из-за страха перед возможным разоблачением, происходят различные изменения физиологических функций. Например, в Древнем Китае подозреваемый в преступлении подвергался испытанию рисом: он должен был набрать в рот горсть сухого риса и выслушать обвинение. Считалось, что если рис оставался во рту сухим (от страха разоблачения приостанавливалось слюноотделение), то вина подозреваемого была доказанной. В Древней Индии, когда подозреваемому называли нейтральные и критические слова, связанные с деталями преступления, он должен был отвечать первым пришедшим ему в голову, словом, и одновременно тихо ударять в гонг. Как правило, ответ на критическое слово сопровождался более сильным ударом. А в Африке колдун предлагал подозреваемым взять в руки небольшое птичье яйцо, его скорлупа была очень нежной, и при малейшем нажиме яйцо могло быть раздавлено. Подозреваемым предлагалось передавать яйцо друг другу, предполагалось, что виновный раздавит его и тем самым изобличит себя. Анализируя все эти приемы, можно сделать вывод о том, что наблюдатели прибегали к контролю над динамикой отдельных физиологических процессов (слюноотделение, двигательная активность рук). В качестве чувствительных регистраторов физиологических изменений использовалась горсть риса, специально подобранное яйцо с хрупкой скорлупой, гонг или что-либо иное. Реакция острых психических переживаний человека может проявляться и во многих других физиологических процессах. Например, сам принцип диагностики по пульсу уже был хорошо известен с древнейших времен, в кругу образованных людей. История инструментальной детекции лжи берёт своё начало с работ итальянского физиолога Анджело Моссо, который в 1877 году при помощи плетизмографа (прибор для измерения кровенаполнения сосудов и изменений пульса) установил, что предъявление исследуемому образов, внушающих страх, отражается на частоте сердечных сокращений. Первый практический опыт применения подобных инструментов в целях детекции лжи принадлежит известному итальянскому криминалисту Чезаре Ломброзо. Уже в 1881 году при проведении допросов подозреваемых в совершении преступлений, он использовал гидросфигмограф — устройство, с помощью которого на диаграмму (граф) фиксировались изменения кровяного давления обследуемого, что позволяло проводить в дальнейшем их детальный анализ. Первый прообраз современного полиграфа был сконструирован в 1921 году сотрудником полиции штата Калифорния Дж.Ларсоном. Аппарат Ларсона одновременно регистрировал изменения динамики артериального давления, пульса и дыхания, и систематически применялся им при расследовании преступлений. В 1933 году ученик Д. Ларсона Леонард Киллер, сотрудник лаборатории научных методов раскрытия преступлений при Северо-западном Университете, сконструировал полевой переносной полиграф, в конструкцию которого был добавлен канал измерения сопротивления кожи. В дальнейшем Л. Киллер организовал серийный выпуск таких полиграфов. Современный компьютерный полиграф представляет собой переносной персональный компьютер с сенсорным блоком и датчиками съёма информации. Сенсорный блок предназначен для снятия сигналов с датчиков, регистрирующих информацию о физиологических процессах, усиления и фильтрации этих сигналов, преобразования их в цифровой код и передачи его на персональный компьютер. Для регистрации физиологических данных используются следующие датчики: верхнего (грудного) и нижнего (брюшного) дыхания; сердечно-сосудистой активности: пульса, кровенаполнения сосудов и артериального давления; электрокожной проводимости (сопротивления кожи, кожно-гальванического рефлекса). Одновременный контроль указанных физиологических процессов в ходе психофизиологического исследования является строго обязательным: согласно существующим международным стандартам, исключение из контроля хотя бы одного из этих процессов делает процедуру проверки на полиграфе недействительной
Электропроводимость кожи человека [4,6-8,11,13]
Электрическая активность кожи, как показатель неспецифической активации организма [4,6-8,11,13]
В процессе эволюции в организме человека последовательно сформировались следующие системы реакций на внешние раздражения: гуморальная, парасимпатическая и симпатическая. Первая отвечает за энергетическое обеспечение критических ситуаций (шок и т.п.). Парасимпатическая система обеспечивает восстановление энергоресурсов, а симпатическая отвечает за немедленное реагирование на внезапное воздействие внешних (инфекции, переохлаждение, отравления и др.) и внутренних (эмоции – страх, гнев и др.) факторов, рефлекторно вызывая ответные реакции. Рефлекс – это ответная реакция организма на изменения внешней среды. Поэтому, независимо от организма в целом действие симпатической системы ведет к повышению артериального давления, увеличению ритма сердца, частоты дыхания, а также потоотделению. Избыток пота увеличивает электропроводность кожи, снижая сопротивление электрическому току, и наоборот, снижение симпатической активности, повышают электрокожное сопротивление, что и фиксируется детектором.
Основные особенности методики измерения электрического сопротивления кожи (ЭКС) [1,9,12,14]
В связи с тем, парасимпатическая и симпатическая нервные системы имеют собственную активность состояние человека будет зависеть от их конечного взаимоотношения, изменяясь в широких пределах. Следовательно, электрическое сопротивление кожи также будет изменяться в широком диапазоне (от10 кОм до 2мОм), поэтому исходное ЭКС принимают за нулевое значение, а регистрацию сигнала снижения кожного сопротивления расценивают, как активацию симпатической нервной системы, когда человек говорит неправду. Такой подход к анализу динамики ЭКС привлекателен с практической точки зрения. Отсутствие постоянного сопротивления в системе «электрод-кожа» в измерительной цепочке, которая представляет собой комплексное сопротивление и значительно влияет на результаты измерений, для его уменьшения необходимо смачивать поверхность контакта электрода с кожей токопроводящим раствором. При измерении относительного изменения сопротивления эта постоянная величина вычитается и не влияет на результаты измерений, а значит нет необходимости в использовании специальных средств измерения. Некритичность к постоянной погрешности измерения, обусловленной техническими характеристиками средств измерения, отсутствие влияния внешних факторов на показания измерений, таких как температура окружающей среды, помехи бытовых приборов, делает этот параметр достаточно точным для регистрации психофизиологического состояния человека. ЭКС можно определить в любой точке тела, но, если исследования проводятся в области психоэмоциональной сферы, лучше использовать 1-2 пальцы правой кисти, учитывая, что центры управления волей человека совпадают в коре головного мозга с центрами активности правой кисти.
Разработка и изготовление приборов для регистрации электрического сопротивления кожи человека [5,10]
Методика исследований с помощью изготовленных приборов [9,12]
В качестве начальной методики составления вопросов можно порекомендовать так называемый нейтрально-целевой метод, который был разработан классиком полиграфии Макстаном еще в 1917 году. Он долгое время являлся стандартным при проверках. Существо нейтрально-целевого метода заключается в следующем. Имеется три типа вопросов: значимые и целевые вопросы, нейтральные для создания фона и контрольные. Для того чтобы отличить реакции на нейтральные и целевые вопросы, избирается определенная техника постановки вопросов. Берется группа вопросов: нейтральные, не имеющие отношения к существу дела (например: как ваша фамилия?); значимые, по которым, проводится расследование и определяется отношение человека к тому или иному делу. В разных вариантах эти вопросы могут идти вперемежку, например, один значимый, потом нейтральный; или могут идти зонами, например, 5 нейтральных, потом группа 5 критических, потом опять 5 нейтральных, потом опять 5 критических. Все заданные вопросы и ответы записываются. После окончания процедуры анализируется, как человек реагировал на группу нейтральных вопросов, затем на критическую группу – есть ли различие или нет. Далее проводится полное сравнение ответов испытуемого на те или иные вопросы. Если вопросы шли вперемежку, то по отдельности соответственно смотрят, как человек реагировал на них изолированно. Эта аналитическая часть может оказаться гораздо сложнее электронной, так как не формализована и близка к искусству. Главное не забывайте, что приборы не совершенны и не всегда им можно верить.
Экспериментальные исследования показаний приборов
В результате проделанной работы можно сделать следующие выводы:
— изучен большой объём литературы по вопросам теории использования приборов регистрации психоэмоционального состояния человека и принципам работы приборов, позволяющих регистрировать эти явления;
— изучены схемотехнические решения устройства приборов и на основании этого, разработаны, и изготовлены простые приборы, позволяющие проводить экспериментальные исследования в области изучения психоэмоционального состояния человека;
— изготовленные приборы, не смотря на свою простоту, в ходе экспериментальных проверок доказали свою работоспособность и позволили провести ряд интересных исследований;
— в ходе проверки приборов был установлен уровень погрешности, который необходимо учитывать при работе приборов.
Необходимо отметить многофункциональность изготовленных приборов. С помощью их можно регистрировать сверхнизкие частоты в физических экспериментах и анализировать разноуровневые сигналы в сравнении с опорным, при настройке радиоаппаратуры.
Варламов, В.А. Детектор лжи [Текст] / В.А. Варламов – М.: ПЕР СЭ-Пресс, 2004. – 550 с.
Варламов, В.А. История детекции лжи [Текст] / В.А. Варламов – М.: ПЕР СЭ-Пресс, 2004. – 89 с.
Холодный, Ю. И. Краткая история становления психофизиологического аппаратурного метода детекции лжи [Текст] / Ю. И. Холодный// Мир безопасности – 2000.
Экман, П. Психология лжи. Обмани меня, если сможешь Серия: Сам себе психолог [Текст] / П. Экман – Санкт-Петербург: Питер, 2010. – 304 стр.
Рис.1. Постой «детектор лжи» с использованием в качестве регистратора аналогового амперметра.
Рис.2. «Детектор лжи» с использованием в качестве регистратора светодиода.
Рис.3. «Детектор лжи» с использованием в качестве регистратора светодиода (виртуальная модель в программе EWB ).
Р ис.4. Печатная плата прибора и расположение деталей.
Р ис.5. Работа с прибором.
Рис.6. Схема многофункционального прибора.
Рис.7. Характеристики микросхемы К157УД2.
Р ис.8 Макет печатной платы.
Р ис.9. Положение датчиков при работе с прибором.
Рис.11. Диаграмма относительной погрешности приборов.
Р ис.12. График зависимости сопротивления участков кожи человека в зависимости от правдивости ответа (по десяти испытуемым, с проверкой цифровым омметром).
Рис.13. Обработанные результаты вопросов учащихся о себе, школе и доме.
Рис.14. Психоэмоциональное состояние учащихся при получении плохой оценки.
Какие факторы снижают электропроводность кожи
Институт физиологии НАН Беларуси, Минск, Республика Беларусь
Физико-химические свойства кожи и действие лечебных физических факторов
Журнал: Вопросы курортологии, физиотерапии и лечебной физической культуры. 2018;95(1): 4-13
Улащик В. С. Физико-химические свойства кожи и действие лечебных физических факторов. Вопросы курортологии, физиотерапии и лечебной физической культуры. 2018;95(1):4-13.
Ulashchik V S. The physical and chemical properties of the skin and the action of therapeutic physical factors. Voprosy kurortologii, fizioterapii, i lechebnoi fizicheskoi kultury. 2018;95(1):4-13.
https://doi.org/10.17116/kurort20189514-13
Институт физиологии НАН Беларуси, Минск, Республика Беларусь
В статье обсуждается значение физико-химических свойств кожи в действии лечебных физических факторов. Подчеркивается важность этих данных для сочетанных физиотерапевтических методов, при которых один физический фактор, изменяющий физико-химические свойства кожи, может существенно влиять на действие сочетаемых с ним других физиотерапевтических агентов. Степень кожной проницаемости представляет большой интерес для физиотерапии, так как она во многом определяет действие и терапевтический эффект некоторых физических методов лечения. Приводятся сведения о влиянии изменения проницаемости кожи на поступление в организм лекарственных веществ при физико-фармакологических методах, а также химических ингредиентов при грязелечении и бальнеотерапии. Продемонстрирована роль рН кожи в особенностях чрескожного электрофореза катионов и анионов. Показано, что снижение электросопротивления кожного барьера достоверно повышает электрофоретическое введение лекарственных веществ, а его изменение во многом определяет выбор дозиметрических параметров при электропунктуре и электроакупунктуре. Обсуждается, как изменение оптических свойств кожи можно использовать для повышения эффективности фототерапии. Подчеркивается необходимость продолжения исследований по этой актуальной для физиотерапии проблеме.
Институт физиологии НАН Беларуси, Минск, Республика Беларусь
Введение
Хорошо известно, что кожа, являясь пограничным полифункциональным органом, принимает самое активное участие в жизнедеятельности организма, имеет разнообразные связи со всеми внутренними органами и системами, во многом отражает их функциональное состояние и определяет закономерности взаимодействия организма с внешней средой [1—3]. Не вызывает сомнений и важная роль кожи в физиологическом и лечебном действии физических факторов. Так, многочисленные рецепторы, заложенные в коже и трансформирующие энергию различных раздражителей в энергию нервного (рецепторного) потенциала, обеспечивают формирование рефлекторного компонента действия физиотерапевтических факторов [4, 5]. Кожа служит местом синтеза ряда биологически активных веществ (гистамин, гепарин, серотонин, цитокины, гормоны и др.), что предопределяет ее участие в гуморальном механизме действия физических методов лечения [6, 7]. Кроме того, она оказывает ограничительное влияние на распространение, поглощение и распределение энергии физических факторов, модулирует их действие на физическом и других уровнях, способствует развитию защитно-приспособительных реакций и др. [8, 9].
Предполагается, что во всех этих эффектах и реакциях кожи в отношении лечебных физических факторов важную роль играют ее физико-химические свойства. Последние могут существенно изменяться при различных физиотерапевтических воздействиях [10, 11]. Фактических же данных о влиянии физико-химических параметров кожи на действие лечебных физических факторов весьма мало, и они нередко противоречивы. Между тем эти данные могли бы способствовать управлению действием физических факторов и повышению их терапевтической эффективности, что позволяет отнести эту проблему к числу актуальных в физиотерапии. В настоящей статье обобщены важнейшие сведения, включая и собственные данные, о влиянии таких физико-химических свойств кожи, как проницаемость, электропроводность и электросопротивление, уровень рН, а также оптические свойства.
Проницаемость кожи
Под кожной проницаемостью понимают способность вещества диффундировать (проникать) через кожные покровы. Кожу относят к мембранам первого порядка, которые в подавляющем большинстве препятствуют прохождению ионов и пропускают нейтральные молекулы с выраженными липофильными свойствами [12].
Согласно R. Tregear, в большинстве случаев проникновение веществ через кожу происходит по закону Фика, выражаемому простой формулой [13]:
где: Js — поступление (приток) вещества; Кр — константа проницаемости; ΔСs — разность концентрации по сторонам мембраны.
Не прибегая к частным данным, в отношении общих закономерностей проникновения веществ через кожу можно констатировать следующее [10]:
1. Кожа человека, как правило, проницаема для жирорастворимых соединений и растворителей липидов, а также для ряда газообразных веществ и недиссоциированных молекул слабых кислот. Она отличается слабой проницаемостью для солей, кислот и оснований, диссоциирующих в водных растворах.
2. Вещества, молекулы которых имеют размеры более 200—300 Å, не проникают через неповрежденный эпидермис.
3. Максимальной проницаемостью обладают вещества, сочетающие растворимость в жирах с умеренной растворимостью в воде. Такие вещества, растворяясь в жирах, легко проникают в эпидермис, а затем растворяются в тканевой жидкости и поступают в более глубокие слои кожи.
4. При длительном контакте с кожей она становится проницаемой для значительно большего числа веществ. Отсюда вытекает целесообразность оставления на коже «солевого плаща» после бальнеологических процедур.
5. Если вещество преодолевает основной барьер кожи, то остальные слои эпидермиса и дерма, как правило, не оказывают существенного сопротивления его продвижению в глубину кожи.
Конкретные сведения о проникновении в кожу и через нее различных химических и лекарственных веществ приведены в ряде книг и обзоров [13—16].
Для усиления проницаемости кожи используют органические растворители и поверхностно-активные вещества (спирт, бензол, диметилсульфоксид (ДМСО), пирролидон, пропиленгликоль, хлороформ, ацетон и др.), а также физические факторы [17, 18].
Кожная проницаемость представляет большой интерес для физиотерапии, так как она во многом определяет действие и терапевтический эффект некоторых физических методов лечения, прежде всего физико-фармакологических, теплогрязелечения и бальнеотерапии.
В основе физико-фармакологических методов лежит сочетанное действие на организм физических факторов и вводимых лекарственных веществ, во многом определяющих их специфичность. Поступ-ление последних в организм зависит от дозиметрических параметров применяемого физического фактора и степени проницаемости кожи [19, 20]. Поскольку при этих методах вводится в организм сравнительно небольшое количество лекарственных веществ, то нередко прибегают к использованию химических или физических факторов, изменяющих морфофункциональное состояние и повышающих проницаемость кожи.
Так, для повышения проницаемости кожи и увеличения поступления в организм лекарственных веществ при электрофорезе в качестве растворителя применяют 25—50% ДМСО. Более того, на основе использования ДМСО предложен оригинальный метод лекарственного электрофореза — электродрегинг [21]. Отличия электродрегинга от традиционной методики электрофореза:
а) в организм вводится в 1,5—2,0 раза больше лекарственного вещества;
б) лекарственное вещество быстрее убывает из кожного депо и проявляет системное фармакотерапевтическое действие;
в) в крови лекарственное вещество находится в значительно большей концентрации [21, 22].
Высокая эффективность метода продемонстрирована у пациентов с язвенной болезнью двенадцатиперстной кишки, пиелонефритом и хроническим панкреатитом.
Предварительная обработка кожи смесью Блюра и особенно ДМСО существенно повышает эффективность введения лекарственных веществ методом электрофореза [23]. Применение ультразвука, способствующего разрыхлению кожи и повышению ее проницаемости, заметно усиливает поступление лекарственных препаратов в организм при последующем электрофорезе [24]. Результаты этих исследований легли в основу разработки такого метода, как электрофонофорез [25]. Аналогичные данные получены и в отношении индуктотермии (индуктотермоэлектрофорез) и вакуума (вакуум-электрофорез), которые способствуют повышению эффективности электрофоретического введения лекарственных препаратов в организм и созданию более высоких их концентраций в тканях [19, 26].
Накожные аппликации гиалуронидазы, спирто-эфирной смеси, ДМСО, а также локальная гальванизация, вызывающие усиление кожной проницаемости, приводят к значительному увеличению количества вводимого ультразвуком вещества и повышению эффективности лекарственного ультрафонофореза [27].
Для повышения терапевтической эффективности лазерофореза (фотофореза) лекарственных веществ предложено его сочетать с изменяющими проницаемость кожи ультразвуком (сонофотофорез) или гальванизацией (электрофотофорез). Сонофотофорез лекарственных веществ (антибиотики, фотосенсибилизаторы) успешно используется при лечении гнойных ран, атеросклероза сосудов нижних конечностей [28], а лекарственный электрофотофорез — в терапии артериальной гипертензии и атеросклеротической окклюзии периферических сосудов [29].
При применении грязелечения одним из ключевых вопросов является проницаемость кожи, так как она определяет химический компонент действия лечебных грязей. В целях увеличения проникновения через кожу химических ингредиентов (гормоноподобные вещества, аминокислоты, органические соединения и др.) при грязелечении его сочетают с физическими факторами, которые повышают кожную проницаемость и способствуют трансдермальному транспорту веществ (с ультразвуком — пелофонотерапия, с электрическим током — электрогрязелечение, с индуктотермией — индуктотермогрязелечение и др.) [30, 31]. Достижению этой цели также способствуют нагрев лечебных грязей до определенных температур (42—44 о С) и использование грязеразводных ванн [30, 32, 33]. При последних проникновение химических ингредиентов в организм повышается за счет увеличения площади соприкосновения лечебной среды с кожной поверхностью и усиления перемещения веществ в ванне.
Действие бальнеологических процедур также во многом зависит от поступления в кожу и организм растворенных в ванне солей, газов и других физиологически активных веществ, которое определяется прежде всего кожной проницаемостью [30, 34]. Из ванн, согласно опубликованным данным, в организм проникают ионы йода, брома и мышьяка, сероводород, кислород, углекислый газ и др. [30, 31]. Интенсивность поступления химических веществ в кожу при бальнеологических процедурах зависит от их содержания в ванне, ее состава, активной реакции среды (рН), продолжительности воздействия, температуры воды и др. [30, 35]. Варьируя эти параметры бальнеопроцедур, можно повысить проникновение находящихся в ванне веществ через кожу и тем самым усилить действие химического фактора [31, 35]. Этому же способствует применение различных комбинированных бальнеотерапевтических процедур [30, 36].
Таким образом, из представленных данных со всей очевидностью следует, что проницаемость кожи играет существенную роль для многих физиотерапевтических методов, в механизме действия которых присутствует химический фактор. Поэтому увеличение кожной проницаемости может быть использовано для усиления специфического влияния химического компонента таких физиотерапевтических методов и повышения их эффективности. К сожалению, из-за недостаточности данных и противоречивости некоторых из них практическое применение этого подхода в физиотерапии пока ограничено.
рН кожи
Нормальная кожа имеет кислую реакцию: уровень ее рН колеблется от 5,0 до 6,0 [37]. Этот фактор в прошлом обозначали понятием «кислотная мантия», предполагая, что она обладает защитной функцией [38]. «Кислотная мантия» формируется за счет активной реакции всех ее слоев. Сосочковый слой дермы характеризуется слабощелочной (рН 7,6—7,4), шиповидный слой эпидермиса — слабокислой (рН 7,0—6,7), а роговой слой — кислой (рН 6,0—3,0) реакцией [15]. Кожа обладает способностью к стабилизации значений рН примерно на уровне 5,5 даже в присутствии кислот и щелочей. Обобщив точки зрения различных авторов, Н. Behrendt и М. Green [37] пришли к выводу, что кислая реакция здоровой кожи в основном обусловлена молочной кислотой, а вторичное влияние на рН кожи оказывают глутаминовая и аспарагиновая кислоты, находящиеся в поте и эпидермисе. Пирролидонкарбоксиловая кислота также считается важным компонентом, определяющим кислотность поверхности кожи [39]. Буферное состояние в коже достигается за счет системы молочная кислота/лактат, имеющей хорошую буферную емкость при рН от 4,0 до 5,0. Уровень рН является одним из основных факторов, участвующих в механизмах бактерицидности кожи [1, 15].
В свете обсуждаемой проблемы наибольший интерес представляет влияние рН кожи на ее проницаемость. Достаточно подробно этот вопрос рассмотрен в монографии Ф.И. Колпакова [14]. Имеющиеся данные позволяют отметить, что обработка кожи кислотами или щелочами в концентрациях, повреждающих эпидермальный барьер, повышает ее проницаемость для химических веществ. Степень ее повышения зависит от физико-химических свойств проникающего в кожу вещества. Если оно обладает высокой проникающей способностью, то даже незначительное изменение рН кожи может существенно повысить проницаемость для такого вещества.
Изменение рН кожи, а также рН самих лечебных сред (лечебная грязь, минеральные воды) существенно влияет на трансдермальное поступление в организм различных химических веществ [30, 31]. Весьма своеобразно изменение рН кожи сказывается на введении веществ методом электрофореза. Накожные аппликации кислоты сопровождались увеличением электрофоретического переноса в организм анионов и снижением его в отношении катионов; аппликации раствора щелочи приводили к противоположным сдвигам во введении лекарственных ионов электрическим током [23].
Влияние рН кожи на электрофорез лекарственных веществ может быть продемонстрировано в связи с существованием в ней так называемого электрофизиологического барьера [40]. Он располагается на уровне базального слоя эпидермиса и представляет собой двойной электрический слой с разнородными зарядами. Наружный слой вследствие кислой реакции имеет положительный заряд, а обращенный внутрь — отрицательный. Вследствие этого электрофизиологический барьер больше препятствует глубокому проникновению в кожу при электрофорезе катионов, чем анионов. При электроэлиминации веществ из кожи наблюдается противоположная картина. Изменение рН в зоне базального слоя эпидермиса сказывается на структуре двойного электрического слоя, что сопровождается количественными сдвигами электрофоретической проницаемости кожи [19].
рН кожи может, по-видимому, влиять и на особенности действия других физиотерапевтических методов, но фактические данные по этому вопросу в доступной литературе отсутствуют.
Электропроводность и электросопротивление кожи
Значение электрических характеристик кожи для физиотерапии определяется прежде всего тем, что большинство физиотерапевтических методов (воздействий) по своей природе являются электрическими. Это предполагает их тесное взаимодействие с электрическими процессами в биологических тканях, прежде всего в кожных покровах. Применение физиотерапевтических факторов неэлектрической природы также может сопровождаться электрическими взаимодействиями за счет термо-, пьезо- и фотоэлектрического эффектов, вызывая изменения концентрации и состояния ионов, сказывающиеся на электрических свойствах кожи и других тканей [41, 42].
Принято считать, что электрические свойства кожи, в частности электропроводность и электросопротивление, позволяют судить о ее функциональном состоянии и влиянии на нее внешних и внутренних факторов [43, 44]. Электропроводность кожи весьма низкая, определяется электропроводностью эпидермиса, зависимой от его толщины и содержания в нем воды и электролитов. Повышение температуры кожи на 1 о С сопровождается увеличением ее электропроводности на 2% [35]. Величина электропроводности и электросопротивления кожи теснейшим образом связана с интенсивностью потоотделения и концентрацией солей в тканевой жидкости [1, 15, 35]. Чем больше выделяется пота, тем меньше электросопротивление и выше электропроводность кожи. Лишенная потовых желез кожа (при наследственной эктодермальной дисплазии) характеризуется постоянным высоким электросопротивлением. Любые фармакологические воздействия (пилокарпин, ацетилхолин, адреналин и др.), стимулирующие потоотделение, сопровождаются повышением электропроводности кожи [44]. Электропроводность кожи зависит от возраста: у детей и подростков она выше, чем у взрослых. Кожа, находящаяся в состоянии отека, пропитанная тканевой жидкостью или воспалительным экссудатом, обладает по сравнению с нормальной кожей более высокой электропроводностью [19, 35]. На нее влияет состояние нервной и эндокринной систем организма. При возбуждении нервной системы электропроводность кожи повышается, уменьшается ее сопротивление электрическому току. Весьма существенно электропроводность кожи может изменяться при гормональной терапии, хирургических вмешательствах, многих патологических процессах, повреждениях кожного покрова [13, 35, 43]. Все эти нюансы, как известно, учитываются при проведении физиотерапевтических, в особенности электролечебных, процедур.
Весь спектр факторов, влияющих на электропроводность кожи, обобщен П.П. Слынько [35] в виде диаграммы. К сожалению, конкретные сведения о влиянии перечисленных факторов на электрические свойства кожи автором не приведены. Среди названных факторов не указаны лечебные физические факторы, хотя их влияние на электропроводность кожи теоретически представляется несомненным и важным для физиотерапии. Из имеющихся данных можно указать на влияние ультрафиолетовых лучей [45], гальванического тока [19, 46], массажа и электропунктуры [47] на электрические свойства кожи. В руководствах и учебниках указывается, что такие физические факторы, как ультразвук, микроволны и магнитные поля, изменяют электропроводность кожи. В них также подчеркивается, что происходящие изменения электрических свойств кожи играют определенную роль в биофизических механизмах действия этих физических факторов [48—50].
Поскольку показатели проницаемости кожи коррелируют с величиной ее омического сопротивления, то последняя должна существенно влиять и на введение лекарственных веществ с помощью электрофореза. Это предположение во многом подтвердилось в наших исследованиях по лекарственному электрофорезу [19, 23]. Результаты их можно свести к следующим положениям:
1. Смачивание кожи водой, сопровождающееся снижением ее электросопротивления, повышало по сравнению с просушенной кожей количество вводимых постоянным током лекарственных веществ на 17—23%.
2. Обезжиривание кожи с помощью спирта или смеси Блюра, а также удаление загрязнений кожи (туалет), приводящие к уменьшению электросопротивления, достоверно повышают трансдермальное введение лекарственных веществ электрофоретическим способом.
3. Количество вводимого в организм при электрофорезе и других физико-фармакологических методах лекарственного вещества хорошо коррелирует с числом активных желез в области проведения процедур (r=0,82—0,91). Искусственно вызываемое увеличение числа функционирующих кожных желез, характеризующееся снижением электросопротивления кожи, сопровождается повышением количества вводимых электрофорезом веществ.
4. Увеличение температуры кожи приводит к уменьшению электросопротивления. Количественные исследования лекарственного электрофореза показали, что использование рабочих растворов различной температуры, оказывающих влияние на температуру кожного покрова, существенно изменяет трансдермальный транспорт лекарственных веществ гальваническим током: небольшое повышение температуры (на 0,5—1,0 °С) увеличивает его, а охлаждение и применение сильно нагретых растворов тормозит.
5. Сочетание лекарственного электрофореза с физическими факторами (индуктотермия, ультразвук, микроволны), снижающими электросопротивление кожи и повышающими ее проницаемость, способствуют введению большего количества лекарственного вещества и повышают терапевтическую эффективность метода в целом.
Можно также отметить, что состояние электрических свойств кожи в точках акупунктуры не только используется для их нахождения, но и во многом определяет выбор параметров воздействия при пунктурной физиотерапии, в особенности при электропунктуре и электроакупунктуре [51—53].
Таким образом, хотя теоретически представляется весьма значимым влияние электрических свойств кожи на механизм и особенности действия лечебных физических факторов, фактические данные об этом весьма немногочисленны. Надо полагать, что расширение таких сведений будет способствовать более осмысленному и эффективному использованию физических методов лечения в клинической медицине.
Оптические свойства кожи
Гетерогенность внутренней структуры, а также наличие поглощающих свет веществ определяют сложные закономерности взаимодействия оптического излучения различной длины волны с кожей человека и важность ее оптических свойств в фотобиологии и фототерапии. Определению оптических параметров кожи посвящено относительно небольшое число работ. Из них следует, что отражение света слабопигментированной кожей достигает 43—55% и зависит от многих факторов (температура тела, пол, возраст, состояние кровообращения и др.). Пигментированная кожа отражает оптическое излучение на 6—8% слабее. У мужчин коэффициент отражения на 5—7% ниже, чем у женщин [54]. Учитывая важную роль отражения света, при дозиметрии фототерапевтических процедур, в частности лазеротерапии, в лазерных терапевтических аппаратах рекомендуется использовать биофотометрические насадки с нормируемыми характеристиками [55].
Охлаждение участка кожи вызывает уменьшение отражения света на 10—15% [56]. Этот эффект используется нами, например, при комбинировании хлорэтиловых блокад и ультрафиолетовых облучений у пациентов с болевыми синдромами. Нанесение на кожу различных лекарственных веществ также сопровождается изменением ее отражающей способности: в зависимости от лекарственной формы и цветности она может либо возрастать, либо снижаться [57]. Кожа является сильно рассеивающей средой, так как состоит из большого числа случайно распределенных в объеме рассеивающих центров [58, 59], размеры которых в большинстве случаев соизмеримы с длиной волны применяемых оптических излучений. Рассеяние кожей наиболее значительно в области длин волн от 600 до 1500 нм [59, 60]. Степень рассеяния света зависит также и от оптических свойств кожного покрова.
Кожа, как и другие биологические ткани, характеризуется спектральной зависимостью поглощения оптического излучения. Ею усиленно поглощаются ультрафиолетовые и близлежащие к ним лучи, а также лучи с длиной волны более 1400—2000 нм. Наименьшее поглощение света кожей наблюдается в диапазоне длин волн от 800 до 1200 нм. Этот спектральный диапазон в фотобиологии часто называют «терапевтическим окном». Оптические излучения данного диапазона могут использоваться для воздействия на более глубоко расположенные патологические очаги и внутренние органы [54, 56, 61].
Кожа содержит хромофоры, которые поглощают свет в видимой и ближней ультрафиолетовой областях. К их числу относятся витамины, флавины, флавиновые ферменты, гемоглобин, меланин, каратиноиды и др. В инфракрасной области поглощение кожи определяется в основном водой [62]. Можно отметить, что в эпидермисе наибольший коэффициент поглощения имеет меланин, а в дерме — гемоглобин и оксигемоглобин.
Характер и последствия взаимодействия оптического излучения с телом человека определяется и его проникающей способностью, которая во многом зависит от оптических свойств кожных покровов. Глубина проникновения света возрастает при переходе от ультрафиолетового излучения до видимого (оранжевого): с 0,7—0,8 до 2,5 мм, а для красного диапазона излучения соответствует уже 20—30 мм. В ближнем инфракрасном диапазоне оптического излучения проникающая способность достигает максимальных значений (60—70 мм), а затем вновь резко снижается [54, 63].
Нами совместно с физиками проведен анализ важнейших параметров кожи, влияющих на распространение в ней света (лазерного излучения) различной длины волны. К основным параметрам, которые наиболее существенно влияют на закономерности переноса света в среде и требуют учета при дозировании фототерапии, отнесены толщина эпидермиса, концентрация меланина в нем, объемная концентрация кровеносных сосудов, степень оксигенации крови и средний диаметр капилляров в зоне воздействия. По этим данным были рассчитаны значения коэффициента отражения и глубины проникновения лазерного излучения различной длины волны в нормальную и патологически измененную (витилиго, красная волчанка, отек кожи, острая рана) кожу. С учетом глубины проникновения и коэффициента отражения лазерного излучения различной длины волны были построены графики, характеризующие среднюю глубину проникновения лазерного излучения используемых в физиотерапии длин волн, и составлены таблицы поглощенных доз лазерного излучения для различных морфофункциональных состояний кожи [64]. Эти данные, вероятно, могут быть использованы для более точного дозирования лазерной терапии.
Согласно приведенным данным, изменением оптических свойств кожи и выбором длины волны можно влиять на биологическое действие и терапевтическую эффективность оптического излучения. Так, для более поверхностных воздействий (в дерматологии и косметологии) целесообразно использовать источники, работающие в ультрафиолетовой и близлежащих видимых областях спектра, для которых характерны неглубокое проникновение и хорошее поглощение. При необходимости воздействия на глубокорасположенные патологические очаги или внутренние органы, для надвенного облучения крови рекомендуется пользоваться лазерами и другими светотерапевтическими приборами, работающими в инфракрасной области спектра. При этом, вне сомнения, важно учитывать и особенности биологического действия оптических излучений различной длины волны [48].
Отражение и рассеивание света зависит от угла его падения на кожную поверхность [54]. Поэтому при проведении фототерапевтических процедур оптическое излучение следует направлять перпендикулярно к облучаемой поверхности, что обеспечивает минимальное отражение светового потока и его максимальное биологическое действие.
Для снижения отражения кожей оптического излучения можно воспользоваться охлаждением кожного покрова. Как уже отмечалось, охлаждение кожи снижает коэффициент отражения на 10—15%. Повышение температуры кожи увеличивает рассеивание света в дерме и снижает его в подкожно-жировом слое [65].
Изменить отражение кожей световых лучей и тем самым увеличить их действие можно также с помощью минеральных масел, имеющих показатель преломления от 1,46 до 1,48 [66]. Для этих целей предлагается также использовать димексид, глицерин и пропиленгликоль [67]. Применение этих просветляющих агентов хорошо себя зарекомендовало при удалении татуировок [68] и комплексной терапии красного плоского лишая [69]. Данный прием используется также и при чрескожном лазерном облучении крови.
При изучении механизмов взаимодействия света с различными компонентами тканей, а также для повышения избирательности поглощения света патологически измененными структурами клеток или тканей применяют окрашивание (тушь, метиленовая синь и др.). В клинической медицине этот подход находит все большее применение при фотохимиотерапии псориаза и некоторых пролиферативных заболеваний [70, 71].
В последние годы активно развивается антимикробная фотодинамическая терапия, основанная на фотодеструкции патогенных микроорганизмов при сочетанном воздействии красителя-сенсибилизатора и оптического излучения с длиной волны, соответствующей спектру поглощения красителя. Для широкого практического внедрения антимикробной фотодинамической терапии необходимы доступные, разрешенные к использованию сенсибилизаторы, спектральный диапазон поглощения которых соответствует спектру излучения сертифицированных фототерапевтических аппаратов на основе лазерных или светодиодных источников. Нами в качестве фотосенсибилизаторов для фотодинамической терапии изучены различные типы антимикробных лекарственных препаратов, обладающих способностью к генерации синглетного кислорода. Показано, что в качестве таких фотосенсибилизаторов могут быть использованы фурацилин, фурасол, диагиперон, а также настойка эвкалипта. Фотодинамическая терапия с применением в качестве фотосенсибилизатора указанных антибактериальных средств эффективна при лечении нейродистрофических заболеваний женских половых органов, патологий периодонта, гнойно-воспалительных заболеваний ЛОР-органов и др. [72].
При фототерапии, прежде всего при лазеротерапии и лазеропунктуре, для улучшения оптических свойств кожи (и подлежащих тканей) и повышения эффективности лечения прибегают к компрессии (дозированному давлению на кожу торцом световода или излучающей головкой). Этот прием за счет уменьшения толщины ткани и удаления крови из облучаемого участка в несколько раз увеличивает глубину проникновения оптического (лазерного) излучения [73]. Аналогичные изменения оптических свойств кожи вызывает и ее растяжение [66].
Для изменения оптических свойств кожи можно использовать воздействие лечебными физическими факторами. Ультрафиолетовое облучение кожи, например, приводит к возникновению эритемы, образованию меланина, отеку и другим эффектам, которые существенно изменяют оптические параметры кожи и сказываются на эффективности последующих физиотерапевтических, прежде всего фототерапевтических, процедур [66]. Магнитное поле, как полагают многие авторы, изменяет электростатические взаимодействия между диполями, ионами, диполями и ионами, что оказывает влияние на дифракцию и рассеивание света. Оно, снижая их в облучаемой ткани, обеспечивает на этом фоне более глубокое (на 25%) проникновение и эффективное действие лазерного облучения [48, 74]. Этот механизм, по-видимому, реализован в методе магнитолазеротерапии, который эффективнее обычной лазеротерапии при многих заболеваниях [48, 61, 74, 75]. Изменение оптических свойств кожи, по нашему мнению, во многом определяет особенности действия и эффективность и других сочетанных методов фототерапии. Дальнейшее углубленное изучение оптических свойств кожи будет содействовать оптимизации светолечебных методов и повышению их терапевтической эффективности при многих заболеваниях.
Заключение
Физико-химические свойства кожи, являющейся входными воротами при абсолютном большинстве физических методов лечения, во многом определяют закономерности отражения, распространения, проникновения и поглощения энергии физических факторов. С одной стороны, важно знать, как и какие физиотерапевтические методы влияют на физико-химические параметры кожи, чтобы использовать их для коррекции нарушений при различных заболеваниях. Сегодня имеются отдельные сведения о влиянии лечебных физических факторов на проницаемость, уровень рН, оптические и электрические свойства кожи, однако их явно недостаточно для широкого практического использования. С другой стороны, большой интерес представляет использование изменений физико-химических характеристик кожи для оптимизации физиотерапевтических процедур и повышения их эффективности. Особенно важны эти данные для сочетанных физиотерапевтических методов, при которых один физический фактор, изменяющий физико-химические свойства кожи, может существенно влиять на действие сочетаемых с ним других физиотерапевтических агентов. Имеющиеся отдельные положительные примеры использования изменений физико-химических свойств кожи (проницаемости и уровня рН для повышения эффективности физико-фармакологических методов; оптических свойств в фототерапии; электрических свойств для повышения количества вводимых лекарственных веществ с помощью электрофореза и сочетанных методов и др.) позволяют отнести данную проблему к числу актуальных для физиотерапии и считать необходимым проведение дальнейших углубленных комплексных исследований с использованием современных методов и технологий.
Источник финансирования: поисково-аналитическая работа по подготовке статьи проведена на личные средства автора.
Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.