Fibrylacja komór serca jako skutek przepływu przemiennego prądu elektrycznego w organizmie człowieka – procesy normalizacji

Drugi raport (IEC – Report 60479) ukazał się w 1985 roku. Podano w nim zmodyfikowane przebiegi charakterystyk czasowo-prądowych (rys. 3):
o strefa 1 – zwykle nie występują żadne skutki,
o strefa 2 – zwykle nie występują szkodliwe skutki elektropatofizjologiczne,
o strefa 3 – strefa przejściowa, bez określonych granic, zwykle nie występuje uszkodzenie organizmu, nie ma zagrożenia fibrylacji komór serca, reakcja mięśni, trudność w oddychaniu wzrasta wraz ze wzrostem wartości prądu i czasu jego przepływu,
o strefa 4:
– krzywa c1 – fibrylacja komór serca z coraz większym prawdopodobieństwem (punkt o współrzędnych 500 mA, 100 ms odpowiada prawdopodobieństwu fibrylacji 0,14% [10]),
– krzywa c2 – prawdopodobieństwo 5% wystąpienia fibrylacji komór serca,
– krzywa c3 – prawdopodobieństwo 50% wystąpienia fibrylacji komór serca.

Z porównania przebiegów na rysunkach 2 i 3 wynika, że badania i analizy pozwoliły na bardziej jednoznaczne określenie skutków przepływu prądu przez organizm człowieka w obszarze na prawo od krzywej c (rys. 2). Jest to obszar, w którym (przy określonej wartości prądu i czasie jego przepływu) należy spodziewać się fibrylacji komór serca. W zasadzie w tym obszarze doprecyzowano skutki przepływu prądu z określonym prawdopodobieństwem, gdyż nie ma jednej wartości prądu przepływającego przez organizm żywy wywołującego fibrylację komór serca. Na przykład dla czasu 1 s fibrylacja może nastąpić przy przepływie prądu 50 mA, 80 mA lub 150 mA (rys. 3, krzywe c1 , c2 , c3).

W trzecim raporcie (IEC – Report 60479-1), opublikowanym w 1994 roku, zmianie uległa charakterystyka b przedstawiona na rysunku 3. Na rysunku 4 podano przebieg charakterystyk czasowo-prądowych wg raportu z 1994 roku, opublikowanych w normie niemieckiej [11]. Zmiany w przebiegu tej charakterystyki (b) tylko pozornie są niewielkie. Utrzymano wartość prądu 10 mA dla długotrwałego jego przepływu, zmniejszono jednak wartości prądu przy krótszych czasach przepływu, np. 200 mA, 50 ms (1985 r.) i 200 mA, 10 ms (1996 r.).

Czwarte wydanie raportu (IEC – Report 60479-1), opublikowane w 2005 roku, wprowadziło niewielkie zmiany w przebiegu przedmiotowych charakterystyk. Ponownie zmodyfikowano przebieg linii b – obniżono wartości prądu rażenia długotrwałego (rys. 5). Określono strefy:
o AC-1 – możliwe odczuwanie przepływu prądu, lecz zwykle bez wywoływania wstrząsu (przestrachu).
o AC-2 – odczuwanie i prawdopodobne mimowolne skurcze mięśni, zwykle bez żadnych szkodliwych skutków elektrofizjologicznych.

Rys. 3. Strefy czasowo-prądowe dla prądu przemiennego o częstotliwości 50/60 Hz, zgodnie z IEC -Report 60479 z 1985 r. [6]

Rys. 4. Strefy czasowo-prądowe dla prądu przemiennego o częstotliwości 50/60 Hz, zgodnie z IEC – Report 60479-1 z 1994 r. [11] (strefy opisane krzywymi c1 ÷ c3 – jak na rys. 3)

Rys. 5. Strefy czasowo–prądowe skutków oddziaływania prądu przemiennego o częstotliwości 15÷100 Hz na organizm człowieka (droga przepływu prądu: ręka – stopy) [12]

o AC-3 – silne mimowolne skurcze mięśni, trudności w oddychaniu, odwracalne zakłócenia w pracy serca (może pojawić się zatrzymanie pracy serca). Skutki przepływu prądu wzrastają wraz ze wzrostem wartości prądu, nie należy się spodziewać uszkodzenia organizmu.
o AC-4 – w obszarze powyżej krzywej c1 mogą pojawić się skutki patofizjologiczne takie jak zatrzymanie akcji serca, zatrzymanie oddychania, oparzenia lub inne uszkodzenie tkanek. Prawdopodobieństwo fibrylacji komór serca wzrasta wraz ze wzrostem wartości prądu i czasu jego przepływu:
– w obszarze AC-4.1 do ok. 5%,
– w obszarze AC-4.2 do 50%,
– w obszarze AC-4.3 ponad 50%.
W tym dokumencie wskazuje się na możliwość zatrzymania pracy serca w strefie AC-3.
W badaniach skutków przepływu prądu elektrycznego opisuje się różne reakcje organizmu, w zależności od wartości prądu i czasu jego przepływu. Reakcje takie są mniej lub bardziej groźne dla człowieka. Groźne jest zatrzymanie oddechu, fibrylacja komór serca, spalenie tkanek. W opisie charakterystyk czasowo-prądowych dotyczących skutków przepływu prądu wyznaczony jest próg wystąpienia fibrylacji komór serca. Próg fibrylacji jest określony minimalną wartością prądu, który powoduje wystąpienie fibrylacji komór serca. Zależy on od budowy organizmu człowieka, stanu serca i jego pracy.

Szybkie, nieregularne skurcze (arytmia) powodują brak wyrzucania krwi z serca i ustanie krążenia krwi (podobnie jak zawał serca). Zostaje zakłócony rytm serca (kurczenie mięśnia sercowego w regularnych odstępach czasu). Przebieg cyklu pracy serca przedstawiono na rysunku 6. Na rysunku tym przedstawiono przebieg krzywej EKG , na której zaznaczono 5 charakterystycznych załamków: P – pobudzenie przedsionków, Q, R, S – rozchodzenie się pobudzenia w komorach, T – repolaryzacja mięśnia sercowego. W przypadku prądu przemiennego o częstotliwości 50÷60 Hz następuje znaczne obniżenie progu fibrylacji, jeżeli przepływ prądu przez serce trwa dłużej niż jeden cykl pracy serca. Jest to wynikiem wzrostu niejednorodności stanu pobudzenia serca na skutek tego, że prąd powoduje wystąpienie dodatkowych skurczów serca. Należy zwrócić uwagę, że w trakcie normalnej pracy serca cykle skurczów powtarzają się w równych odstępach czasu (na rys. 6a ok. 0,7 s). Również w równych odstępach czasu pojawia się przedział wrażliwości, który trwa ok. 140 ms i występuje w obszarze powrotu ze stanu pobudzenia (rys. 6a, b). Przedział wrażliwości jest fazą cyklu pracy serca, w obszarze którego prąd elektryczny o bardzo krótkim czasie przepływu może spowodować wystąpienie fibrylacji komór serca.

Należy w tym miejscu zwrócić uwagę na pracę urządzeń różnicowoprądowych (RCD ), pracujących w ochronie przeciwporażeniowej. Przydatność tych urządzeń i skuteczność w ochronie przeciwporażeniowej wynika z krótkotrwałego czasu ich wyłączania, równego kilkadziesiąt milisekund (jest to również czas przepływu prądu rażeniowego). Oczywiste jest, że im krótszy czas przepływu prądu rażeniowego, tym mniejsze prawdopodobieństwo, że przepływ prądu rażeniowego będzie w obszarze określonym jako przedział wrażliwości.

Rys. 6. Elektrokardiogram pracy serca i pojawienie się przedziału wrażliwości komór sercowych w czasie cyklu pracy serca (a) oraz wywołanie procesu fibrylacji w przedziale wrażliwości (b) (wpływ na przebieg elektrokardiogramu i ciśnienia krwi) [10, 12] (na rysunku a) liczby oznaczają kolejne fazy przenoszenia pobudzenia) a – cykl pracy serca, b – przedsionek, c – komory, d – pobudzenie, e – powrót ze stanu pobudzenia, f – przedział wrażliwości

Dla rażeń o czasie trwania poniżej 100 ms fibrylacja komór serca może pojawić się przy prądach o wartości ponad 500 mA i jest prawdopodobne, że wystąpi dla prądów o wartościach wielu amperów – tylko wówczas, jeżeli rażenie wystąpi w obszarze przedziału wrażliwości. Dla rażeń o takich prądach i czasach trwania dłuższych niż cykl pracy serca może wystąpić dające się odwrócić zatrzymanie akcji serca [12].

Należy zwrócić uwagę, że w propozycji piątej edycji Technical Specification IEC TS 60479-1, draft september 2006: Effects of current on persons and livestock. Part 1: Electrical impedance of the human body – Effects of sinusoidal alternating currents. Effects of direct currents, opublikowanej w pracy Biegelmeiera [6] podano, że w celu uzyskania wartości prądu odczuwania (długotrwały przepływ prądu) badania przeprowadzono na ludziach, a następnie na zwierzętach (owce, psy, świnie), aby wyznaczyć wartość prądu fibrylacji komór serca. W dokumencie tym dokonano również porównania progów fibrylacji komór serca ludzi i psów oraz zwłok ludzi i martwych psów.

Na podstawie tych badań i analiz możliwe było uzyskanie dopuszczalnego poziomu ryzyka fibrylacji komór serca człowieka z 1-procentowym prawdopodobieństwem dla populacji psów (granica obszaru z) oraz świń (granica obszaru z’) – rysunek 7.

Rys. 7. Strefy akceptowanego i nieakceptowanego ryzyka wystąpienia fibrylacji komór serca dla ludzi, niezależnie od wieku i masy ciała, przeprowadzone na psach i świniach (prąd stały 50÷60 Hz) [14] z – w oparciu o badania psów, z’ – w oparciu o badania świń

Określono czas trwania jednego cyklu pracy serca HP = 0,6 s (przyjęty dla dziecka w wieku 3 lat) oraz wyznaczono strefy:
o Z 1 (AC) – ryzyko tolerowane,
o Z 2 (AC) – ryzyko nietolerowane,
o z-z’ – przejściowa, w której ryzyko fibrylacji jest nadal przyjęte jako tolerowane.

Jako ryzyko tolerowane uważa się szkodliwe rażenie prądem elektrycznym, pojawiające się w ochronie przez samoczynne wyłączenie zasilania w przypadku uszkodzenia, gdy spełnione są warunki skuteczności tej ochrony. Przedstawione na rysunku 7 strefy Z1(AC) oraz Z2(AC) przyjęto dla ludzi, niezależnie od ich wieku oraz masy ciała. Jest oczywiste, że nawet w strefie tolerowanego ryzyka (Z1(AC)) mogą wystąpić nietolerowane przez człowieka szkodliwe skutki przepływu prądu przez jego organizm (mimowolne skurcze mięśni), które mogą powodować wypadki wtórne lub oparzenia [14]. Ryzyko takie wzrasta wraz ze zbliżaniem się do granicy z obszaru Z1(AC).

W obszarze Z1(AC) jest również część pozytywna. W tym obszarze mieści się charakterystyka czasowo-prądowa wyłącznika bezzwłocznego RCD o IΔn ≤ 30 mA, który swoją obecnością w instalacji elektrycznej wprowadza trzeci stopień ochrony przeciwporażeniowej ochrony uzupełniającej (obok ochrony przed dotykiem bezpośrednim i ochrony przed dotykiem pośrednim). Ochrona uzupełniająca to zadziałanie wyłącznika różnicowoprądowego (RCD ) na skutek przepływu prądu przez organizm człowieka. Wszystko jednak odbywa się w obszarze Z1(AC).

W warunkach rzeczywistych w instalacjach elektrycznych niskiego napięcia prądy rażeniowe o wartościach zbliżających się do granicy Z’ mogą wystąpić bardzo rzadko, uwzględniając powierzchnię styczności człowieka z częścią czynną, stopień wilgotności i temperaturę otoczenia oraz różne (niebezpieczne) drogi przepływu prądu elektrycznego.

Zagadnienia fibrylacji komór serca w ujęciu probabilistycznymprzedstawiono w pracy [15], biorąc pod uwagę losowość wartości prądu elektrycznego przepływającego przez ciało człowieka. Rozważania takie – przy wykorzystaniu ustaleń IEC , w oparciu o prace Biegelmeiera – mogą być wykorzystane do oceny kryteriów budowy środków ochrony przed dotykim pośrednim i ochrony uzupełniającej.