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

Jeżeli człowiek (lub zwierzę) stanowi element takiego obwodu (zamkniętego), wówczas przez organizm człowieka płynie prąd elektryczny. Prąd ten w żywym organizmie wywołuje zmiany fizyczne, chemiczne i biologiczne, nazywane porażeniem elektrycznym. Jeżeli człowiek znalazł się pod działaniem prądu elektrycznego, oznacza to, że został rażony prądem elektrycznym. Należy zwrócić uwagę, że nie rozważa się niebezpieczeństwa wynikającego z obecności napięcia elektrycznego. Negatywne (często tragiczne) skutki wywołuje prąd przepływający przez organizm człowieka, a nie napięcie działające na organizm. Napięcie jest parametrem pośrednim, a jego wartość ma wpływ na wartość prądu przepływającego przez organizm – zgodnie z prawem Ohma. Jeżeli nastąpił przepływ prądu elektrycznego przez organizm człowieka, oznacza to, że nastąpił wypadek. W technice bezpieczeństwa stwierdza się, że wypadki mogą być takie, jakie człowiek może sobie wyobrazić, plus pozostałe. Twierdzenie to obliguje do bardzo starannego podejścia do budowy urządzeń elektrycznych oraz ich eksploatacji. Stymuluje również prace nad poprawą bezpieczeństwa eksploatacji urządzeń elektrycznych, co jest szczególnie widoczne w normalizacji dotyczącej ochrony przeciwporażeniowej. Przy budowie środków ochrony przeciwporażeniowej zawsze należy znać odpowiedź na pytanie: jaki prąd i jego wartość oraz czas trwania przepływu prądu są niebezpieczne dla życia i zdrowia ludzkiego? Wartości wymienionych parametrów zależą od indywidualnych cech organizmu człowieka.

Serce człowieka – pracowity i wrażliwy centralny narząd układu krwionośnego

Prąd przepływający przez organizm człowieka wywołuje negatywne skutki we wszystkich narządach organizmu człowieka. Groźne są oczywiście bóle mięśni, ale najgroźniejsze jest zakłócenie rytmu pracy mięśni. Jest to szczególnie widoczne w przypadku serca, którego mięśnie pracują w sposób wybitnie rytmiczny. Takiemu rodzajowi pracy serca organizm człowieka zawdzięcza rozprowadzanie po organizmie życiodajnych składników (tlen, substancje odżywcze, substrakty budulcowe).

Serce jest pompą ssąco-tłoczącą, która przemieszcza krew. U dorosłego człowieka przepompowuje ono ok. 8 tys. litrów krwi w ciągu doby, przy masie serca ok. 300 g. Cykl pracy serca mieści się między kolejnymi uderzeniami koniuszkowymi serca i składa się z fazy rozkurczu i skurczu. Z badań wynika, że skutki rażenia zależne są również od tego, w której fazie pracy serca nastąpił przez niego przepływ prądu.

Spokojna praca serca (bez wysiłku organizmu) to powtarzające się cykle pracy o czasie 0,9 s – faza skurczu 0,4 s i faza rozkurczu 0,5 s. W czasie skurczu serca każda komora wyrzuca do tętnic ok. 70 ml krwi. W czasie pracy bez wysiłku organizmu serce kurczy się ok. 70 razy w ciągu minuty, czyli w ciągu 60 sekund serce jest w stanie przepompować ok. 5 litrów krwi. Zwiększony wysiłek zwiększa częstość uderzeń serca, dochodzącą do stukilkudziesięciu na minutę. W takiej sytuacji ulegają również zmianie skutki rażenia prądem, zależne od fazy pracy serca.

Mimo że serce jest zdolne do generowania bioprądów (wytwarza potencjał elektryczny), to nie toleruje ingerencji prądów rażenia, które mogą doprowadzić do migotania komór serca, nazywanego fibrylacją komór serca. Stan taki powoduje, że nie zmienia się objętość komór serca, a tym samym nie spełnia ono swojej podstawowej funkcji – następuje zatrzymanie krążenia krwi i brak dopływu tlenu do organizmu. Obumarcie kory mózgowej przy braku tlenu następuje już po ok. 4 minutach. W badaniach nad skutkami przepływu prądu przez organizm człowieka jednym z podstawowych parametrów było ustalenie progu wartości prądu rażeniowego, przy którym może wystąpić fibrylacja komór serca.

Charakterystyki czasowo-prądowe skutków rażenia

Badania nad zachowaniem się żywego organizmu przy przepływie prądu elektrycznego są i były prowadzone od bardzo dawna przez różne ośrodki naukowe na całym świecie. W 1946 roku Dalziel podał [1] wartości prądów, które nie powodują nieregularnych drgań komór serca (granicznych prądów niefibrylacyjnych), w zależności od czasu ich przepływu. Prowadzone dalsze badania wykazały, że przyjęte przez Dalziela wartości prądów są zbyt duże, mimo że przyjmował on jako dopuszczalne 0,5% prawdopodobieństwo występowania negatywnych skutków rażenia. Badania Osypki [2] wykazały, że występują inne wartości progowe wywołujące określone skutki w organizmie przez przepływający w nim prąd.

Na rysunku 1 podano graniczne dopuszczalne prądy wrażeniowe według różnych autorów. Wynika z niego, że wartości te znacznie różnią się między sobą i są zależne od zastosowanych metod badania i oceny wyników badań. Nie bez znaczenia jest również dobór i liczba osób biorących udział w badaniach (odczucie przepływu prądu przez organizm człowieka poddanego badaniom).

Rys. 1. Dopuszczalne prądy rażeniowe płynące przez organizm człowieka na drodze ręka – nogi [5] 1 – wg Dalziela (1946 r.), 2 – wg Kosztaluka (1963 r.), 3, 4 – wg Osypki (1963 r.): nie wywołujące trwałych uszkodzeń organizmu (3) oraz porażeń śmiertelnych (4), 5 – wg Kisielowa (1968 r.), 6 – wg Markiewicza (lata 60.)

Rys. 2. Strefy czasowo-prądowe dla prądu przemiennego o częstotliwości 15÷100 Hz, zgodnie z IEC – Report 479 z 1974 r. [6]

W latach 60. ustalono, w oparciu o wiele badań różnych autorów, graniczne natężenie prądów rażeniowych o częstotliwości sieciowej, przepływających na drodze ręka – ręka lub ręka – nogi. Ustalono poziomy bezpieczeństwa:

Pierwszy – górna granica prądów nieodczuwalnych równa 0,5 mA (przyjęto również obecnie, że przy tej wartości prądu nie występuje zagrożenie). Czas rażenia prądami o wartości do 0,5 mA może być dowolnie długi.

Drugi – górna granica prądów samouwolnienia (rażony może sam uwolnić się od uchwyconego, metalowego przedmiotu) równa 6 mA. Jednakże niektórzy autorzy przyjmowali wartości prądu nawet do 15 mA. Czas rażenia może być dość długi, jest jednak ograniczony przez samego rażonego lub przez inne osoby.

Trzeci – górna granica prądów rażeniowych nie zagrażających zdrowiu i życiu ludzi. Dopuszcza się na tym poziomie wyższe wartości prądu, ale w ograniczonym czasie. Kryterium bezpieczeństwa jest górna granica prądów niefibrylacyjnych, określona zależnością empiryczną

I_rg= I_rg1t_r^-m

w której:
I_rg1 – graniczna wartość prądu niefibrylacyjnego w mA, przy czasie rażenia tr =1 s, m – wykładnik potęgowy o wartości 0,5 (wg Dalziela) do 1 (wg Osypki). Dla tego poziomu bezpieczeństwa wartości graniczne prądów wrażeniowych (w mA) wyrażono wzorem empirycznym [5]

I_rg=50 t_r^–1 dla t_r < 2,5 s
I_rg=20 dla t_r ≥ 2,5 s

Wartość I_rg1 = 50 mA znajduje się również na charakterystykach czasowo-prądowych uzyskanych w późniejszych badaniach. W tych latach przyjmowano również, że graniczne wartości prądów przepływających na drodze noga – noga są dwukrotnie większe.

W latach 70. grupa robocza Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej (IEC ) pracowała nad podsumowaniem i oceną całej wiedzy na temat skutków oddziaływania prądu elektrycznego na organizm człowieka. W 1974 roku został opracowany przez IEC pierwszy raport (IEC – Report 479), w którym podjęto próbę podziału skutków przepływu prądu przez organizm na 5 stref (rys. 2):
o strefa 1 – zwykle nie występują żadne skutki,
o strefa 2 – zwykle nie występują szkodliwe skutki elektropatofizjologiczne,
o strefa 3 – zwykle nie występuje niebezpieczeństwo fibrylacji komór serca,
o strefa 4 – prawdopodobne jest wystąpienie fibrylacji komór serca,
o strefa 5 – niebezpieczeństwo fibrylacji komór serca (prawdopodobieństwo wyższe niż 50%).
Prosta oznaczona literą a określa graniczną wartość prądu (0,5 mA) płynącego w czasie nieograniczonym i nie powodującego jego odczuwania (jak wcześniej podano – górna granica prądów nieodczuwalnych). Krzywa b określona jest równaniem

I = I₁ + 10t^–1

przy czym I 1 = 10 mA jest prądem długotrwałym. Prostą oznaczoną literą d na rysunku 2 przyjęto wg Dalziela przy prawdopodobieństwie fibrylacji równym 50%.

Z podanych wartości prądów rażeniowych i ich skutków widać ogromne niebezpieczeństwo rażenia śmiertelnego od otaczającej człowieka instalacji elektrycznej. Przy napięciu 230 V względem ziemi i rezystancji ciała człowieka 1000 Ω prąd rażeniowy wynosi 230 mA. Bez udziału wyłącznika różnicowoprądowego w ochronie przeciwporażeniowej to w wielu przypadkach porażenie śmiertelne.