Iontophorèse

1. a.

   $$J=\frac{I}{A}=\frac{2\text{mA}}{5c{m}^2}=0,4mA/c{m}^2$$

   b.

   $$J=\frac{I}{A}\Rightarrow I=J\cdot A$$

   Pour rester sécuritaire, on a des marges de $J\le 0,5mA/c{m}^2$ ou $J\le 1,0mA/c{m}^2$ selon l’électrode. On va utiliser la plus petite de ces valeurs par sécurité :

   $$I=J\cdot A=0,5mA/c{m}^2\cdot 5c{m}^2=2,5mA$$

   c. Le calcul de la dose, en $mA\cdot min$ est donné par

   $$\text{dose}=I\cdot \Delta t$$

   On aura donc

   $$t=\frac{\text{dose}}{I}=\frac{50mA\cdot min}{2,5mA}=20min$$

2. Dans le traitement par iontophorèse, on veut faire migrer les ions du médicament dans les tissus. Pour ce faire, on veut utiliser la force électrique. En appliquant les électrodes, on impose une différence de potentiel entre les électrodes, ce qui entraine l’apparition d’un champ électrique partout dans les tissus. Le champ électrique va causer une force électrique sur les ions du médicament et les forcer à migrer dans les tissus.

3. Le courant électrique est causé par la dérive des charges électriques (les ions dans le cas des tissus). Le champ électrique que l’on fait apparaitre dans les tissus va causer une force électrique sur les ions et les forcer à se déplacer dans le sens de la force. Les charges vont donc dériver dans cette direction et causer le courant.

4. Une explication rapide serait de dire que les charges de même signe se repoussent et donc on doit placer le médicament sur l’électrode négative comme ses ions sont négatifs. Une réponse plus complète serait comme suit: pour forcer les ions négatifs du médicament dans les tissus, la force électrique doit être orientée vers les tissus (et non vers l’électrode). Comme les ions sont négatifs, la force sera dans le sens contraire du champ. On doit donc choisir l’électrode pour laquelle le champ pointe vers l’électrode, ce qui correspond à l’électrode négative (le champ “sort” des + et “entre” dans les -).

5. Ici, plusieurs réponses sont possibles. Voici un exemple :

   On choisit des électrodes de $5c{m}^2$. On va d’abord choisir un courant sécuritaire pour que $J\le 0,5mA/c{m}^2$. Avec les électrodes choisies et une densité de courant choisie à $J=0,4mA/c{m}^2$, ça donne :

   $$\begin{gathered} J=\frac{I}{A} \\ \Rightarrow I=J\cdot A \\ I=0,4mA/c{m}^2\cdot 5c{m}^2=\boxed{2mA} \end{gathered}$$

   Ensuite, on peut calculer la durée pour obtenir la dose demandée:

   $$\begin{gathered} \text{dose}=I\cdot \Delta t \\ \Rightarrow \Delta t=\frac{\text{dose}}{I} \\ \Delta t=\frac{60mA\cdot \text{min}}{2mA}=\boxed{30\text{min}} \end{gathered}$$

   Vous pouvez suivre cette démarche pour trouver d’autres combinaisons en changeant les électrodes et la densité de courant $J$ (en respectant le critère de sécurité).

6. On peut reprendre l’explication de la question 4 ici. La force électrique sur un ion positif sera dans le sens du champ électrique. Comme le champ est orienté de l’électrode positive vers la négative, l’ion positif va subir une force vers l’électrode négative et va migrer dans cette direction.

7. Pour l’iontophorèse, on veut faire migrer les ions dans une direction (dans les tissus). Pour ce faire, on doit avoir une force sur les ions qui est toujours dans la même direction. On doit donc établir un champ électrique entre les électrodes et ce champ doit garder la même orientation; il faut donc conserver la polarité des électrodes tout au long du traitement, ce qui correspond à un régime en courant continu. En courant alternatif, les électrodes changent de polarité plusieurs fois par secondes (selon la fréquence). Cela signifie que le champ électrique change constamment d’orientation et les ions vont osciller autour de leur position sans déplacement net, au lieu de migrer dans les tissus.

8. On veut garder une dose de $30mA\cdot \text{min}$ avec un temps plus court. On doit donc augmenter le courant pour pouvoir diminuer le temps :

   $$\text{dose}=I\cdot \Delta t$$

   On va donc choisir un courant plus grand, mais en respectant la limite de $4mA$ pour rester dans les marges sécuritaires. Ici, comme on ne connait pas la taille des électrodes, on ne peut pas vérifier la condition sur la densité de courant. Si on choisit un courant de $3mA$, on peut alors calculer la nouvelle durée de traitement:

   $$\begin{gathered} \text{dose}=I\cdot \Delta t \\ \Rightarrow \Delta t=\frac{\text{dose}}{I}=\frac{30mA\cdot \text{min}}{3mA} \\ \boxed{\Delta t=10\text{min}} \end{gathered}$$

Tens

1. La durée de l’impulsion est liée à la période $T$. On a :

   $$T=\frac{1}{f}=\frac{1}{15}=0,0667s$$

   La période représente le temps entre deux cycles :

   On voit donc que la durée de l’impulsion sera donnée par la moitié de la période dans ce type d’onde (qui n’est pas pulsée). La durée sera donc

   $$\text{Dureˊe}=T/2=0,0334s=33,4ms$$

2. Le tens à haute fréquence correspond au conventionnel. Il vise à contrôler la douleur en stimulant les fibres sensorielles (portillon). Le tens à basse fréquence est plutôt le mode CIDN, qui vise à stimuler la production d’endorphines en stimulant les nerfs moteur. Bien que leurs fréquences diffèrent, c’est surtout le choix de la durée d’impulsion et de l’intensité du courant qui font déterminer quelles fibres (nerveuses ou musculaires) sont stimulées (courbe intensité-durée).

3. 

4. 

5. 

6. Pour ce type de courant, on a :

   1. Une onde biphasique asymétrique
   2. La fréquence est de $66,7Hz$ ($f=1/T=1/(15\times 10^{-3})$)
   3. La durée d’impulsion est de $120\mu s$
   4. L’intensité est de $12mA$

7. La modulation d’amplitude signifie que l’amplitude varie dans le temps. Voici un exemple de courant en modulation d’amplitude:

Interférentiel

1. La fréquence de battement est donnée par $|f_2-f_1|=|4010-4000|=10Hz$

2. La fréquence élevée de la porteuse pour l’interférentiel ($4000Hz$ par exemple) permet de diminuer l’impédance des tissus, qui agissent comme un condensateur :

   $$Z\propto \frac{1}{f}$$

   Ainsi, plus la fréquence du signal est grande, plus l’impédance $Z$ va diminuer, ce qui va permettre au courant le pénétrer plus facilement et en profondeur dans les tissus. On se rappellera quand même que c’est la fréquence de battement qui importe pour le traitement et non la fréquence de la porteuse. En effet, une fréquence de $4000Hz$ ne permet pas à elle seule la dépolarisation des fibres nerveuses, car les ions n’auront pas le temps de se déplacer et d’influencer le potentiel électrique de la membrane suffisamment pour atteindre le seuil de dépolarisation.

3. L’impédance $Z$ est l’équivalent de la résistance pour les courants alternatifs. Plus l’impédance est grande, plus le milieu résiste au passage (ou au déplacement) des charges électriques. La conductivité des tissus est inversement proportionnelle à l’impédance. Cela veut dire que plus l’impédance est petite, plus la conductivité est grande.

4. Lorsqu’on compare les tissus à un condensateur, cela signifie que les tissus ont tendance à accumuler des charges électriques de part et d’autre de milieux isolants (comme la membrane cellulaire par exemple). Une conséquence de cela est que l’impédance des tissus peut être comparée à celle d’un condensateur :

   $$Z=\frac{1}{2\pi fC}$$

   On voit donc que plus la fréquence $f$ est grande, plus l’amplitude diminue et donc le courant pourra plus facilement circuler dans les tissus à haute fréquence.

NMES

1. En Tens, on veut contrôler la douleur en utilisant soit le portillon (Tens conventionnel) ou le CIDN (production d’endorphines). En NMES, on cherche à causer une contraction musculaire soutenue. Bien que le Tens en CIDN va causer des contractions musculaires, elles ne seront pas soutenues (“twitch”). C’est donc la fréquence qui va faire la différence.

2. Pour le Tens en CIDN, chaque contraction causée sera distincte de la suivante, avec une fréquence de signal entre 1 et 10 Hz. Pour la NMES, on aura plutôt une sommation temporelle des contractions, avec une fréquence entre $20Hz\le f\le 70Hz$. Cela va causer une contraction musculaire soutenue.

3. Les électrodes vont imposer une différence de potentiel (d.d.p.) dans les tissus. Cette d.d.p. va entrainer l’apparition d’un champ électrique $\vec{E}$ dans les tissus. Le champ va causer une force sur les ions et causer leur déplacement. Les ions déplacés vont modifier la répartition des charges électriques à l’extérieur de la membrane de l’axone du nerf moteur. Ce changement dans la répartition des charges va modifier la d.d.p. entre l’intérieur et l’extérieur de la cellule. Une fois que la d.d.p. de la cellule va atteindre le seuil de $-55mV$, le mécanisme de dépolarisation va s’enclencher et entrainer la production d’un potentiel d’action qui va se propager dans l’axone pour déclencher la contraction musculaire.

Rétroaction biologique

1. La stimulation neuromusculaire (NMES) va utiliser un courant pour causer une contraction musculaire, alors que la rétroaction biologique va mesurer l’activité musculaire produite par le patient pour lui donner de l’information sur la qualité de sa contraction. En résumé, NMES cause une contraction alors que biofeedback mesure la contraction.

2. Le signal mesuré par l’électromyographie (EMG) utilisée pour la rétroaction biologique est très faible. Or, le corps du patient ainsi que les électrodes et leurs fils agissent comme des antennes qui captent les ondes électromagnétiques environnantes et vont ajouter du bruit dans le signal et rendre la mesure impossible. On utilise donc une 3e électrode (le “ground” ou mise à la terre) pour permettre d’éliminer le signal parasite qui provient de l’environnement et ne conserver que ce qu’on veut mesurer, c’est-à-dire le signal provenant de l’activité musculaire entre les électrodes.

3. Le signal brut de l’électromyographie sera d’abord amplifié pour augmenter l’amplitude du signal. Ensuite, il sera redressé pour ramener la portion négative du signal du côté positif. Sans ce redressement, la moyenne du signal serait nulle (autant de signal négatif que positif). Finalement, on va faire une moyenne du signal redressé pour ne garder que la forme de l’enveloppe du signal. C’est cette enveloppe qui va augmenter et diminuer selon l’activité musculaire du patient et qui servira à produire la rétroaction visuelle ou auditive qui va informer le patient sur la qualité de sa contraction.

4. L’EMG va mesurer l’activité musculaire. Chaque fois qu’un potentiel d’action de la fibre musculaire (MFAP) va traverser une fibre musculaire, le potentiel électrique de chaque électrode va être modifié. C’est donc les MFAP qui sont à l’origine du signal. Cependant, comme les tissus entre les fibres musculaires et les électrodes vont influencer le signal en provenance des fibres musculaires et que plusieurs MFAP vont se produire dans toutes les fibres musculaires de toutes les unités motrices recrutées par la contraction, le signal mesuré sera plutôt la somme de toutes ces activités. On va donc plutôt parler de MUPs, les potentiels des unités motrices. Ainsi, les électrodes vont capter le signal provenant de chaque MUP provenant de chaque unité motrice recrutée.

5. Le potentiel d’action de la fibre musculaire (MFAP) est la source fondamentale du signal que l’on veut mesurer avec les électrodes. Lors du passage d’un MFAP, la distribution des charges électriques de la membrane va changer localement. Comme le potentiel électrique dans les tissus varie en fonction de la manière dont les charges électriques sont distribuées, le passage d’un MFAP va faire varier le potentiel électrique à l’endroit où se trouvent les électrodes. En mesurant la différence de potentiel entre les électrodes en fonction du temps, on peut déduire le passage du MFAP et donc le relier à la contraction. L’EMG va mesurer la somme des MUP (potentiel d’unité motrice), qui se trouve à être la somme de tous les MFAP de toutes les fibres de chaque unité motrice recrutée dans la contraction.

Physique

1. La loi d’Ohm représente la relation entre le courant et la différence de potentiel. Pour un milieu de résistance $R$ constante, on voit que le courant $I$ sera proportionnel à la différence de potentiel (d.d.p.) $\Delta V$. Ainsi, en augmentant la tension de $5V$ à $10V$ par exemple, on va également doubler le courant $I$.

2. Le champ électrique décrit l’influence des charges sur leur environnement. Par définition, le champ se mesure en $N/C$ et nous informe sur la force électrique que va subir une charge électrique $q$ qui se trouve dans ce champ électrique. La relation entre les deux est

   $$\vec{F}=q\vec{E}$$