BIOELEKTRICITET - masfak.ni.ac.rs · komunikacioni sistem je u stanju da velikom brzinom upravlja...

Biomehatronika 1Bioelektricitet

BIOELEKTRICITET


BIOELEKTRIČNI PROCESI U LJUDSKOM ORGANIZMU

Bioelektrični procesi igraju važnu ulogu u medicini. Proučavanje bioelektričnih i biomagnetnih pojava u živoj materiji, posebno u ljudskom organizmu, od izuzetne je važnosti za razumevanje funkcionisanja organizma. U osnovi, postoje dva aspekta izučavanja elektriciteta i magnetizma u medicini:• električni i magnetni efekti generisani u ljudskom organizmu

(biostruje, biopotencijali, biomagnetna polja),• primena elektriciteta i magnetizma na ljudski organizam u cilju

dijagnostike ili terapije.



Svaka funkcija ljudskog organizma ili njegovih delova praćena je odgovarajućom promenom rasporeda naelektrisanja. Ta promena se može prostirati kroz nervni sistem u vidu električnog signala. U cilju obavljanja velikog broja funkcija organizma, mnogobrojni električni signali se neprekidno generišu i transportuju kroz nervni sistem. Selektivnim merenjem parametara specifičnog signala, bez unošenja bilo kakvog poremećaja u normalno funkcionisanje organizma, možemo dobiti korisne dijagnostičke informacije o pojedinim funkcijama.



Ljudski organizam takođe može (namerno ili ne) biti izložen dejstvu spoljnog električnog ili magnetnog polja ili se kroz njega može propuštati električna struja. Proučavanje i registrovanje odgovora organizma, kao sredine specifičnih provodnih karakteristika, na dejstvo električne struje i uticaj električnog i magnetnog polja može se uspešno upotrebiti u dijagnostici i terapiji.

Velikim brojem navedenih aspekata, koji su vezani za elektricitet i ljudski organizam, bavi se i medicinska elektronika.


STRUKTURA NERVNOG SISTEMA

Nervni sistem igra fundamentalnu ulogu u skoro svim funkcijama organizma. Mozak kao centralni kompjuter prima unutarnje i spoljne signale i šalje odgovore. Informacije se u oba smera prostiru u vidu električnih signala duž nerava. Ovaj efikasni komunikacioni sistem je u stanju da velikom brzinom upravlja sa više miliona informacija istovremeno.

U morfološkom smislu nervni sistem se deli na dva osnovna dela: centralni nervni sistem i periferni nervni sistem. Centralni nervni sistem (CNS) čine mozak i kičmena moždina, koja se nalazi u kičmenom kanalu. Periferni nervni sistem (PNS) se sastoji od moždanih nerava i kičmenih nerava.


STRUKTURA NERVNOG SISTEMAOsnovna strukturna jedinica

nervnog sistema je neuron, nervna ćelija specijalizovana za prijem, interpretaciju i prenos električnih poruka. Mada ima više tipova, neuron se u osnovi sastoji od tela (some, perikariona), koje prima električne poruke od drugih neurona preko sinapsa lociranih na njemu ili njegovim dendritima i aksona, nervnog vlakna (može biti dugačko i do 1 m) koje prenosi električne signale drugim neuronima, mišićnim vlaknima ili žlezdama. Akson se pri kraju deli na grane, na čijem se kraju nalaze nervni završeci u obliku pločica.


STRUKTURA NERVNOG SISTEMAAkson može, u principu, da prenosi

električne signale u oba smera. Međutim, signal se po pravilu prenosi od tela ka sinapsama. Sinapse, sa svoje strane, dozvoljavaju transport signala samo u smeru od sopstvenog neurona ka drugom neuronu. Akson je obično obavijen mijelinom, materijalom koji ima osobine izolatora. Mijelinizovana nervna vlakna malog dijametra (oko 10 μm), kakva su najčešće kod čoveka, omogućuju veliku brzinu prostranja signala od oko 100 m/s.


STRUKTURA NERVNOG SISTEMAOsim toga, s obzirom na mali

dijametar, veliki broj ovakvih vlakana (oko 10.000) može biti upakovan u svežanj (nerv) poprečnog preseka od svega 1 - 2 mm2. Na taj način se na malom prostoru obezbeđuje veliki broj kanala za simultano provođenje električnih signala.


STRUKTURA NERVNOG SISTEMANa rastojanju od po nekoliko

milimetra nalaze se Ranvijeovi čvorovi, gde dolazi do prekidanja mijelinskog izolatora. Signal koji je stigao u Ranvijeov čvor oslabljen je usled otpora aksona. Zato ovaj čvor deluje kac pojačavač za restauraciju električnog signala na njegovu prvobitnu veličinu i oblik. Na taj način, bez obzira na dužinu puta koji pređe, informacija koju nosi signal stiže na kraj nervnog stabla praktično nepromenjena.


FUNKCIONALNA DIJAGNOSTIKAFunkcionalna dijagnostika je deo Medicinske elektronike,

koji se bavi električnim registrovanjem i analizom određenih parametara u cilju dobijanja podataka o funkcionisanju pojedinihorgana i delova organizma.

Funkcionalna dijagnostika se deli na tri oblasti:• Elektrografija - električno registrovanje biostruja i biopotencijala

u ljudskom organizmu,• Električno registrovanje neelektričnih parametara važnih za

funkcionisanje ljudskog organizma• Endometrija i radio(tele)metrija, koja se bavi registrovanjem

parametara u šupljinama ljudskog organizma, direktno ili na daljinu


ELEKTROGRAFIJABiopotencijali se, kako smo videli, javljaju u ćelijama,

tkivima i organima kao rezultat životnih funkcija (membranski potencijal). Promene ovih veličina se manifestuju kao kratkotrajni impulsi stalnog ili promenljivog znaka i nazivaju se akcioni potencijali ili potencijali dejstva. Potencijali pojedinih ćelija se sabiraju i formiraju zajedničku potencijalsku razliku, koja se može meriti između pojedinih tačaka organa ili tkiva. Registrovanje vremenskih promena ovih potencijala i njihova analiza daju vredne podatke o funkcionisanju pojedinih organa ili tkiva (mišića).

Na ovaj način se mogu registrovati promene biopotencijala mišića (elektromiografija - EMG), srca (elektrokardiografija - EKG) i mozga (elektroencefalografija - EEG), mrežnjače ili retine (elektroretinografija -ERG), pomeranja oka (elektrookulografija -EOG).


ELEKTRIČNI SIGNALI MIŠIĆA -ELEKTROMIOGRAM

Jedan od načina da se dobiju dijagnostičke informacije o funkcionisanju mišića je merenje njegove električne aktivnosti. Akcioni potencijal, prilikom svoje transmisije sa aksona na mišićna vlakna, izaziva mišićnu kontrakciju. Snimak promene potencijala mišića u toku kontrakcije i relaksacije naziva se elektromiogram, ili EMG.



Mišić se sastoji od velikog broja mišićnih vlakana. Zavisno od vrste mišića, određen broj vlakana (od 25 do 2000) povezanje preko jednog nerva sa mozgom ili kičmenom moždinom, formirajući motornu jedinicu prikazanu na slici. Svako vlakno je u kontaktu sa jednom granom nerva preko nervnog završetka u obliku pločice (tzv. motorička pločica).



Snimanje akcionog potencijala jednog mišićnog vlakna prikazano je na slici. Referentna elektroda je u obliku metalne pločice, dok se za drugu elektrodu koristi mikroelektroda. U praksi se retko snima akcioni potencijal jednog mišićnog vlakna. Obično se registruje električna aktivnost velikog broja vlakana istovremeno, kada je i druga elektroda u obliku metalne pločice.



Na slici je prikazano merenje električne aktivnosti mišića noge pri hodanju. Pozitivna (crvena) i negativna (bela) elektroda postavljene su na mišić, dok crna elektroda služi za uzemljenje. Plavi zapis je apsolutni EMG mišića, dok crnii zapis predstavlja EMG u integralnom obliku.



Pomoću EMG dobijenog električnom stimulacijom može se odrediti brzina prostiranja akcionog potencijala. Metod za merenje brzine provođenja motorne jedinice prikazan je na slici. Merenje se može izvršiti na podlaktu tako što se istovremeno i sa istim intenzitetom stimulišu dve tačke na određenom rastojanju Δx.



Impulsi nastali istovremeno putem stimulacija 1 i 2 registruju se na malom prstu pomoću elektroda. Latentni period t1 za registrovanje impulsa nastalog stimulacijom 1 je duži od latentnog perioda t2 za registrovanje impulsa nastalog stimulacijom 2, jer prvi impuls prelazi duži put. Vreme njegovog putovanja između mesta stimulacije 1 i stimulacije 2 iznosi Δt = t1 - t2. Brzina prostiranja impulsa će biti v = Δx/Δt.



Primer: Pretpostavimo da je rastojanje između tačaka u kojima se vrši stimulacija Δx = 25 cm. Vreme od stimulacije 1 do registrovanja impulsa iznosi t1 = 8 ms, dok je t2 = 4 ms. Kolika je brzina prostiranja impulsa?V = Δx/Δt = Δx/(t1 -t2) = 62,5 m/s.

Tipične vrednosti brzine prostiranja impulsa (akcionog potencijala) za normalno stanje nervnog vlakna su (40 - 60) m/s. Ako brzina padne na vrednost ispod 10 m/s, smatra se da je nervno vlakno ozbiljno oštećeno.


ELEKTRIČNI SIGNALI SRCA -ELEKTROKARDIOGRAM

Srce se može posmatrati kao dvostruka pumpa. Sastoji se od četiri komore, levog i desnog atrijuma i levog i desnog ventrikula. Desni atrijum prima krv iz tela kroz gornju šuplju venu, kontrahuje se i pumpa krv u desni ventrikul. Kontrakcijom desnog ventrikula pumpa se krv u plućni krvotok. U plućima se krv oksigenizuje, a zatim vraća u levi atrijum. Kontrakcija levog atrijuma potiskuje krv u levi ventrikul, koji se kontrahuje i pumpa krv u sistemski krvotok i to prvo kroz aortu, arterije i arteriole, zatim kroz kapilare svih organa i na kraju kroz vene odakle se vraća u desni atrijum.



Kontrakcija levog i desnog atrijuma je sinhronizovana, a isto tako i kontrakcija levog i desnog ventrikula. Ritmička aktivnost srca inicirana je i kontrolisana električnim signalom, koji se generiše u specijalizovanim mišićnim ćelijama. Ove ćelije formiraju sinoatrijski (SA) čvor, koji predstavlja prirodni pejsmejker. U SA čvoru se generiše akcioni potencijal (oko 72 puta u minutu) i prostire dužcelog srčanog mišića po tačno definisanom putu, izazivajući depolarizaciju mišićnih ćelija.



Depolarizacioni talas putuje kroz mišićno tkivo atrijuma brzinom približno 1 m/s i izaziva simultanu kontrakciju levog i desnog atrijuma i pumpanje krvi u ventrikule. Iza toga nastaje repolarizacija i relaksacija mišića atrijuma. Depolarizacioni talas stiže do dela koji odvaja atrijume od ventrikula. Taj deo sačinjava uglavnom fibrozno vezivno tkivo, koje nije provodno.



Jedina provodna struktura je atrioventrikulski (AV) čvor. Kada električni signal stigne do atrioventrikulskog čvora, on inicira dalje prostiranje depolarizacionog talasa dužprovodnih vlakana (Hisovog snopa) i izaziva kontrakciju levog i desnog ventrikula praćenu pumpanjem krvi u sistemski, odnosno pulmonalni krvotok. Nakon toga dolazi do relaksacije mišića ventrikula i njihove, a zatim počinje novi ciklus.



Očigledno je da su električna aktivnost srca i njegovo mehaničko kretanje usko povezani. Naime, svaki mišić srca može da se kontrahuje jedino pod dejstvom električne struje koja kroz njega protiče. To znači da praćenjem i registrovanjem vremenske promene potencijala mogu dobiti dragoceni podaci o mehaničkom funkcionisanju srca.



Električni dipol je svako telo koje na krajevima ima -q i +q naelektrisanja iste apsolutne vrednosti. Moment dipola je vektor ql (q - apsolutna vrednost naelektrisanja, l - dužina dipola). U električnom polju oko dipola svaka tačka ima određenu vrednost potencijala. Površine, na kojima su vrednosti potencijala u svakoj tački iste, su ekvipotencijalne površine. U preseku ekvipotencijalnih površina i neke zamišljene ravni dobijaju se ekvipotencijalne linije, koje povezuju tačke istih vrednosti potencijala.



Srce se može posmatrati kao dinamički dipol (tj. dipol koji u prostoru menja svoj položaj i moment). Potencijali pojedinih ćelija srca se mogu sabirati, pa je srce, posmatrano u celini, na jednom kraju (osnova srca) negativno naelektrisano, a na drugom kraju (vrh srca) pozitivno naelektrisano. To znači da se oko srca formiraju ekvipotencijalne površine sa vrednostima potencijala koje se mogu meriti na površini grudnog koša.



Razlika potencijala između odabranih tačaka u kojima su postavljene elektrode odgovara položaju dipola srca u jednom trenutku. Usled mehaničke aktivnosti srca, pri kojoj se samo vrh srca pomera (kontrakcije i relaksacije atrijuma i ventrikula), položaj pozitivnog kraja dipola se neprekidno menja, pa samim tim i pravac i veličina samog dipola. To dovodi do promene vrednosti potencijala između elektroda. Zapis koji se dobija snimanjem promena vrednosti potencijala između dveju fiksiranih tačaka na telu u toku vremena naziva se elektrokardiogram (ili skraćeno EKG).



Struktura srca se najčešće prikazuje u tri elektro-kardiografske ravni, koje su uzajamno normalne. To su frontalna, transverzalnai sigitalna ravan. Ove ravni su prikazane na slici, zajedno sa vektorom dipola srca. Vektor dipola srca leži skoro u frontalnoj ravni našeg tela. Za rutinska merenja električne aktivnosti srca odstupanje vektora dipola od frontalne ravni se može zanemariti i pretpostaviti da on leži u frontalnoj ravni.



Tipičan elektrokardiogram dobijen snimanjem promene intenziteta jedne projekcije dipola srca na papir, koji se kreće brzinom v unaznačenom smeru, ima oblik prikazan na slici. U toku jednog ciklusa rada srca vektor dipola se menja tako da početak vektora zadržava isti položaj, dok vrh vektora opisuje tri krive PQ, QRS i ST, za koje se može uzeti da leže približno u istoj (frontalnoj) ravni. Promena položaja vrha vektora zapravo prati pomeranje vrha srca po pomenutim krivama pri kontrakciji atrijuma i ventrikula.


ELEKTRIČNI SIGNALI MOZGA -ELEKTROENCEFALOGRAM

Elektroencefalogram (ili skraćeno EEG) predstavlja snimak električne aktivnosti pretežno neurona u korteksu mozga. Mozak sadrži nekoliko milijardi neurona koji generišu i propuštaju električne signale. Ukupna električna aktivnost rezultira signalima, koji se mogu detektovati i zabeležiti izvan mozga. Električna aktivnost mozga se manifestuje kao slabi kompleksni električni signali, koji se mogu registrovati pomoću elektroda, čiji je mogući raspored prikazan na slici. Elektrode su najčešće u obliku malih diskova, napravljenih od srebrohlorida. Njihov raspored zavisi od dela mozga koji se želi ispitivati. Referentna elektroda je obično postavljena na jedno od dva uha (U1 ili U2 na slici).


ELEKTRIČNI SIGNALI MOZGA -ELEKTROENCEFALOGRAM

Amplitude potencijala u elektroencefalogramu su male i iznose oko 50 μV. Zbog toga je preciznost snimanja često ugrožena uticajem spoljnih električnih signala ili nevoljnim pokretima tela (pomeranje oka, na primer). Frekvencije signala su niske i različite. Prema vrednosti frekvencije signali se dele na spore (Δ - talasi; 0,5 - 4 Hz), umereno spore (θ - talasi; 4-8 Hz), α - talase (8 - 13 Hz) i βtalase (iznad 13 Hz).


ELEKTRIČNO REGISTROVANJE NEELEKTRIČNIH PARAMETARA

Mnogi električni merni aparati imaju veliku osetijivost pa su pogodni za merenje malih promena neelektričnih veličina. To je moguće učiniti pod uslovom da su elektrode zamenjenene delom aparature koji se naziva pretvarač (transdjuser, transduktor). Pomoću njega se promena ma koje fizičke veličine pretvara u njoj odgovarajući električni impuls. Ovom metodom se u medicini i biologiji meri veliki broj neelektričnih parametara kao što su: pritisak krvi, puls, temperatura, srčani šumovi, veličina kontrakcije mišića i slično.



Zavisno od vrste parametara koji se pretvaraju u električne impulse, pretvarači mogu biti konstruisani na razne načine. Navešćemo neke od pretvarača:• mehanički - pretvaraju mehanička kretanja u električne

signale,• zvučni - pretvaraju promenu intenziteta zvuka u električne

signale,• toplotni - pretvaraju promenu količine toplote u električne

signale,• optički - pretvaraju promenu intenziteta svetlosti u

električne signale.



Primer pretvarača, pomoću koga se registruje Ahilov refleks, prikazan je na slici. Svetlost dolazi iz izvora S, reflektuje se sa tabana i pada na fotoćeliju F. Sa pomeranjem položaja tabana menja se i svetlosni fluks koji stiže u fotoćeliju F.



U fotoćeliji F dolazi do pretvaranja svetlosti u struju. Jačina struje zavisi od intenziteta svetlosnog fluksa. Sa promenom svetlosnog fluksa menja se jačina struje i dobija električni signal. Posle pojačavanja u pojačivaču A, električni signal se registruje pomoću miliampermetra mA, osciloskopa O, ili pisača P.


ELEKTROTERAPIJA JEDNOSMERNOM STRUJOM

Elektroterapija, ili direktna primena električne energije na ljudski organizam u cilju lečenja, je vrlo važna terapijska metoda u fizikalno medicini. Delimo je na elektroterapiju jednosmemom strujom, kojamože biti konstantna ili impulsna, elektroterapiju visokofrekventnom strujom ; i elektroterapiju elektromagnetnim poljem. Ovde govorimo o elektroterapiji jednosmernom konstantnom (ili impulsnom) strujom. Pri propuštanju električne struje kroz deo ljudskog organizma dolazi do njegovog zagrevanja usled Džulovog efekta. Koliko će se toplote osloboditi u nekom tkivu zavisiće od toga da li deo organizma kroz koji protiče struja možemo predstaviti rednom ili paralelnom vezom pojedinih homogenih tkiva.



Ako se na telo (recimo, nogu) postave elektrode A i B transverzalno struja će prolaziti kroz sve slojeve (koža, masno tkivo, mišićno tkivo) osim kroz kost koja usled svog velikog specifičnog otpora predstavlja neprovodnu sredinu. Ukupan otpor koji noga pruža proticanju struje, može se predstaviti kao zbir otpora redno vezanih homogenih provodnika.



2121

2

1

22

12

2

1

QQRRRR

tRItRI

QQ

Δ>Δ⇒>

==ΔΔ

Zaključujemo na osnovu relacije da će se u ovom slučaju najveća količina toplote osloboditi na provodniku najvećeg otpora, a to je koža.



Postavljanjem elektroda longitudinalno, električna struja prolazi istovremeno kroz sve slojeve tkiva pa se otpor noge može predstaviti otporom paralelno vezanih otpornika.



2121

1

2

2

21

2

2

1

QQRR

RR

tRU

tRU

QQ

Δ>Δ⇒<

=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

=ΔΔ

Najveća količina toplote će se osloboditi na otporniku najmanjeg otpora, a to je mišićno tkivo u kome se nalaze krvni sudovi. Efekat ovakvog načina propuštanja struje kroz nogu biće širenje krvnih sudova - vazodilatacija.


MERENJE BIOPOTENCIJALA

Osnovni zadatak prilikom merenja jačina biostruja i biopotencijala je da dobijeni podaci na mernom instrumentu odgovaraju pravim vrednostima merenih veličina. Na tačnost merenja utiču brojni efekti. To su, pre svega, kontaktni potencijal i polarizacija elektroda. Međutim, čak i kada su ovi efekti eliminisani, problem nije u potpunosti rešen, jer se u kolu u kome se nalazi biogenerator i merni instrument javljaju dodatni otpori. Elektrode, bez kojih se merenje ne bi moglo vršiti, ne mogu se postaviti direktno na biogenerator (kao što je, na primer, srce), već na tkivo koje ga okružuje. To tkivo pruža otpor električnoj struji koja kroz njega teče.


MERENJE BIOPOTENCIJALANa slici je prikazan biogenerator elektromotorne sile E okružen tkivom. Tkivo pruža termogene otpore R1 i R2 struji, koja ide od biogeneratora do elektroda A i B. Deo struje će, međutim, direktno teći između elektroda, pri čemu se takođe javlja termogeni otpor r. Električna energija se troši i na savladavanje otpora koji se javlja na kontaktu elektroda i kože. Taj otpor se može predstaviti paralelnom vezom termogenog i kapacitivnog otpora, jer se na dodirnoj površini otpornika I i II reda formiraju slojevi pozitivnog i negativnog naelektrisanja kao kod pločastog kondenzatora.


MERENJE BIOPOTENCIJALAAko se sve navedeno uzme u obzir, realni sistem sa slike (a) se može uspešno modelovati strujnim kolom, prikazanim na slici (b).


MERENJE BIOPOTENCIJALAIzmerena veličina biopotencijala će biti utoliko tačnija ukoliko su ispunjeni uslovi:

0BA

021

RRRRRR

<<+

<<+

Dobri rezultati se postižu ako je unutrašnji otpor voltmetra R0 oko 1000 puta veći od otpora elektroda.

BIOELEKTRICITET - masfak.ni.ac.rs · komunikacioni sistem je u stanju da velikom brzinom upravlja...

Documents

Transcript of BIOELEKTRICITET - masfak.ni.ac.rs · komunikacioni sistem je u stanju da velikom brzinom upravlja...