-
Sveučilište u ZagrebuFakultet elektrotehnike i računarstva
Biomedicinska instrumentacija
Biomedicinska instrumentacijaBiomedicinska instrumentacijaP2
Električna stimulacijaP2 – Električna stimulacija
Ak.god. 2009./2010.
prof.dr.sc. Ratko Magjarević
11
prof.dr.sc. Ratko Magjarević
-
Električna stimulacija Djelovanje električne struje na
podražljive
stanice i tkiva:stanice i tkiva:• mišićne stanice• živčane
stanice• živčane stanice
pogodno je jer se može izvesti uz pomoć l kt d l kt ički t
ielektroda, a električki parametri se mogu
lako kontrolirati Koji su drugi mogući načini podraživanja
mišića i živaca? Koji su ciljevi električkog podraživanja
tkiva?
2Biomedicinska instrumentacija
-
Električna stimulacija - sistematizacijapo funkciji
Dijagnostička
• brzina provođenja živaca osjetljivost• brzina provođenja
živaca, osjetljivost... Terapijska
• rehabilitacija, funkcijska elektrostimulacija skeletnih
mišića, elektrostimulacija srca (engl. pacing),
defibrilacija...elektrostimulacija srca (engl. pacing),
defibrilacija...
po trajanju stimulacije Privremena
kratkotrajna povremena kratkotrajna > npr rehabilitacija
defibrilacija potiskivanje• kratkotrajna, povremena kratkotrajna
-> npr. rehabilitacija, defibrilacija, potiskivanje boli;
površinske ili potkožne elektrode
Trajna• održavanje vitalnih funkcija (srce, dijafragma),
poboljšanje kvalitete života (duboka
i “ d i i ” i ki j b li ) i l ij đ j istim. mozga, “rate
adaptive pacing”, potiskivanje boli...); implantacija uređaja i
elektroda
po smještaju stimulatorapo smještaju stimulatora Vanjska
(eksterna) Ugradnja (implantacija)
3Biomedicinska instrumentacija
-
Električna stimulacija - sistematizacija po organu ili sustavu
koji se stimulira
srce > povremeni ili trajni nepravilan rad srca• srce ->
povremeni ili trajni nepravilan rad srca, prestanak rada,
fibrilacija
išići ć j k t ( k t it t ili• mišići -> omogućavanje pokreta
(ekstremiteta ili dijafragme), liječenje inkontinencije,
• mozak i živčani sustav -> nadomjestak ili pojačanje osjeta,
liječenje bolesti (epilepsija, hipertonija) ili simptoma (bol,
tremor, disanje)
• kosti -> pospješivanje cijeljenja kostijup pj j j j j j•
ostali organi
4Biomedicinska instrumentacija
-
Implantabilni elektrostimulator srca
5Biomedicinska instrumentacija
-
Defibrilatori
6Biomedicinska instrumentacija
-
Stimulacija dijafragme
7Biomedicinska instrumentacija
-
Funkcijska električka stimulacija
8Biomedicinska instrumentacija
-
El. stim. – implantabilni FES a) Peronealna proteza
– el. impulsi sinkronizirani su ssinkronizirani su s pomoću
sklopke u peti pacijentove obuće
b) Blok shema b) Blok shema trokanalnog implantiranog stim lato
a stim l sistimulatora; stimulusi na parove elektroda slijede uz
različita
k š j jvremena kašnjenja, radi sinkronizacije rada mišića za
postizanje
k tpokreta
9Biomedicinska instrumentacija
-
Funkcijska električka stimulacija
10Biomedicinska instrumentacija
-
Dvokanalni površinski električki stimulator za denervirane
mišiće – postavljanje parametaradenervirane mišiće – postavljanje
parametara električke stimulacije
11Biomedicinska instrumentacija
-
Blok shema stimulatora
Dvokanalni električki stimulator za stimulacije denerviranioh š
ć l l čk d
12Biomedicinska instrumentacija
mišića – implantirani i upravljački dio
-
Električka shema stimulatora Jednokanal
ni el. stimulator sstimulator s galvanskim odvajanjem.
13Biomedicinska instrumentacija
-
El. stimulacija za rast biol. tkiva
5-20 μA/cm2 5 V, 60 kHz
14Biomedicinska instrumentacija
-
Građa mišića Mišići su izvršni elementi u
biološkom sustavu (aktuatori)(aktuatori)
Izvršenje (neke radnje) postiže se skraćivanjem mišića
(kontrakcijom)mišića (kontrakcijom)
Neposredni uzrok kontrakcije je akcijski
šj j j
potencijal koji se širi od neuromuskularne veze duž mišićnog
vlaknag
Kad se mišić podraži električnim impulsom, pojedinačni fibrili
(vlakna)pojedinačni fibrili (vlakna) se skraćuju i uzrokuju trzaj
mišića
15Biomedicinska instrumentacija
-
Frekvencija podražaja Prilikom stimulacije, povećanjem
frekvencije stimulacije, više nije moguće
razlikovati pojedinačne trzaje uzrokovane stimulusima
(impulsima). Kažemo da je nastupila tetanička kontrakcijaje
nastupila tetanička kontrakcija.
Na samom mišiću više se ne vide pojedinačni trzaji, već je mišić
napet i gladak (uočiti malu razliku između napetosti kod
stimulacije frekvencijom impulsa od 40 Hz i 80 Hz)
Kod električne stimulacije tkiva kakvustimulacije tkiva, kakvu
zapravo reakciju (odgovor) mišića(odgovor) mišićaželimo?
16Biomedicinska instrumentacija
-
Modeliranje podražljivosti Stanična membrana odnosno izolirani
segment podražljivog
tkiva može se modelirati linearnim električkim sklopom koji se
sastoji od paralelnog spoja otrpornosti r i kapacitivnostise
sastoji od paralelnog spoja otrpornosti rm i kapacitivnosti cm
membrane, pa je ukupna struja podraživanja jednaka
a napon na membrani jednakp j
Ako se takva membrana pobudi pravokutnim strujnim impulsom i (t)
= I (za t ≥ 0), napon na membrani rasti će po eksponencijalnom
zakonu
gdje je τm vremenska konstanta membrane. Ako je za podraživanje
(depolarizaciju) stanice potrebno postići napon podraživanja VT
može se odrediti kolika jestanice potrebno postići napon
podraživanja VT, može se odrediti kolika je minimalno potrebna
struja za podraživanje navedene stanice odnosno navedenog tkiva
17Biomedicinska instrumentacija
-
Modeliranje podražljivostiZa beskonačno dugi strujni impuls (t
-> ∞), jakost strujnog impulsa mora dosegnuti vrijednost I (t
-> ∞) = I0 = VT/R. Struja I0 naziva se strujom reobaze.
Može se odrediti i minimalni naboj Q0 potreban za postizanje
praga stimulacije:
Minimalni naboj Q0 postiže se za vrlo kratke impulse, tj. kad t
-> 0
Normalizirana energija potrebna za podraživanje je:g j p p j
j
odnosno može se izračunati minimalna energija potrebna za
podraživanje za t = 1,25 τe, gdje je τe vrijeme kronaksije
18Biomedicinska instrumentacija
-
Intenzitetno-vremenska krivuljaili skraćeno I – t krivulja,
normalizirana na vrijeme kronaksije
za struju, naboj i energiju
19Biomedicinska instrumentacija
-
Empirijski model podražljivosti Pojmovi “struja reobaze” i
“vrijeme kronaksije” potječu iz
prvog, eksperimentalnog modela podražljivosti, koji je opisan
hiperbolnom funkcijom:
Reobaza=I
0Reobaza=I
Kronaksija= (empirički model)
Kronaksija= ln2 (eksponencijalna forumula)e
e
00
j ( p j )e
eQI
20Biomedicinska instrumentacija
-
Prodiranje stimulusa Pojačavanjem
intenziteta stimulusaintenziteta stimulusa povećeva se dubina
prodiranja struje i brojprodiranja struje i broj vlakana obuhvaćen
stimulacijomstimulacijom
21Biomedicinska instrumentacija
-
Valni oblici stimulusa Diskusija:
Zašto se za stimulaciju upotrebljavaju baš• Zašto se za
stimulaciju upotrebljavaju baš pravokutni impulsi?U t blj j li i d
i l i bli i ti l ?• Upotrebljavaju li se i drugi valni oblici
stimulusa?
22Biomedicinska instrumentacija
-
Valni oblici stimulusa Najčešće se
upotrebljavaju p j jpravokutni oblici impulsa
Trajanje i amplituda impulsa izabiru se
kl dsukladno vremensko-intenzitetskoj krivuljiintenzitetskoj
krivulji za pojedini mišić/skupinu mišićamišić/skupinu mišića ili
živac
23Biomedicinska instrumentacija
-
Potiskivanje boli el. stimulacijom Tipični valni oblici i
parametri koji separametri koji se koriste za potiskivanje boli
električkomboli električkom stimulacijom
24Biomedicinska instrumentacija
-
Ovisnost podražljivosti o polaritetu impulsa
Katodna vs. anodna stimulacija
25Biomedicinska instrumentacija
-
Ovisnost podražljivosti o valnom obliku impulsa
Monopolarni vs. bipolarni impulsi; sinusne struje
Ekstrapolacija za sinusne struje Koliko je trajanje
l i d ipoluperiode sinusnestruje za postizanje maksimalne
podražljivosti?
26Biomedicinska instrumentacija
-
Ovisnost podražljivosti o valnom obliku impulsa
Monopolarni vs. bipolarni impulsi, trajanje impulsa i razmak
među impulsimarazmak među impulsima
27Biomedicinska instrumentacija
-
I – t krivulje za senzorske i motoričke reakcije
28Biomedicinska instrumentacija
-
Prag podražljivosti - primjer
29Biomedicinska instrumentacija
-
Literatura: A. Šantić, Biomedicinska elektronika, Šk. knjiga,
1995, str. 20-25 i 205-
246.J M l i R Pl Bi l t ti O f d P 1995 J. Malmivuo, R.Plonsey,
Bioelectromagnetism, Oxford Press, 1995, www.bem.fi, poglavlje 21
(FES); poglavlje 23 (cardiac pacing); poglavlje 24
(defibrillation)
S. Hamid and R. Hayek, Role of electrical stimulation for
rehabilitation and regeneration after spinal cord injury: an
overview
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2527422/http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2527422/
Mayr W, Bijak M, Rafolt D, Sauermann S, Unger E, Lanmueller H:
Basic design and construction of the Vienna FES implants - existing
solutions
d t f ti f i l t M di l E i i dand prospects for new generations
of implants. Medical Engineering and Physics 2001; 23: 53-60.
30Biomedicinska instrumentacija