Oddziaływanie prądu na organizm, pomiary bioelektryczne Wykład 3 Oddziaływanie prądu na organizm, pomiary bioelektryczne Prąd elektryczny Własności elektryczne ciał Bioimpedancyjny pomiar zawartości tkanki tłuszczowej Potencjał spoczynkowy i czynnościowy komórki Elektroterapia Elektroneurografia Pomiary krzywej pobudliwości I/t nerwów Układ bodźcotwórczo-przewodzący serca Rozrusznik serca Defibrylator Elektrokardiografia Zakład Biofizyki CM UJ Żabie udka Luigi Galvaniego Ładunek elektryczny https://www.youtube.com/watch?v=8kpz24pqgz8 Prawo Coulomba Pole elektryczne 1
Napięcie elektryczne Napięcie elektryczne, to różnica potencjałów pomiędzy dwoma puntami obwodu elektrycznego, albo pola elektrycznego. Jednostką napięcia jest wolt (V) [1V]=[1J]/[1C] (kg m 2 /s 3 /A) Prąd elektryczny Uporządkowany ruch ładunków elektrycznych. Do zjawiska tego dochodzi pod wpływem pola elektrycznego w materiałach, w których istnieją nośniki prądu elektrycznego. Nośnikami takimi najczęściej są elektrony i/lub jony: przewodnictwo elektronowe metale przewodnictwo jonowe elektrolity, gazy Umownie przyjmuje się, że przepływ prądu odbywa się zgodnie z kierunkiem przepływu ładunków dodatnich. Prąd opisuje się przy pomocy wielkości zwanej natężeniem prądu (I), którego jednostką jest amper (A). Prąd elektryczny Prąd elektryczny Często w żargonie pod pojęciem prąd rozumie się natężenie prądu. Natężenie prądu jest jedną z wielkości, które są podstawą układu SI, ale można je zdefiniować jako liczbę przepływających ładunków w jednostce czasu. Prąd elektryczny Biorąc pod uwagę zmiany natężenia prądu w czasie można rozważać: prąd stały (DC direct current) prąd zmienny (AC alternating current) Opór elektryczny Przepływ prądu elektrycznego zależy od rodzaju materiału, przez który płynie i od jego geometrycznych właściwości (L długość, S pole przekroju poprzecznego). Miarą podatności materiału na przepływ prądu elektrycznego jest przewodność właściwa σ, albojej odwrotność: opór właściwy (rezystywność) ρ [Ω m]. Miarą podatności konkretnego przewodnika na przepływ prądu jest opór omowy R [Ω]. prąd naprzemienny 2
Opór właściwy Opór właściwy [20 C] Opór właściwy jest podstawą klasyfikacji materiałów pod względem ich własności elektrycznych. Materiały dzielimy na przewodniki, półprzewodniki i izolatory (dielektryki). Przewodniki 10-8 10-6 Ω m Półprzewodniki 10-6 10 9 Ω m Dielektryki > 10 9 Ω m Przewodniki [Ω m] Miedź 1.7 10-8 Aluminium 2.9 10-8 Żelazo 10.0 10-8 Grafit 8-20 10-6 Dielektryki [Ω m] Szkło 10 10-10 14 Guma 10 13 Ebonit 10 15 Porcelana 3 10 12 Półprzewodniki [Ω m] Krzem 6.4 10 2 German 4.6 10-1 Organizm [Ω m] Woda destylowana 1.4 10 4 Woda pitna 20-100 Błona komórkowa 10 4 Mięsień 1.5 Tkanka tłuszczowa 50 Skóra 1.6-4.8 Kości 200 Kondensator Kondensator element elektryczny zbudowany z dwóch przewodników rozdzielonych dielektrykiem. Doprowadzenie napięcia do okładek kondensatora powoduje zgromadzenie na nich ładunku, który się utrzymuje po odłączeniu napięcia dzięki przyciąganiu elektrostatycznemu. Prawo Ohma Wielkość ładunku gromadzonego na okładkach kondensatora przy ustalonym napięciu zależy od jego pojemności (C). A ta zależy od pola powierzchni okładek, odległości pomiędzy nimi i od rodzaju zastosowanego dielektryka. Jednostką pojemności jest farad. Prąd stały nie może przepływać przez kondensator. Zakład Biofizyki CM UJ DC vs. AC Impedancja (zawada) Prąd zmienny płynie przez obwód, w którym znajduje się kondensator. Przepływ ten zależy od częstotliwości prądu (ω). Im wyższa częstotliwość, tym mniejsza impedancja. Również przez żywy organizm łatwiej przepływa prąd zmienny, a efekty jego działania na organizm zależą od częstotliwości. 3
Przepływ prądu przez organizm Przepływ prądu przez organizm odbywa się poprzez przewodnictwo jonowe. Tkanki wykazują różne właściwości, jedne zachowują się jak przewodniki inne jak dielektryki. Tkankę można modelować, jako układ połączonych ze sobą w odpowiedni sposób oporników i kondensatorów. Przepływ prądu przez organizm Tkanka ρ [Ω m] f (ω/2π) [khz] Krew 1.5 1.8 1 100 Mięsień wzdłuż włókien 1.2 3.4 0.1 1 Mięsień poprzecznie do włókien 6.8 18.0 0.1 1 Płuca wdech 17 100 Płuca wydech 8 100 Tłuszcz 20 1 100 Kość 40 1 100 Pomiar bioimpedancyjny Normy zawartości tkanki tłuszczowej Body Mass Index m [kg] masa ciała h [m] - wzrost < 18,5 niedowaga 18,5-25 prawidłowa waga 25-30 nadwaga > 30 otyłość 4
Potencjał spoczynkowy Potencjał spoczynkowy Pomiędzy wnętrzem komórek a płynem zewnątrzkomórkowym występuje ujemny potencjał elektryczny, tzw. potencjał spoczynkowy (PS). Neurony od -60 do -80 mv Komórki mięśni od -80 do -90 mv Potencjał błonowy wynika z nierównomiernego rozmieszczenia jonów Na +, K +, Cl - i anionów organicznych po obu stronach błony. Błona komórkowa w sposób aktywny utrzymuje ten potencjał na stałym poziomie. Wnętrze komórki jest elektrycznie obojętne. Tuż przy samej błonie gromadzą się ładunki, jak na okładkach kondensatora. Potencjał czynnościowy Informacja w układzie nerwowym przenoszona jest we włóknach nerwowych w postaci impulsów. Zaburzenia potencjału błonowego komórek rozprzestrzeniają się wzdłuż włókien nerwowych w postaci tzw. potencjału czynnościowego. Różnego rodzaju bodźce mogą spowodować lokalny wzrost potencjału błony powyżej pewnego progu zwanego potencjałem progowym. Następuje wtedy otwarcie szybkich kanałów sodowych i jony sodu przepływają do wnętrza komórki zwiększając wartość potencjału wewnątrzkomórkowego faza depolaryzacji. Potencjał czynnościowy Wartość różnicy potencjałów pomiędzy wnętrzem i zewnętrzem komórki odwraca się na krótki czas (~0.5ms). Następuje otwarcie szybkich kanałów potasowych i jony potasu wydostają się na zewnątrz komórki faza repolaryzacji. Potencjał błonowy wraca do stanu wyjściowego. Zaburzenie rozprzestrzenia się wzdłuż błony komórkowej. Właściwości takie wykazują komórki nerwowe i mięśniowe. Potencjał czynnościowy Zagadka żabich udek rozwiązana Zewnętrzne pole elektryczne może zaburzyć potencjał błony komórkowej włókien nerwowych i włókien mięśniowych. Zakłócenie takie propagowane jest jak normalny, powstający w warunkach fizjologicznych impuls. Zjawisko to można wykorzystać w diagnostyce i terapii. 5
Elektroterapia Elektroterapia dziedzina fizykoterapii zajmująca się leczeniem objawowym schorzeń układu nerwowego i układu ruchu z zastosowaniem prądu elektrycznego. Wykorzystuje się prąd stały, modulowane prądy średniej częstotliwości, oraz prądy impulsowe średniej i małej częstotliwości. Elektrodiagnostyka Elektroneurografia badanie stosowane w celu oceny funkcjonowania nerwów obwodowych. Bada się przewodnictwo impulsów propagowanych wzdłuż włókien czuciowych, ruchowych lub mieszanych. Stosuje się stymulację badanego nerwu odpowiednią elektrodą, a w innym, oddalonym nieco miejscu, rejestruje się potencjał czynnościowy. Można ocenić np. prędkość przewodzenia impulsów w badanym nerwie oraz amplitudę rejestrowanych impulsów. Stosowana np. w zespole cieśni nadgarstka. Elektroneurografia Badanie krzywej I/t Potencjał progowy w trakcie trwania potencjału czynnościowego jest nieskończony. Oznacza, to że nie może nastąpić w tym czasie ponowne pobudzenie błony refrakcja bezwzględna. Potencjał progowy wraca do stanu wyjściowego po repolaryzacji, ale bodziec, który wystąpi w tym czasie nie będzie w stanie wygenerować pełnego, prawidłowego potencjału czynnościowego refrakcja względna. Badanie krzywej pobudliwości 6
Badanie krzywej pobudliwości Układ bodźcotwórczoprzewodzący serca Serce posiada automatyczny mechanizm kontrolujący jego pracę, niezależny od CUN. Jest to układ bodźcotwórczo-przewodzący (BP) zbudowany z komórek mających zdolność do samoistnego wytwarzania i rozprowadzania impulsów elektrycznych wywołujących skurcz mięśnia sercowego. Układ BP jest źródłem impulsów elektrycznych, które rozchodzą się po całym ciele i które można badać (EKG). By Kalumet - selbst erstellt = Praca własna, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=438152 Rozrusznik serca Sztuczny rozrusznik serca (stymulator serca, kardiostymulator) - urządzenie elektryczne wszczepiane w ciało chorego, służące do elektrycznego pobudzania rytmu serca, gdy naturalny rozrusznik (węzeł zatokowo-przedsionkowy) nie spełnia swojej roli. Jest on jednocześnie detektorem impulsów elektrycznych wytwarzanych przez układ BP i generatorem impulsów o amplitudzie 0.5-5 V i czasie trwania 0.2-1 ms. Układ podłączony jest do mięśnia sercowego przy pomocy elektrod. W przypadku wykrycia zaburzeń naturalnego rytmu serca pobudza mięsień sercowy własnymi impulsami. Na podstawie: By Madhero88 - Praca własna, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=10198089 Rozrusznik serca Rozrusznik umieszcza się w specjalnie przygotowanej kieszeni w mięśniu piersiowym większym. Elektrody przeprowadza się do przedsionka lub komory serca przez żyłę odpromieniową, żyłę podobojczykową, żyłę szyjną lub (rzadko) przez żyłę udową. Defibrylator (AED) AED (Automated External Defibrylator). Urządzenie elektryczne stosowane w przypadku niektórych zaburzeń rytmu serca. Oddziałujenamięsień sercowy prądem stałym o odpowiednio dużej mocy, "resetując" pracę układu BP. Fotografia: J. Heuser JHeuser - Praca własna, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=444846 7
Defibrylator (AED) Rytmami poddającymi się defibrylacji są: Migotanie komór Tachykardia komorowa bez tętna Defibrylacji nie stosuje się w przypadku asystolii, czyli braku aktywności elektrycznej serca (linia izoelektryczna w przebiegu EKG). Po defibrylacji należy przeprowadzić natychmiastową resuscytację krążeniowo oddechową. Defibrylator dostarcza energię elektryczną rzędu (150-360 J) w postaci krótkiego impulsu (~ 1 ms) o wysokim napięciu (~ 10 3 V). Porażenia prądem elektrycznym Skutki porażenia prądem zależą od kilku czynników: drogi przepływu prądu czasu działania prądu oporności tkanek rodzaju prądu (stały / zmienny) częstotliwości prądu natężenia i napięcia prądu Porażenia prądem elektrycznym Prąd przemienny 50 Hz Prąd stały 1 1.5 ma Odczuwanie przepływu prądu 5 8 ma Odczuwanie przepływu prądu. Uczucie ciepła 3 6 ma Skurcze mięśni, odczucie bólu 10 15 ma Silne skurcze mięśni, trudności w opanowaniu pracy mięśni. Silny ból. 15 25 ma Bardzo silny skurcz, któremu 20-25 ma Skurcze mięśni. Bardzo silne nie można przeciwdziałać. odczucie ciepła. Bardzo silny ból. > 25 ma Utrata przytomności, zaburzenia rytmu serca. Czynność bioelektryczna serca By Kalumet (selbst erstellt = Own work) [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) or CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)], via Wikimedia Commons Elektrokardiografia Potencjały generowane przez układ BP serca można rejestrować na powierzchni skóry. Stosuje się w tym celu aparat EKG, który wyposażony jest w szereg elektrod, w tym elektrody kończynowe (4) i elektrody przedsercowe (6). Aparat mierzy i rejestruje sygnały odbierane przy pomocy elektrod. W zależności od tego jak skonfigurowane są połączenia pomiędzy elektrodami można mierzyć i analizować sygnały EKG na różne sposoby. Najstarszy i najbardziej typowy sposób pomiaru EKG, to połączenie dwubiegunowe wg schematu Einthovena. 8
Elektrokardiografia Elektrokardiogram W zapisie EKG definiuje się: linię izoelektryczną linia rejestrowana w czasie spoczynku. Stanowi punkt odniesienia do oceny pozostałych cech elektrokardiogramu. załamki wychylenia od linii izoelektrycznej odcinki czas trwania linii izoelektrycznej pomiędzy załamkami odstępy czas trwania odcinków i sąsiadującego załamka Elektrokardiogram Załamki P depolaryzacja przedsionków QRS depolaryzacja komór repolaryzacja przedsionków T repolaryzacja komór Poszczególne odcinki i odstępy odpowiadają kolejnym fazom cyklu pracy serca. Czas trwania pełnego cyklu (np. odległość R-R): ~ 0.8 s Tętno prawidłowe: 60-80 uderzeń na minutę. Następny wykład Oddziaływanie pola elektromagnetycznego (PEM) i cząsteczkowego jonizującego na organizm 9