University of Cyprus Biomedical Imaging and Applied Optics ΗΜΥ 370 Εισαγωγή στη Βιοϊατρική Μηχανική Βιοηλεκτρισμός
Βιοηλεκτρισμός Από Ένα Νευρώνα Απόκριση σε έγχυση ρεύματος 2
Hodgin & Huxley Οι Sir Alan Lloyd Hodgkin και Sir Andrew Huxley Περιέγραψαν το μοντέλο το 1952 για να εξηγήσουν τους ιοντικούς μηχανισμούς που καθορίζουν την αρχικοποίηση και τη διάδοση των δυναμικών ενεργείας στο γιγαντιαίο άξονα του καλαμαριού. Το μοντέλο προτάθηκε πολύ πριν γίνουν καλά γνωστοί οι μηχανισμοί των διαύλων Απίστευτο! Hodgkin Huxley Για τη δουλειά αυτή βραβεύτηκαν με Νόμπελ 3
Μέθοδος Καθήλωσης Τάσης (Voltage- Clamp) Ηλεκτρονικό κύκλωμα ανάδρασης που επιτρέπει καθήλωση της τάσης και μέτρηση του αναγκαίου ρεύματος (ή το αντίθετο για καθήλωση ρεύματος (current clamp)) 4
Παθητικά Χαρακτηριστικά Μεμβράνης Με καθήλωση τάσης, η παθητική απόκριση περιλαμβάνει: Ρεύμα χωρητικότητας (capacitive current) στην αρχή και στο τέλος του βήματος τάσης Ρεύμα αντίστασης (resistive current) από τους δίαυλους διαρροής (leak channels) Νόμος του Ohm (I = V/R) Με καθήλωση ρεύματος, η παθητική απόκριση: Είναι συνάρτηση των χαρακτηριστικών RC της μεμβράνης V = IR δίνει τη τάση στη σταθερή κατάσταση t = RC δίνει τη δυναμική 5
Μοντέλο Ισοδύναμου Ηλεκτρικού Κυκλώματος Δυναμικό Μεμβράνης Διαφορετικές συγκεντρώσεις ιόντων Αγωγιμότητες ηρεμίας Εξίσωση Nerst Νόμος του Ohm Δυναμικό μεμβράνης -75 mv (όπως στα περισσότερα κύτταρα) Σταθερή κατάσταση και όχι κατάσταση ισορροπίας K+ και Na+ δεν βρίσκονται στα δυναμικά ισορροπίας τους. Υπάρχει συνεχής ροή ιόντων στο δυναμικό ηρεμίας E m Resting Membrane Potential g E g E g E k k g K Na g Na Na g Cl Cl Cl 6
Μοντέλο Ισοδύναμου Ηλεκτρικού Κυκλώματος Πιο ολοκληρωμένο μοντέλο Ενεργητική αντλία (energy-dependent pump) που αντισταθμίζει τη συνεχή ροή ιόντων Τασεοελεγχόμενοι δίαυλοι K+ και Νa+ για μεταφορά ηλεκτρικών σημάτων Δίαυλοι ελεγχόμενοι από πρόσδεμα (ligand-gated) (π.χ. συναπτική αγωγιμότητα) Και η πολυπλοκότητα αυξάνεται 7
Ηλεκτροκαρδιογράφημα (ECG) Ηλεκτροκαρδιογράφημα Ψηφιακή καταγραφή (ή σε χαρτί) του ηλεκτρικού ρεύματος που παράγεται από την καρδιά και φτάνει το δέρμα Απλή και ακίνδυνη εξέταση Καθορίζει περαιτέρω διερεύνηση με πιο εξειδικευμένες και δαπανηρές εξετάσεις (π.χ. test κόπωσης, υπερηχογράφημα καρδιάς κλπ.) 8
Ηλεκτροκαρδιογράφημα (ECG) History of the ECG ΗΚΓ από το νοσοκομείο στο εργαστήριο του Άιντχοβεν, 1.5 km μακριά, μέσω τηλεφωνικού καλωδίου 22 Μαρτίου 1905 καταγράφηκε το πρώτο τηλεκαρδιογράφημα ένας υγιής νεαρός παρουσίασε μεγάλα R κύματα τα οποία μάλλον οφείλονταν στο γεγονός ότι ο νεαρός έπρεπε να ποδηλατήσει από το εργαστήριο στο νοσοκομείο Βραβείο Νόμπελ (1924) Η αρχική έρευνά του παραμένει η βάση της ηλεκτροκαρδιογραφίας. Ορολογία του Άιντχοβεν χρησιμοποιείται ακόμα και σήμερα "ηλεκτροκαρδιογράφημα" τα κύματα P, Q, R, S, T 9
Ηλεκτροκαρδιογράφημα (ECG) Γίνεται για διάφορους λόγους για καλό και για κακό όσοι είναι πάνω από 40 ετών πόνο στο στήθος ταχυπαλμία φάρμακα που επηρεάζουν την καρδιά όσοι έχουν βηματοδότη (για να ελέγξουν κατά πόσον αυτός δίνει το σωστό τέμπο ) Τυχόν ανώμαλες ενδείξεις μπορεί να παραπέμψουν σε τουλάχιστον 12 διαφορετικές παθήσεις που πρέπει να διερευνηθούν Εφαρμογές ΗΚΓ Διαγνωστική Λειτουργική ανάλυση Εμφυτεύματα (βηματοδότες) Βιοανάδραση (μεταβλητότητα καρδιακού σφυγμού, HRV) Εξάσκηση μέγιστης απόδοσης, Παρακολούθηση 10
Ηλεκτροκαρδιογράφημα (ECG) Ηλεκτροκαρδιογράφος Ένα ευαίσθητο βολτόμετρο καταγράφει μέσω ηλεκτροδίων τις διαφορές δυναμικού στην επιφάνεια του σώματος που προκύπτουν κατά την λειτουργία της καρδιάς Αποτελείται από μια κεντρική μονάδα 10 ηλεκτρόδια τα οποία συνδέονται στο σώμα του άρρωστου 4 συνδέονται από ένα στα χέρια και στα ποδιά 6 μπροστά στο θώρακα. Το ΗΚΓ καταγράφεται ψηφιακά και πολλές φορές εκτυπώνεται Οριζόντια το ΗΚΓ χαρτί αντιστοιχεί σε χρόνο, ενώ κάθετα σε δυναμικό. 11
Ηλεκτροκαρδιογράφημα (ECG) Απαγωγές 12 απαγωγές 12 απαγωγές από 10 ηλεκτρόδια προσθαφαιρέσεις των σημάτων συγκεκριμένων ηλεκτροδίων 6 απαγωγές των ακρών (ή κλασσικές) ηλεκτρικά δυναμικά που φθάνουν στα άκρα I, II, III, avr, avl, avf 6 προκάρδιες απαγωγές ηλεκτρικά δυναμικά από την πρόσθια επιφάνεια του σώματος V1, V2, V3, V4, V5, V6 Οι 12 απαγωγές θεωρούνται σήμερα μηαπαραίτητες 3 απαγωγές είναι αρκετές Κύμα εκπόλωσης από το αρνητικό προς το θετικό ηλεκτρόδιο καταγράφει θετική απόκλιση από το θετικό προς το αρνητικό ηλεκτρόδιο αρνητική απόκλιση κάθετα προς μια απαγωγή διφασική απόκλιση Right Arm Right Leg avr II V 1 I avf - + V6 avl III Left Leg Left Arm or 12
Ηλεκτροκαρδιογράφημα (ECG) Μέρη του ΗΚΓ διέγερση του φλεβόκομβου και των κόλπων κύμα Ρ δεμάτιο His και διέγερσης στις κοιλίες σύμπλεγμα QRS αναπόλωση στις κοιλίες κύμα Τ μεταξύ διέγερσης και αναπόλωσης των κοιλίων ισοηλεκτρική γραμμή, το τμήμα ST ST Segment P Wave (Atrial Systole) QRS Complex (Ventricular Systole) Τ Wave (Ventricular Diastole) 13
Ηλεκτροκαρδιογράφημα (ECG) Ανώμαλοι Ρυθμοί Έκτοποι παλμοί Το κοιλιακό μυοκάρδιο γίνεται υπερ-ευερέθιστο και συσπάται από μόνο του Ταχυκαρδία Η καρδιά χτυπά πολύ γρήγορα Κολπικός πτερυγισμός Η αγωγή στους κόλπους γίνεται πολύ γρήγορα (γρηγορότερα από ότι οι κοιλίες μπορούν να ακολουθήσουν) Κοιλιακή μαρμαρυγή Η σύσπαση στις κοιλίες είναι πάρα πολύ γρήγορη και ακανόνιστη (συγκοπή - απινίδωση) 14
Ηλεκτροκαρδιογράφημα (ECG) Έμφραγμα του Μυοκαρδίου (καρδιακή προσβολή) Διάγνωση ΗΚΓ Ένζυμα στο αίμα ΗΚΓ ανάσπαση του ST διαστήματος τις πρώτες ώρες η οποία με την πάροδο του χρόνου υποχωρεί και εμφανίζονται κύματα Q Προσδιορισμός περιοχής Έμφραγμα του κατώτερου τοιχώματος απαγωγές ΙΙ, ΙΙΙ και AVF πρόσθιο έμφραγμα απαγωγές V1-V6 πλάγιο έμφραγμα απαγωγές I, AVL,V5,V6 οπίσθιο έμφραγμα απαγωγές V1-V3 Hyperacute Phase Recovery Phase Acute Phase Chronic Phase 15
Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (EEG) Βιοηλεκτρισμός του εγκεφάλου Μέτρα ηλεκτρική δραστηριότητα του εγκεφάλου από το τριχωτό της κεφαλής Αποτελέσματα της μέτρησης του σήματος από τη δραστηριότητα εκατομμυρίων νευρώνων Σύστημα Μέτρησης Σύστημα με 10-20 ηλεκτρόδια είναι το πιο ευρέως κλινικά αποδεκτό Επιτρέπει τον εντοπισμό διαγνωστικών χαρακτηριστικών στην περιοχή του ηλεκτροδίου Συχνά χρησιμοποιούνται ηλεκτρόδια ή ελαστικό σκουφάκι Στην έρευνα χρησιμοποιούνται ακόμα και EEG με 256 ή 512 κανάλια 16
Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (EEG) Κυματομορφές Πολλά χαρακτηριστικά μοτίβα Πλάτος: 0,001-0,01 mv Εύρος Συχνότητας: 0,5-30 Hz; Τυπικές εφαρμογές: Διαγνωστικά (Επιληψία, Ογκολογία,..) Γνωσιακές Επιστήμες Ανάλυση του ύπνου Διεπαφές ανθρώπουυπολογιστή (BCIS) Φαρμακολογία Εντατική Θεραπεία, Παρακολούθηση 17
Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (EEG) Προέλευση του σήματος Το EEG μετρά Όχι δυναμικά ενεργείας Όχι άθροισμα δυναμικών ενεργείας Αλλά άθροισμα των βαθμιδωτών μετασυναπτικών δυναμικών Δημιουργούν ανιχνεύσιμα δίπολα EEG αντιπροσωπεύει κυρίως το μετασυναπτικό δυναμικό των πυραμιδικών νευρώνων κοντά στο ηλεκτρόδιο καταγραφής Χωρικά ευθυγραμμισμένα και κάθετα προς την επιφάνεια του φλοιού Η ηλεκτρική δραστηριότητα από βαθύτερες πηγές διασκορπίζεται και εξασθενίζει από επιδράσεις αγωγιμότητας στον όγκο Δεν μπορεί να λυθεί το αντίστροφο πρόβλημα 18
Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (EEG) Θόρυβος και Τεχνικά Σφάλματα (artifacts): Θερμικός θόρυβος RF Σφάλματα από βλεφαρισμό, μυϊκή σύσπαση και παρόμοια Γραμμές ηλεκτρικής παροχής (50/60 Hz) Κίνηση του ηλεκτροδίου και μετατόπιση πόλωσης (drift) 60 Hz Interference Eye Blinks Forehead Muscle Tension Movement, electrode drifting 19
Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (EEG) Το EEG είναι μια διαφορά δυναμικού μεταξύ δύο ηλεκτροδίων Unipolar measurement (indifferential right ear electrode ) Bipolar measurement Εάν ένα ηλεκτρόδιο είναι σιωπηλό, λέγεται μονοπολική εγγραφή Ηλεκτρόδια αναφοράς: λοβός του αυτιού, μαστοειδές, μύτη Χρησιμοποιείται στην έρευνα αφού επιτρέπουν στον ερευνητή να εντοπίσει τα σήματα που τον ενδιαφέρουν Αν και τα δύο ηλεκτρόδια είναι "ενεργά", αυτό ονομάζεται διπολική καταγραφή Μειώνει κοινά τεχνικά σφάλματα 20
Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (EEG) Μετρήσεις βιοδυναμικού ψηλής ποιότητας απαιτούν Καλό σχεδιασμό ενισχυτή Χρήση καλών ηλεκτροδίων και σωστή τοποθέτηση τους επί του ασθενούς Καλή εργαστηριακή και κλινική πρακτική Τα ηλεκτρόδια θα πρέπει να επιλέγονται ανάλογα με την εφαρμογή Η βασική δομή του ηλεκτροδίου περιλαμβάνει: Το σώμα και το περίβλημα Ηλεκτρόδιο κατασκευασμένο από υλικό υψηλής αγωγιμότητας Καλώδιο σύνδεσης Κοιλότητα ή παρόμοιο για την ηλεκτρολυτική γέλη (gel) Κολλητικό χείλος Η πολυπλοκότητα του σχεδιασμού ηλεκτροδίου συχνά υποτιμάται 21
Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (EEG) Προκλητικά Δυναμικά (Event-related potentials) EEG τεχνική μέσου όρου που χρησιμοποιείται για τη μελέτη της ηλεκτρικής δραστηριότητας συγχρονισμένα με ένα συγκεκριμένο συμβάν Μέσος όρος πολλαπλών δοκιμασιών μετά από ένα ερέθισμα Ερεθίσματα Οπτικά, ακουστικά, κλπ. Πλεονεκτήματα Μείωση του θορύβου Ο θόρυβος μειώνεται κατά την τετραγωνική ρίζα του αριθμού των δοκιμών Μειονεκτήματα Χρειάζεται ένα σημαντικό αριθμό των δοκιμών Δυναμικά πεδία απαιτούν έως και 1000 μετρήσεις Περιλαμβάνει ένα μίγμα από διαφορετικούς ρυθμούς του εγκεφάλου, ανάλογα με τα φίλτρα που εφαρμόζονται. Μόνο περίπου 20% της δραστηριότητα που προκαλείται εμφανίζεται τελικά Προϋπόθεση: δεν παρουσιάζεται εξοικείωση (οι συμμετέχοντες δεν συνηθίζουν τη διέγερση) Example of Auditory Evoked Potentials: Correct (Baseline): The cats won't eat the food Mary gives them. Semantic mismatch: The cats won't bake the food Mary gives them. Syntactic mismatch: The cats won't eating the food Mary gives them. Semantic and syntactic mismatch: The cats won't baking the food Mary gives them. 22
Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (EEG) Το ΗΕΓ μπορεί να διαγνώσει διαταραχές και ανωμαλίες του ύπνου Ύπνος Μια ενεργητική διαδικασία Στέρηση ύπνου = καταστροφικές παρενέργειες Το σώμα απαιτεί ύπνο REM (Rapid Eye Movement) Το ένα τρίτο της ζωής μας σε κατάσταση ύπνου (αναστολή λειτουργίας) 5 στάδια (90-110 λεπτά) Στάδιο 1: Ελαφρύς ύπνος Μείωση της μυϊκής δραστηριότητας Μυοκλώνος θ κύματα Στάδιο 2: Σταματά η κίνηση των ματιών θ, κ, ατράκτους Στάδιο 3 & 4: Βαθύς Ύπνος, μη-rem Καθόλου μυϊκή δραστηριότητα Δύσκολο να ξυπνήσει αποπροσανατολισμός Εφιάλτες, υπνοβασία, ενούρηση Στάδιο 5: REM Παράλυση 23
Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (EEG) Επιληψία Επαναλαμβανόμενες κρίσεις Αιτίες: Όγκος, τραύμα, μόλυνση, αγγειακή νόσος, αλλά σε πολλές περιπτώσεις άγνωστη αιτία Τύποι: Γενικευμένη: Ολόκληρος ο εγκεφαλικός φλοιός, πλήρη αποδιοργάνωση της συμπεριφοράς, απώλεια συνείδησης Μερική: Συγκεκριμένη περιοχή του φλοιού, μη φυσιολογική αίσθηση ή η αύρα Αφαίρεσης (absence): Λιγότερο από 30 δευτερόλεπτα από την γενικευμένη, 3 Hz EEG κύματα EEG της επιληψίας Μεταξύ των κρίσεων Σπάνια αιχμές Κατά τη διάρκεια μιας επιληπτικής κρίσης Χαρακτηριστικά, μεγάλα, ρυθμικά, κύματα Διαγνωστικό της επιληψίας, όταν παρατηρηθεί μια κρίση 24-ώρη ή ολονύκτια παρακολούθηση 24
Διαφλοιικό (Intracortical) ΗΕΓ Άμεση μέτρηση της δραστηριότητα της φαιάς ουσίας Ηλεκτρόδια πλατίνας εισάγονται εντός του εγκεφάλου κάτω από το κρανίο Μειονεκτήματα Επεμβατικό! Πλεονεκτήματα Πολύ πιο ευαίσθητο Λιγότερα τεχνικά σφάλματα Μπορεί να ανιχνεύσει σήματα τα οποία δεν περιλαμβάνονται στο συνηθισμένο ΗΕΓ Χρήσεις Παρακολούθηση ασθενών σε κρίσιμη κατάσταση Διεπαφές Εγκεφάλου Υπολογιστή (BCI) Scalp EEG 25
Ηλεκτροαμφιβληστροειδογράφημα (ERG) Μια καταγραφή της χρονικής ακολουθίας των μεταβολών στο δυναμικό του αμφιβληστροειδούς όταν διεγείρεται με μια σύντομη λάμψη του φωτός Ηλεκτρόδια Ένας διαφανής φακός επαφής περιέχει ένα ηλεκτρόδιο Το ηλεκτρόδιο αναφοράς μπορεί να τοποθετηθεί στο δεξί κρόταφο 26
Ηλεκτροαμφιβληστροειδογράφημα (ERG) Κύμα a ( αργό δυναμικό υποδοχέων (late receptor potential)) Αντανακλά τη γενική φυσιολογική υγεία των φωτοϋποδοχέων στον εξωτερικό αμφιβληστροειδή Κύμα b Αντανακλά την υγεία των εσωτερικών στρωμάτων του αμφιβληστροειδούς Δύο άλλες κυματομορφές Καταγράφονται μερικές φορές κλινικά Κύμα c Προέρχεται από το μελάγχρουν επιθήλιο (pigment epithelium) Κύμα d Καταδεικνύει τη δραστηριότητα των δίπολων κυττάρων 27
Μελέτες Νευρικής Αγωγιμότητας (Nerve Conduction) Απόκριση εξωκυτταρικών πεδίων από τους αισθητήριους νευρώνες των περιφερικών νεύρων Διέγερση σε ένα ή περισσότερα σημεία και μέτρηση των δυναμικών σε συγκεκριμένη απόσταση Για κάθε διέγερση, μέτρηση της καθυστέρησης, εύρους, διάρκειας, και εμβαδού της κορυφής Μπορεί να υπολογιστεί η ταχύτητα αγωγιμότητας του νευρώνα Ανίχνευση απώλειας νευραξόνων (όπως σε μια τυπική αξονική νευροπάθεια), διακοπή της αγωγής από απομυελίνωση, κλπ. 28
Ηλεκτρομυογράφημα (EMG) Οι μύες είναι διεγέρσιμος ιστός Περισσότερα θα μάθετε αργότερα Το Ηλεκτρομυογράφημα (EMG) είναι μια τεχνική για την αξιολόγηση και την καταγραφή του σήματος ενεργοποίησης των μυών. Ανιχνεύει το ηλεκτρικό δυναμικό που παράγεται από τα κύτταρα των μυών, όταν αυτά συσπώνται και χαλαρώνουν Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά Τα δυναμικά EMG κυμαίνονται μεταξύ <50 μv έως 20-30 mv, ανάλογα με τη μυ υπό παρατήρηση. Τυπική ταχύτητα επανάληψης μιας μυϊκής μονάδας είναι περίπου 7-20 Hz. 29
Ηλεκτρομυογράφημα (EMG) Ηλεκτρική διαφορά δυναμικού που μετράται μεταξύ δύο σημείων χρησιμοποιείται διπολικό ηλεκτρόδιο Τύποι Διπολικών Ηλεκτροδίων Ενδομυϊκά Λεπτό σύρμα (fine wire) Βελόνα Εξωμυϊκά (Επιφανειακά) Τα πιο κοινά, λιγότερο επεμβατικά Τοποθέτηση των ηλεκτροδίων Πάνω από τον μυ που εξετάζεται στην κύρια κατεύθυνση των μυϊκών ινών Ο ασθενής γειώνεται με την τοποθέτηση ενός ηλεκτροδίου σε μία ανενεργή περιοχή του σώματος 30
Ηλεκτρομυογράφημα (EMG) Τι μπορεί να μάθεις από το EMG; Χρονική εξέλιξη της σύσπαση των μυών Δύναμη της συστολής Συντονισμό διαφόρων μυών σε μια ακολουθία κίνησης Αυτές οι παράμετροι ΥΠΟΛΟΓΙΖΟΝΤΑΙ από το πλάτος, τη συχνότητα, και τις αλλαγές τους κατά την πάροδο του χρόνου στο σήμα του EMG Εφαρμογές Αποκατάσταση (Rehabilitation) Λειτουργική ανάλυση Ενεργά προσθετικά Εμβιομηχανική, Αθλητιατρική 31
Ηλεκτρο-οφθαλμογράφημα (EOG) Καταγραφή της κίνησης των ματιών Δύο ηλεκτρόδια στα αριστερά και δεξιά ή πάνω και κάτω από το μάτι Μέτρηση του δυναμικού μεταξύ δύο ηλεκτροδίων Καθορισμός της οριζόντιας ή κάθετης κίνησης του ματιού Το δυναμικό είναι μηδέν όταν το βλέμμα είναι ευθεία Εφαρμογές Διαγνωστικά Λειτουργική ανάλυση Έρευνα του ύπνου και των ονείρων Αξιολόγηση της ικανότητας ανάγνωσης και οπτικής κόπωσης 32
Περίληψη Βιοϊατρικών Σημάτων Frequency Amplitude (mv) ECG 0,2 300 0,1-3 EEG DC 100 0,005-0,2 EEG (φλοιακό) 10 100 0,015-0,3 EMG 10 1000 0,1-5 EMG (με βελόνα) 10 10000 0,05-5 EOG 0 30 0,1-2 Ενδοκυτταρικό 0 10000 50-130 33