ELECTRONICĂ MEDICALĂ

APARATE

ELECTRONICE

ORGANISME

VII

semnale pentru tratament

semnale pentru diagnostic

Conţinut:

manifestări electrice ale materiei vii

tehnici electrografice de achiziţie a semnalelor biologice (electrozi, traductori, amplificatoare, sisteme de redare)

sisteme fiziologice şi electrogramele caracteristice lor

tehnici de prelucrare a biosemnalelor

stimularea electrică a ţesuturilor

protezare

1

EM 1

Bibliografie selectivă

Borza P., Matlac I., Nicu M. D., Aparatură biomedicală, Editura Tehnică, Bucureşti, 1996

Georgescu G., Costin H., Zegan G., Medical Informatics. Theory and Applications, Editura CANTES, Iaşi, 1998

Gligor T., Policec A., Bartoş O., Goian V., Aparate electronice medicale, Editura Dacia, Cluj-Napoca, 1988

Negoescu R., Instrumentaţia electronică biomedicală. Iniţiere, Editura Tehnică, Bucureşti, 1985

Negoescu R., Iniţiere în electronica biomedicală. Bioelectricitate. Măsurări biofizice, Editura Tehnică, Bucureşti, 1985

Nicolau E., Strungaru R., Semnalul biologic, Editura Academiei Române, Bucureşti, 1992

Strungaru R., Electronică medicală, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1982

Articole ştiinţifice publicate în:

Bulletin de l'Association Suisse des Electriciens, nr. 3/1999 IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement, nr. 4-6/1998 Proceedings of the IEEE, vol. 76, nr. 9/1988 EUFIT '97 şi EUFIT '98 (Congresul european de la Aachen)

Capitolul 12

EM 1

Manifestări electrice ale celulei vii

1.1. Structura celulei

unitatea structurală, funcţională şi genetică fundamentală a materiei vii

diferenţierea celulară este dată de funcţiile realizate în organism (celule nervoase, musculare, osoase, conjunctive etc.)

nucleu membrană

- masă omogenă care conţinetoată informaţia genetică (ADN)

nucleolmitocondrie - reacţii chimice de sintezăribozomi

molecule mari de ARN (<300A)- sinteza proteinelor

lizozomi - vezicule ce conţin enzimevacuolemembranegranulaţiiaparatul lui Golgi- canalicule paralele

ce conţin enzime şi proteine Fig. 1.1 Structura celulei

manifestările electrice ale celulei au loc la nivelul membranei, deci ele nu pot avea loc decât dacă interiorul celulei este delimitat de mediul extracelular, adică celula este întreagă.

1.2. Potenţial de repaus celular

3

EM 1

membrana este formată dintr-un strat dublu de lipide ce poate fi întrerupt din loc în loc de proteine care permit formarea de pori (mozaic fluid)

datorită permeabilităţii selective la ioni ( Na , K etc.), ea separă medii cu compoziţii chimice diferite şi este polarizată.

Presupunem că membrana este permeabilă numai pentru ionii K . La echilibru, fluxul net al ionilor prin membrană este nul:

J JKD KE 0

Conform primei legi a lui Fick, densitatea de flux prin difuzie este:

J D

d K

dxKD K

, unde D - coeficient de difuzie

Densitatea de flux a ionilor transferaţi de câmpul electric E este proporţională cu mobilitatea K şi numărul ionilor de K :

J K E Kdu

dxKE K KMK

Rezultă prin substituţie:

Dd K

dxK

du

dxK KMK

Relaţia lui Einstein pentru coeficientul de difuzie al unei particule încărcate electric (în particular ionul de K ) este:

DK T

z qKK

K

, unde z K este valenţa ionului de K

Rezultă prin substituţie:

du

K T

q

d K

KMK

Integrăm expresia între două limite aflate în vecinătatea membranei, de o parte şi de alta a ei:

u V V

K T

q

K

KMK i e

i

e

ln

4

EM 1

Am obţinut relaţia lui Nernst.

S-a constatat că: K Ki e

30 şi Na Nae i

10 .

pompe ionice: mecanisme metabolice care prin consum de energie chimică menţin gradientul de concentraţie

V

J

KK

CmV mV

K

1 38054 10 310

1 602189 1030 26 711 30 91

23

19

,

,ln , ln

V mV mVNa 26 711

1

1062, ln

membranăexterior interiorRK+

R +Na

VK+

+

+ -

-

V +Na

C

U

RK+ = 1 K

R +Na

= 150 K

C = 1..10 uF/cm2

U = - 90 mV

Fig. 1.2 Circuitul electric echivalent

1.3. Potenţial de acţiune celular

prin stimulare (mecanică, electrică, chimică etc.) creşte mult permeabilitatea membranei pentru ionii de Na (la depăşirea pragului de stimulare se ajunge la R

Na 380 , care corespunde unui potenţial maxim de depolarizare U mVd 20 )

repolarizarea se face prin creşterea bruscă a permeabilităţii pentru ionii de K , iar echilibrul chimic se reface după refacerea echilibrului electric (circa 80..200 ms)

5

EM 1

stimul

excitator

inhibitor

+ 20

u M [mV]

0

- 60prag

- 90

t

Tmin

depolarizare repolarizare

t

Fig. 1.3 Răspunsul potenţialului de membrană la stimulare

potenţialul de acţiune este declanşat de stimulii care depăşesc durata Tmin, este rapid (1..3 ms), ireversibil, tranzitoriu, regenerativ şi se supune legii "tot sau nimic"

1.4. Propagarea potenţialului de acţiune

potenţialul de acţiune transmite informaţia pe fibra nervoasă, fiind propagabil pe distanţe mari, fără atenuare

depolarizarea locală a membranei generează curenţi ionici care depolarizează membrana în zonele vecine, acţionând ca stimul de declanşare a excitaţiei şi în aceste zone

6

EM 1

l

[mV]

0

Na+

Na+

+ + + + + + + +

+ + + + + + + + +

+

K+

K+

+ +++

+ +

- - -

- - -

- - - - - - - - -- - - - - - - - -

+ + + + + + + + +

+ + + + + + + + + + + + + + +

+ + + + + +

- - - - - - - - -- - - - - - - - -

- - - - - -- - - - - -

variaţia potenţialuluide membrană de-alungul fibrei

fluxurile de ioniprin membrană

liniile de curent învecinătatea frontuluide depolarizare

Fig. 1.4 Propagarea recurentă a depolarizării membranare

viteza de propagare este constantă, proporţională cu diametrul fibrei nervoase ( v = l/t )

curenţii locali sunt curenţii ionici Hermann (v<3m/s, <5m) pentru fibrele mielinizate, curenţii ionici se propagă în salturi, de

la o ştrangulaţie Ranvier la alta, sunt curenţii ionici Stämpfli (v<120m/s, <20m)

1.5. Parametrii sistemelor excitabile

caracteristicile stimulilor: natura, calitatea, intensitatea, durata, panta, extensitatea şi protensiunea

avantajele stimulilor electrici

excitabilitatea unui sistem depinde numai de intensitatea I şi durata t a stimulului electric dreptunghiular:

7

EM 1

Ia

tbl ( Legea Weiss - Lapicque ),

Il - intensitatea liminară sau de prag (valoarea intensităţii stimulului pentru care se obţine răspuns în 50% din încercările de stimulare)

Reobaza este intensitatea minimă a unui stimul cu durata infinită care provoacă un răspuns din partea sistemului ( IR ).Pentru t şi I Il R rezultă b IR

Legea Weiss - Lapicque devine:

I Ia

tl R

Cronaxia este durata unui stimul dreptunghiular liminar cu intensitatea egală cu dublul reobazei care induce răspuns minimal din partea sistemului excitabil ( tC ).Pentru I Il R 2 şi t tC rezultă :

a t IC R

Forma finală a legii Weiss - Lapicque este următoarea:

I It

tl RC

1

8

EM 1

0

1

2

3

4

t [ms]0,1 1 10tC

IR

I

Fig. 1.5 Caracteristica de excitabilitate a unui muşchi normal

Fig. 1.6 Adaptarea receptorilor1.6. Bioelectrogeneza ţesuturilor şi organelor

ţesuturile şi organele manifestă o activitate electrică, în general periodică, rezultanta globală a activităţii electrice a celulelor individuale componente

9

EM 1

activitatea electrică globală a unui organ se poate înregistra cu ajutorul unor aparate electronice care prelucrează semnalele culese cu ajutorul unor electrozi (electrograme)

electrograme înregistrate uzual:- electrocardiograma (ECG)- electroencefalograma (EEG)- electromiograma (EMG)- electroretinograma (ERG)

curentul i(t) din ţesut generează o componentă de câmp magnetic H(t), conform legii circuitului magnetic:

i t H t dr( )

Variaţia de flux magnetic este măsurată prin tensiunea u(t) care apare la bornele bobinei de măsurare L:

u t Ld

dt( )

unde S B S Hr 0 .

Semnalele astfel obţinute se numesc magnetograme.

10

EM 1