Fysiologisk reaktion på elektrisk ström
Fysiologiska effekter av
elektrisk ström I
• Muskelsammandragning genom nerv- eller
muskelstimulering
• Stimulerar sensoriska nerver för att hjälpa till vid behandling
av smärta
• Skapar ett elektriskt fält i biologiska vävnader för att
stimulera eller ändra läkningsprocessen
E. Göran Salerud
Institutionen Medicinsk Teknik
• Skapar ett elektriskt fält på hudytan för att driva joner in i
eller genom huden
• Typ och omfattning av fysiologisk respons beroende av:
• Typ av vävnad som stimuleras
• Egenskaper hos den elektriska ström som används
Fysiologisk reaktion på elektrisk ström
• Eftersom elektricitet rör sig genom kroppens ledande
medium, kan förändringar i den fysiologiska
funktionen ske på flera nivåer
• Cellulär
• Vävnad
• Segment
• Systematisk
Effekter på cellnivå
• Excitation av nervceller
• Förändringar i cellmembranpermeabilitet
• Proteinsyntes
• Stimulering av fibroblaster och osteoblaster
• Modifiering av mikrocirkulationen
Effekter på vävnadsnivå
Effekter på segment nivå
• Kontraktion av skelettmuskulatur
• Ändring av rörlighet i kroppens leder
• Kontraktion av glattmuskulatur
• Muskler aktiveras för att ändra cirkulationen och
lymfatiska aktivitet
• Vävnadsregenerering
• Ändring av det mikrovaskulära systemet oberoende
av muskelaktiviteten
• Ökad rörlighet av laddade proteiner i lymfatiska
kanaler
• Transkutan elektrisk stimulering kan inte direkt
stimulera lymfatisk glatt muskulatur eller det
autonoma nervsystemet utan att också stimulera en
motorisk nerv
Systematiska effekter
Fysiologisk reaktion på elektrisk ström
• Smärtstillande effekter som endongena
smärtdämpare frisätts och agerar på olika nivåer för
att kontrollera smärta
Effekter kan vara direkta eller indirekta
• Smärtstillande effekter från stimulering av vissa
signalsubstanser som styr neural aktivitet i närvaro
av smärtstimuli
• Indirekta effekter uppstår i avlägsna områden till
strömflödeslinjer och är oftast resultatet av en
stimulering orsakad av en naturlig fysiologisk
händelse
• Direkta effekter uppstår utmed strömflödeslinjer och
under elektroder
Muskel- och nerv-svar på elektrisk ström
• Retbarhet beroende av cellmembranets
spänningskänsliga permeabilitet
• Producerar ojämna fördelningen av laddade joner på
varje sida av membranet
Muskel- och nerv-svar på elektrisk ström
• Aktiva transportpumpar: cell rör sig ständigt Na + inifrån cellen till utsidan
och balanserar denna positiva laddning rörelse genom att flytta K + på
insidan
• Producerar en elektrisk gradient med + laddningar utanför och – laddningar
inom
• Skapar en potentialskillnad mellan insidan och
utsidan av cellen
• Potentialskillnad är känd som vilopotential
• Cellen försöker upprätthålla en elektrokemisk gradient
som sin normala homeostatiska miljö
Nervdepolarisation
Nervdepolarisation
• För att skapa överföring av en impuls i en nerv,
måste den vilande membranpotentialen reduceras
under tröskelnivån
• Stimuleringen måste ha tillräcklig styrka och
varaktighet för att komma upp till en tröskelnivå, eller
överstiga denna så att excitation kan ske
• Förändringar i permeabilitet kan då förekomma att
skapa en aktionspotential, en impuls propagerar
längs nerven i båda riktningarna vilket orsakar
depolarisering
• Stimuleringen måste ändra membranet så att ett
antal joner transporteras över membranet och
förmågan hos de aktiv transport pumparna att
bibehålla vilopotential, vilket tvingar membranet att
depolarisera vilket resulterar i en aktionspotential
Depolarisationsutbredning
• Skillnaden i elektrisk potential mellan depolariserad region och
angränsande inaktiva regioner bringar elektrisk ström att flyta
från depolariserad området till det inaktiva området
Depolarisationseffekter
• Eftersom nervimpuls når effektor organ eller en annan nervcell, är impulsen
överförs mellan de två vid en motor ändplatta eller en synaps
• Bildar en komplett lokal krets och gör vågen av depolarisation
"själv sprida"
Depolarisationseffekter
• Vid motoränden plattan, är en signalsubstans frigörs från nerv
• Neurotransmitter orsakar depolarisering av muskelcellerna, vilket resulterar i
en ryckning muskelkontraktion
Styrka - Varaktighet
• Representerar den tröskel för depolarisation av en nervfiber
• Muskel och nerv reagera i en allt-eller-inget-mode och det
finns ingen gradering av respons
Styrka - Varaktighet
• Formen på kurvan
• Avser intensiteten av elektriska impulser (styrka) och tid
(duration) krävs för att orsaka depolarisation av
muskelvävnad
Effekter av ändringar i strömparametrar
• AC vs DC
• Tissue impedans
• Strömtäthet
• Frekvens av våg eller puls
• Intensitet av våg eller puls
• Varaktighet för våg eller puls
• Polariteten av elektroderna
• Elektrodplacering
AC vs DC
• Största skillnaden mellan effekterna av AC-och DC
är förmågan hos DC att förorsaka kemiska
förändringar
• Kemiska effekter uppträder vanligen först när
kontinuerlig likström appliceras över en tidsperiod
Vävnadsimpedans
• Impedans = resistansen hos vävnaden mot passage
av elektrisk ström.
• Ben och fett = hög impedans
• Nerv och muskel = låg impedans
• Om en låg impedans vävnad är belägen under en
stor mängd av hög impedans vävnad, kommer
intensiteten hos den elektriska strömmen inte att
vara tillräcklig för att förorsaka depolarisation
Strömtäthet
• Strömtäthet hänför sig till mängden av ström i
vävnaderna
• Strömtäthet är störst vid ytan och minskar i djupare
vävnad
AC ström
• Ändra storleken på elektroden
• Aktiv elektrod är den mindre elektroden
• Strömtäthet är större
• Dispersiv elektrod är den större elektroden
• Strömtäthet är mindre
AC ström
• Ändra avståndet mellan elektroderna
• Flytta elektroder längre ifrån varandra ökar
strömtätheten i djupare vävnader
Frekvens
• Effekter typ av muskelsammandragning
• Effekter mekanismen för smärtmodulering
Frekvens
• Frekvensen hos den elektriska ström effekter ...
• Mängd förkorta i muskelfiber
• Återhämtningstid tillät muskelfiber
• Summering: förkortning av myofilamenten orsakas
genom att öka frekvensen av
membrandepolarisering
• Tetanization: enskilda muskler rycka svar är inte
längre urskiljbar, resulterar i maximal förkortning av
muskelfibrer
Frekvens
• Frivillig muskelkontraktion framkallar asynkron
bränning av motorenheterna
• Förlänger uppkomsten av trötthet på grund av
rekryteringen av inaktiva motoriska enheter
• Elektriskt inducerad muskelsammandragning
framkallar synkron bränning av motorenheterna
• Samma motorenhet stimuleras, och därför är snabbt
insättande av trötthet
• Beroende på frekvensen av elektrisk ström och inte
intensiteten hos den elektriska strömmen!
Intensitet
• En ökning av intensiteten
hos den elektriska
stimuleringen gör att
strömmen når djupare in
i vävnaden
Cellmembranet
• Heterogen struktur
• Tjocklek ca 75 Å
• 70% är lipid
• Polär del
Membraner fungerar som kapacitanser
Cellens inre och yttre miljö
Conductor
Insulator
C
Conductor
• Definition av kapacitans
C = q/V = κεoA/d
A är arean hos plattorna
d avstånd mellan plattorna
εo permittivity in “free space (constant)”
κ dielektriska konstanten
C/A = 1 µF/cm2 for biologiska membran
Intracellulärt
+
Na
+
K
-
Cl
HCO 3
Proteiner
mM Extracellulärt mM
12 Na+
145
+
155 K
4
Övriga katjoner
4
4 Cl120
8 HCO-3
27
155
• Ström som flyter genom en kapacitans
q=CV
dq/dt = Icapacitor = C dV/dt
Det totala strömmen
Vilopotential
Mätt spänning
Zp
∇Cp + u p Zp C p F∇Φ)
Zp
där
Nernst-Planck ekv
C är koncentration
Φ är det elektriska fältet
T är absolut temperatur
F är Faradays konstant
R är allmänna gaskonstanten
Z är valenstalet
Na +
N a+
K+
K+
ENa
Spänning
J p = − (u p RT
V
Elektrod införes
0
EK
Tid
Vilopotentialer
Transport över cellmembranet
• ENa = 26.7 ln = 66.5 mV
• Storlek, fettlöslighet och laddning avgör
transportmekanismen över membranet
• EK = 26.7 ln = -97.6 mV
• Fri diffusion: diffusion längs med
koncentrationgradienten genom porer. Vatten, K+,
Cl- oh O2 flödar snabbt men Na+ långsamt eller
icke alls
• ECl = -26.7 ln = -90.8 mV
Intracellulärt
Na +
K+
Cl-
12
155
4
8
-
HCO 3
Proteiner
Extracellulärt
Na +
K+
Övriga
katjoner
Cl-
HCO 3
• Katalyserad: glukos ej fettlösligt, samt en storlek
överstigande porernas tvärssnittsdiameter
145
4
4
120
27
155
Transport över cellmembranet
• Elektriska och tryckgardienter är två andra sätt att
transportera ämnen över membranet.
• Aktiv transport: K+ och Cl- passerar normalt men Na+ är helt
utestängd. För att upprätthålla vilospänningen sker en
transport i riktning mot gradienten. Denna process kräver
energi som frigörs då ATP ➠ ADP + energi.
•
Na+-K+-pumpen:
Na+
K+
transporteras ut ur cellen och
in.
Natrium fäster, konformations-förändring aktiveras med
enzym, NaK-ATPase.
Elektrisk modell av cellmembranet
• Na-K-pumpen bygger m.h.a.
metabolisk energi upp
koncentrationsgradienter.
Inläckande Na+ pumpas ut, K+
plockas in. Cellens
vilopotential är en konsekvens
av detta.
• Stänger vi av pumpen går
vilopotentialen mot noll.
• Membranpotentialen ligger
mellan jämnviktspotentialen
för Na+ och K+. Då någon
konduktivitet går mot ∞
närmar sig potentialen dess
jämnviktspotential
External fluid
gK
Cm
EK
g
Cl
g Na
E Cl
E Na
Vm
Internal fluid
Vilopotential
Mätt spänning
Mätning av aktionspotential
I
V
R
Na+
Na+
K+
K+
Spänning
ENa
0
EK
Tid
Aktionspotentialen
Små flöden av K+ behövs för jämvikt
•
Fråga: Hur mycket flöde av K+ behövs för att nå
jämviktspotential?
•
Svar: q = CV = (C/A) x A x V
# K+ joner = q/qe = (1 µF/cm2) x 4π(10 µm)2 x 58 mV / 1.6
-19
10 C
= 4.6 x 106 joner
Tot. K+ joner
•
• Nervernas språk
x
= [K+] x N x 4/3π(10 µm)3
= 3 x 1011 joner
Slutsats:
1. Behöver endast en liten fraktion av joner för att ändra spänningen V
2. Stor mängd energi är lagrad i jongradienten (jmf batteri)
• Samma amplitud
men
frekvensmodulerade
• Förlopp
• Depolarisering
• Repolarisering
• Refraktär period
Aktionspotential
Fortledning
av impuls
Fördelar med signalering genom aktionspotentialer
“Steady State” passiv ström
• Tillförlitlig
• Spänningströskel för triggning
ii =
Passiv ström
• Triggad, självskapande
V
rm
• Kan färdas långa sträckor
• Självpropagerande
• Passiv spridning endast ~1mm
Lösning till ke
€
V (x) = Ae−x / λ + Be x / λ
En lång kabel innebär att B=0
• Snabb
• Propagerar upp till 120 m/s
λ=
€
• Specifik
• Bär en signal fråm en punkt till en annan
€
rm
= längdkonstan t
ri
Cellmembranets tidskonstant
Aktionspotentialens utbredning
I
Voltage (mV)
Inject current
Record voltage
0
-40
-80
0
1
2
Time (ms)
3
Hodgkin and Huxley, 1952
Impulsfortledning
Ranviers
noder
Saltatorisk impulsfortledning
Det första EKG:et
Wallers patient Jimmy
Strömtransport i elektrolyter
Elektriskt beteende
• En jon är oftast omgiven av andra joner av motsatt laddning/
polaritet
• Hydratisering motverkar mobiliteten
• Strömtransport sker med hjälp av joner och molekyler
• Densitet
• Laddning
• Mobilitet
ekvivalenta kretsar
Modell för elektrod - elektrolytövergången
• Dubbellager utan diffusion
• CH kapacitans
Modell för elektrod - elektrolytövergången
!
Dubbellager med diffusion
!
• Rt resistans
!
C H
CH kapacitans
Warburgs modell
! Rs, Rp Cs, Cp
! R, X ≈ SQRT(ω)-1
a
R s(ω)
X s(ω)
R t
b
X p(ω)
R p(ω)
Elektrokemisk Cell
Warburgs seriella model och eqvivalenta schema
-
+
E
1
Salt bridge
Saltbrygga
Metal A
Metal A
Metall B
Metall A
Electrolyte
Elektrolyter
B
+
Y
-
+
A
X
-
elektrod - elektrolyt
Halvcellspotentialer för vanliga metaller vid 25 ºC
Metal
- 1.706
Zn
- 0.763
Cr
- 0.744
Fe
- 0.409
Cd
- 0.401
Ni
- 0.230
Pb
- 0.126
H
• Modell av hud
Potential E0 (volts)
Al
0.000
AgCl
+ 0.223
Hg2Cl2
+ 0.268
Cu
+ 0.522
Ag
+ 0.799
Au
+ 1.680
Modell för hud och vävnad
• Modell av biologisk vävnad
R 0
R 0
SHE definition: Väte bubblas
över en platinumelektrod och
potentialen definieras som
noll.
C
R 1
C
C hudkapacitans
Ro hudspecifik resistans
R1 närliggande vävnadsresistans
R1
C cellmembranskapacitans
Ro intracellular flödesresistans
R1 extracellular flödesresistans
Elektrodens frekvenssvar
Ytelektroder för huden
huden: en extra gränsyta
100000
Modell
Rd
Rs
Cd
10000
1000
100
10
100
1000
10000
100000
1000000
Frekvens
Ekvivalent krets
Cd
Vh
Totala ekvivalenta kretsen
Cep
Rel
Vep
Rd
Rde
Rep
Vp
förenklad
Rp
Cp
Cd
Vh*
Rep||Rp
Rd
Vh*
ZE
Hög impedans
Kapacitansinducerat brus
• gränssnitt mot distributionsnätet
Unät= 220 V
• spänningsdelare med Rinput
• frekvensberoende. c
C1
Anders Karlsson
E1 =
1
1 Unät
+ jωC1 jωC2
C2
Elektrodmodell
1
ωC2
Metallelektroder
Elektroder för att sättas genom cutis
Microtillverkade elektrodarrayer
Insulated leads
Contacts
Electrodes
(a) Isolerad nål
(b) Coaxial nål
Contacts
Electrodes
(c) Bipolar coaxial nål
Base
Insulated leads
(d) Tunn tråd
(a)
(b)
Base
Exposed tip
Tines
(e) Tunn tråd, efter applicering
(f) Tvinnad tunn tråd, efter applicering
Base
(c)
Intracellulärt mätande elektrod
• Metallnål med en fin spets (< 1.0 µm)
• Tillverkas genom elektrolytetching
• Metallnålen är anoden i en elektrolycell.
• Metallen måste ha stor styrka: rostfritt stål, platina-iridium,
wolfram, wolframkarbid.
www.liu.se
