2014-03-10 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 Effekter på cellnivå • Excitation av nervceller • Förändringar i cellmembranpermeabilitet • Proteinsyntes • Stimulering av fibroblaster och osteoblaster • Modifiering av mikrocirkulationen • Systematisk 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 Linköpings universitet 1 2014-03-10 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 Muskel- och nerv-svar på elektrisk ström • Retbarhet beroende av cellmembranets spänningskänsliga permeabilitet • Producerar ojämna fördelningen av laddade joner på varje sida av membranet • Direkta effekter uppstår utmed strömflödeslinjer och under elektroder 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 Linköpings universitet 2 2014-03-10 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 • Formen på kurvan • Avser intensiteten av elektriska impulser (styrka) och tid (duration) krävs för att orsaka depolarisation av muskelvävnad 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 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 Linköpings universitet 3 2014-03-10 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 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 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 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 • Strömtäthet är större • Dispersiv elektrod är den större elektroden • Strömtäthet är mindre Linköpings universitet 4 2014-03-10 Frekvens Frekvens • Frekvensen hos den elektriska ström effekter ... • Frivillig muskelkontraktion framkallar asynkron bränning av motorenheterna • 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 • 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! Cellmembranet Intensitet • En ökning av intensiteten hos den elektriska stimuleringen gör att strömmen når djupare in i vävnaden • Heterogen struktur • Tjocklek ca 75 Å • 70% är lipid • Polär del Membraner fungerar som kapacitanser Cellens inre och yttre miljö Conductor Insulator 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 C 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 Linköpings universitet 5 2014-03-10 Det totala strömmen Vilopotential Mätt spänning 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 V Na + N a+ K+ K+ ENa Spänning Jp Z = − (u p RT p ∇Cp + u p Zp C p F∇Φ) Zp 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- HCO 3 Proteiner 12 155 4 8 Extracellulärt Na + K+ Övriga katjoner Cl- HCO 3 145 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+ transporteras ut ur cellen och K+ in. Natrium fäster, konformations-förändring aktiveras med enzym, NaK-ATPase. Linköpings universitet • Katalyserad: glukos ej fettlösligt, samt en storlek överstigande porernas tvärssnittsdiameter 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. gK • Stänger vi av pumpen går vilopotentialen mot noll. EK • Membranpotentialen ligger mellan jämnviktspotentialen för Na+ och K+. Då någon konduktivitet går mot ∞ närmar sig potentialen dess jämnviktspotential External fluid Cm g Cl g Na E Cl E Na Vm Internal fluid 6 2014-03-10 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 10-19 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) Aktionspotential Linköpings universitet • Samma amplitud men frekvensmodulerade • Förlopp • Depolarisering • Repolarisering • Refraktär period Fortledning av impuls 7 2014-03-10 Fördelar med signalering genom aktionspotentialer “Steady State” passiv ström • Tillförlitlig ii = Passiv ström • Spänningströskel för triggning • Triggad, självskapande V rm • Kan färdas långa sträckor • Självpropagerande Lösning till ke € • Passiv spridning endast ~1mm V (x) = Ae−x / λ + Be x / λ En lång kabel innebär att B=0 • Snabb λ= € • Propagerar upp till 120 m/s • Specifik rm = längdkonstan t ri • Bär en signal fråm en punkt till en annan € Cellmembranets tidskonstant Aktionspotentialens utbredning Impulsfortledning I Voltage (mV) Inject current Record voltage 0 -40 -80 0 Linköpings universitet 1 2 Time (ms) 3 Hodgkin and Huxley, 1952 8 2014-03-10 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 Linköpings universitet 9 2014-03-10 Modell för elektrod - elektrolytövergången Modell för elektrod - elektrolytövergången • Dubbellager utan diffusion s • CH kapacitans Dubbellager med diffusion CH kapacitans Warburgs modell s Rs, Rp Cs, Cp s R, X ≈ SQRT(ω)-1 s • Rt resistans s C H a R s(ω) X s(ω) R t X p(ω) b 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 Linköpings universitet 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 10 2014-03-10 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 Totala ekvivalenta kretsen Cep Vh Rel Vep Rd Rep Vp förenklad Rde Rp Cd Vh* Vh* Rep||Rp ZE Rd Cp Hög impedans Kapacitansinducerat brus • gränssnitt mot distributionsnätet Unät= 220 V • spänningsdelare med Rinput • frekvensberoende. c C1 Anders Karlsson E1 = 1 ωC2 1 1 Unät + jωC1 jωC2 C2 Linköpings universitet 11 2014-03-10 Elektrodmodell Metallelektroder Flytande metallelektroder Elektroder för att sättas genom cutis Metal disk Insulating package (a) Isolerad nål Double-sided Adhesive-tape ring (b) Coaxial nål Electrolyte gel in recess (b) (a) External snap Snap coated with Ag-AgCl Gel-coated sponge Plastic disk Plastic cup (c) Bipolar coaxial nål (d) Tunn tråd (e) Tunn tråd, efter applicering (c) Foam pad Tack Capillary loops Dead cellular material Germinating layer Intrakutana elektroder (f) Tvinnad tunn tråd, efter applicering Implanterbara elektroder Wire-loop electrode Suction needle electrode Cortical surface potential electrode Suction electrode (in place) Multielement depth electrode array Linköpings universitet 12 2014-03-10 Microtillverkade elektrodarrayer Intracellulärt mätande elektrod Insulated leads Contacts Electrodes • Metallnål med en fin spets (< 1.0 µm) • Tillverkas genom elektrolytetching Contacts Electrodes • Metallnålen är anoden i en elektrolycell. Base (a) (b) Base Insulated leads • Metallen måste ha stor styrka: rostfritt stål, platina-iridium, wolfram, wolframkarbid. Exposed tip Tines Base (c) Metallelektroder (a) Metal-filled glass micropipet. (b) Glass micropipet or probe, coated with metal film. www.liu.se Linköpings universitet 13