2017-07-15
E L E KT R O N IK OC H
M E D IC I N
VETENSKAPSMETODIK FÖ R TEKNIKOMRÅDET
CT 3620
HANDLEDARE: GORDANA DODIG CMKOVI C
UTFÖRT AV:
KURT HEDMAN [email protected]
ANDREAS ERIKSSON [email protected]
PROGRAM:
MEKATRONIK
E LEKTRONIK OCH MEDICIN
SAMMANFATTNING
Bioelektricitet skapas genom en kemisk förändring av celler i muskler, nerver och hud. Där
vandrar joner mellan in och utsidan av cellens membran. Denna förändring ger upphov till en
potentialskillnad som kallas aktionspotential och gör att en elektrisk ström flyter. Denna
aktionspotential sprids vidare till närliggande celler. På så sätt transporteras signaler genom
muskler, hud och nervsystem.
För att hjärtat skall kunna pumpa runt blodet i kroppen så måste det slå, vilket innebär att
hjärtats muskler måste arbeta. Detta sker genom att signaler skapade av bioelektricitet skickas
ut från en speciell punkt i hjärtat till muskulaturen i kamrarna. Den gör att dessa drar ihop sig
och blod pumpas då ut till kroppens olika delar för att syresätta dessa.
När hjärtat arbetar så skapas många bioelektriska aktionspotentialer i hjärtmuskulaturens
celler. Det ger upphov till en stor sammantagen signal som kan detekteras på kroppens utsida
med hjälp av elektronisk mätutrustning. Mätmetoden benämns EKG och används för att
upptäcka felaktigheter i hjärtat.
När hjärtats signaler inte påverkar hjärtmuskulaturen i den utsträckning som behövs för dess
funktion eller att signalerna uteblir helt, så används en pacemaker för att korrigera felet.
Pacemakern stimulerar hjärtats muskulatur och elsystem genom att skicka ut elektriska
impulser via en eller flera elektroder, som är placerade i hjärtats kamrar och är i förbindelse
med hjärtmuskulaturen. Beroende på vilket fel som hjärtat har finns det ett antal olika
pacemakers att välja bland.
II
E LEKTRONIK OCH MEDICIN
INNEHÅLL
SAMMANFATTNING ........................................................................................................................ II
INNEHÅLL.......................................................................................................................................... III
INLEDNING .......................................................................................................................................... 1
BIOELEKTRICITET ........................................................................................................................... 1
HJÄRTAT .............................................................................................................................................. 2
HJÄRTATS ”EL-SYSTEM”................................................................................................................ 3
EKG ........................................................................................................................................................ 4
PACEMAKER....................................................................................................................................... 5
SLUTSATSER ....................................................................................................................................... 6
REFERENSER ...................................................................................................................................... 6
III
E LEKTRONIK OCH MEDICIN
INLEDNING
I ämnet Elektronik och medicin så finns det många intressanta områden att behandla, så därför
begränsar sig denna rapport till att skumma lite på ytan om hjärtat, bioelektricitet och
pacemaker. År 1958 uppfann svensken Rune Elmqvist på företaget Elema Schönander
(nuvarande St. Jude Medical AB) den första pacemakern. Den var ungefär lika stor som en
hockeypuck och fick smeknamnet Pucken. Den bestod av ytterst enkla elektriska
komponenter och ett batteri som var ingjutet i ett plastmaterial. Samma år fick den då 43åroga Arne H W Larsson denna pacemaker inopererad. Den 28 december 2001 avled han vid
en ålder av 86 år och hade då haft totalt 26 olika pacemakers. Dessa byten berodde på att
pacemakern förbättrades hela tiden. Dagens moderna pacemakers är avsevärt mindre och är
inte större än en tändsticksask. Dessutom har livslängden på batteriet ökat och ligger nu kring
11 år mot ca 5 år tidigare.
För att förstå hur pacemakern fungerar behövs en inblick i hur hjärtat och dess el-system
fungerar. Som grund till detta behövs även kunskap i hur biologisk elektricitet uppkommer.
Alla dessa ämnen behandlas i denna rapport och avslutas med mer fakta om pacemakern.
BIOELEKTRICITET
Människokroppen är uppbyggd av celler och de finns i några olika utföranden, som till
exempel hud-, skelett-, nerv- och muskelceller. Funktionerna hos dessa celler har olika
funktioner men är uppbyggda på liknande sätt. Således kan storleken på en cell variera från
ungefär 200nm upp till ett par centimeter i längd. En cell består av ett cellmembran och är ett
skal runt en cellkärna. Membranet är semipermeabelt, vilket innebär att cellen kan selektivt
reglera passagen av material in och ut genom cellen. Detta material består av ämnen som gör
att kemiska reaktioner inträffar och gör att cellen håller sig levande. Några av dessa ämnen är
kalium(K+)-, kalcium(Ca2+)- och natrium(Na+)-joner.
Cellen
Semipermeabelt
cellmembran
Utsidan totalt
neuteral
Insidan totalt
neuteral
Bild 1: En cell och dess potentialer.
Ett cellmembran i vila är mer mottagligt (permeabelt) av vissa typer av joner än av andra. Det
resulterar i att det finns mer positiva natriumjoner utanför cellen än inne i den. Ett fenomen
som kallas för Natrium-kaliumpump gör att det finns en större mängd av natriumjoner på
utsidan av cellen än på insidan. På insidan finns mer kaliumjoner än på utsidan. Kalium
pumpas in och natrium ut, men där mängden natrium som förflyttas är 2 till 5 gånger större.
Detta ger en skillnad i jonkoncentration mellan insidan och utsidan av cellen och som ger ett
S IDAN
1
2017-07-15
E LEKTRONIK OCH MEDICIN
upphov till en elektrisk potential. Detta leder till att cellen blir polariserad. Eftersom cellen är
mer negativ på insidan i förhållande till utsidan ses cellen som negativt laddad och där det
nominella värdet för vilopotentialen ligger runt -70mV. Vilopotential inträffar när cellen inte
är fysiskt påverkad eller på något annat sätt stimulerad. När till exempel en hudcell blir
stimulerad av fysisk beröring reagerar cellmembranet direkt och ändrar sina egenskaper.
Natriumjoner strömmar in i cellen och kaliumjoner strömmar ut och det resulterar i en
aktionspotential. Cellens insida blir mer positiv och får en potentialökning. Hela cellens
potential ändras från -70mV upp till 20 – 40mV. Man säger att cellen har depolariserats.
Detta tillstånd varar endast några få millisekunder och därefter kommer en återhämtningsfas
där cellen inte kan depolariseras igen. Natriumjoner pumpas ut ur cellen och kaliumjoner dras
in.
När denna återhämtningsfas har passerats återgår cellen till sitt polariserade tillstånd. Detta
benämns som repolarisering. Depolariserade celler påverkar (triggar) närliggande celler att
depolariseras så att aktionspotential inträffar. På så sätt sprids den elektriska potentialen
vidare i nervceller upp till hjärnan och vi upplever då en beröring av huden. Hjärtats
pumpfunktion bygger på denna princip och det behandlas i kapitlet Hjärtats el-system.
HJÄRTAT
En människas hjärta är ungefär som en knytnäve i storlek och är placerat i den övre delen av
bröstkorgen, lite till vänster om mitten av kroppen. Hjärtat varierar i storlek och vikt mellan
personer och kön. En vuxen kvinnas hjärta väger ungefär 250g och mannens väger ungefär
300g. Hjärtat är en stor muskel som pumpar runt blodet i kroppen för att syresätta kroppens
alla delar och organ. Hjärtat pumpar runt blodet med ungefär 60 pumpslag i minuten vid vila.
Det maximala antalet hjärtslag per minut hos en frisk människa är 220 slag/min minus
människans ålder, vilket exempelvis ger 190 slag/min för en 30-åring.
Hjärtat består av fyra kamrar som formar två separata pumpar och fungerar på samma sätt
men fyller olika funktion (se bild 2). Enkelt beskrivet kan man säga att den vänstra halvan är
till för att pumpa blodet ut i kroppen och den högra för att pumpa icke syresatt blod ut till
lungorna. Den vänstra halvan av hjärtat har en större volym och en kraftigare muskulatur än
den högra halvan för att det krävs ett högre blodtryck för att cirkulera runt blodet i kroppen.
Båda sidorna består av två delar, där varje del består av en liten övre kammare som kallas
förmak (atrium) och en undre större kammare (ventrikel).
Aorta
Stora
kroppspulsådern
Lungartären
Vänster
förmak(Atrium)
Höger
förmak(Atrium)
Vänster
kammare(Ventrikel)
Höger
kammare(Ventrikel)
Bild 2: Hjärtat och dess beståndsdelar. [St.Jude Med 2006]
S IDAN
2
2017-07-15
E LEKTRONIK OCH MEDICIN
Syrefattigt blod strömmar in från kroppen in i hjärtat till höger förmak. Förmaket drar sedan
ihop sig och pumpar blodet ner genom en ventil ner till höger kammare. När kammaren är full
så stängs ventilen mellan förmaket och kammaren och kammaren drar ihop sig. Blodtrycket
ökar och blodet pumpas ut till lungorna. När blodet har blivit syresatt flödar det in i det
vänstra förmaket och pressas sedan därifrån ner till den vänstra kammaren. När kammaren är
full drar kammaren ihop sig och blodet pressas ut i kroppen. Hela processen sker egentligen
samtidigt mellan vänster och höger halva av hjärtat, vilket innebär att båda förmaken och båda
kamrarna drar ihop sig samtidigt. Kamrarna drar dock ihop sig först efter en liten fördröjning,
så att de hinner fyllas ordentligt med blod. Denna fördröjning kommer vi att återkomma till i
nästa avsnitt som beskriver hjärtats el-system.
HJÄRTATS ”EL-SYSTEM”
För att hjärtat ska kunna pumpa runt blodet i kroppen måste dess muskulatur dra ihop sig.
Detta sker i hjärtat genom elektrisk stimulering av muskelvävnaden via hjärtats el-system eller
signalbanor i förmak och kammare. Den elektriska signalen skapas vid en punkt i närheten av
hjärtats högra förmak, som kallas sinusnoden eller mer generellt benämns som SA-noden
(Sinoatrial node) (se bild 3). Denna punkt består av speciella celler som fungerar på det sätt
som beskrivs i avsnittet Bioelektricitet. Dessa celler ändrar spontant sin potential och ger då
upphov till elektriska impulser. Därför fungerar dessa celler som hjärtats pacemaker och gör
så att hjärtat slår. För att det skall slå med rätt frekvens styr centrala nervsystemet (CNS) i
vilken takt SA-noden skall skicka ut impulser.
När SA-noden skickar ut en impuls landar den i vänster och höger förmak. Det gör så att
dessa drar ihop sig. Blodet trycks då ner till båda kamrarna och samtidigt skickas impulsen
även till en punkt i hjärtats skiljevägg mellan kamrarna, som kallas för AV-noden
(Atrioventricular node). För att kamrarna ska hinna fyllas med blod innan de drar ihop sig
fördröjs impulsen i AV-noden, innan den skickas vidare i ledningsbanorna ner till kamrarna.
Impulsen skickas vidare ut till de så kallade Purkinje-fibrerna som står i kontakt med hjärtats
muskelvävnad. Dessa fibrer har en mycket snabb överföringsförmåga för att impulsen ska nå
ut till hela muskulaturen i kamrarna ”samtidigt”. När impulsen når fram drar kamrarna ihop
sig och blodet pumpas ut till kroppen och lungorna. Från det att SA-noden skickat en impuls
till förmaken och att det är kamrarnas tur att dra ihop sig har det förbrukats en tid på ca
140ms.
SA-noden
Purkinjefibrerna
AV-noden
Bild 3: Hjärtat och dess signalbanor. [St.Jude Med 2006]
S IDAN
3
2017-07-15
E LEKTRONIK OCH MEDICIN
Detta ovan nämnda systematiska förlopp ger upphov till olika bioelektriska potentialer i och
omkring hjärtat. Detta kan med elektrisk utrustning detekteras utanför kroppen. Denna
utrustning är mer känd som EKG (Elektrokardiogram) och det är vad nästa avsnitt skall
handla om.
EKG
När hjärtat pumpar blod så drar väldigt många muskelceller ihop sig och ger upphov till en
stor bioelektrisk signal (Se avsnitt Bioelektricitet). Signalens amplitud eller styrka beror på
vilken del av hjärtats muskulatur som arbetar. Kamrarnas muskulatur är större än förmakens
och därför blir signalen starkare när kamrarna drar ihop sig. Signalen kan detekteras som en
EKG-kurva (elektrokardiogramkurva) med hjälp av elektroder som placeras strategiskt på
valda punkter av kroppen. Några elektroder placeras direkt i hjärtats närhet och några placeras
på vänster och höger arm + ben. EKG-kurvan visar hjärtats sammantagna kondition av
muskulaturen.
Elektroderna är kopplade till en elektrisk maskin som har en bildskärm där EKG-kurvan
visas. Det finns även en skrivare som skriver ut kurvan på ett rullpapper. Ur EKG-kurvan kan
man utläsa hjärtats rörelsemönster och dess funktionalitet (se bild 4).
Bild 4: EKG-kurvan och QRS-komplexet för ett hjärtslag. [Wiki 2006]
De olika delarna av EKG-kurvan benämns med bokstavsbeteckningar från P till U.
P: Förmaken depolariseras och det ger ett utslag med en liten amplitud och skapar Pvågen.
P-Q: Förmaken drar ihop sig.
Q-R-S: Förmaken utvidgas (repolariseras) och kamrarna depolariseras.
S-T: Efter en liten fördröjning så drar kamrarna ihop sig. Repolariseringen av
kamrarna ger en amplitudökning och ger den så kallade T-vågen.
U: Denna våg syns inte alltid men den representerar repolariseringen av Purkinjefibrerna i hjärtmuskulaturen.
Förklaring av begreppen repolarisering och depolarisering finns på sidan 1 – 2. Om EKGsignalen inte ser ut som enligt ovan vid en undersökning hos en fysiolog, så är troligen någon
del av hjärtats el-ledningssystem defekt. För att korrigera denna typ av hjärtfel kan man
använda sig av en pacemaker och den behandlas i avsnittet Pacemaker som följer härnäst.
S IDAN
4
2017-07-15
E LEKTRONIK OCH MEDICIN
PACEMAKER
Ibland händer det att hjärtats signalsystem inte fungerar som det ska. Då kan man till exempel
uppleva symtom som yrsel, andfåddhet, hjärtklappning och/eller allmän trötthet. En
undersökning med EKG kan då visa vilken typ av fel hjärtat kan ha och dessa defekter går att
åtgärda med hjälp av en pacemaker. Den fungerar så att när hjärtat inte slår som det ska
skickas signalpulser till den del av hjärtat som inte fungerar.
En pacemaker opereras vanligtvis in under nyckelbenet på höger sida och elektroder förs ner i
hjärtat via stora kroppspulsådern. Pacemakern finns i ett antal olika utföranden, beroende på
vilket hjärtfel som behöver korrigeras. Det finns två grundmodeller, en som stimulerar i en
kammare (förmak eller kammare) och en för både förmak och kammare. Då finns det ett antal
olika varianter på dessa:
Asynkron pacemaker ger en konstant hjärtrytm där impulser skickas kontinuerligt med
en hastighet av ca 60 - 80 slag/minut.
Demand pacemaker känner av om hjärtats rytm ökar på grund av fysisk aktivitet och
ökar då takten på impulserna till hjärtat. Om tiden mellan två hjärtslag blir för lång i
förhållande till den rytm som pacemakern är inställd på, så skickar den ut en puls för
att korrigera hjärtats rytm.
R-wave inhibited pacemaker fungerar som Demand pacemaker. Skillnaden är att inga
impulser skickas till hjärtat när det slår med normal rytm.
AV-synkroniserad pacemaker känner av när förmaken drar ihop sig. Då väntar
pacemakern 120ms och som motsvarar fördröjningen mellan förmak och kammares
hopdragning i ett friskt hjärta. Detta för att simulera AV-nodes funktion. När
fördröjningen är över skickas en impuls som gör att kamrarna drar ihop sig. Fördelen
med denna typ av pacemaker är att den känner av kroppens behov av ökad hjärtrytm.
Några vanliga typer av fel på hjärtat som kan korrigeras med pacemaker kan vara:
Blockad av SA-noden (1:a gradens hjärtblockad) kan ge felaktiga impulser som
kommer med oregelbunden rytm eller att impulsen blir för svag eller uteblir helt.
Blockad av AV-noden (2:a gradens hjärtblockad) gör att impulserna inte når fram till
kamrarna eller fördröjs så länge att hjärtats rytm blir för långsam.
Total blockad inträffar när förmak och kammare slår oberoende av varandra.
Branch blockad innebär att höger eller vänster kammare inte slår på grund av att
ledningssystemet i någon av kamrarna inte fungerar.
En pacemaker har en svag punkt och det är att den drivs med hjälp av ett Litium-Jon batteri
där livslängden är ungefär 10 år. Livslängden kan variera beroende på människans livsstil och
typ av pacemaker. Det gör att batteriet måste bytas ut med vissa intervall, vilket innebär
ytterligare en operation för patienten.
S IDAN
5
2017-07-15
E LEKTRONIK OCH MEDICIN
SLUTSATSER
Att kunna mäta och övervaka människans och våra husdjurs kroppsfunktioner är livsviktigt.
Det är något som kan inses lätt efter denna genomgång av hjärtats och pacemakerns
funktioner.
Bioelektricitet liknar i många fall den elektricitet som man är van att studera i vanlig
konventionell elektronik. Den går att hantera på liknande sätt och det är ganska fantastiskt.
Alla typer av bioelektriska mätningar inom medicinområdet bygger på detta. Skillnaden är
dock att signalnivåerna och strömmarna är avsevärt mindre, i storleksordningen µV till mV
och µA. Detta kräver att man då måste förstärka signalerna mycket. Det medför att
mätsystemet blir känsligt för alla möjliga typer av störningar. Störningskällorna kan vara
belysning (lysrörsarmaturer mm), annan elektrisk utrustning och människan själv. Kraven på
säkerhet i elektriska system är större än i hemelektronik och klassas därefter. Forskning och
utveckling inom elektromedicin fortskrider hela tiden och nya framsteg görs dagligen.
REFERENSER
Hjärt-Lungfonden, “Sjukdomar”, “Hjärtinfarkt”
http://www.hjart-lungfonden.se/sjukdomar/sjukdomar.asp?infoid=110&id=1&sortering=relaterad
(5 oktober 2006)
Joseph J. Carr, John M. Brown “Introduction to Biomedical Equipment Technology, Fourth Edition”,
The Cell, sidorna 2-3, The Heart, sidorna 13-15, Bioelectricity, Sidorna 16-21. ISBN 0-13-010492-2
[St.Jude Med 2006] St. Jude Medical AB, ”St. Jude Medical”, “Hjälp till ditt hjärta”
http://www.sjm.se/Patienter/hjalp_till_ditt_hjarta.htm (26 september 2006)
[St.Jude Med AB 2006]St. Jude Medical AB,”St. Jude Medical”, “St. Jude Medical AB”
http://www.sjm.se/ (3 Oktober 2006)
[Wiki 2006] Wikipedia, “QRS-complex”
http://en.wikipedia.org/wiki/QRS_complex (29 september 2006)
http://en.wikipedia.org/wiki/Electrocardiography (28 september 2006)
S IDAN
6
2017-07-15
