BIOELEKTRIČNI PROCESI U LJUDSKOM ORGANIZMU

• Bioelektrični procesi igraju važnu ulogu u medicini. Proučavanjebioelektričnih i biomagnetnih pojava u živoj materiji, posebno u ljudskomorganizmu, od izuzetne je važnosti za razumevanje funkcionisanja organizma.

• U osnovi, postoje dva aspekta izučavanja elektriciteta i magnetizma umedicini:

1. Električni i magnetni efekti generisani u ljudskom organizmu (biostruje, biopotencijali, biomagnetna polja):

• Električni signali u organizmu• Generisanje (i registrovanje) električnih signala• Funkcionalna dijagnostika• Biomagnetizam

2. Primena elektriciteta i magnetizma na ljudski organizam ucilju dijagnostikeili terapije.

ELEKTRIČNI SIGNALI UORGANIZMU

• Svaka funkcija ljudskog organizma ili njegovih delova praćena jeodgovarajućom promenom rasporeda naelektrisanja. Ta promenase može prostirati kroz nervni sistem u vidu električnog signala.

• U cilju obavljanja velikog broja funkcija organizma, mnogobrojnielektrični signali se neprekidno generišu i transportuju kroz nervnisistem.

• Selektivnim merenjem parametara specifičnog signala, bezunošenja bilo kakvog poremećaja u normalno funkcionisanjeorganizma, možemo dobiti korisne dijagnostičke informacije opojedinim funkcijama.

Struktura nervnog sistema• Nervni sistem igra fundamentalnu ulogu u skoro svim funkcijama

organizma. Mozak kao centralni kompjuter prima unutarnje ispoljne signale i šalje odgovore.

• Informacije se u oba smera prostiru u vidu električnih signala dužnerava.

• Ovaj efikasni komunikacioni sistem je u stanju da velikom brzinomupravlja sa više miliona informacija istovremeno.

U morfološkom smislu nervni sistem se deli na:• Centralni nervni sistem (CNS) - mozak (encephalon) i kičmena

moždina (medulla spinalis);• Periferni nervni sistem (PNS) - moždani nervi (nervi craniales) i

kičmeni nervi (nervi spinales).

U funkcionalnom smislu nervni sistem se deli na:• somatski (voljni) nervni sistem ‐ deluje pod uticajem volje i svesti

čoveka i uspostavlja vezu sa spoljnom sredinom;• autonomni ili vegetativni (nevoljni) nervni sistem ‐ deluje izvan

naše volje i upravlja svim vitalnim procesima ćelija, tkiva i organa;zajedno sa endokrinim žlezdama učestvuje u održavanjukonstantnih karakteristika unutarnje sredine (homeostaza).

• Osnovna strukturna jedinica nervnog sistema je neuron, nervna ćelijaspecijalizovana za prijem, interpretaciju i prenos električnih poruka

• Aferentni nervi prenose senzorsku informaciju mozgu i kičmenoj moždini

• Eferentni nervi prenose informaciju od mozga i kičmene moždine kaodređenim mišićima ili žlezdama.

• Membranski potencijal, koji se naziva još i potencijal mirovanja,javlja se na membranama skoro svih ćelija organizma. Nastaje kaoposledica dinamičke ravnoteže dva simultana transporta difuzibilnihjona kroz membranu: aktivnog i pasivnog transporta (difuzije).

• Merenje biopotencijala i jačina biostruja, kao i struja koje sepropuštaju kroz organizam u cilju dijagnostike ili terapije i odgovoraorganizma, vrši se pomoću električnih instrumenata koji su sabiološkim sistemom povezani preko elektroda.

• Na kontaktu između kože (provodnik I reda) i elektrode (provodnik II reda) javljaju se neželjeni efekti:

1. Elektrohemijski procesi2. Kontaktni potencijal3. Polarizacija elektroda

• Funkcionalna dijagnostika je deo MEDICINSKE ELEKTRONIKE, koji sebavi električnim registrovanjem i analizom parametara u ciljudobijanja podataka o funkcionisanju pojedinih organa i delovaorganizma.

Funkcionalna dijagnostika se deli na tri oblasti:1. Elektrografija ‐ električno registrovanje biostruja i biopotencijala u ljudskom organizmu;2. Električno registrovanje neelektričnih parametara važnih zafunkcionisanje ljudskog organizma;3.  Endometrija i radio(tele)metrija, koja se bavi registrovanjemparametara u šupljinama ljudskog organizma, direktno ili na daljinu.

• Biopotencijali se javljaju u ćelijama, tkivima i organima kao rezultatživotnih funkcija (membranski potencijal). Promene ovih veličina se manifestuju kao kratkotrajni impulsi stalnog ili promenljivog znaka i nazivaju se akcioni potencijali ili potencijali dejstva.

• Potencijali pojedinih ćelija se sabiraju i formiraju zajedničku potencijalskurazliku, koja se može meriti između pojedinih tačaka organa ili tkiva.Registrovanje vremenskih promena ovih potencijala i njihova analiza dajuvredne podatke o funkcionisanjupojedinih organa ili tkiva (mišića).

• Na ovaj način se mogu registrovati promene biopotencijala:‐ mišića (elektromiografija ‐ EMG)‐ srca (elektrokardiografija ‐ EKG)‐ mozga (elektroencefalografija ‐ EEG)‐ mrežnjače ili retine (elektroretinografija ‐ERG)‐ pomeranja oka (elektrookulografija ‐ EOG).

Elektrografija

Biomagnetizam

• Svako naelektrisanje koje se nalazi u stanju promenjivog kretanja stvaraoko sebe elektromagnetno polje.

• Biostruje u organizmu stvaraju promenljiva elektro-magnetna polja, kojasu uglavnom slabog intenziteta.

• Uz upotrebu odgovarajuće elektronike ova se polja ipak mogu registrovati islužiti u dijagnostičke svrhe. Jedna od dijagnostiških metoda u kliničkimispitivanjima je magnetokardiografija. Sastoji se u registrovanju promenaelektromagnetnog polja koje se javlja kao posledica generisanja biostruja usrčanom mišiću u toku srčane aktivnosti. Promene su mnogo manje negopri genezi EEG‐a pa su aparati za ovakva snimanja veoma skupi i nisu usvakodnevnoj praksi.

• U poslednje vreme je u ekspanziji razvoj tehnika koje će omogućitiregistrovanje elektromagnetnih polja mozga. Ova metoda se nazivamagnetoencefalografija. Magnetoencefalografija daje znatno boljemogućnosti za ispitivanje funkcije mozga. Za sada ti aparati postojeuglavnom u velikim istraživačkim centrima i izuzetno su skupi, ali trebaočekivati da će se vremenom pojaviti i u redovnoj kliničkoj praksi.

Električno registrovanje neelektričnihparametara

• Mnogi električni merni aparati imaju veliku osetljivost pa su pogodni zamerenje malih promena neelektričnih veličina.

• To je moguće učiniti pod uslovom da su elektrode zamenjenene delomaparature koji se naziva pretvarač (transdjuser, transduktor). Pomoćunjega se promena ma koje fizičke veličine pretvara u njoj odgovarajućielektrični impuls.

• Ovom metodom se u medicini i biologiji meri veliki broj neelektričnihparametara kao što su: pritisak krvi, puls, temperatura, srčani šumovi,veličina kontrakcije mišića,...

Zavisno od vrste parametara koji se pretvaraju u električne impulse, pretvarači mogu biti konstruisani na razne načine:• mehanički ‐ pretvaraju mehanička kretanja u električne signale;• zvučni ‐ pretvaraju promenu intenziteta zvuka u električne signale;• toplotni ‐ pretvaraju promenu količine toplote u električne signale;• optički ‐ pretvaraju promenu intenziteta svetlosti u električne

signale.

Prema principu na kome rade, odnosno na koji način generišuelektrični signal, pretvarači se dele na:• generatorske i• parametarske.

Generatorski pretvarači su električna kola u kojima nema izvora struje, već sepotencijalska razlika generiše kao posledica nekog dejstva (mehaničkog,svetlosnog, toplotnog itd.).

Generatorski pretvarači mogu biti: piezoelektrični termoelektrični indukcioni fotoelektrični itd

Parametarski pretvarači su električna kola sa sopstvenim izvorom napajanja,odnosno sopstvenom elektromotornom silom. Spoljno dejstvo menjavrednost nekog od parametara strujnog kola i stvara električni signal, koji seregistruje.

Parametarski pretvarači mogu biti: rezistivni induktivni kapacitivni itd.

Aparati za registrovanje električnih signala• Poslednji element u kompletnoj medicinskoj aparaturi za merenje

jačina biostruja i biopotencijala predstavlja merni aparat zaregistrovanje biomedicinskih informacija.

Osnovna podela ovih aparata bila bi:• aparati koji pokazuju informaciju u relativno kratkom vremenskom

intervalu,• aparati koji trajno beleže informaciju.

U prvu grupu spadaju osetljivi ampermetri (miliampermetri ialvanometri), voltmetri koji mogu da mere male vrednosti napona iosciloskop.Drugu grupu čine razne vrste pisača.

PRIMENA ELEKTRICITETA IMAGNETIZMA NA LJUDSKI ORGANIZAM

• Ljudski organizam može (namerno ili ne) biti izložen dejstvu spoljnogelektričnog ili magnetnog polja ili se kroz njega može propuštati električnastruja. Proučavanje i registrovanje odgovora organizma, kao sredinespecifičnih provodnih karakteristika, na dejstvo električne struje i uticajelektričnog i magnetnog polja može se uspešno upotrebiti i u dijagnostici iterapiji.

Dijagnostika:• Nuklearna magnetna rezonanca (NMR ili MRI)Terapija• Elektrostimulacija• Dejstvo jednosmerne struje na organizam• Visokofrekventne struje• Elektroforeza

Dejstvo jednosmerne struje na organizam

• Jednosmerna struja je struja koja teče kontinuirano u jednomsmeru,  može biti konstantna (galvanska) i impulsna (različitioblici impulsnih struja: pravougli, eksponencijalni).

• Jednosmerna struja nastaje izmedju dve elektrode koje supod naponom. U uredjajima za elektroterapiju naizmeničnastruja iz gradske mreže pretvara se u jednosmernu struju malejačine (do 100mA).

• Omov zakon za jednosmernu struju• Zagrevanje provodniika električnom strujom, Džulov zakon

Elektroterapija jednosmernom strujom

• Galvanizacija može biti transverzalna i longitudinalna. Kodtransverzalne galvanizacije se prostrujava ceo ekstremitet (ili nekidrugi deo tela), dok je kod longitudinalne galvanizacije efekt dejstvagalvanizacije uglavnom površinski.

• Impulsna galvanizacija umesto konstantne jednosmerne strujekoristi jednosmerne impulse, koji se mogu podešavati po amplitudi,frekvenciji i ostalim karakteristikama.

Visokofrekventna elektroterapija

Elektromagnetnu energiju karakterišu elektrostatičke sile,električna struja i elektromagnetno zračenje.

• Elektrostatička sila nastaje izmedju naelektrisanih čestica ikarakterišu je jačina i smer.

• Električna struja je kretanja naelektrisanja.• Pri svakom proticanju električne struje stvara se magnetno

polje. A pri ubrzanju naelektrisanja nastaje elektromagnetnozračenje. Pri postavljanju elektroda pacijent postaje deostrujnog kola sa rezonantnom frekvencom. Pri prolaskuelektromagnetnog zračenja kroz neki deo tela toplota sestvara zbog vibracije jona, rotacije dipola i polarizacije većihnejonizovanih čestica.

• Delovanje visokofrekventnih struja zasnovano je natermičkom efektu. D΄Arsonval je 1890 godine propustio krozsvoje i telo svog asistenta visokofrekventnu struju od 10MHz,jačine 1 ampera pri čemu su registrovali osećaj toplote.

• Procedure primene visokfrekventne struje dobile suzajednički naziv dijatermije.

• Uredjaji za kratkotalasnu visokofrekventnu elektroterapiju ukliničkoj su primeni od 1920 godine.

Vrsta struje i frekvenca

Talasnadužina

Primena

Dugi talasi0,5-1MHz

300-600m Primena u hirurgiji

Kratki talasi,27,12 MHz

11,05m a)primena u kondenza-tornom poljub)primena u induktivnompoljuc)fizikalna medicina

Mikrotalasi,300MHz-300GHz

1mm-1m fizikalna medicina

Glavni oblici visokofrekventne struje

Kratki talasi

• Uredjaji za kratkotalasnu dijatermiju emitujuelektromagnetne talase dužine 11.062 m i frekvencije27,12 MHz.

• Dva su osnovna načina primene kratkih talasa aplikacija ukondenzatorskom ili induktivnom polju (što zavisi od izgledaaplikativne elektrode odnosno da li će se stvoriti mogućnoststvaranja i vrtložnih struja koje su uslov za dominacijumagnetnog polja).

• Kondenzatorske elektrode su kružne rigidne uplastičnom ili staklenom kućištu, a induktivne suspiralne ili u obliku navoja.

• Razlika postoji u tkivu koje će se bolje zagrejati, kodkondenzatorskog oblika najjače se zagreva tkivokoje ima malu provodljivost, odnosno masno tkivo,a kod induktivnog oblika vrtložne struje se stvarajuu tkivima sa boljom električnom provodljivošćuodnosno u mišićima.

• Efekti su isti kao i kod primene termoterapije:vazodilatacija i hiperemija.

• Indikacije su iste kao i za termoterapiju sa posebnimnaglaskom da se kratki talasi ne mogu primeniti kada postojimetal u tkivu, niti u bilo kakvom kontaktu sa pacijentom(drveni krevet), jer mogu nastati teške opekotine, kao ni kodpacijenata sa pace makerom niti kod pacijenata sakognitivnim smetnjama.

• Dozira se do subjektivnog osećanja prijatne toplote, aprocedura traje 15 do 20 minuta u serijama od 10 do 20aplikacija.

Kratkotalasna i mikrotalasna dijatermija

Dijatermija dolazi od grčki reči dia‐ kroz i therme‐toplota.

• U telesnim tkivima se stvara toplota zbog otpora tkiva prolazuvisokofrekventne struje. U terapijske svrhe koristimodijatermiju koja povećava temperaturu tkiva u fiziološkimgranicama.

• Kratkotalasna i mikrotalasna dijatermija se od drugihelektromagnetnih oblika zračenja razlikuju samo pofrekvenciji. Mikro talasi se mnogo brže prenose od kratkihtalasa te se puno lakše reflektuju i prelamaju.

• Prilikom primene dijatermije treba paziti da na koži ne budevode jer može doći do neželjenog zagrevanja a samim time ido opekotina. Isto tako dijatermija jače deluje na potkožnamasna tkiva pa je porebno biti oprezan. Budući da mišići ikoža sadrže velike količine vode dolazi do značajne refleksijemikrotalasa na granici kože i masnog tkiva.Upotrebom mikrotalasnih elektroda sa direktnim konaktomznatno ćemo smanjiti refleksiju na granici između kože ivazduha i na taj način dopustiti bolje prodiranje mikrotalasneenergije u duboka tkiva.

• U terapijske svrhe potrebno je povisiti temperaturu tkiva na40‐45°C. Reakcija koju ćemo na taj način postići slična jepovećanju protoka krvi kao kod maksimalnog vežbanja.

• Toplotni efekti dijatermije jednaki su kao i kod svakih ostalih oblikatoplote. Razlika je u tome što dijatermijom možemo zagrevatidublja tkiva za razliku od ostalih toplotnih procedura koje delujupovršinski. Dijatermija se često koristi za povećanje elastičnostikolagenog tkiva, smanjenje ukočenosti zglobova, olakšanjedubinske boli i mišićnog spazma, povećanje protoka krvi, hroničnihartritičih stanja (artritis, epikonsilitis, ankilozantni spondilitis).

• Kako bi postigli najefikasniju terapiju u kratkotalasnoj dijatermijipotrebno je znati koje polje stvaraju elektrode; koža i potkožnomasno tkivo lako apsorbiraju energiju električnog polja, dok krv imišići apsobiraju energiju magnetnog polja. Elektrode obaveznomoraju biti zaštićene kako ne bi došlo do stvaranja opekotina.Najčešće upotrebljavane elektrode su bubanj i kabel. Kako biterapija bila što efikasnija štitnik mora biti što bliže telu. Važno je ida je deo tela jednako velik kao i ploče jer se na taj način postižeravnomerno zagrevanje.

• Električno polje kod mikrotalasne dijatermije uporedivo je sapovršinom tela što pridonosi smanjenju zagrevanja masnog tkiva iomogućuje dubinsko zagrevanje.Tkiva poput mišića i krvi apsorbujumikrotalasnu dijatermiju u većoj meri nego kratkotalasanu. Kodmikrotalasne dijatermije može se povećati toplotna koncentracijana granicama između masnog tkiva i mišića te kosti i susednog

mekog tkiva.

• Dijatermija se dozira prema bolesnikovom subjektivnomosećaju toplote. Problem nastaje kod bolesnika koji imajuporemećen osećaj za bol i toplotu pa se kod takvih bolesnikanajpre mora napraviti test na bol i osetljivost na temperaturu.

• Doziranje dijatermije zavisi od temperature tkiva na krajupostupka. Postoji nekoliko doza koje se primenjuju u terapijinastale prema definiciji blagog i jakog zagrevanja. Tako sedoza 1 i 2 koriste za akutna stanja kod kojih se ne zahtevatemperaturno povećanje dubinskog tkiva dok se doze 3 i 4primenjuju kod hroničnih stanja.

• Dijatermiju nikako nesmemo koristiti kod pacijenata koji u teluimaju bilo kakvih metala a isto tako metalni predmeti koji se nosepoput nakita,ručnih satova treba ukloniti pre tretmana. Nikako sene sme koristiti kod osoba sa ugrađenim pacemakerom jer postojiopasnost prestanka rada aparata zbog prenosa visokofrekventneenergije električnog i magnetnog polja. Ne primenjuje se na tkiva savelikom zapreminom tečnosti (oči), kao ni na testise, ishemične,hemoragične, zloćudne, akutne upale tkiva, te kod pacijenata kojiimaju oštećen osećaj, ispupčenih ozleda, oprez kod pacijentica kojeimaju menstruaciju (treba ih upozoriti kako bi iscedak mogao bitipojačan nakon lečenja).

• Osim pacijenta veliki oprez moraju imati i terapeuti. Neželjenoizlaganje neće se dogoditi ukoliko je teraput za vreme tretmanajedan metar udaljen od površine elektode te se mora izbegavatimogućnost od požera pravilnim smeštajem opreme i držanjemkablova i elektroda dalje od sintetičkih materijala.

Visokofrekventne struje

• Dobijanje i osobine naizmenične struje

• Visokofrekventne struje ‐ Struje vrlo visokog napona, na primer milionvolta i frekvencije od nekoliko desetina do nekoliko stotina hiljada herca,zovu se Tesline struje.

• Teslina struja je visokofrekventna naizmenična električna struja nastala usekundarnom strujnom krugu Teslina transformatora. Primenjivala se umedicinskoj elektroterapiji (darsonvalizacija; prema francuskom fizičarukoji ju je koristio Jacques‐Arsène d'Arsonval) jer električna strujafrekvencije veće od 10 000 Hz ne izaziva kontrakcije mišića.

Visokofrekventne struje u dijatermiji

• Dijatermija predstavlja oslobađanje toplote u ljudskom organizmupropuštanjem visokofrekventne električne struje u cilju lečenja.

• Količina oslobođene toplote srazmerna je kvadratu intenzitetastruje (Q = I2Rt), što znači da će do znatnijeg zagrevanja organizmadoći ako se kroz njega propušta struja dovoljne jačine.

• Jednosmerne struje i naizmenične struje niske frekvencije,međutim, izazivaju niz neželjenih efekata (elektroliza, izazivanjeakcionih potencijala) te nisu pogodne za ovakvu primenu.

• Visokofrekventne struje zbog brze promene smera ne moguizazvati elektrolizu. Sa druge strane, one ne izazivaju nistvaranje akcionog potencijala jer je period njihovogoscilovanja reda veličine T = 1/n ~ 10‐6 s, dok je za stvaranjeakcionog potencijala potrebno minimalno vreme dejstva od0,1 ms (10‐4 s). Opseg frekvencija koje se koriste uvisokofrekventnoj dijatermiji je 0,5 – 3000 MHz. Dakle,visokofrekventne struje ne mogu izazvati neželjenukontrakciju mišića koja se manifestuje kao intenzivan bol imože pri upotrebi niskofrekventnih struja da dovede i dosmrti, imajući u vidu da su struje koje se koriste u dijatermijireda veličine 2 – 4 A.