Fysiologisk reaktion på elektrisk ström. Fysiologiska effekter av elektrisk ström I. Effekter på cellnivå

Transkript

1 Fysiologisk reaktion på elektrisk ström Fysiologiska effekter av elektrisk ström I E. Göran Salerud Institutionen Medicinsk Teknik 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 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

2 Effekter på vävnadsnivå Kontraktion av skelettmuskulatur Kontraktion av glattmuskulatur Vävnadsregenerering Effekter på segment nivå Ändring av rörlighet i kroppens leder Muskler aktiveras för att ändra cirkulationen och lymfatiska aktivitet 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 Smärtstillande effekter som endongena smärtdämpare frisätts och agerar på olika nivåer för att kontrollera smärta Smärtstillande effekter från stimulering av vissa signalsubstanser som styr neural aktivitet i närvaro av smärtstimuli Fysiologisk reaktion på elektrisk ström Effekter kan vara direkta eller indirekta Direkta effekter uppstår utmed strömflödeslinjer och under elektroder Indirekta effekter uppstår i avlägsna områden till strömflödeslinjer och är oftast resultatet av en stimulering orsakad av en naturlig fysiologisk händelse

3 Muskel- och nerv-svar på elektrisk ström Retbarhet beroende av cellmembranets spänningskänsliga permeabilitet Producerar ojämna fördelningen av laddade joner på varje sida av membranet 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 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 Nervdepolarisation För att skapa överföring av en impuls i en nerv, måste den vilande membranpotentialen reduceras under tröskelnivån Förändringar i permeabilitet kan då förekomma att skapa en aktionspotential, en impuls propagerar längs nerven i båda riktningarna vilket orsakar depolarisering Nervdepolarisation Stimuleringen måste ha tillräcklig styrka och varaktighet för att komma upp till en tröskelnivå, eller överstiga denna så att excitation kan ske 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

4 Depolarisationsutbredning Skillnaden i elektrisk potential mellan depolariserad region och angränsande inaktiva regioner bringar elektrisk ström att flyta från depolariserad området till det inaktiva området Bildar en komplett lokal krets och gör vågen av depolarisation "själv sprida" Depolarisationseffekter Eftersom nervimpuls når effektor organ eller en annan nervcell, är impulsen överförs mellan de två vid en motor ändplatta eller en synaps 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

5 Formen på kurvan Styrka - Varaktighet 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

6 Strömtäthet Strömtäthet hänför sig till mängden av ström i vävnaderna Strömtäthet är störst vid ytan och minskar i djupare vävnad AC ström Ändra avståndet mellan elektroderna Flytta elektroder längre ifrån varandra ökar strömtätheten i djupare vävnader AC ström Ändra storleken på elektroden Aktiv elektrod är den mindre elektroden Strömtäthet är större Dispersiv elektrod är den större elektroden Strömtäthet är mindre Frekvens Effekter typ av muskelsammandragning Effekter mekanismen för smärtmodulering

7 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 Beroende på frekvensen av elektrisk ström och inte intensiteten hos den elektriska strömmen! 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 En ökning av intensiteten hos den elektriska stimuleringen gör att strömmen når djupare in i vävnaden Intensitet Cellmembranet Heterogen struktur Tjocklek ca 75 Å 70% är lipid Polär del

8 Membraner fungerar som kapacitanser Cellens inre och yttre miljö Conductor Insulator Conductor Definition av kapacitans C = q/v = κε o A/d A är arean hos plattorna d avstånd mellan plattorna ε o permittivity in free space (constant) κ dielektriska konstanten C/A = 1 µf/cm 2 for biologiska membran Ström som flyter genom en kapacitans q=cv dq/dt = I capacitor = C dv/dt C Intracellulärt mm Extracellulärt mm Na + 12 Na K K + 4 Övriga katjoner 4 Cl - 4 Cl HCO HCO Proteiner 155 Det totala strömmen Vilopotential Mätt spänning V J p = (u p RT Z p Z p C p + u p Z p C p F Φ) Nernst-Planck ekv där C är koncentration Φ är det elektriska fältet T är absolut temperatur F är Faradays konstant R är allmänna gaskonstanten Z är valenstalet Spänning E N a 0 N a + K + Elektrod införes N a + K + E K Tid

9 Vilopotentialer E Na = 26.7 ln = 66.5 mv E K = 26.7 ln = mv E Cl = ln = mv Intracellulärt Extracellulärt Na + 12 Na K K + 4 Övriga 4 katjoner Cl - 4 Cl HCO HCO Proteiner 155 Transport över cellmembranet Storlek, fettlöslighet och laddning avgör transportmekanismen över membranet Fri diffusion: diffusion längs med koncentrationgradienten genom porer. Vatten, K +, Cl - oh O 2 flödar snabbt men Na + långsamt eller icke alls Katalyserad: glukos ej fettlösligt, samt en storlek överstigande porernas tvärssnittsdiameter Transport över cellmembranet Elektrisk modell av 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. 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 C m g K External fluid g Cl g Na E K E Cl E Na Internal fluid V m

10 Vilopotential Mätning av aktionspotential Mätt spänning V I E N a N a + K + N a + K + R Spänning 0 E K Tid 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/q e = (1 µf/cm 2 ) x 4π(10 µm) 2 x 58 mv / 1.6 x C = 4.6 x 10 6 joner Tot. K + joner = [K + ] x N x 4/3π(10 µm) 3 = 3 x 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) Aktionspotentialen Nervernas språk Samma amplitud men frekvensmodulerade Förlopp Depolarisering Repolarisering Refraktär period

11 Aktionspotential Fortledning av impuls Fördelar med signalering genom aktionspotentialer Steady State passiv ström Tillförlitlig Spänningströskel för triggning Triggad, självskapande Kan färdas långa sträckor Självpropagerande Passiv spridning endast ~1mm Snabb Propagerar upp till 120 m/s Specifik Bär en signal fråm en punkt till en annan Passiv ström Lösning till ke i i = V r m V (x) = Ae x / λ + Be x / λ En lång kabel innebär att B=0 λ = r m r i = längdkonstant

12 Cellmembranets tidskonstant Aktionspotentialens utbredning Impulsfortledning I Inject current Record voltage Voltage (mv) Time (ms) Hodgkin and Huxley, 1952

13 Ranviers noder Saltatorisk impulsfortledning Det första EKG:et Wallers patient Jimmy

14 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 Modell för elektrod - elektrolytövergången Dubbellager utan diffusion C H kapacitans R t resistans! Dubbellager med diffusion! C H kapacitans! Warburgs modell! R s, R p C s, C p! R, X SQRT(ω) -1 C H a R (ω) s X (ω) s R t b X p(ω) R p(ω)

15 Warburgs seriella model och eqvivalenta schema Elektrokemisk Cell + - E 1 Salt bridge Saltbrygga elektrod - elektrolyt Metal A Metall B Electrolyte Elektrolyter B + Y - A + X - Metal A Metall A Halvcellspotentialer för vanliga metaller vid 25 ºC Modell för hud och vävnad Metal Potential E 0 (volts) Al Zn Cr Fe Cd Ni Pb H AgCl Hg 2 Cl Cu Ag Au SHE definition: Väte bubblas över en platinumelektrod och potentialen definieras som noll. Modell av hud Modell av biologisk vävnad R 0 C R 1 C hudkapacitans R o hudspecifik resistans R 1 närliggande vävnadsresistans R 0 R 1 C cellmembranskapacitans R o intracellular flödesresistans R 1 extracellular flödesresistans C

16 Elektrodens frekvenssvar Ytelektroder för huden Modell R d huden: en extra gränsyta Rs Cd Frekvens Ekvivalent krets Totala ekvivalenta kretsen C d C ep förenklad V h R el V ep R de C d R d R ep V h* R ep R p V h* Z E V p R p R d C p

17 Hög impedans gränssnitt mot distributionsnätet Kapacitansinducerat brus U = 220 V nät spänningsdelare med R input frekvensberoende. c Anders Karlsson C 1 E1 = 1 ωc2 1 jωc1 + 1 jωc2 Unät C 2 Elektrodmodell Metallelektroder

18 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.