1

Medicinski elektronski sistemi

Profesor: Prof.dr. Milunka DamnjanovićAsistent: Mr. Borisav Jovanović

2

Sadržaj

• NeuroMuskularna Električna Stimulacija (NMES)• Transkutalna Električna Nervna Stimulacija

(TENS)

3

• Neuromuskularnom električnom stimulacijom (NMES) pojedini se delovi perifernog nervnog sistema stimulišu i navode na kontrakciju mišića. Pritom se direktno ciljaju odgovarajući alfa motorni neuroni perifernog sistema koji kontrolišu rad odgovarajućih mišića.

• U modifikaciji ove metode koja se zove Električna Muskularna Stimulacija (EMS) mišići se direktno stimulišu bez aktivacije perifernog nerva

Neuromuskularna električna stimulacija (NMES)

4

Neuromuskularna električna stimulacija (NMES)

• NMES se koristi, pre svega, iz dva razloga: terapeutskog i funkcionalnog.

• Upotreba NMES u terapiji vodi ka smanjenu oštećenja ili deformiteta mišićnog tkiva, bržem lečenju i regeneraciji, prevenciji sekundarnih komplikacija. Terapeutsko delovanje NMES odnosi se na prevenciju atrofije mišića. Mišići se terapijom zatežu čime se poboljšava protok krvi kroz nepokretni mišić i postojeći deformiteti ispravljaju

• Funkcionalna NMES poznatija je kao funkcionalna neuromuskularna stimulacija (FNS). Ona je u stvari zamena za izgubljenu ili oštećenu motornu funkciju. FNS se najčešće koristi da bi se povratila funkcija ekstremiteta kod pacijenata koji su izgubili kontrolu nad kontrakcijama mišića zbog povrede kičmenog stuba ili poremećaja u centralnom nervnom sistemu. FNS generiše povorku veštačkih električnih impulsa koji omogućavaju pacijentu da recimo, pokreće gornje ekstremitete, ustane, hoda itd

5

• Motorna jedinica – osnovna funkcionalna komponenta skeletnog mišića –sastoji se od mišićnih vlakana koja su inervisana jednom alfa motornom ćelijom

• Denervacija mišićnih vlakana – oštećenje tela alfa motornih neurona ili njihovih aksona

• Parcijalna (mišić je paretičan) i kompletna denervacija (mišić je paralitičan)

• U denervisanim mišićnim vlaknima nastaje atrofija i degeneracija zbog neaktivnosti

• Atrofija –smanjenje - mišićna vlakva postaju tanja. Ali ako se mišići inervišu dolazi do jačanja i povratka mišića

• Degeneracija – menja se struktura vlakana, nepovratan proces. Ponovna inervacija ne dovodi do oporavka mišića, umesto mišića nastaje fibrozno tkivo

• Oštećeni aksoni mogu se regenerisati i ponovo inervisati denervisane mišiće

Denervacija mišićnih vlakana

Električna Muskularna Stimulacija (EMS)

6

Stimulacija eksponencijalnim i pravouglim impulsima

• Denervisani mišići imaju sniženu električnu nadražljivost pa je za njihovu kontrakciju u poređenju sa mišićima sa intaktnom inervacijom potreban veći intenzitet i duže trajanje impulsa, i imaju produženu refraktornu fazu, te je potreban duži interimpulsni interval

• Pravougli impulsi su efikasniji za draženje mišića sa normalnom inervacijom nego denervisani

• Pri primeni eksponencijalnih impulsa, prilagođavaju se receptori za bol, tako da se bez osećaja bola mogu primeniti veći intenzitet impulsa nego kog pravouglih

• Pri draženju parcijalno denervisanih mišića eksponencijalnim impulsima postiže se selektivna kontrakcija denervisanih mišićnih vlakana jer se kontrahuju na niži intenzitet nego oni sa normalnom inervacijom

Za stimulaciju denervisanih mišića primenjuju se eksponencijalni impulsi a ređe pravouugaoni

Da bi izazvali mišićnu kontrakciju, električni impulsi treba da imaju određeni intenzitet, trajanje i interimpulsni interval (pauzu)

7

Tehnike stimulacije denervisanih mišića:

• Monopolarna

• Bipolarna tehnika

Upotrebljavaju se provodne gumene ili aluminijumske elektrode.Na elektrode se stavlja viskozni sunđer.

Električna Muskularna Stimulacija (EMS)

8

• Samo jedan impuls odgovarajuće amplitude dovoljan je da prouzrokuje kontrakciju mišića trajanja do 250ms. Ukoliko se impulsi javljaju češće sa periodom ponavljanja manjom od 250ms, mišić će biti u stalno zategnutom stanju.

• Načelno, koriste se eksponencijalni impulsi od 150 do 500ms sa dva do šest puta dužim interimpulsnim intervalom

• Jačina impulsa se podešava da se dobije maksimalna tolerantna kontrakcija.

• U jednoj seansi izvodi se do 90 mišićnih kontrakcija, posle svakih 10-15 treba da se stimulacija prekine 1 minut da bi se sprečio zamor

• Uporedo sa terapijom, pacijent treba da ulaže voljni napor za aktivaciju mišića nad kojim se sprovodi stimulacija

• Reinervacija mišića šake i stopala može da traje i do dve godine, elektrostimulacija mora da traje svakodnevno do pojave inervacije.

Električna Muskularna Stimulacija (EMS)

9

• Direktna stimulacija (EMS) mišića koji nije kontrolisan nervom, može da dovede taj mišić u kontrakciju. Time se sprečava atrofija i degeneracija mišića i pospešuje cirkulacija krvi. Međutim, terapija EMS, ako se nepravilno upotrebljava, može da dovede i do neželjenih posledica. EMS može da prolongira ili spreči obnavljanja nerava. Pored toga, nekontrolisani mišić je više osetljiv na naprezanja nego mišić kontrolisan nervom, tako da može doći pre do pucanja i daljeg oštećenja

Električna Muskularna Stimulacija (EMS)

Zaključak

10

Izlazni stepen NMES stimulatora

11

• Kada se javi signal Pulse=1, MOSFET tranzistor Q1 provede i tada počinje da teče struja kroz primar transformatora T1 i kroz tranzistor Q1 i to u smeru od drejna ka sorsu. Nagib porasta struje zavisi od karakteristika primara - njene induktivnosti i otpornosti. U tom trenutku javlja se impuls na strani sekundara koji ima veliku amplitudu - reda do 150V. U trenutku pojavljivanja impulsa na sekundaru, tranzistor Q2 počinje da vodi. Naime, napon na zener diodi D1 konstantan, jer je tada zener dioda je u stanju proboja. Zato je Q2, za vreme dok je Pulse=1, u aktivnom režimu rada. Kolektorska struja kroz Q2 može da se menja potenciometrom R5 u opsegu od 0 do 60mA. Kada je Pulse=1, struja teče od katode, preko tranzistora Q2, kroz sekundar transformatora, kondenzatore C2 i C3 (kada je SW2 prekidač zatvoren kondenzatori se kratkospajaju i tada se stvaraju monofazni impulsi), zatim preko anode kroz telo pacijenta. Pritom se kondenzatori C2 i C3 pune.

• Kada postane Pulse=0, MOSFET tranzistor Q1 prestaje da vodi i na sekundaru prestaje delovanje impulsa. Q2 takođe prestaje da vodi i zatvara se put struje kroz telo pacijenta. Zbog nagomilanog naelektrisanja na kondenzatorima C2 i C3, struja sada počinje da teče u suprotnom smeru -od C2 i C3, otpornika R7, katode, kroz telo pacijenta do anode. Ovo je faza depolarizacije naelektrisanja.

Neuromuskularna električna stimulacija (NMES)

12Deo za generisanje impulsa

Neuromuskularna električna stimulacija (NMES)

13

Kolo na slici pobuđuje kolo izlaznog stepena stimulatora. Kolo IC4, koje na svom izlazu daje signal Pulse, predstavlja kolo NE555 u konfiguraciji monostabilnog multivibratora. Širina impulsa može da se menja u opsegu od 10ms do 300ms promenom potenciometra R9 i data je sledećom formulom:

71497149 )(1.13ln)( CRRCRRT +=+=

Monostabilni multvibrator IC4 okida se izlazom astabilnog multivibratora - kolaIC3 koji određuje periodu impulsa. Frekvencija okidanja, odnosno frekvencijaizlaznih impulsa menja se u opsegu od 10 do 100Hz menjanjem potenciometraR6.

Kada je prekidač SW3 u položaju CYCLIC, astabilni multivibrator IC2 koristi sekao kolo za resetovanje kola IC3. Menjanjem potenciometra R8 menja se periodaresetovanja. Kada IC2 na svom izlazu daje log. 1, tada je rad kola IC3 i IC4dozvoljen i impulsi se generišu na izlazu Pulse. To je tzv. Burst mod rada. Zavreme trajanja dozvole kratkotrajni impulsi se generišu na izlazu stimulatora. Usuprotnom, kada je izlaz kola IC2 na log. 0 signal Pulse=0.

Kada je prekidač SW3 u položaju EXTERNAL, dozovola za rad kola IC3 i IC4dobija se preko ulaznog pina J1 iz nekog eksternog kontrolera recimo.

14

Transkutalna električna nervna stimulacija (TENS)• TENS se koristi za umanjivanje osećaja bola. Primenjuje se često posle

operacija ili nekih drugih traumatoloških događaja. Elektrode se postavljaju na tačno određene tačke na koži pacijenta. Struja prolazi kroz elektrode, zatim kroz kožu i stimuliše nervne završetke tako da smanjuju osećaj bola.

• Dakle, TENS je neinvazivna metoda za smanjenje bola bez korišćenja lekova. Upotreba TENS-a ne vodi ka izlečenju pacijenta. Samo sprečava prirodni mehanizam zašite (stvaranje osećaja bola) od posledica traumatoloških događaja.

• Postoje teorije kako primena električne struje utiče na smanjivanje osećaja bola:– Mehanizam prekidača. Kada se nervni završeci stimulišu električnim

strujama, mehanizam prekidača se zatvara u kičmenom stubu koji sprečava prenošenje poruka o bolu do centralnog nervnog sistema.

– Oslobađanje endorfina. Električni impulsi utiču na stvaranje supstanci endorfina i enkafalina u telu. Ovi prirodni opijati blokiraju put poruka o osećaju bola do mozga (slično kao kod terapije lekovima samo bez propratnih neželjenih efekata).

– Oslobađanje serotonina. Utiče na nervne završetke da stvaraju serotonin (supstanca koja stvara osećaj dobrog raspoloženja) koja sprečava bol na nivou kičmenog stuba

15

Transkutalna električna nervna stimulacija (TENS)

• Obično se proizvode mali, portabl stimulatori sa dva kanala koji kao izvor napajanja koristebaterije od 9V, postoje i uređaji koji koriste mrežnu struju

• Za stimulaciju se koriste bifazni simetrični ili asimetrični balansirani impulsi pravouglog oblika sa trajanjem od 2 do 400us i frekvencije od 1 do 200Hz. Kratko trajanje impulsa omogućava dobru tranmisiju struje kroz tkiva. Vršna vrednost amplitude struje je oko 100mA.

Vrste TENS-a:

• Konvencionalni• Niskofrekventni• TENS u salvama• Kratki intenzivni• Modulacioni

Nikad se elektrode ne postavljaju iznad karotidnih sinusa da se ne bi poremetila funkcija vagus nerva. Elektrode moraju da budu ispravne. Loše elektrode mogu da opeku pacijenta pre nego što on postane svestan opekotina.TENS se ne upotrebljava kod pacijenta koji imaju ugradljive stimulatore (na primer pejsmejkere). Takođe, zabranjeno je da se upotrebljavaju kod trudnica.

16

Kod Konvencionalne TENS frekvencija impulsa je od 75 do 150Hz, trajanje impulsa je od 40-60us, amplitude su od relativno male - od 10mA do 30mA. Oseća se trnjenje i bockanje. Seansa traje 30-60 min. Oslobađanje od osećaja bola traje sve dok terapija traje, obično se bol vraća odmah po prestanku terapije.

Kod Niskofrekventne TENS frekvencija je niža, obično od 1Hz do 4Hz, Trajanje impulsa je od 150us do 250us, amplituda je veća nego kod Konvencionalne TENS jer treba da se postigne ne samo senzorna već i motorna stimulacija – mišićna kontrakcija u vidu drhtaja. Ova vrsta stimulacije obično se primenjuje na akupunkturne tačke, Seansa traje od 30-60min. Veruje se da TENS na niskim frekvencijama produžava vreme smanjenja osećaja bola posle terapije zbog oslobađanja umirujućih prirodnih supstanci (endorfina)

17

Kod TENS u salvama ili Burst TENS, impulsi su velike frekvencije – od 50Hz do 100Hz. Impulsi se generišu periodično u grupama. Između grupa su pauze a u svakoj grupi nalazi se 5 do 10 uzastopnih impulsa. Pacijenti obično osećaju grupe impulsa kao jedan impuls tako da pacijenti mogu više da tolerišu Burststruje nego kod konvencionalne TENS. Intenzitet je visok jer treba da se izazove mišićna kontrakcija.

Kratki Intenzivni TENS je sličan Konvencionalnom u tom pogledu što se koristi neprekidni niz pojedinačnih impulsa velike frekvencije –200Hz. Trajanje impulsa je 200us a intenzitet treba da obezbedi jak ali podnošljiv nadražaj. Seansa traje kraće – do 15 min, nakon pauze od 3min, može da se ponovi.

Kod Modulacionog TENS-a, impulsi su simultano i periodično modulisani amplitudom i trajanjem. Energija impulsa je konstantna, što znači, da, onoliko koliko je povećana amplituda toliko je smanjeno trajanje impulsa. Može se modulisati i frekvencija impulsa. Seansa traje od 15 do 60min. Kod modulacije -amplituda i frekvencija impulsa postepeno raste, što pogoduje pacijentima da lakše podnesu terapiju a istovremeno utiče na smanjenje adaptacije nerava na struje stimulatora (pospešuje se efekat stimulacije).

18

19

Na slici prikazana je šema dvo-kanalnog TENS uređaja. Tajmer IC1 generiše impulse sa frekvencijom koja se menja potencionetrom R1 u opsegu od 3 do 100Hz- kada stimulator radi u Konvencionalnom modu rada. Kada je potenciometar SW2 u poziciji LOW (reset ulaz tajmera IC3 je na logičkoj 1) selektuje se Burstmod. Tada IC3 generiše periodične impulse niske frekvencije koji omogućavaju i onemogućavaju rad kola IC1. Kada je izlaz kola IC3 na log.1, reset ulaz kola IC1 je neaktivan. Kada je izlaz kola IC3 na log. 0, reset ulaz kola IC1 je aktivan. Osnovna perioda impulsa kola IC3 je 2Hz. Kada je rad kola IC1 omogućen, generišu se kratkotrajni impulsi u Burst modu.Modulacija se uključuje preko prekidača SW3. Kolo IC2 generiše trougaone široke impulse koji utiču na menjanje amplitude i frekvencije uskih impulsa na izlazu kola IC1. Frekvencija trougaonog signala je 1Hz. Frekvencija modulisanog signala menja se za 40% u odnosu na početnu vrednost a amplituda za 25%.

Elektrode se pobuđuju preko transformatora T1. Impuls na sekundaru se generiše svaki put kada tranzistor Q5 provede (preko Darlington tranzistora Q2 na izlazu kola IC1). LED dioda D6 zasvetli pri svakom impulsu. Preko potenciometra R9 menja se amplituda konstantne struje koja protiče kroz primar transformatora. Maksimalna struja kroz oprećećenje od 500Ω na sekundaru može da se menja potenciometrom u opsegu od 0 do 150mA.

20

Oblik impulsa koji se preko elektroda prenosi na pacijenta prikazan je na slici. Najčešće se koristi bifazni oblik da bi se izbegla elektroliza i jontoforeza (neželjeni unos jona kroz kožu pacijenta električnom strujom).