University of Cyprus

Optical Diagnostics Laboratory

ΗΜΥ 370

Εισαγωγή στη Βιοϊατρική Μηχανική

Βιοηλεκτρισμός

22

Καρδιαγγειακό (Cardiovascular) Σύστημα

• Λειτουργικά μέρη του καρδιαγγειακού συστήματος:

• Καρδιά – “αντλία”

• Αιμοφόρα αγγεία – “σωλήνες”

• Αίμα – “υγρό”

• Λειτουργίες

• Διανομή του αίματος

• Μεταφέρει O2 και θρεπτικά συστατικά στα κύτταρα και απομακρύνει τα απόβλητα

• Ρυθμίζει τη θερμοκρασία, την οξεοβασική ισορροπία (pH), και τον όγκο των υγρών (H2O)

• Διεγέρσιμοι Ιστοί Καρδιάς

• Καρδιακός μυς

• Ερεθυσματαγωγό δίκτυο

33

Ανατομία

• 4 κοιλότητες(2 Κόλπους - 2 Κοιλίες)

• 4 βαλβίδες (2 Κολποκοιλιακές – 2

μηνοειδείς (semilunar))

• 2 κυκλοφορίες (Πνευμονική - Συστηματική)

44

Καρδιακός Κύκλος

• Καρδιακός Κύκλος • Σειρά από γεγονότα

• Το αίμα εισέρχεται στους κόλπους βγαίνει από τις κοιλίες ξανά από την αρχή

• Φάσεις • Συντονισμένες εναλλασσόμενες περίοδοι συστολής και

διαστολής • Συστολή = περίοδος της σύσπασης

• Διαστολή = περίοδος χαλάρωσης

• Συγχρονισμός Σύσπασης• Εγγενές ερεθυσματαγωγό δίκτυο

• Φλεβόκομβος (SA node) = βηματοδότης• Κύτταρα που παράγουν ρυθμικά ΔΕ λόγω ροής από

διαύλους διαρροής

• Κόλποι

• Κολποκοιλιακός κόμβος (δευτερεύον βηματοδότης)

• Κολποκοιλιακή δέσμη

• Δεμάτιο του His

55

Καρδιακός Κύκλος

1. Τέλος διαστολής – και οι 4

κοιλότητες είναι χαλαρές και

γεμίζουν με αίμα

2. Συστολή των κόλπων – Οι

κόλποι συσπώνται πράγμα που

αναγκάζει ακόμα μια μικρή

ποσότητα αίματος να περάσει στις

κοιλίες

3. Κοιλιακή συστολή υπό σταθερό

όγκο – Πρώτη φάση της συστολής

των κοιλιών. Οι ΚΚΒ βαλβίδες είναι

κλειστές και δεν υπάρχει ακόμα

αρκετή πίεση για να ανοίξουν οι

ΜΒ.

3. Κοιλιακή εξώθηση – Οι

κοιλίες συνεχίζουν να

συσπώνται, ανεβαίνει οι

πίεση, ανοίγουν οι ΜΒ και

αίμα ωθείται προς τα έξω.

5. Κοιλιακή διαστολή υπό

σταθερό όγκο – Διαστέλλεται η

καρδιά, αίμα περνά μέσα στους

κόλπους (οι ΚΚΒ είναι κλειστές),

η πίεση μέσα στις κοιλίες

σταδιακά μειώνεται.

66

Καρδιακή Παροχή (Cardiac Output - CO)

• Καρδιακή παροχή (CO) = ο όγκος που αντλείται από την αριστερή κοιλία κάθε λεπτό

• CO = StrokeVolume (SV) x HeartRate (HR)

= 70 ml / παλμό Χ 72bpm = 5040 ml / min

= 5.04 L / min

• Καρδιακός Ρυθμός (HR)

• 70-80 bmp

• Μεταβάλλεται για να ανταποκριθεί σε μεταβαλλόμενες συνθήκες (άσκηση, ασθένειες, άγχος ...)

• Παράγοντες που επηρεάζουν:

• Αυτόνομο Νευρικό Σύστημα (ΑΝΣ)

• Εξωγενείς παράγοντες (εκτός από το ΑΝΣ) περιλαμβάνουν

• Αιμοφόρα αγγεία (αντίσταση) και αρτηριακή πίεση

• Όγκος και το ιξώδες του αίματος

• Διάχυση στα τριχοειδή και λεμφική επιστροφή

• Καρδιαγγειακή νόσος

77

Ασθένειες & Διαταραχές

• Περισσότερο από 50% των θανάτων στις ανεπτυγμένες κοινωνίες διασυνδέονται με καρδιαγγειακή νόσο!

• Καθαρό κόστος περίπου 450 δισεκατομμύρια δολάρια

• Ποιοι είναι οι παράγοντες κινδύνου για καρδιαγγειακή νόσο;

• Ελεγχόμενοι

• Κάπνισμα και παχυσαρκία

• Επίπεδο φυσικής δραστηριότητας

• Μη ελεγχόμενη υπέρταση

• Μη ελεγχόμενοι

• Οικογενειακό ιστορικό (γενετική)

• Ηλικία

• Φύλο

• Νωρίς οι άνδρες σε μεγαλύτερο κίνδυνο, αργότερα στη ζωή εξίσου

88

Ηλεκτροκαρδιογράφημα (ECG)

• Ηλεκτροκαρδιογράφημα

• Ψηφιακή καταγραφή (ή σε χαρτί) του ηλεκτρικού ρεύματος που παράγεται από την καρδιά και φτάνει το δέρμα

• Απλή και ακίνδυνη εξέταση που γίνεται για διάφορους λόγους

• “για καλό και για κακό” όσοι είναι πάνω από 40 ετών

• πόνο στο στήθος

• ταχυπαλμία

• κλπ

• Καθορίζει περαιτέρω διερεύνηση με πιο εξειδικευμένες και δαπανηρές εξετάσεις (π.χ. test κόπωσης, υπερηχογράφημα καρδιάς κλπ.)

99

Ηλεκτροκαρδιογράφημα (ECG)

Ιστορία του ΗΚΓ

• ΗΚΓ από το νοσοκομείο στο εργαστήριο του Άιντχοβεν, 1.5 kmμακριά, μέσω τηλεφωνικού καλωδίου

• 22 Μαρτίου 1905 καταγράφηκε το πρώτο “τηλεκαρδιογράφημα”

• ένας υγιής νεαρός

• παρουσίασε μεγάλα R κύματα τα οποία μάλλον οφείλονταν στο γεγονός ότι ο νεαρός έπρεπε να ποδηλατήσει από το εργαστήριο στο νοσοκομείο

• Βραβείο Νόμπελ (1924)

• Η αρχική έρευνά του παραμένει η βάση της ηλεκτροκαρδιογραφίας.

• Ορολογία του Άιντχοβενχρησιμοποιείται ακόμα και σήμερα

• "ηλεκτροκαρδιογράφημα" • τα κύματα P, Q, R, S, T

1010

Ηλεκτροκαρδιογράφημα (ECG)

• Ηλεκτροκαρδιογράφος

• Ένα ευαίσθητο βολτόμετρο

• καταγράφει μέσω ηλεκτροδίων τις διαφορές δυναμικού στην επιφάνεια του σώματος που προκύπτουν κατά την λειτουργία της καρδιάς

• Αποτελείται από

• μια κεντρική μονάδα

• 10 ηλεκτρόδια τα οποία συνδέονται στο σώμα του άρρωστου

• 4 συνδέονται από ένα στα χέρια και στα ποδιά

• 6 μπροστά στο θώρακα.

• Το ΗΚΓ καταγράφεται ψηφιακά και πολλές φορές εκτυπώνεται

• Οριζόντια το ΗΚΓ χαρτί αντιστοιχεί σε χρόνο, ενώ κάθετα σε δυναμικό.

1111

Ηλεκτροκαρδιογράφημα (ECG)

• Απαγωγές

• 12 απαγωγές

• 12 απαγωγές από 10 ηλεκτρόδια

• προσθαφαιρέσεις των σημάτων συγκεκριμένων ηλεκτροδίων

• 6 απαγωγές των ακρών (ή κλασσικές)

• ηλεκτρικά δυναμικά που φθάνουν στα άκρα

• I, II, III, aVR, aVL, aVF

• 6 προκάρδιες απαγωγές

• ηλεκτρικά δυναμικά από την πρόσθια επιφάνεια του σώματος

• V1, V2, V3, V4, V5, V6

• Οι 12 απαγωγές θεωρούνται σήμερα μη-απαραίτητες

• 3 απαγωγές είναι αρκετές

• Κύμα εκπόλωσης

• από το αρνητικό προς το θετικό ηλεκτρόδιο καταγράφει θετική απόκλιση

• από το θετικό προς το αρνητικό ηλεκτρόδιο αρνητική απόκλιση

• κάθετα προς μια απαγωγή διφασική απόκλιση

- +

II III

I

aVR aVL

aVF

V1 V6

Right

Arm

Left

Arm

Left

Leg

Right

Leg

o

r

1212

Ηλεκτροκαρδιογράφημα (ECG)

• Μέρη του ΗΚΓ

• διέγερση του φλεβόκομβου και των

κόλπων κύμα Ρ

• δεμάτιο His και διέγερσης στις κοιλίες

σύμπλεγμα QRS

• αναπόλωση στις κοιλίες κύμα Τ

• μεταξύ διέγερσης και αναπόλωσης των

κοιλίων ισοηλεκτρική γραμμή, το τμήμα

ST

P Wave

(Atrial Systole)

QRS Complex

(Ventricular Systole)

Τ Wave

(Ventricular Diastole)

ST Segment

1313

Ηλεκτροκαρδιογράφημα (ECG)

• Ανώμαλοι Ρυθμοί

• Έκτοποι παλμοί

• Το κοιλιακό μυοκάρδιο γίνεται υπερ-ευερέθιστο και συσπάται από μόνο του

• Ταχυκαρδία

• Η καρδιά χτυπά πολύ γρήγορα

• Κολπικός πτερυγισμός

• Η αγωγή στους κόλπους γίνεται πολύ γρήγορα (γρηγορότερα από ότι οι κοιλίες μπορούν να ακολουθήσουν)

• Κοιλιακή μαρμαρυγή

• Η σύσπαση στις κοιλίες είναι πάρα πολύ γρήγορη και ακανόνιστη (συγκοπή -απινίδωση)

1414

Ηλεκτροκαρδιογράφημα (ECG)

• Έμφραγμα του Μυοκαρδίου (καρδιακή προσβολή)

• Διάγνωση• ΗΚΓ

• Ένζυμα στο αίμα

• ΗΚΓ• ανάσπαση του ST διαστήματος τις πρώτες ώρες η

οποία με την πάροδο του χρόνου υποχωρεί και εμφανίζονται κύματα Q

• Προσδιορισμός περιοχής• Έμφραγμα του κατώτερου τοιχώματος

• απαγωγές ΙΙ, ΙΙΙ και AVF

• πρόσθιο έμφραγμα• απαγωγές V1-V6

• πλάγιο έμφραγμα• απαγωγές I, AVL,V5,V6

• οπίσθιο έμφραγμα • απαγωγές V1-V3

Chronic Phase

Hyperacute Phase Acute Phase

Recovery Phase

1515

Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (EEG)

• Βιοηλεκτρισμός του εγκεφάλου

• Μέτρα ηλεκτρική δραστηριότητα του εγκεφάλου από το τριχωτό της κεφαλής

• Αποτελέσματα της μέτρησης του σήματος από τη δραστηριότητα εκατομμυρίων νευρώνων

• Σύστημα Μέτρησης

• Σύστημα με 10-20 ηλεκτρόδια είναι το πιο ευρέως κλινικά αποδεκτό

• Επιτρέπει τον εντοπισμό διαγνωστικών χαρακτηριστικών στην περιοχή του ηλεκτροδίου

• Συχνά χρησιμοποιούνται ηλεκτρόδια ή ελαστικό σκουφάκι

• Στην έρευνα χρησιμοποιούνται ακόμα και EEG με 256 ή 512 κανάλια

1616

Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (EEG)

• Κυματομορφές

• Πολλά χαρακτηριστικά μοτίβα

• Πλάτος: 0,001 - 0,01 mV

• Εύρος Συχνότητας: 0,5-30 Hz;

• Τυπικές εφαρμογές:

• Διαγνωστικά (Επιληψία, Ογκολογία, ..)

• Γνωσιακές Επιστήμες

• Ανάλυση του ύπνου

• Διεπαφές ανθρώπου-υπολογιστή (BCIS)

• Φαρμακολογία

• Εντατική Θεραπεία, Παρακολούθηση

1717

Unipolar measurement

(indifferential right ear electrode ) Bipolar measurement

Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (EEG)

• Το EEG είναι μια διαφορά δυναμικού

μεταξύ δύο ηλεκτροδίων

• Εάν ένα ηλεκτρόδιο είναι “σιωπηλό”,

λέγεται “μονοπολική” εγγραφή

• Ηλεκτρόδια αναφοράς: λοβός του αυτιού,

μαστοειδές, μύτη

• Χρησιμοποιείται στην έρευνα αφού

επιτρέπουν στον ερευνητή να εντοπίσει τα

σήματα που τον ενδιαφέρουν

• Αν και τα δύο ηλεκτρόδια είναι "ενεργά",

αυτό ονομάζεται “διπολική” καταγραφή

• Μειώνει κοινά τεχνικά σφάλματα

1818

Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (EEG)

• Θόρυβος και Τεχνικά Σφάλματα

(artifacts):

• Θερμικός θόρυβος RF

• Σφάλματα από βλεφαρισμό, μυϊκή

σύσπαση και παρόμοια

• Γραμμές ηλεκτρικής παροχής (50/60 Hz)

• Κίνηση του ηλεκτροδίου και μετατόπιση

πόλωσης (drift)

Movement, electrode drifting

Forehead Muscle Tension

Eye Blinks

60 Hz Interference

1919

Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (EEG)

• Μετρήσεις βιοδυναμικού ψηλής ποιότητας απαιτούν • Καλό σχεδιασμό ενισχυτή

• Χρήση καλών ηλεκτροδίων και σωστή τοποθέτηση τους επί του ασθενούς

• Καλή εργαστηριακή και κλινική πρακτική

• Τα ηλεκτρόδια επιλέγονται ανάλογα με την εφαρμογή

• Η βασική δομή του ηλεκτροδίου περιλαμβάνει: • Το σώμα και το περίβλημα

• Ηλεκτρόδιο (από υλικό υψηλής αγωγιμότητας)

• Καλώδιο σύνδεσης

• Κοιλότητα για την ηλεκτρολυτική γέλη (gel)

• Κολλητικό χείλος

• Η πολυπλοκότητα αλλά και η σημασία του ηλεκτροδίου συχνά υποτιμάται

2020

Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (EEG)

• Το ΗΕΓ μπορεί να διαγνώσει διαταραχές και ανωμαλίες του ύπνου

• Ύπνος • Μια ενεργητική διαδικασία

• Στέρηση ύπνου = καταστροφικές παρενέργειες

• Το σώμα απαιτεί ύπνο REM (Rapid Eye Movement)

• Το ένα τρίτο της ζωής μας σε κατάσταση ύπνου (αναστολή λειτουργίας)

• 5 στάδια (90-110 λεπτά) • Στάδιο 1: Ελαφρύς ύπνος

• Μείωση της μυϊκής δραστηριότητας, Μυοκλώνος

• θ κύματα

• Στάδιο 2: • Σταματά η κίνηση των ματιών

• θ, κ, ατράκτους

• Στάδιο 3 & 4: Βαθύς Ύπνος, μη-REM • Καθόλου μυϊκή δραστηριότητα

• Δύσκολο να ξυπνήσει αποπροσανατολισμός

• Εφιάλτες, υπνοβασία, ενούρηση

• Στάδιο 5: REM • Παράλυση

2121

Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (EEG)

• Το ΗΕΓ μπορεί να διαγνώσει επιληψία • Επαναλαμβανόμενες κρίσεις

• Αιτίες: Όγκος, τραύμα, μόλυνση, αγγειακή νόσος, αλλά σε πολλές περιπτώσεις άγνωστη αιτία

• Τύποι: • Γενικευμένη:

• Μερική

• Αφαίρεσης (absence)

• EEG της επιληψίας • Μεταξύ των κρίσεων

• Φυσιολογικό, σπάνια αιχμές

• Κατά τη διάρκεια μιας κρίσης • Μεγάλα, ρυθμικά, κύματα

• Διάγνωση επιληψίας • Παρατήρηση μια κρίσης

• 24-ώρη ή ολονύκτια παρακολούθηση

2222

Ένδοφλοιακό (Intracortical) ΗΕΓ

• Άμεση μέτρηση της δραστηριότητα της φαιάς ουσίας

• Ηλεκτρόδια πλατίνας εισάγονται εντός του εγκεφάλου κάτω από το κρανίο

• Μειονεκτήματα

• Επεμβατικό!

• Πλεονεκτήματα

• Πολύ πιο ευαίσθητο

• Λιγότερα τεχνικά σφάλματα

• Μπορεί να ανιχνεύσει σήματα τα οποία δεν περιλαμβάνονται στο συνηθισμένο ΗΕΓ

• Χρήσεις

• Παρακολούθηση ασθενών σε κρίσιμη κατάσταση

• Διεπαφές Εγκεφάλου Υπολογιστή (BCI)

Scalp

EEG

2323

Ηλεκτροαμφιβληστροειδογράφημα (ERG)

• Καταγραφή των μεταβολών στο δυναμικό

του αμφιβληστροειδούς

• Όταν διεγείρεται με μια σύντομη λάμψη του

φωτός

• Ηλεκτρόδια

• Ένας διαφανής φακός επαφής περιέχει ένα

ηλεκτρόδιο

• Το ηλεκτρόδιο αναφοράς μπορεί να

τοποθετηθεί στο δεξί κρόταφο

• Κύματα

• Αντανακλούν τη γενική φυσιολογική υγεία των

φωτοϋποδοχέων των εσωτερικών στρωμάτων

(νευρώνων) του αμφιβληστροειδούς

2424

Μελέτες Νευρικής Αγωγιμότητας (Nerve Conduction)

• Απόκριση περιφερικών νεύρων σε

εξωκυτταρικά πεδία

• Διέγερση σε ένα ή περισσότερα σημεία

• Μέτρηση των δυναμικών σε συγκεκριμένη

απόσταση

• Μέτρηση της καθυστέρησης, εύρους,

διάρκειας, και εμβαδού της κορυφής

• Μπορεί να υπολογιστεί η ταχύτητα

αγωγιμότητας του νευρώνα

• Ανίχνευση

• Απώλεια νευραξόνων (όπως σε μια τυπική

αξονική νευροπάθεια)

• Διακοπή της αγωγής, κλπ.

2525

Ηλεκτρομυογράφημα (EMG)

• Ο μυς είναι διεγέρσιμος ιστός

• Περισσότερα θα μάθετε αργότερα

• Ηλεκτρομυογράφημα (EMG)

• Καταγραφή και αξιολόγηση του σήματος ενεργοποίησης των μυών

• Ανιχνεύει το ηλεκτρικό δυναμικό που παράγεται από τα κύτταρα των μυών, όταν αυτά συσπώνται και χαλαρώνουν

• Τύποι Ηλεκτροδίων

• Ενδομυϊκά

• Λεπτό σύρμα (fine wire) ή βελόνα

• Εξωμυϊκά (Επιφανειακά)

• Τα πιο κοινά, λιγότερο επεμβατικά

• Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά

• Τα δυναμικά EMG κυμαίνονται από <50 μV έως 20 - 30 mV, ανάλογα με το μυ υπό παρατήρηση.

• Τυπική ταχύτητα επανάληψης μιας μυϊκής μονάδας είναι περίπου 7-20 Hz.

2626

Ηλεκτρομυογράφημα (EMG)

• Τι μπορεί να μάθεις από το EMG;

• Χρονική εξέλιξη της σύσπαση των μυών

• Δύναμη της συστολής

• Συντονισμό διαφόρων μυών σε μια

ακολουθία κίνησης

• Εφαρμογές

• Αποκατάσταση (Rehabilitation)

• Λειτουργική ανάλυση

• Ενεργά προσθετικά

• Εμβιομηχανική, Αθλητιατρική

2727

Ηλεκτρο-οφθαλμογράφημα (EOG)

• Καταγραφή της κίνησης των ματιών

• Δύο ηλεκτρόδια στα αριστερά και δεξιά ή πάνω και κάτω από το μάτι

• Μέτρηση του δυναμικού μεταξύ δύο ηλεκτροδίων

• Καθορισμός της οριζόντιας ή κάθετης κίνησης του ματιού

• Το δυναμικό είναι μηδέν όταν το βλέμμα είναι ευθεία

• Εφαρμογές

• Διαγνωστικά

• Λειτουργική ανάλυση

• Έρευνα του ύπνου και των ονείρων

• Αξιολόγηση της ικανότητας ανάγνωσης και οπτικής κόπωσης

2828

Συχνότητα (Hz) Πλάτος (mV)

ECG 0,2 – 300 0,1 - 3

EEG DC – 100 0,005 - 0,2

EEG (φλοιακό) 10 – 100 0,015 - 0,3

EMG 10 – 1000 0,1 - 5

EMG (με βελόνα) 10 – 10000 0,05 - 5

EOG 0 – 30 0,1 - 2

Ενδοκυτταρικό 0 – 10000 50 - 130

Περίληψη Βιοϊατρικών Σημάτων