Oddelek za fiziko Seminar – 3. Letnik Elektro Stimulacija Avtor: Matic Smodiš Mentor: prof. dr. Rok Hren Ljubljana, Marec 2014 1 1. Uvod Prisotnost električnega polja v živčnem tkivu vodi do depolarizacije nevronskih lipidnih membran in inducira skoke potencialne energije. Ker so nevroni električno aktivne celice, električna stimulacija izrabi to lastnost in celice vzbuja. Električno stimulacijo uporabljamo pri zdravljenju ali rehabilitaciji različnih poškodb in bolezni, kot sta poškodba hrbtenjače ali možganska kap. Pri dovajanju elektro stimulacije uporabljamo dve metodi, in sicer AC (izmenična napetost) in DC (enosmerna napetost) stimulacijo. Pri vsaki metodi je potrebno gledati na to, da je karseda malo stranskih efektov in posledic na zdravljencu. Z evolucijo električne stimulacije se posledice takšnih posegov manjšajo, zdravljenje pa je vedno bolj zaželeno. Raziskava leta 1999 [2] je pokazala, da bi lahko stimulacija pospešila celjenje ran, kljub temu pa je bilo premalo dokazov da bi to teorijo potrdili. Na najmanjši stopnji lahko elektro stimulacijo definiramo kot zdravljenje pacientov z elektriko. V praksi to pomeni, da z dovajanjem elektrike človeškem telesu spremenimo fizično sestavo telesa v namen terapije. Fizični inštrumenti, kot so vročina, zvok, elektrika in svetloba pridobivajo na vrednosti kot možnosti terapije za lajšanje bolečin in pridobivanje izgubljene mobilnosti. 2. Kratka zgodovina elektroterapije Slika 1 Elektro terapevtska soba dr. Alexandra Bruca iz leta 1905 [9] 2 Začetki zdravljenja z elektroterapijo so se začeli okoli leta 1740 in za kar 2 stoletja je bilo to znano kot zdravljenje za mnogo bolezni. A vendarle se je način zdravljenja v 70ih letih 20. stoletja skoraj popolnoma opustil, primere pa so začeli zdraviti z električno in magnetno stimulacijo. V zgodnjih fazah zdravljenja z elektroterapijo se je po večini uporabljalo enosmerno (DC) napetost, kar pa je dr. Guillaume Duchenne, izumitelj sodobne verzije elektroterapije, zamenjal z izmenično napetostjo, saj je opazil, da se pri uporabi enosmerne napetosti na stičnih točkah anode ter katode z telesom na koži tkivo segreva in deformira, kar pa je izredno nezaželen stranski učinek. Kljub temu so nekatere ugotovitve 50ih letih 20. stoletja pokazale, da je zdravljenje nekaj vrst rakovih obolenj z enosmerno napetostjo izredno učinkovito. Od ugotovitev dr. Duchenneja se uporablja simetrično pravokotno dvofazno valovanje električne energije. Ime, ki se pogosto uporablja v povezavi z izpopolnjevanjem elektroterapije je tudi Nikola Tesla, in njegov izum »škrlatni žarek«. Ta naprava naj bi dovajanjem visoke napetosti in frekvence ter nizkega toka zdravila neverjetno število bolezni, zato je bila uporaba v prvi polovici 20. stoletja izredna. Naprava je bila poznana tudi kot magična zdravilna naprava. Kasnejše ugotovitve so zavrgle učinkovitost škrlatnega žarka, vidne pa so bile tudi izredno negativne posledice uporabe. Slika 3 – Škrlatni žarek [8] 3 3. Elektronska stimulacija možganov [2] Slika 2 – Dr. Emmett Brown (Christopher Lloyd) [6] Mikrostimulacija centralnega živčnega sistema aktivira nevrone okoli elektrode tudi pri nizkih tokovih do 10 μA in do razdalje štirih milimetrov. To se zgodi v odvisnosti od prisotnosti dendritov, kateri bi se gibali v radiju 15 μm okoli konic elektrode. Če povečamo tok v elektrodi se količina aksiomov in dendritov poveča, pri čemer se aktivira večina nevronov. Aktivacija poteče po vsej verjetnosti zaradi depolarizacije. Elektro terapevtska stimulacija lobanje Je zdravljenje bolezni z dovajanjem nizkih kratkih pulzov čez pacientovo glavo. Uporablja se za zdravljenje psiholoških bolezni, kot so npr. depresija, utesnjenost, stres in nespečnost. Uporabnost metode se še vedno testira, zato je metode še vedno eksperimentalna. Globoko-možganska stimulacija Terapija, ki se uporablja pri zdravljenju bolezni kot so parkinsonova, tresavica, kronična bolečina, touretov sindrom in hujša depresija. Pri terapije gre za vgradnjo spodbujevalnika elektronskih impulzov v pacienta ter napeljava povezave na določene dele možganov, kamor 4 spodbujevalnik pošilja impulze. Kljub temu, da je metoda za nekatere paciente pozitivna so stranski efekti intenzivni in nevarni, vendar odpravljivi. Funkcionalna elektronska stimulacija Je tehnika zdravljenja, kjer z direktno stimulacija vzbujamo nevrone v možganih, uporablja pa se predvsem za zdravljenje hujših poškodb, kot so poškodbe glave, hrbtenjače, zdravljenje po možganski kapi. Pri možganski kapi je pomembno da z to metodo zdravimo že v akutni stopnji možganske poškodbe, saj na ta način omogočimo najvišjo stopnjo rehabilitacije. 4. Elektronska mišična stimulacija Slika 3 Prehajanje natrijevih in kalijevih ionov v zunanjost mišicne celice [7] Je krčenje in raztezanje mišic z pomočjo električnih impulzov. EMS pridobiva posebno visoko pozornost v zadnjih letih, saj se je izkazala kot odlično orodje za mišični trening športnikov in zdravih ljudi [4] ter rehabilitacijsko in preventivno orodje za delno ali popolnoma imobilne paciente. Prav tako se je izkazalo kot testno orodje za preverjanje nevralne in mišične funkcije po treningih športnikov [1]. Stimulacija mišičnih vlaken 5 Mišična vlakna lahko stimuliramo na več načinov, t.j. s svetlobo, toploto, magnetnim ali električnim poljem, s tlakom ali kemično. Električna mišična stimulacija poteka tako, da na površino kože pritrdimo 2 elektrodi, na katerih spreminjamo napetost. Zaradi prevodnosti mišičnega tkiva med elektrodami teče električni tok. Pri tem pride do spremembe membranskega potenciala v celicah mišic, kar povzroča krčenje in raztezanje. Odziv membranskega potenciala je odvisen od moči in trajanja električnega toka. Višji je tok, hitreje lahko dosežemo prag stimulacije. Najnižji tok, ki še povzroča krčenje mišic se imenuje reobaza, najkrajši čas stimulacije potreben za krčenje pa kronaksija. Vrsti mišične stimulacije Obstajata dva načina zunanje električne mišične stimulacije, in sicer stimulacija, pri kateri gre za stimulacijo z vrsto zaporednih stimulacijskih impulzov, ter impulzna stimulacija oziroma draženje, kateri gre za heavisidovo funkcijo draženja pri poljubnem toku, nastavimo pa lahko tako tok kot tudi trajanje impulza. Prvi način nam omogoča določitev časovnega intervala impulza, premora med impulzoma ter višino toka, ter se uporablja predvsem za treninge športnikov, saj povzroči maksimalen razvoj sile tako da se z zaporedjem pulzov pokrčijo vsa vlakna in je zaporedje dovolj hitro da ne da časa vlaknom da se relaksirajo. Drugi, impulzi način pa se uporablja za določanje biomehanskih lastnosti skeletnih mišič, saj pri draženju ne pride do gladke zvezne kontrakcije temveč dobimo oscilirajočo kontrakcijo. Mišični stimulatorji za domačo uporabo Pri mišičnih stimulatorjih za domačo uporabo gre predvsem za manjše naprave, katere uporabljamo v rehabilitacijske ali rekreativne namene. Regulacije teh naprav so stroge, kar pomeni da po večini domov dobimo varne EMS-je, s katerimi se težje poškodujemo ali ustvarimo trajno škodo [4]. Te stimulatorje lahko uporabljamo po treningih, za preventivo proti mišični atropiji, ter za blaženje akutne ali kronične bolečine. Domačih EMSjev bi se morali izogibati pacienti z stimulatorji srca, ženske med nosečnostjo in menstruacijo ter ljudje z kroničnimi mišičnimi krči. 5. Zaključek 6 Slika 4 raziskovalci na univerzi v Texasu [3] Električna stimulacija je zanimivo področje znanosti, saj še vedno glede uporabe zvablja visoko stopnjo skeptičnosti in previdnosti, predvsem zaradi zlorab in nepravilne terapevtske uporabe v 19. stoletju in zgodnjem 20. stoletju. Kljub temu menim, da bi več raziskav na tem področju lahko privedlo do izjemnih prebitkov v zdravstvu, kot tudi v stimuliranju kognitivnega razmišljanja in raziskavah centralnega živčnega sistema. Decembra lanskega leta (2013) so na univerzi v Texasu po opravljenih raziskavah ugotovili, da lahko z elektro stimulacijo možganov povečamo človeško samokontrolo, raziskave na Oxfordu pa so pokazale, da lahko z pomočjo električnega toka skozi možgane izboljšamo naše sposobnosti obdelovanja številk [3]. 6. Viri 1. Pain reduction by focal electrical stimulation of the brain: An anatomical and behavioral analysis - David J. Mayera,, John C. Liebeskinda, / Datum objave – 15.3.1974 2. Wikipedia - http://en.wikipedia.org/wiki/Electrical_brain_stimulation - dostopno 01.04.2014 3. http://www.sciencedaily.com/releases/2013/12/131213094949.htm - dostopno 01.04.2014 4. Medicine Net - http://www.medicinenet.com/script/main/art.asp?articlekey=20437 dostopno 01.04.2014 5. Wikipedia - http://en.wikipedia.org/wiki/Functional_electrical_stimulation - dostopno 01.04.2014 6. http://www.clinearts.com/ETI/Time%20Traveler/1.htm 7. http://fizika.fnm.uni-mb.si/files/seminarji/06/Elektrostimulacija_misic.pdf 8. http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/51/Hochfrequenz_309_comb ined.jpg/220px-Hochfrequenz_309_combined.jpg 7 9. http://himetop.wdfiles.com/local--resized-images/dr-bruce-s-electrotherapy-room-in1905/Dr%20Bruce%27s%20Electrotherapy%20Room%20in%201905%2C%20Scienc e%20Museum%2C%20London%20-%2001.JPG/medium.jpg 8
© Copyright 2024