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