Elektrická stimulace
Biofyzika
Doc. Ing. Jana Kolářová, PhD.
Ing. Vratislav Harabiš, (PhD.)
Ústav biomedicínského inženýrství, VUT v Brně
1
Neuromuskulární stimulátory, uro-, gastro-
stimulátory
 stimulace nervů a kosterního svalstva
 elektrostimulace v oblasti dolních močových cest a pánevního dna
 stimulace gastrointestinálního (zažívacího) traktu
 elektrofyziologie
 elektrická stimulace, aplikace
2
Neuromuskulární stimulátory
 stimulace nervů a kosterního svalstva
 stimulace vnější (transkutánní aplikace – přes kůži)
 stimulace vnitřní (implantabilní aplikace)
 vícekanálová
 Z pohledu umístění stimačních elektrod:
 odpor kůže a podkožních tkání se podstatně liší
 impedance kůže a podkoží – kapacitní charakter 
 nízké frekvence – stimulační energie je pohlcována převážně kůží – podráždění mnoha receptorů
– nepříjemné pocity
 vyšší frekvence – do vnitřních orgánů se dostává více stimulační energie
3
Šíření vzruchu nervovými vlákny
 vzruch - projev činnosti nervové soustavy
 informace je kódována frekvencí a počtem vzruchů
 na membráně každé buňky, tedy i neuronu, je v klidu nerovnoměrné rozložení iontů a
náboje (polarizace membrány, klidový potenciál)
 vně buňky je vyšší koncentrace Na+, uvnitř K+
 vně buňky je kladný náboj (převažují kationty), uvnitř je záporný náboj (převažují anionty)
– o 70mV se liší el. potenciály
 v místě podráždění neuronu se zvýší propustnost membrány pro Na+, Na+ vnikají dovnitř
neuronu, tím se mění i rozložení náboje na membráně (depolarizace membrány, akční
potenciál)
 po podráždění se zvýší propustnost membrány pro K+, K+ unikají z neuronu po
koncentračním i potenciálovém spádu a obnoví tak rozložení náboje na membráně
(depolarizace membrány)
 původní rozložení iontů Na+ a K+ poté zajistí a udržuje sodíková-draslíková pumpa
4
Elektrické jevy při stahu svalu
 - akční proud svalu je dvoufázový a má zápornou a kladnou fázi.
 - vedení vzruchu nervovými vlákny - je to reakce ano nebo ne (1 – 0), která
je neúnavná - je provázeno elektrickými jevy.
5
Př. Průběh akčního potenciálu
nervu snímaného elektrodami
zavedenými do vnitř nervového
vlákna a na vnější stranu
membrány.
1 = akční potenciál, 2 = změny
sodíkové, 3 = změny draslíkové
vodivosti membrány, A = klidový
potenciál, B = zvrat potenciálu,
C = akční potenciál,
Kontraktilita svalu
 sval
 nashromážděná chemická energie
 mechanická práce
 mechanická práce – stah = kontrakce
 podnět – nervové nebo přímé podráždění svalu
 tonus
 za normálních okolností je sval v určitém napětí (stálé nervové vzruchy)
 svalová kontrakce
 podnětem jsou častější nervové vzruchy
 fibrily
 stažlivé útvary; smrštění na 65%; prodloužení na 140%; střední hodnoty 80% - 120%
6
Prahové podráždění
 minimální energie potřebná pro vyvolání kontrakce
 vlastnosti stimulačního impulsu
 aktivita svalu
 fáze stažení 0,1s
 uvolnění: 3-5x delší doba
 tetanus
 pokud se po opakovaném podráždění sval neuvolní dochází k jeho
nepřetržitému stažení, délka svalu během tetanu je kratší než při běžné kontrakci
 opakovací frekvence vyvolávající tetanické stažení svalu je pro různé buňky
odlišná
7
Časová odezva na podráždění
8
- latentní perioda – během první
poloviny je tonus (napětí)
i délka svalu stejná, ve druhé
polovině dochází ke snížení
napětí svalu – latentní uvolnění
- kontrakce – dochází ke
smrštění svalu nebo změna
napětí na svalu
- relaxace – uvolnění
- průběh charakteristiky se liší
podle svalových buněk
Stimulace nervů a svalstva
9
Stimulace nervů a svalstva
Stimulace závisí na:
- velikosti stimulačního impulsu
- délce stimulačního impulsu
- opakovací frekvenci pulsů
10
Stimulace nervů a svalstva
 subjektivní nastavení
stimulace:
 označení intenzity
podprahově senzitivní
prahově senzitivní
nadprahově senzitivní
podprahově motorická
prahově motorická
nadprahově motorická
podprahově algická
 stimulace:
citlivost
podráždění – motorická reakce
bolest
11
Stimulace nervů a svalstva
 objektivní nastavení stimulace:
 maximální proudová hustota Jmax
aplikace galvanického proudu: 0,1mA/cm2
aplikace nf proudu (1-1000Hz): 1mA/cm2
aplikace středofrekvenční proudy (1-100kHz), TENS: 10mA/cm2
 maximální absolutní proud
Imax=SelektrodyxJmax
př. klidová galvanizace:
elektrody: 8x10cm a 15x15cm,
Imax=8mA, Imax=22,5mA  Imax=8mA
12
Stimulace nervů a svalstva – nf proudy
13
f=142,9Hz2ms
5ms
aplikace při
- posttraumatické bolesti,
- revmatické bolesti
trabertův proud
faradayův proud
2ms
f=45,5Hz
20ms
aplikace při
- myostimulace, bez frekvenční
nebo amplitudové modulace
je nepříjemný
Stimulace nervů a svalstva – nf proudy
14
diadynamické proudy
dvě složky
- ss (1-3mA) nebo 1-50% z celkové dávky
- nf (impuls:pauza - 10ms:10ms nebo 10ms:0ms)
Stimulace nervů a svalstva – střední proudy
15
f=1-10kHz, d=1-150Hz
interferenční proudy
Stimulace nervů a svalstva – střední proudy
16
f=2,5kHz, fm=50Hz
ruské proudy
Transkutánní aplikace
TENS transkutánní elektroneurostimulace
 elektrody s větší kontaktní plochou
 vyloučí se tak závislost impedance kůže na změně přítlaku elektrody ke kůži
 materiál: vodivé polymery s náplní koloidní platiny, zlata, niklu, titanu
 vzdálenost elektrod: 2 – 3 cm
 bipolární páry elektrod jednoho kanálu
 nepřípustné – působit na různé, zvláště stejnojmenné, skupiny svalů na opačné straně těla,
 odpor svalu: R podélný směr < R příčný směr  pro vyvolání kontrakcí podél svalových vláken je
zapotřebí nižší stimulační energie
 zmenšení odporu kůže: odmastit nejlépe roztokem chloridu sodného
 kmitočty: nízké: 1 – 1000Hz, střední: 1 – 100kHz
nad 100kHz nedochází ke stimulaci, ale pouze k ohřevu
 teplota okolního vzduchu
 vliv psychické a fyzické zátěže
17
Princip transkutánní elektrické stimulace
 Stimulace elektrickým proudem přes pokožku
motorický nerv
sval
podkoží
pokožka
pokožka – velký odpor,
kapacitní charakter
sval – malý odpor
elektroda
__________
elektrolyt
18
Princip transkutánní elektrické stimulace
 Lidský organismus (elektrolyt) – vodič druhé třídy – vedení el. proudu je
zprostředkováno ionty.
 Kov – vodič první třídy – vedení el. proudu je zprostředkováno elektrony.
 Na rozhraní tedy dochází ke změně typu vodivosti. Vlastnosti tohoto
rozhraní mohou významně ovlivnit snímaný signál.
19
Elektrické vlastnosti kůže:
• epidermus – impedance Rs Cs (kapacita bývá až
několik F)
• hlubší vrstvy kůže představují odpor RT (poměrně
nízký)
Samotný odpor kůže se mění od 0.5k do 100-500k
(pro velmi suchou kůži).
Stratum cornemu je semipermeabilní pro ionty – vzniká
tak rozdíl koncentrace, který se v náhradním schématu
projeví jako zdroj napětí Eps.
Dále se může v tomto schématu projevit vliv potních
žláz – podobný obvod, paralelně zapojený.
Princip transkutánní elektrické stimulace
Náhradní elektrické schéma
20
Princip transkutánní elektrické stimulace
 zajímá nás stimulační proud procházející tkání, který dokáže stimulovat
nervové buňky - IT
RS RS
RT
CS CS
pokožka – tkáň - pokožka
IT
21
Výpočet stimulačního impulsu - příklad
 přiložené napětí: 50V – stejnosměrné (ss) !!!!!
 RS – měrný plošný odpor kůže – 10kcm2
10cm2 elektroda: 1k
 CS – kapacita kůže na jednotku plochy – 0,05Fcm-2,
10cm2 elektroda: 0,5F
 RT – odpor tkáně: 200
 IT – proud tkání: 22,7mA
RS RS
RT
CS CS
22
Výpočet stimulačního impulsu
- příklad
 přiložené napětí: 50V – obdélníkový průběh – nástupná a sestupná hrana !!!!!
 RS – měrný plošný odpor kůže – 10kcm2
10cm2 elektroda: 1k
 CS – kapacita kůže na jednotku plochy – 0,05Fcm-2,
10cm2 elektroda: 0,5F
 RT – odpor tkáně: 200
 IT – proud tkání: 250mA – po připojení napětí
t = 0s – počátek přechodového děje, nabíjení kondenzátoru
RS RS
RT
CS CS
23
Výpočet stimulačního impulsu - příklad
 přiložené napětí: U=50V – střídavé (st) !!!!!
 f=50Hz: ZC=6400 , Z=864 , URT=5,18V … 10% z U
 f=500Hz: ZC=640 , Z=390 , URT=10,2V … 20% z U
 f=5000Hz: ZC=64 , Z=60 , URT=31,2V … 62% z U
 Pokud je impedance kůže ZC jediný faktor:
 Z  - f  - URT 
 Čím vyšší frekvenci stimulačního napětí použijeme, tím větší část energie bude
použita pro stimulaci tkáně - RT
RS RS
RT
CS CS
ZC
24
Princip transkutánní elektrické stimulace
 Z  - f  - URT 
 frekvenci nelze zvyšovat do nekonečna – citlivost nervových buněk
 nervové buňky reagují na podněty v rozsahu kmitočtů:
f=0Hz-100kHz
25
Parametry neuromuskulárních stimulátorů -
transkutánní
 práh bolestivých pocitů
 různé pro různé tvary stimulačních impulsů,
 bylo zjištěno, že nejméně bolestivé pocity jsou registrovány u impulsů
 s opakovací frekvencí 1 ÷ 150 Hz, délkou 0,7 ÷ 0,8 ms,
 dobou čela 25 ÷ 100 µs, dobou temene 600 ÷ 700 µs.
 stimulační impulsy delší než 1 ms
s opakovací frekvencí 1 ÷ 20 Hz
vyvolávají nepříjemné pocity.
26
Parametry neuromuskulárních stimulátorů -
transkutánní
 tvary stimulačních impulsů (obdélník, sinusový, trojúhelníkový,
lichoběžníkový, exponenciální)
 na nízkých frekvencích
impulsy různé polarity
u kosterního svalstva byla zjištěna optimální délka
stimulačních impulsů 0,064 ÷ 1,23 ms při minimální
energii dráždění
sčítání podnětů se uplatní v době do 0,3 ÷ 0,5 ms po zavedení prvního podráždění.
 na vysokých frekvencích
minimální pocity bolesti byly shledány při aplikaci radiofrekvenčních stimulačních impulsů o
nosné frekvenci 10 kHz, délkou čela impulsů 25 µs a exponenciálním temenem o délce 975
µs. Aplikované výkony stimulačních impulsů jsou zpravidla v rozmezí 1 ÷ 8 mW, optimální
opakovací frekvence pro podráždění sympatických nervů je 1 ÷ 10 Hz, pro podráždění
parasympatických nervů pak 25 ÷ 100 Hz. Účinná je sdružená amplitudová a frekvenční
modulace stimulačních impulsů.
27
28
Biologicky řízené stimulátory
 aplikace
na končetinové protézy
nejrůznější formy relaxačního tréninku.
 biologicky řízenou stimulaci lze rozdělit:
bez biologické zpětné vazby,
rehabilitace, ovládání protézy, (fnosná telemetru 60-80 MHz)
trénink
s biologickou zpětnou vazbou, biofeedback.
k vědomé kontrole svalové aktivity, navození odpovídající EEG aktivity, změna teploty
těla, odporu kůže, krevního tlaku, srdečního rytmu, respirace.
forma biofeedbacku – audiovizuální stimulace
29
Neuromuskulární stimulátory
30
Implantabilní neuromuskulární stimulátory
 stimulátory
s implantovaným elektrodovým systémem
(perkutánní – zavedený přes kůži), elektronická externí část,
používají se k řízení protéz horních a dolních končetin,
kompletně implantované
elektrodový systém, napájení elektronika, přijímač telemetrického systému,
vysílač telemetru jako externí část systému je se svou vysílací cívkou (anténou)
umístěn nad implantátem. Telemetrický systém slouží k řízení funkce stimulátoru, tj.
předání požadované aktivační sekvence implantátu buď operátorem nebo samotným
pacientem.
 výhoda: elektrody jsou zavedeny až k nervům nebo přímo do svalů  větší účinnost
léčebného zákroku
 požadavky na materiál a provedení
obdobné jako u implantovaných kardiostimulátorů
31
Implantabilní neuromuskulární stimulátory
hermeticky zapouzdřené,
polymery (epoxy a silikonová pryž), kovy (titan), keramika.
epoxydová pryskyřice se užívá jen jako obal přijímací cívky telemetru.
8 ÷ 20 kanálů,
s proudovými impulsy 1 ÷ 20 mA,
šíří impulsů 200 µs podle typu stimulačních elektrod (nervové a svalové),
potřebný příkon implantátu - stovky mW.
stimulační elektrody - monopolární nebo bipolární provedení,
stimulační impulsy - bifazické buzené ze zdroje konstantního proudu.
32
Implantabilní neuromuskulární stimulátory
33
34
Urostimulátory
 léčba dysfunkcí dolních močových cest a pánevního dna.
poruchy:
 - jímací schopnosti,
 - vypuzovací schopnosti.
 léčebný postup
 neurostimulace
 chirurgická rekonstrukce
- hrdla močového měchýře,
- implantované náhrady sfinkterů (svěračů)
35
Stimulace močového měchýře
 nervů - pelvických (pánevních, stydkých),
- sakrálních (v kříži),
 svalů močového měchýře,
 míšních center močení.
 způsob:
 nepřímo - indukční vazbou pomocí implantované cívky,
 přímo - implantovanými stimulačními elektrodami s perkutánně (skrz
kůži) zavedenými vodiči externího stimulátoru,
 vf přenosem - stimulačních impulsů do plně implantovaných obvodů
přijímače stimulátoru s elektrodami.
36
Optimální parametry stimulace močového měchýře
 nepřímá stimulace pelvických nervů
 impulsy o velikosti 5 ÷ 10mA,
 šíři 7 ms
 opakovací frekvenci 15Hz po dobu 10s
 dojde ke zvýšení tlaku v močovém měchýři na více než
6 kPa  překonání tonického odporu sfinkteru (svěrače) a vyprázdnění močového
měchýře,
 přímá stimulace
 impulsy o velikosti 2 ÷ 10 V, šíři 5 ÷ 10ms, opakovací frekvenci 10 ÷ 20 Hz.
 vf přenos stimulačních impulsů
 velikost impulsů 5 ÷ 15 V, šíře 1 ÷ 6 ms, opakovací frekvence 15 ÷ 50 Hz.
37
Elektrody urostimulátorů
 přímé dráždění močového měchýře
 požadavek – maximální účinek při minimální traumatizaci močového měchýře
 plošné elektrody (průměr 5 ÷ 10 mm,
materiál Pt nebo slitina Pt-Ir),
 zvýšení účinku - použití 4 ÷ 6 elektrod,
 zadní plocha elektrody musí být izolována
 dolní elektrody se umísťují 1,5 ÷ 2 cm od krčku, čímž se předchází vzniku spasmu
(svalové křeči).
38
Elektrody urostimulátorů
 nepřímá transrektální stimulace přes stěnu konečníku
 aktivní elektroda – konečník
 pasívní elektroda – stydká kost nebo bederní oblast
 v případě stále velkého
reziduálního objemu moči
(více než 100ml)
je indikována implantace
vf řízeného stimulátoru
pro přímou stimulaci
močového měchýře.
39
Stimulace svěračů
 léčba inkontinence (neschopnost udržení) moči
a stolice
 poruchy nastávájí
 při roztroušené skleréze
 po prodělaných porodech
 pokles pánevního svalstva
 po gynekologických operacích
 v pooperační době
(při adenoektomii chirurgické vynětí
nezhoubného nádoru žlázy)
40
Stimulace svěračů
 zavedení stimulačních impulsů do oblasti rozkroku a tím jejich
uvedení do stavu tense.
 svěrače močového měchýře,
 svěrače análního,
 aplikace
 klinickými přístroji dočasně
 implantovanými systémy trvale
41
Stimulace svěračů
 parametry stimulátorů:
 velikost impulsů 1 ÷ 20 V,
 šíře 1 ÷ 5 ms,
 opakovací frekvence 3,3 ÷ 150Hz,
 případná nosná frekvence vf impulsů 1÷8 kHz.
 doba trvání jedné procedury bývá 3÷20 minut.
42
Umístění elektrod - stimulace svěračů
 x
 aktivní endouretrální elektroda zavedená uretrou k vnitřnímu svěrači,
 indiferentní elektroda 100 cm² v oblasti křížové části páteře,
 x
 aktivní externí elektroda nad stydkou sponou,
 indiferentní elektroda nad křížovou částí páteře,
 x
 aktivní rektální elektroda zavedená do hloubky 2 ÷ 3 cm do konečníku,
 indiferentní elektroda 100 cm² nad stydkou sponou.
43
Účinnost léčby
 od 60 do 95 %,
 podmíněno kvalitním urodynamickým vyšetřením a
diagnostikou funkčního stavu detrusoru krčku močového
měchýře i svěrače uretry,
 biofeedback:
 snímání aktivity pánevního svalstva pomocí elektrod umístěných v oblasti
análního otvoru
 kontrola pro pacienta – akustická, obrazová
44
Gastrostimulátory
 stimulace gastrointestinálního (zažívacího) traktu
 šíření stahů v hladkém svalstvu - 3 m/s
 velká síla kontrakce
 [činek podráždění hladkého svalstva je závislý na vztahu mezi
frekvencí stimulačních impulsů a frekvencí vlastní spontánní
aktivity.
 zesílení tonu - při nízkém tonu svalstva
 uvolnění - při vysokém tonu
průběh stimulace: od nízkých opakovacích frekvencí stimulačních impulsů.
45
Trávící systém
 obsahuje
 ústa(Mouth)
 jícen (Esophagus) (10s)
 žaludek (Stomach) (1-3hod)
 tenké střevo (Small intestine, 5m)(7-9hod)
 tlusté střevo (Large intestine,1.2-1.5m ) (25-30hod)
 konečník (Rectum)
46
3 základní funkce trávícího systému:
 pohyb tráveniny
 aktivita žaludku (3cykly/min)
 aktivita tenkého střeva (2-3/min, extrémně 12/min)
- peristaltická vlna může vzniknout kdekoliv (rychlost 0,5-2cm/s, klesá od
dvanáctníku), po 3-5cm zaniká (max 10cm).
- trávenina se pohybuje střevem vemni pomalu (1cm/min)
 aktivita tlustého střeva
 vylučování látek
 absorbce vody a elektrolytů (tlusté střevo)
47
Stimulace
 nepřímá stimulace žaludku a střev
 přímá stimulace žaludku a střev
 - klinické; - implantabilními stimulátory.
 obvodové řešení viz. neuromuskulární stimulátory.
 parametry externích stimulátorů:
 velikost stimulačních impulsů 5÷20mA nebo 2÷20V,
 šíře impulsů většinou 5 ms, opakovací frekvence 20 ÷ 60 Hz.
 doba stimulace 3 minuty s přestávkou 3 minuty, po dobu celkem 30 minut.
 klinická účinnost se prokazuje záznamem elektrogastrogramu (EGG).
48
Nepřímá stimulace
 Nepřímá
 elektrody (průměr 15÷20 mm) jsou umístěny na povrchu břicha
 vzdálenost 50 ÷ 60 mm od sebe
 umístění elektrod - vlevo nebo vpravo od střední linie břicha, po jedné její straně
na úrovni pupku.
 Nepřímá transrektální stimulace
 záporná aktivní elektroda se zasouvá do rekta do hloubky 15 ÷ 20 cm
(nerezavějící ocel, délka 300 mm, průměr 5 mm, zahnutá. Má pryžový obal a
aktivní úsek 10 ÷ 15 mm)
 kladnou pasivní elektrodou na stěně břišní (olověná destička 60 x 120 mm,
tloušťka 10÷15mm, uložená do flanelu napuštěného fyziologickým roztokem)
 vzdálenost 100 ÷ 150 mm.
49
Přímá gastrostimulace – oblast stimulace
 transgastrální stimulace (oblast žaludku)
2 elektrody
 aktivní unipolární elektroda má tvar "olivy" s vodiči v polyvinylchloridové
hadičce připojenými konektorem k externímu stimulátoru,
 indiferentní kladná elektroda tvořená olověnou destičkou 100 x 150 mm se
umisťuje na stěnu břišní v krajině epigastria (nadbřišku).
 transduodenální stimulace (přes dvanáctník)
2 elektrody
 bipolární elektroda
 tzv. duodenální sonda.
Stimulační elektrody 5 x 5 mm ze stříbra jsou umístěny na sondě ve vzdálenosti
30 mm od sebe. Pro tuto stimulaci postačí menší velikosti stimulačních impulsů.
50
Laparoskopický obraz: upevnění elektrod na
stěnu žaludku
51
gastrostimulátor
http://www.cpmc.org/services/gi/services/gastric_electrical_stim.pdf