C - FBMI

fbmi.cvut.cz

C - FBMI

Úvod vod do biomedicínsk

biomedic nského ho

inženýrstv in enýrství

prof. Ing. Peter Kneppo, DrSc.

kneppo@fbmi.cvut.cz


Pro řádné ukončení předmětu je třeba:

• účastnit se minimálně 85% přednášek (tj. 11 ze 13); za

každou přednášku, které se student nezúčastní, zpracuje

domácí písemnou práci dle pokynů garanta předmětu,

kterou odevzdá garantovi nejpozději do konce příslušného

zkouškového období

• v případě dlouhodobé nemoci je možné na základě

předložení neschopenky dohodnout náhradní podmínky

absolvování (lze použít pouze v případě dlouhodobé

nemoci/úrazu, nikoli v případě několika krátkodobých

nemocí)

• absolvovat zkoušku během zkouškového období

příslušného semestru

• v případě nesplnění těchto podmínek si student zapíše

předmět znovu v následujícím akademickém roce (tj. v

zimním semestru 2011/2012)

• Veškeré omluvy studentů přijímá pouze prod. Rogalewicz.


Joseph D. Bronzino:

The Biomedical Engineering Handbook.

2nd ed. Boca Raton: CRC Press, 2000. 3024 s. ISBN 0-8493-0461-X Vol. I, ISBN 0-8493-0462-8, Vol.II


6 hlavních hlavn ch oblastí oblast biomedicínsk

biomedic nského ho

inženýrstv in enýrství

• Systémová fyziologie a modelování

• Zpracování biosignalů

• Lékařské přístroje

• Zobrazovací systémy

• Biomateriály

• Biomechanika a rehabilitační

inženýrství


System Physiology and Modeling

• In the context of biomedical engineering, modeling

refers to the use of scientific and engineering

principles to predict the behavior of a system of

interests. Systems of interest may include the human

body, particular organs or organ systems and

medical devices.

• This aspect of biomedical engineering used to gain a

comprehensive and integrated understanding of the

function of living organisms. These organisms range

from bacteria to humans. Modeling is used in the

analysis of experimental data and in formulating

mathematical descriptions of physiological events. In

research, modeling is used as a predictive tool in

designing new experiments to refine our knowledge.

• Examples are the biochemistry of metabolism and

the control of limb movements.


Biosignal Processing

• Signal processing involves the collection and

analysis of data from patients or experiments

in an effort to understand and identify

individual components of the data set or

signal. The manipulation and dissection of the

data or signal provides the physician and

experimenter with vital information on the

condition of the patient or the status of the

experiment. Biomedical Engineers apply

signal-processing methods to the design of

medical devices that monitor and diagnose

certain conditions in the human body.

• Examples include heart arrhythmia detection

software and brain activity.


Medical Instrumentation

• Medical instrumentation is the application of

electronics and measurement techniques to

develop devices used in diagnosis and

treatment of disease. Computers are an

important and increasingly essential part of

medical instrumentation, from the

microprocessor in a single-purpose

instrument to the microcomputer needed to

process the large amount of information in a

medical imaging system.

• Examples of medical instrumentation include:

heart monitors, microelectrodes, defibrillators

and glucose monitoring machines.


Medical Imaging

• Medical Imaging combines knowledge of a

unique physical phenomenon (sound,

radiation, magnetism etc.) with high-speed

electronic data processing, analysis and

display to generate an image. Often, these

images can be obtained with minimal or

completely non-invasive procedures, making

them less painful and more readily repeatable

than invasive techniques.

• Examples include Magnetic Resonance

Imaging (MRI), ultrasound and computed

tomography (CT).


Biomechanics and Rehabilitation

Engineering

• This area is comprised of two related parts: biomechanics

and rehabilitation engineering.

• Biomechanics applies both fluid mechanics and transport

phenomena to biological and medical issues. It includes

the study of motion, material deformation, flow within the

body, as well as devices, and transport phenomena in the

body, such as transport of chemical constituents across

biological and synthetic media and membranes.

• Efforts in biomechanics have developed the artificial heart,

replacement heart valves and the hip replacement.

• Rehabilitation engineering uses concepts in biomechanics

and other areas to develop devices to enhance the

capabilities and improve the quality of life for individuals

with physical and cogitative impairments. They are

involved in prosthetics, the development of the home

and/or workplace, and transportation modifications.


Kvalita života je výsledkem vzájemného působení

sociálních,

zdravotních,

ekonomických a

Kvalita života

environmentálních podmínek, týkajících se lidského a

společenského rozvoje.

Na jednej straně představuje

objektivní podmínky na dobrý život a na straně druhé

subjektivní prožívaní dobrého života.


Na subjektivní prožívaní dobrého života mají

podstatný vplyv faktory:

☻ materiálny dostatek jednotlivce,

☻ zdraví,

☻ výkonnost,

☻ soukromí,

☻ bezpečnost,

☻ společenská akceptace,

☻ emocionální nasycení.


Definice zdraví

• Stav úplné tělesné, duševní a sociální

pohody, a ne jen pouhou nepřítomnost

nemoci či slabosti (WHO 7. 4. 1948)

• Vymezuje zdraví jako ideální stav,

neumožňuje však objektivní měření zdraví

• Doplněk definice – snížení úmrtnosti,

nemocnosti a postižení v důsledku

zjistitelných nemocí a nárůst pociťované

úrovně zdraví (WHO 2001)


Typy biosignálů biosign

Podle původu či vzniku je možné biosignály členit do následujících typů :

• Elektrické biosignály

Tyto biosignály jsou generovány nervovými a svalovými buňkami. Jsou

výsledkem elektro-chemických procesů uvnitř buněk a mezi buňkami.

Pokud na nervovou nebo svalovou buňku působí stimul silnější než

prahová hodnota dráždění, buňka generuje akční potenciál. Celkový

akční potenciál, reprezentující tok iontů buněčnou membránou, můžeme

měřit užitím nitrobuněčných mikroelektrod. Akční potenciály excitovaných

buněk jsou přenášeny na přilehlé buňky a mohou vytvořit elektrické pole

v odpovídající biologické tkáni. Změny v mezibuněčných potenciálech lze

snímat elektrodami na povrchu orgánu nebo organismu jako časový

průběh biosignálu. Příkladem jsou signály EKG, EEG, EMG, FEKG, EGG,

ENG a další.

• Impedanční biosignály

Impedance tkání nesou významné informace o jejich skladbě, perfusi,

objemu krve, nervové a endokrinní aktivitě apod. Impedanční biosignál se

získává povrchovými nebo vpichovými elektrodami při aplikaci malých

proudů (20 μA ÷ 2 mA) na frekvencích 50 kHz ÷ 1 MHz. Frekvence bývá

volena s ohledem na minimalizaci polarizace elektrod, proud s ohledem

na tepelné poškození tkání. Tato impedanční měření se obvykle provádí

se 4 elektrodami – dvě zdrojové a dvě měřicí. Metoda bývá označována

jako impedanční pletysmografie nebo reografie.


Typy biosignálů biosign

• Magnetické biosignály

Řada orgánů vtěle, jako srdce, mozek a některé další, generuje velmi

slabá magnetická pole. Snímání těchto polí poskytuje informace, které

jsou spojovány se specifickými fyziologickými aktivitami, ale nejsou

obsaženy v jiných biosignálech. Měření těchto biosignálů je však velmi

náročné, protože se jedná o úrovně intenzit magnetických polí o několik

řádů nižších než je pole geomagnetické.

• Akustické biosignály

Mnoho fyziologických jevů je provázeno nebo vytváří akustické signály

nebo akustický šum. Měření těchto signálů přináší další informace při

hodnocení funkce významných orgánů. Tok krve srdečními chlopněmi

nebo cévami vytváří typické akustické signály. Stejně tak průtok

vzduchu horními i dolními dýchacími cestami v plicích vytváří akustické

signály známé jako šelesty dýchání, kašel, chrápání. Zvuky jsou také

generovány v zažívacím traktu a v kloubech. Snímání akustických

biosignálů se provádí mikrofony nebo akcelerometry.


Typy biosignálů biosign

• Optické biosignály

Optické biosignály jsou výsledkem pozorování optických vlastností

biologického systému – organismu vyskytujících se samovolně nebo

indukovaně při měření. Je známo, že okysličení krve, saturace

kyslíkem, může být hodnocena měřením přímého a odraženého světla

(různých vlnových délek) po průchodu tkání. Metoda je označována

jako oximetrie. Významnou informací o stavu plodu je rovněž změřená

charakteristika amniotické tekutiny. K hodnocení srdečního výdeje je

možné také užít barvivovou diluční techniku, která využívá monitorování

výskytu recirkulujícího barviva v krevním toku.

• Tepelné biosignály

Tepelné biosignály spojitého nebo diskrétního charakteru nesou

informace o teplotě tělesného jádra nebo rozložení teplot na povrchu

organismu. Měřené teploty jsou výrazem fyzikálních a biochemických

procesů probíhajících v organismech. Měření probíhá obvykle

kontaktním způsobem užitím nejrůznějších typů teploměrů. Speciální

oblastí je využití signálů z oblasti infračerveného záření, které jsou

snímány bezkontaktně ve 2D formátu termovizní kamerou.


Typy biosignálů biosign

• Radiologické biosignály

Tyto biosignály vznikají interakcí ionizujícího záření s biologickými

strukturami. Na všech aplikovaných vlnových délkách i úrovních energií

nesou informace o vnitřních anatomických strukturách organismu. Jsou

snímány speciálními snímači, zpracovávány a zobrazovány ve 2D,

někdy i 3D formátu. Mají zásadní význam v diagnostice a při plánování

radiační terapie.

• Ultrazvukové biosignály

Vznikají interakcí ultrazvukového vlnění s tkáněmi organismu. Nesou

informace o akustických impedancích biologických struktur a jejich

anatomických změnách. Snímány jsou sondami s piezoelektrickými

měniči, zpracovávány a zobrazovány ve 2D nebo 3D formátu. Speciální

formou ultrazvukových biosignálů jsou dopplerovské signály nesoucí

informace o velikosti, směru a charakteru toku krve ve významných

cévách nebo dutinách srdce.


Typy biosignálů biosign

• Chemické biosignály

Za chemické biosignály považujeme výsledky chemických měření

provedených na živých tkáních nebo na vzorcích analyzovaných

v klinických laboratořích. Jedná se o stanovení koncentrací

nejrůznějších iontů (K, Ca) uvnitř buněk, ale i v jejich okolí pomocí

speciálních iontově citlivých elektrod. Významné jsou i parciální tlaky

kyslíku pO2 a oxidu uhličitého pCO2 v krvi nebo respiračním

systému. Zásadní význam má i pH krve. Chemické biosignály jsou

nejčastěji velmi nízkých frekvencí, stejnosměrné nebo pomalu se

měnící.

• Mechanické biosignály

Každý mechanický biosignál má původ v některé z mechanických

funkcí či činností biologického systému – organismu. Tyto signály jsou

odvozené z pohybu, přemísťování, z tlaku a mechanického napětí

nebo průtoku. Měření těchto biosignálů vyžaduje užití nejrůznějších

snímačů. Typickým příkladem je nepřímý způsob měření tlaku krve,

fonokardiografie, snímání karotidogramu a další.


Typické Typick hodnoty vybraných biosignálů biosign

Biosignál napěťový rozsah frekvenční rozsah elektroda

Elektrokardiogram EKG 0,5 - 5 mV 0,05 - 100 Hz plošná

Elektroencefalogram EEG 2 - 200 μV 0,5 - 200 Hz plošná

delta vlny 0,5 - 4 Hz

theta vlny 4 - 8 Hz

alfa vlny 8 - 13 Hz

beta vlny 13 - 22 Hz

Elektromyogram EMG 0,05 - 5 mV 2 - 500 Hz plošná - sval

0,01 - 2 mV 5 Hz - 10 kHz jehlová - vlákno

Elektrogastrogram EGG 10 - 1000 μV 0 - 1 Hz plošná - kůže

0,5 - 80 mV 0 - 1 Hz plošná - žaludek

Elektrookulogram EOG 10 μV - 3,5 mV 0 - 100 Hz plošná

Elektroretinogram ERG 0,5 - 1 mV 0 - 200 Hz mikroelektroda

Fetální EKG FEKG 10 - 300 μV 0,2 - 100 Hz plošná


Vzruch

je jev každé buňky

vzrušivé tkáně, který probíhá

typicky (t.j. v jednotlivém

elementu vždy stejně, v různých

odchylně), zhruba podle zákona

„všechno nebo nic“, jako jev

předem připravený a opakující

se a je doprovázený

energetickými projevy. Z

energetických projevů, které

doprovázejí vzruch, zajímá

elektrofyziologii především

projev elektrický.

Vilém Laufberger: „Vzruchová teorie“ (1947).

neurón


Akční potenciál

• Depolarizace membrány je ovšem graduovaná pouze k určitému

bodu, zvanému prahový potenciál

• pokud depolarizace dosáhne tohoto prahového potenciálu, vznikne

nový typ odpovědi, zvaný akční potenciál

• Akční potenciál je negraduovaný; jedná se o odpověď typu všenebo-nic

• velikost akčního potenciálu je tedy nezávislá na velikosti

depolarizace, která jej vyvolala.

• Jakmile je jednou akční potenciál spuštěn, membránový potenciál

prochází stereotypní sekvencí změn

• Při akčním potenciálu dojde k rychlému přepólování membrány, s

kladným nábojem uvnitř a záporným nábojem vně buňky

• tento převrat je následován repolarizací, kdy se náboje vrátí na svou

původní hodnotu

• celá událost netrvá déle než milisekundy

• akční potenciál je příkladem pozitivní zpětné vazby - depolarizace

vedoucí k prahovému potenciálu spustí ještě mohutnější

depolarizaci - akční potenciál


Akční potenciál

Akční potenciál může v neuronu

vzniknout pouze v axonu.. Může

jej spustit depolarizace dendritu

nebo těla buňky, odkud se rozšíří

až do axonu

Prahový potenciál je typicky o 15

až 20 mV menší než klidový

potenciál

V axonu se tedy jedná o potenciál

v rozmezí -50mV až -55mV


Nervový impuls

postupuje axonem

• Akční potenciál lze

přirovnat k shození první

kostky domina.

• Hyperpolarizace

refraktorní periody

zabraňuje tomu, aby se

akční potenciál šířil

směrem vzad. Axon tedy

lze přirovnat k ulici, po

které jezdí auta jen jedním

směrem


Nernstova rovnice

Jak spočítat membránový potenciál

Klidový membránový potenciál, je rovnovážný

potenciál, při kterém existuje rovnováha, tedy

platí :

chemický (koncentrační) gradient (K + zbuňky)

= elektrickému gradientu (K + do buňky)

lze vypočíst z Nernstovy rovnice


Odvození Nernstovy rovnice:

Předpoklad:

chemický (koncentrační) gradient (K + zbuňky)

elektrickému gradientu ( K + do buňky )


práce A a spojená převodem 1molu látky

zkoncentrace c e na koncentraci c i

=

práce A e spojená s převodem 1 molu ionizované

látky přes potenciální rozdíl V

=


Práce spojená převodem 1 molu látky

z koncentrace c e na koncentraci c i

A =

R ⋅T

⋅ln

a

[ c ] e

[ c ] i

Aa……práce R…… univerzální plynová konstanta (R= 8,3 J. K-1 . mol –1 )

T…… absolutní teplota v K

ce …. vnější koncentrace (extracelulární)

ci…… vnitřní koncentrace (intracelulární)


práce spojená s převodem 1 molu ionizované

látky přes potenciální rozdíl E

A e

=

Ae……práce V……napětí

n…… náboj ( K + → n=1; Na + → n= 1; Ca2 + → n=2; Cl- → n=-1)

F…… Faradayova konstanta

F = NA . Qe = 9,65 . 104 C . mol-1 NA =6,023 1023 mol-1

Qe = 1,6 10-19 C

V


n


F


A

A

A

V

a

a

e

=

=

=

=

A

R

V


Nernstova rovnice

e

R

⋅T


n

⋅T

⋅ ln


F


n

ln


[ c ] e

[ c ]

F




i

c

c

e

i




V……napětí

n…… náboj

F…… Faradayova konstant.

F = 9,65 . 10 4 C . mol -1

R… univerzální plynová kon.

(R= 8,3 J. K -1 . mol –1 )

T…… absolutní teplota v K

c e …… vnější koncentrace

c i …… vnitřní koncentrace


• V rovnováze se ustaví takový rozdíl potenciálů

(membránové napětí), při němž elektrický proud

protékající membránou je nulový. Toto

rovnovážné napětí (v uvedeném případě pro

draslíkové ionty V K ) závisí na poměru

koncentrací K + v obou prostředích a je

vyjádřeno tzv. Nernstovým vzorcem

RT

F

[ K

ln

[ K

V K =

+

+

• R je plynová konstanta (8,314 J mol -1 K -1 ), T

absolutní teplota a F Faradayův náboj (96 485 C

mol-1).

n…… náboj ( K+ → n=1; Na+ → n= 1; Ca2+ → n=2; Cl- → n=-1)

]

]

e

i

.


• Předpokládejme nyní, že v daném okamžiku se

membrána stala propustnou nikoliv pro

draslíkové, ale pro sodíkové ionty. Vzhledem k

předtím uvedené podmínce budou nyní kladné

ionty vstupovat do buňky a vnitřek buňky získá

naopak pozitivní potenciál vzhledem k vnějšímu

prostředí. Rovnovážné napětí pro sodíkové ionty

je opět dáno Nernstovým vzorcem

RT

+

V = Na

+

F

[ Na

ln

[ Na

n…… náboj ( K+ → n=1; Na+ → n= 1; Ca2+ → n=2; Cl- → n=-1)

]

]

e

i

.


Převedením přirozeného logaritmu na dekadický a

nahrazením konstant numerickými hodnotami dostáváme

tvar při 37°C :

V = 61,

5 ⋅ log

Zajímavost u počítání klidového membránového

potenciálu (KMP) z rovnovážného potenciálu pro Cl - se

obrací poměr koncentrací, protože z rovnice je třeba

odstranit záporná jednotková valence Cl - (n- náboj → Cl -

→ n=-1)

=




V 61,

5 log


c

c




e

i

c

c




i

e




Modelování

• Pro vyjádření velikosti klidového membránového napětí

vyjdeme z jednoduchého elektrického náhradního

schématu membrány, které můžeme sestavit na

základě toho, co bylo doposud řečeno o její struktuře a

funkci.

• Tenká fosfolipidová membrána má isolační vlastnosti a v

elektrickém náhradním schématu se uplatní jako

kapacita (C).

• Kanálové systémy pro jednotlivé druhy iontů tvoří

paralelní cesty pro transport iontů. V náhradním

schématu vyjádříme každý z nich sériovou kombinací

elektromotorického napětí velikosti příslušného

rovnovážného napětí (V x ) a vodivosti (G x ).


Elektrický model buněč buněčné

membrány:

membr ny:

V jsou rovnovážné potenciály příslušných iontů, G

jejich vodivosti, i iontové proudy, Vm membránový

potenciál a Cm kapacita membrány

membrána

vnější strana membrány

vnitřní strana membrány


Elektrický model buněč buněčné

membrány

membr ny

• Tento model membrány vysvětluje přechod ze

stavu fysiologického klidu do aktivity časovou

změnou vodivosti sodíkového a draslíkového

kanálu. Jednotlivé kanály jsou

charakterizovány sériovým zapojením zdroje

rovnovážného potenciálu a příslušné iontové

vodivosti.


Modelování Modelov elektrických vlastností vlastnost

buněč buněčné

membrány membr ny

Buněčná membrána se chová v podmínkách

fyziologického klidu jako RC obvod. Proud i přivedený

na takovýto obvod se rozdělí na ohmický i r a kapacitní

proud i c. Z Ohmova zákona platí

Kapacitní složku i c určíme z velkosti náboje na kondensátoru C m


Derivováním podle času dostaneme

Potom celkový proud se rovná


Řešením předcházející diferenciální rovnice za určitých

okrajových podmínek dostaneme výraz pro potenciálový rozdíl:

kde je τ = r m C m časová konstanta, která vyjadřuje dobu, za

kterou poklesne amplituda na hodnotu 1/e (asi 36.8 %).

Membránový odpor nahrazujeme vodivostí

buněčné membrány:


Celkovou membránová vodivost můžeme však

považovat za součet parciálních vodivostí tří

základních fyziologických iontů:

Pro jednotlivé iontové vodivosti platí vztahy:


Hodnota membránového potenciálu je

potom určená vztahem

> rovnice ukazuje, že čím je vodivost (permabilita)

membrány pro daný iont větší, tím více se hodnota

klidového membránového potenciálu bude blížit k

rovnovážnému potenciálu daného iontu

> význam pro posuzování změn klidového

membránového potenciálu na základě změn

permeability membrány


Povaha nervových signálů

• Všechny buňky mají rozdíl v elektrickém náboji

na obou stranách plasmatické membrány

• Tomuto rozdílu se říká membránový potenciál

• Membránový potenciál lze měřit voltmetrem,

jehož jedna elektroda je v buňce a druhá na

vnější straně membrány

• Elektroda mimo buňku nese název referenční

elektroda


Měření


• Intracelulární snímání je založeno na registraci potenciálů

nebo proudů a stimulaci vzhledem k referenční elektrodě

pomocí skleněné mikropipetky se vsunutou Ag/AgCl

elektrodou.

•Tato skleněná elektroda penetruje membránu buňky; musí

být proto velmi tenká a ostrá, aby byl kontakt elektrody s

membránou velmi těsný a buňka nebyla příliš poškozena

(např. díry v membráně, kterými by tekly ionty).

•Skleněné mikroelektrody mají velmi tenký hrot, a díky

tomu (a vlastnostem skla) také vysoký tzv. hrotový odpor.

• Proto musí být spojeny se zesilovači, jejich vstupní odpor

je aspoň 100x vyšší než hrotový odpor pipetky (tím se chyba

měření minimalizuje pod 1%).


Měření

• (mikroelektroda), o průměru < 0,1 μm

• mezi vnitřkem buňky a vnějším prostředím

rozdíl elektrického potenciálu asi 70 mV

•u různých buněk od 40 do 90 mV

• na základě dohody k němu připojujeme

znaménko mínus.

• Zevnímu prostředí (extracelulární tekutině)

je konvenčně přisuzován základní potenciál

rovný nule (0 V)


Skleněné mikroelektrody

(„Ag/AgCl elektrody ve skleněné mikropipetce“)

„elektroda vyrobená s hrotem o rozměru v řádu

mikrometrů (10 -6 m)“,

• sklo je dielektrikum, slouží jako

izolant od okolí

• dobře očištěné a odmaštěné sklo

tvoří s lipidickou membránou velmi

těsný spoj (minimální únik iontů

okolo vpichu)


Terčíkový zámek (patch-clamp) – jak

vyzrát na jeden jediný iontový kanál

Registrace miniaturních proudů technikou terčíkového zámku je založena

na přisátí ústí skleněné mikropipetky na buněčnou membránu. Díky

různým konfiguracím pipetka/membrána lze provádět např. registrace pA

proudů z kanálů v terčíků membrány vymezených ústím skleněné

mikropipetky či registrace proudových odpovědí z celé buňky.

Princip: přisátí na konci otavené skleněné

ME k buněčné membráně. Díky

přilnavosti lipidů k čistému sklu vznikne

velmi pevné spojení (vyšší než

soudržnost membrány samotné!). Ústím

pipety (2-4 µm) je vymezen malý terčík

(patch). Metoda je vhodná jen pro buňky

zbavené buněčné stěny či bazální

membrány.


Terčíkový zámek (patch clamp)

1.-2.) „přisátí k buňce“ (cell-attached

configuration: po přiblížení k buňce lze

aplikací mírného podtlaku (sání) vtáhnout část

membrány do ústí pipety (gigaseal, 10-50

GΩ); registrace aktivity jednotlivých kanálů v

terčíku při přirozeném membránovém

potenciálu buňky

3.-4.) „snímání z celé buňky“ (whole-cell

configuration: aplikací dalšího podtlaku lze

terčík protrhnout, membrána se přilepí na

vnitřní povrch ME; stejný potenciál aplikovaný v

pipetce jako KMP buňky, nízká koncentrace

Ca 2+ v pipetce; souhrnný proud vzniklý činností

všech kanálů v membráně buňky

5.-6.) „snímání z terčíku“ (inside-out, outsideout

configuration): terčík v ústí pipety lze

odtrhnout (intracelulární strana membrány do

roztoku, inside-out), nebo lze pipetu jemně a s

ní i membránu vytahovat: poté, co se krček

přetrhne, membrána se zase spojí (outside-out)


měření akčního potenciálu – metoda

terčíkového zámku (patch clamp)


Kovové mikroeletrody

Kovové ME jsou používány na extracelulární a na dlouhodobé záznamy. Velkou

výhodou extracelulárních záznamů je to, že se ME nemusí zavádět do buňky, což

může být velmi obtížné, je-li malá, a navíc ji to poškodí. Extracelulární záznamy

jsou také výhodné u tkání, které se pohybují, mění objem a pod. Nevýhodou

těchto záznamů je zejména to, že je velmi snadné pořizovat záznam z více buněk

najednou, aniž to chceme, i když je hrot ME velmi malý (i pod 1 μm). Pak je

třeba odlišit charakteristický projev jednoho neuronu od druhého (není snadné

odlišit dva lidi v jedné místnosti plné jiných – amplituda?, frekvence?, tvar

AP?,...).

Laserem broušená wolframová ME.

Kovové ME mohou být používány opakovaně,

jednotlivě i jako stereody (dvě spojené),

koncentrické ME, multielektrodové systémy apod.

Nejčastěji jsou vyrobeny z wolframu, směsi

platiny a iridia, čisté platiny, s čistého iridia a

nerezové oceli. Podobné využití jako kovové ME

mají i ME z uhlíkových vláken, které se snadněji

vyrábějí, jsou dobrými vodiči a mají nízký šum na

rozhraní s elektrolyty.


• komerční kovové ME jsou lakovány

izolačním lakem pokrývajícím ME až

ke hrotu, ten je neizolován v délce asi

10 μm (čím je neizolovaný hrot kratší,

tím je ME přesnější co do lokalizace

sledovaného místa); jiné typy izolace

zahrnují pokrytí polyimidy,

Parylenem; polarizace těchto elektrod

se mění v průběhu experimentu,

často nepredikovatelně ⇒ spíše

krátkodobější měření; typické použití

– sledování elektrické jednotkové

aktivity mozku); odpor typicky kΩ či

jednotky MΩ


Napěťový zámek (voltage clamp)

• Měření jak pasivných, tak i aktivních elektrických veličin

buněčné membrány je metodicky náročné.

Membránovou vodivost pro jednotlivé ionty můžeme

odvodit z měření iontových toků pomocí radioaktivních

izotopu. Jiná metoda, tzv. metoda napěťového zámku

(voltage clamp), dovoluje měřit přímo iontové proudy

přes buněčnou membránu.

• Napěťový zámek je metoda vynalezená Kenethem

Colem a Curtisem a zdokonalená Hodgkinem, Huxleyem

a Katzem. Dovoluje „nastavit“ membránový potenciál

buňky na určitou hodnotu (mV) a „zamknout“ jej na této

úrovni, přičemž lze zaznamenávat proudy tekoucí přes

membránu dané buňky. V buňce tedy máme dvě

skleněné mikroelektrody: jedna zaznamenává proud a

druhá udržuje patřičný transmembránový potenciál.


Napěťový zámek (voltage clamp)

• Jedna mikroelektroda zaznamenává

transmembránové napětí (a toky proudů) oproti

zemnící elektrodě umístěné extracelulárně a je

připojena na zesilovač. Druhá mikroelektroda je

připojena ke zdroji napětí a je na ni nastaveno tzv.

řídící napětí, tj. úroveň potenciálu, na které má být

„uzamčena“ membrána.

• Pokud se liší hodnota tohoto řídícího napětí a

membránového potenciálu měřeného první

mikroelektrode, vyšle zdroj proudový puls, který

tyto hodnoty zase srovná.


Napěťový zámek (voltage clamp)

• Takže: je-li řídící napětí nastaveno na hladinu klidového

membránového (např. –60 mV) potenciálu a změřený

potenciál je -60 mV, není třeba aplikovat žádný proud.

• Pokud je řídící napětí nastaveno např. na –40 mV,

zesilovač odpoví aplikací takového proudu, aby membránu

depolarizoval z –60 mV na požadovaných –40 mV.

• Takto dojde mj. k otevření napěťově ovládaných

sodíkových kanálů, sodné ionty vtékají do buňky a nesou

tak dovnitř tekoucí proud. U nezamčeného vlákna by

vtékaly sodné ionty dál a dál, ale u vlákna zamčeného

zesilovač operativně vyšle opačný proudový puls v takové

výši, aby udržel membránu na požadovaném řídícím

napětí.


Měření membránového potenciálu a proudu

metodou voltage clamp

Voltmetr a

záznam

Zpětnovazební zesilovač:

nastavení řídícího napětí s aplikací

membránového proudu s

kompenzaci napětí na nulu

Ampérmetr (měření a

záznam kompensačního

proudu)


Napěťový zámek (voltage clamp)

Velikost dovnitř tekoucího sodíkového proudu a opačného proudu

aplikovaného zesilovačem je naprosto stejná. Metoda napěťového zámku

tedy umožňuje měřit velikosti proudů nutných k dosažení určitého

membránového potenciálu. Spolu se specifickými blokátory různých typů

kanálů můžeme také např. určit typ proudu za danou odpověď

zodpovědného a pod.

Tato technika umožnila Hodgkinovi s Huxleyem analyzovat jednotlivé

fáze akčního potenciálu co do typu proudů. Do obřího axonu sépie

zavedli dva drátky. Jeden sloužil jako záznamová elektroda k registraci

transmembránového potenciálu, druhý sloužil k aplikaci proudů nutných k

udržování řídícího napětí. Metoda napěťového zámku tedy umožňuje

měřit velikosti proudů nutných k dosažení určitého membránového

potenciálu. Spolu se specifickými blokátory různých typů kanálů můžeme

také např. určit typ proudu za danou odpověď zodpovědného a pod.


Vytvoření elektrického kontaktu s vnitřkem

buňky pomocí izolačního můstku

R

U

i

výst

pro

>>

A

B

Z

m

= U

R

is

m

R

is

R

is

>> R

i

měřený úsek

preparátu

+ R

i

preparát

U m

m

elektrická izolace

R i

R is

Z m

roztok depolarizující

membránu

U výst ≅ U m

m - symbol pro elektrické vlastnosti membrány; Zm - impedance membrány, která

je depolarizací zbavena excitability; Ri - podélný odpor vnitřního prostředí buňky;

Ris - odpor izolační přepážky.

U výst


Měření magnetického pole

nervového vlákna


magnetometr


Kardiovaskulární systém;


Hodnoty tlaku, časů a objemů v předsíních a komorách

během srdeční revoluce


Srdce

• Srdce je dutý svalový orgán, který svými pravidelnými

kontrakcemi zajišťuje neustálý oběh krve a mízy v

organismu. U savců je srdce uloženo v prostoru středohrudí,

tedy v hrudníku mezi plícemi, hrudní kostí a bránicí.

• Srdce má tvar kužele, jehož hrot (apex) směřuje doleva a

dolů. Srdeční základna je místo, kam ústí cévy vstupující a

vystupující do srdce, podkladem hrotu je hlavně levá

komora. Krev při průchodu srdcem protéká dutinami, které

jsou navzájem odděleny chlopněmi zabraňujími zpětnému

toku krve. Náraz krve na uzavřené chlopně při systole

slyšíme jako srdeční ozvy.

• Na povrchu je srdce kryto epikardem, vazivovou blankou, ve

které probíhají tepny a žíly, obsahuje také tukovou tkáň.

Nejsilnější část stěny je myokard, který je tvořen srdeční

svalovinou. V síních je dvouvrstevný, ve stěnách komor je

tvojvrstevný. Vlákna srdečního svalu jsou složitě propletena

a tvoří architektoniku srdečního svalu.


Schéma srdce

• Srdce je

rozděleno

dvěma

přepážkami

na čtyři dutiny


Převodní systém srdce


převodní systém srdce

• Srdce je do jisté míry autonomní orgán, podněty k kontrakci

myokardu vznikají přímo ve vlastní svalovině, a to v modifikovaných

kardiomyocytech tvořících převodní soustavu srdeční. Této

vlastnosti se říká automacie.

• Na membránách buňek převodního systému se neustále spontánně

mění membránový potenciál. Po dosažení spouštěcí úrovně

(spontání diastolická repolarizace) vzniká akční potenciál, který se

šíří do pracovního myokardu a způsobí jeho kontrakci. Po skončení

akčního potenciálu je na membránách opět začne tvořit nový akční

potenciál. Buňky samotné jsou tedy zdroj vzruchů. Akční potenciály

vznikají pravidelně a jsou příčinou rytmické práce srdce. -

normálně je zdrojem depolarizací

• SA uzel - vzruch se šíří myokardem síní do AV uzlu -

• v AV uzlu dochází ke zpoždění 120 – 200 ms -

• vzruch se dále šíří Tawarovými raménky a Purkyňovými vlákny po

celém myokardu -

• nejdříve se depolarizuje septum, pak komory směrem od hrotu k

bázi


• srdcem se šíří

depolarizační a

repolarizační vlny

• na povrchu

buněčných membrán

můžeme oproti vnitřku

změřit akční potenciál

cca +30 mV, v

normálním stavu je

potenciál cca -90 mV

Vznik EKG

Jednotlivé elementarní membránové biopotenciály tvoří dipóly. Když tyto

všechny dipóly sečteme, dostaneme jeden výsledný vektor srdeční

činnosti. Tento vektor je vícerozměrný (obvykle měříme 3D) a je časově

proměnný. Jeho různými průměty do různých rovin získáváme pak obraz

srdeční činnosti v daném svodu. Tento záznam pak nazýváme

elektrokardiogramem v jednotlivých svodech


postup šířen ší ení se aktivace v srdci


Srdcový cyklus


Modely presentace objemového zdroje

•dipól s momentem M(t)

•dipól M(t) + pohyblivý elektrický střed r 0 (t)


dipól M(t) + pohyblivý elektrický stred r 0 (t)

r 0 (t)

M(t)


• multidipól M n (r n )

modelovaní modelovan zdrojů

zdroj


multipól


Multipólové koeficienty


• multipól

modelovaní modelovan zdrojů zdroj


modelovaní prostředí

• homogenní nekonečně rozlehlý prostředí

• kulový model srdce a hrudníka

• homogenní model hrudníka reálního tvaru

• nehomogenní model hrudníka s rozhodujícími

nehomogenitmi (plíce, myokard, krev v srdci)


Modelování geometrie a

elektrických vlastností hrudníku


Biomagnetická aktivita max.ampl.


Intensity of magnetic signal(T)

10 -4

10 -5

10 -6

10 -7

10 -8

10 -9

10 -10

10 -11

10 -12

10 -13

10 -14

10 -15

How small is the signal?

Earth field

Urban noise

Contamination at lung

Heart QRS

Fetal heart

Muscle

Spontaneous signal

(α-wave)

Signal from retina

Evoked signal

Intrinsic noise of SQUID

EYE (retina)

Steady activity

Evoked activity

LUNGS

Magnetic contaminants

LIVER

Iron stores

FETUS

Cardiogram

LIMBS

Steady ionic current

Biomagnetism

BRAIN (neurons)

Spontaneous activity

Evoked by sensory stimulation

SPINAL COLUMN (neurons)

Evoked by sensory stimulation

HEART

Cardiogram (muscle)

Timing signals (His Purkinje system)

GI TRACK

Stimulus response

Magnetic contaminations

MUSCLE

Under tension


Princip

aktivního

stínění


SQUID neboli supravodivé kvantové

intereferenční zařízení je využíváno k měření velmi

malých magnetických polí až na hranici řádu femto.

Základním kamenem pro sestrojení tohoto zařízení

bylo objevení Josephsonova jevu v roce 1962.

Tento jev je založen na přechodu supravodičizolace-supravodič,

kde lze díky kvantovému

tunelování Copperových párů měřit velmi malé

rozdíly napětí.

Standardně je jako hlavní složka zařízení použit

materiál niobium ochlazený pomocí tekutého hélia,

což patří mezi nejpřesnější a nejdražší možnost.

Dnes máme možnost využít nových

vysokoteplotních slitin, například YBa2Cu3O7-x, a k

ochlazení využít tekutý dusík. Tato metoda je

ekonomičtější, avšak pouze pro aplikace vyžadující

menší přesnost.

Jak je již z textu patrné, existují dva tipy zařízení

SQUID. Protože typ RF obsahuje pouze jeden

Josephsonův přechod je mnohem jednodušší a tedy

i levnější, proti typu DC, kde se využívá paralelního

spojení přechodů do supravodivé smyčky, má však

horší citlivost a přesnost.


Snad nejznámějšími příklady

využití supravodičů jsou

„Josephsonův přechod“ a zařízení

zvané „SQUID“ (supravodivý

kvantový interferenční detektor).

Obě využívají objev britského

doktoranda Briana Josephsona.

Josephson studoval kvantovou

teorii sendvičového materiálu

složeného ze tří vrstev –

supravodiče, izolátoru a

supravodiče, kde výplňová látka,

izolátor, tvoří pouze velmi tenkou

vrstvu. Ukázal, že Cooperovy páry

mohou tímto přechodem

protunelovat a díky tomu dochází k

velice zajímavým jevům. Jednou z

předpovědí bylo, že přechodem

bude procházet proud, i když

nebude pod napětím! Vypočítal

také, co by se stalo v přítomnosti

magnetického pole či oscilujícího

napětí o velmi vysoké frekvenci

doprovázeného konstantním

napětím. Posledně zmíněné

uspořádání umožňuje velice

přesně změřit poměr základních

konstant h/e (Planckova konstanta

vydělená nábojem elektronu).


magnetoencefalogram


Biomagnetická aktivita max.ampl.


Schématické

znázornění evokované

magnetoencefalografie


Lokalizace dipólových

generátorů epileptického výboje

Zobrazení 4 časových intervalů jednoho

epileptického výboje, izoindukční čary jsou ve

vzdálenosti 0,1 pT.


Lokalizace

dipólového

generátore

evokovaných

odpovědí na

elektrickou

stimulaci:

a)palce

b)ukazováku

v)malíčka

g)dlaně.

palec

malíček

ukazovák

dlaň


Lokalizace

dipóloveho

generátore

evokovaných

odpovědí na

zvukové

stimulace:

a)200 Hz

b)600 Hz

v)2000 Hz

g)5000 Hz.


2000 Hz

5000 Hz

600 Hz

200 Hz


Lokalizace

dipólového

generátore

evokovaných

odpovědí na

stimulace:

1)zubů

3)nose

4)sluchu

5)palce

6)malíčka.


Fetal MCG


MKG

EKG

Fetálny magnetokardiogram


Meracia mriežka


Magnetokardiogram

vysokého rozlíšenia v

intervale P - Q


Izoindukčné

čiary v

intervale

P – Q


Magnetokardiogram vysokého rozlíšenia

v intervale S – T (po infarkte)


Rozdíl mezi EEG a MEG


Magnetopneumografie

Magnetopneumografie

= mapování ferromagnetického prachu

usazeného v lidských plících

SQUID nebo fluxgate magnetometr


Magnetopneumografie


Magnetopneumografie


Magnetopneumografie

Magnetopneumografie

= mapování ferromagnetického prachu

usazeného v lidských plících

SQUID nebo fluxgate magnetometr


Porovnaní magnetických měření s výsledky

biopsie znečistění plic kovovým prachem


Změna koncentrace

magnetického prachu v čase


• rozměry

Umělé srdce

• hluk (výkon od 3 – 10 W)

• závislost od zdroje energie

• spolehlivost (40 mil. cyklů ročně)

• dočasnost

• min. 100 tisíc ročně


Umělé srdce AbioCor

• Společnosti Abiomed se zabývala

vývojem umělé totální srdeční

náhrady od svého založení v roce

1981.

• Výsledkem je umělé srdce AbioCor,

které bylo poprvé implantováno

člověku 2. 7. 2001. Pacient přežil 151

den po transplantaci a zemřel na

mozkově-cévní příhodu, která

s transplantací srdce nesouvisela.

• Dosud nejdéle žijící pacient s touto

totální umělou srdeční náhradou

přežil 512 dní.

• Americký úřad pro potraviny a léčiva

(FDA) schválil umělé srdce AbioCor

jako první totální umělou srdeční

náhradu pro použití v humánní

medicíně 5. 9. 2006 za stanovených

podmínek (omezený počet

implantačních pracovišť, maximálně

4000 transplantací ročně,…).


AbioCor Artificial Heart: first patient

• Robert Tools

received the AbioCor

heart on 2. July 2001

• Doctors hoped the

heart would work a

few weeks.

• Robert Tools lived for

5 months with this

heart and died from

other complications.


Bionické srdce

• Podle statistiky Americké srdeční asociace (American Heart

Association) z roku 2006, každý rok umírá v USA 57 000

pacientů na chronické selhání srdce. Pacientům trpícím

srdečním selháním je transplantováno zhruba 2 200 srdcí

od dárců, i velká část pacientů, pro které tato možnost není

vhodná, by si zasloužilo druhou životní šanci. Pacienti v

pokročilém věku, trpící poruchami orgánů nebo rakovinou,

nejsou ve většině případech vhodnými kandidáty pro

transplantace srdce od dárců a stávají se tak

potencionálními kandidáty pro implantaci bionického srdce

AbioCor.

• Bionické srdce AbioCor je určeno k náhradám silně

poškozených původních orgánů u pacientů, kteří nemohou

podstoupit transplantaci srdce od dárce nebo nemají jinou

možnost léčby. Srdce AbioCor zajišťuje oběhový systém

těla, je nadějí pro pacienty, kteří by jinak zemřeli na selhání

srdce, a nabízí jim výrazné zlepšení kvality života.


Umělé srdce AbioCor

• Společnosti Abiomed se zabývala

vývojem umělé totální srdeční

náhrady od svého založení v roce

1981.

• Výsledkem je umělé srdce AbioCor,

které bylo poprvé implantováno

člověku 2. 7. 2001. Pacient přežil 151

den po transplantaci a zemřel na

mozkově-cévní příhodu, která

s transplantací srdce nesouvisela.

• Dosud nejdéle žijící pacient s touto

totální umělou srdeční náhradou

přežil 512 dní.

• Americký úřad pro potraviny a léčiva

(FDA) schválil umělé srdce AbioCor

jako první totální umělou srdeční

náhradu pro použití v humánní

medicíně 5. 9. 2006 za stanovených

podmínek (omezený počet

implantačních pracovišť, maximálně

4000 transplantací ročně,…).


ABIOCOR - současnost

• umělé srdce firmy Abiomed

• titan + polyuretan

(AngioFlex)

• bezdrátové dobíjení baterie

• čerpací mechanismus

napodobuje bití lidského

srdce

• hmotnost přibližně 1 kg

• 2 hydraulické pumpy –

„přirozený“ tep

• 2001 první implantace

• 17 příjemců – až rok života

http://www.abiomed.com


Části ABIOCORu

• hrudní jednotka

• kontrolní jednotka

• implantovaná baterie

• implantovaný TET

(transcutaneous

energy transmission)

• externí jednotka


Hrudní (thoracic) jednotka


Hrudní (thoracic) jednotka

• hmotnost přibližně 1 kg

• 2 hydraulické pumpy –

„přirozený“ tep

•připojení na pacientovy

tepny a žíly


Implementovaná řídicí jednotka

• „mozek“ systému

• monitorování a kontrola hrudní jednotky

• určování tepové frekvence

• komunikace s externími částmi

• titanové pouzdro


Implantovaná baterie

• napájení hrudní a kontrolní jednotky

• výdrž max. 30 minut

• nabíjení přes TET (smyčka přenosu)

• titanové pouzdro

• nutná výměna po roce


Implantovaná smyčka přenosu

• přenos energie a informací

• spojení s implantovanou baterií a řídicí jednotkou

• žádné kabelové spojení přes kůži

• snížení rizika infekce


Externí smyčka přenosu

• přenos energie z externí jednotky do implantovaného

TET potažmo dalších implementovaných částí


Přenosný modul

• PCE (Patient-Carried Electronics)

• přenosný systém

• baterie až na 2 hodiny provozu

• stejná funkce jako externí jednotka

• hmotnost přibližně 5 kg


Přenosný modul

• PCE (Patient-Carried Electronics)

• přenosný systém

• baterie až na 2 hodiny provozu

• stejná funkce jako externí jednotka

• hmotnost přibližně 5 kg


PCE řídící modul

• separátní jednotka připojená k bateriové brašně

• možné přímé připojení k 230 V síti

• převod napájení energie na energii přenositelnou přes

TET

• signalizace stavu systému


PCE baterie


Frekvenční mapa podél kochlee


Kochleární neuroprotéza

• Kochleární neuroprotéza je elektronická

sluchová náhrada, která obchází

nefungující vláskové buňky a vyvolává

sluchové vjemy přímo elektronickou

stimulací zachovaných vláken sluchového

nervu.


Části kochleární neuroprotézy

Vnější část:

je tvořena řečovým procesorem, mikrofonem a vysílací

cívkou, které jsou umístěny na opaskem, nebo v

kapsičce na krku a slouží k přenosu informace a energie

do vnitřního přijímače. Zvuk je zachycován mikrofonem a

signál je veden do řečového procesoru. Zde je

zakódován tak, aby informace přenášeného zvuku mohla

být co nejvěrněji předána prostřednictvím elektrických

stimulů sluchovému nervu.


Části kochleární neuroprotézy

• vnější část -je tvořena řečovým procesorem a

mikrofonem s vysílací cívkou, které jsou

umístěny na opaskem, nebo v kapsičce na krku a

slouží k přenosu informace a energie do vnitřního

přijímače. Zvuk je zachycován mikrofonem a

signál je veden do řečového procesoru. Zde je

zakódován tak, aby informace přenášeného

zvuku mohla být co nejvěrněji předána

prostřednictvím elektrických stimulů sluchovému

nervu.


Části kochleární neuroprotézy

Vnější část:

Zpracovaný signál z řečového procesoru je veden do

vysílací cívky a odtud je vysílán pomocí

elektromagnetických vln do vnitřní části implantátu.


Části kochleární neuroprotézy

Vnitřní část:

Je tvořena z přijímací cívky, ze které je signál veden

do dekodéru. Zde je informace dekódovánadle

frekvenčních pásem a odeslána do jednotlivých

elektrod. Elektrody jsou vedeny v jemném svazku (22

elektrod) do hlemýždě vnitřního ucha. Vlákna

sluchového nervu podrážděná elektrickými impulsy

vedou informaci do vyšších sluchových drah a dále do

mozku, který ji rozeznává

jako zvuk.

Stimulátoru je fyzicky

umístěn do jamky skalní

kosti.


Kochleární neuroprotéza


Kochleární neuroprotéza


Kochleární neuroprotéza

Standardní implantát má 22 kanálů, tj. 22 miniaturních

elektrod, které tvoří svazek obalený biokompatibilním

izolačním materiálem a vložený do scalatympani

vnitřního ucha.

Odizolované konce elektrod jsou umístěny postupně v

různé vzdálenosti podél osy hlemýždě a mohou tak

dráždit odlišné skupiny vláken sluchového nervu, která

ve zdravém uchu přenášejí informaci o různých

frekvencích zvuku.


Kochleární neuroprotéza

Řečový procesor, jenž provádí spektrální analýzu

akustického signálu, vyhledává především frekvence

jednotlivých formantú samohlásek.

Frekvence formantú rozhoduje o tom, která elektroda

bude stimulována, čím nižší frekvence formantu, tím

apikálněji (tj. tím blíže k vrcholu hlemýždě) bude

zvolena elektroda pro stimulaci.

Řečový procesor musí také provádět amplitudovou

kompresi: rozsah amplitudy řeči se pohybuje mezi 50-

60 dB, na rozdíl od toho pro elektrickou stimulaci je

využitelný rozsah jen asi 10-20 dB, tj. rozsah mezi

intenzitou prahového vjemu a intenzitou, která právě

ještě nedosahuje nepříjemného, až bolestivého vjemu.


Oční implantáty – umělé oči

• Pokud není poškozen oční

nerv – implantát je umístěn na

sítnici

• Obraz snímá CCD kamera

• Náhrada nemocné sítnice –

mikročip napájený miniaturními

fotočlánky

• Pokud je poškozen oční nerv –

kortikální implantáty

• Stimulují přímo centra zraku v

mozku

• metoda je v experimentálním

stádiu

www.visusoptik.cz/img/mereni/oko.gif


• V současné době už existují umělé sítnice, které pracují na

podobném principu jako sítnice oka savce. Umělá sítnice

reaguje na konkrétní světelné podmínky zabudovanými

elektronickými obvody a dokáže filtrovat jednotlivé složky

obrazu tak, aby je zrakový nerv dostal upravené pro

dokonalejší zpracování zrakovým centrem mozku.

• Sítnice určená k transplantaci do oka a k propojení s očním

nervem má rozměry 3,5 x 3,3 milimetru a je tvořena 5760

fototranzistory, které v umělé sítnici plní roli světločivných

buněk. Nervové buňky v umělé sítnici zastupuje 3600

tranzistorů, které jsou propojeny s fototranzistory.

Tranzistory zpracovávají signál zachycený světločivnou

vrstvou a předávají stimuly do zrakového nervu. Tranzistory

lze podle jejich charakteristik rozlišit na třináct různých typů.

Díky tomu se může umělá sítnice přizpůsobit změnám

intenzity světla i změnám v kontrastu obrazu.

• Umělá sítnice by měla najít uplatnění nejen v medicíně, ale i

v robotice. Před zahájením klinických zkoušek je nutno

vyřešit ještě dva technické problémy. Prvním je redukce

rozměrů umělé sítnice a druhým redukce spotřeby energie.


• Šanci pro takto zrakově postižené může

představovat umělá sítnice = fotočip. První systémy

využívaly miniaturních kamer, jejichž signál byl

převáděn do čipu operovaného do sítnice. Čip

vytvářel elektrické stimuly, které dráždily oční nerv.

Zařízení se skládalo z malé kamery připevněné na

speciálně upravených slunečních brýlích, obraz byl

zpracováván v miniaturním počítači a bezdrátově

vysílán. Napájení zajišťovala baterie umístěná

rovněž v brýlích. V rohovce byl umístěný přijímač

přenášející signál tenkým vodičem na sítnici.

Elektrody umístěné na sítnici oka vydávaly

elektrické impulsy, které poté přes sítnici a optický

nerv putovaly do mozku.


Retinální implantát


• Celý systém pracuje takto: nevidomému je do oka těsně

nad sítnici voperována ploška zvláštních fotodiod. Po

regeneraci oka po operaci dostane zvláštní brýle ve

kterých je umístěna CCD kamera snímající obraz okolí.

Tento obraz je maticí CCD prvků převeden na elektrické

signály a prostřednictvím dalšího čipu vyslán v podobě

amplitudově modulovaného laserového paprsku

dovnitř oka. Zde dopadá na plošku fotodiod, které signál

zachytí a sadou speciálních elektrod vysílají do oblasti

gangliových buněk v sítnici.


RETINAL IMPLANT


Kortikální implantát

• Druhou takovou věcí je kortikální

implantát, tzn. zařízení voperované do

mozkového centra vidění - kortexu. Je to

zařízení, které umožní nevidomým lidem

znovu spatřit denní světlo a věci, které je

obklopují. Vyvinul jej dr. Dobelle. Jde o

systém elektrod voperovaných do kortexu,

které jej stimulují a vytvářejí obrazový

vjem přímo v mozku.


Kortikální implantát


Kortikální implantát

More magazines by this user
Similar magazines