Post on 04-Nov-2019
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Inhalt der Vorlesung1) Einführung
Physik des Körpers2) Biomechanik3) Blutkreislauf4) Ohr5) Auge
Diagnostische Methoden6) Röntgendiagnostik7) Nukleardiagnostik8) Ultraschall9) MRI10) Bioelektrische Quellen
Therapeutische Methoden11) Ionisierende Strahlung12) Laser
10.1 Grundlagen
10.2 Ursprung bioelektrischerQuellen
10.3 Messung bioelektrischerSignale
10) Bioelektrische Quellen
10) Bioelektrische Quellen
Hierarchie der Strukturen
Glaser: Biophysics
139 mMol
4 mMol
145 mMol
12 mMol
1 µF / cm2
RuhemembranpotenzialUrsache:
Unterschiedliche Verteilungder Ionen im intra- undextrazellulärem Raum
- passiver Transportdurch Kanäle
(selektive Permeabilität)
- aktiver Transportdurch Ionenpumpen
Zelle Zelle
Depolarisation
Gleichgewichtspotential für Na+
Gleichgewichtspotential für K+
Membranschwelle
Herzmuskelzellen: Plateau (Ca++)
RefraktärphaseAbsolute Refraktärzeit: keine erneute Anregung möglichRelative Refraktärzeit: Anregung nur möglich bei erhöhter Schwelle
und mit reduzierter Amplitude
Membranschwelle
Ruhemembranpotential
Erregungsleitung
KontinuierlicheErregungsleitung
Nervenfaser
Erregungsleitung
SaltatorischeErregungsleitung
NervenzellenNervenzelle (Neuron): auf Erregungsweiterleitung spezialisierte ZelleNeurit (Axon, Nervenfaser): Depolarisation nur an Schnürringen möglichDendrit: rezeptive StrukturPerikaryon (Soma): Zellleib, Stoffwechselzentrum
Ursprung bioel. QuellenModellierung:
- Weiterleitung von Signalen auf Axonen: Strom-Quadrupol- Elektrische Vorgänge direkt hinter Synapsen: Strom-Dipol
An der Haut des Kopfes detektierbar: Signale von Stromdipolenin der Hirnrinde (Pyramidenzellen)
primärmotorisch
primärsensibel
primärvisuell
motorischesSprachzentrum
primärauditorisch
auditorischesAssoziationsgebiet
HirnstammKleinhirn
Hirnrin
de
SignalstärkenIm Allgemeinen heben sich Signale von Axonenbzw. Synapsen auf (Stochastische Verteilung)
Ausnahme: Pyramidenzellen des Gehirns
104 Nervenzellen in 1 mm3 der Hirnrinde
Gleichzeitiges “feuern”=> Messbare Signale
U ≈ 10 µVB ≈ 100 fT (!)
Vergleich Herz (Kapitel 3.4)
U ≈ 1 mVB ≈ 10 pT
Biomagnetische SignaleQuellen biomagnetischer Signale sind die im Körperinnerenentstehenden elektrischen Ströme.
Vorteile: - Fast keine Störung der biomagnetischen Signale zwischenEntstehungs- und Aufnahmeort an Körperoberfläche(berührungslose Aufnahme; µr ≈ 1 + O(10-6) )
- Keine räumlichen Verzerrungen im Körperinnern=> gute Lokalisation (Forschung!)
Nachteile: - Sehr kleine Magnetfelder 10-11 ... 10-13 T- Sehr sensitive Sensoren benötigt (SQUIDS)- Sorgfältige Abschirmung notwendig (Gradiometer)
Erdmagnetfeld: B ≈ 5 * 10-5 TStröme in Netzkabeln: B ≈ 10-7 TMagnetische Verunreinigungen der Lunge: B ≈ 10-9 T
QuellenmodelleGesamte Stromdichte:
Eingeprägte Stromdichte(bioelektrische Ströme)
Rückstrom im Volumenleiter
Potential = Überlagerung aus vielen Stromdipolen
ÜbersichtAn Körperoberfläche abgeleitete Signale = ∑ elektrische Aktivität des
gesamten Nerven-, Muskel-und sensorischen Systems
=> “Selektion” durch Ortswahl der Elektrodenanordnung
- EKG: Elektrokardiogramm (Kapitel 3.4)- EEG: Elektroenzephalogramm- EMG: Elektromyogramm (Bild der Muskelerregung;
Sportmedizin; U ≈ 100 µV)- ERG: Elektroretinogramm (Sichtbarmachung der Lichtreizung;
Info in Amplitude & Latenzzeiten)- EOG: Elektrookulogramm (Aufschluß über Augenstellung;
motorische Einflüsse diagnostizierbar)
- Elektroolfaktogramm (Reizung des Geruchssinns)- Elektrogastrogramm (Aufzeichnung Aktivität Magenmuskulatur)- Elektrohysterogramm (Aufz. Aktivität Uterusmuskulatur)- Elektrodermatogramm (Aufz. elektr. Potentialvert. auf der Haut)- Elektroneurogramm (Aufz. von intrazellulären elektr. Potentialen)
EEG (MEG): Entstehung
Aktivierung
Potential-änderungen;Gradienten Ionenströme
Extrazellulär => Feldpotentiale (EEG)Intrazellulär => Magnetfelder (MEG)
Ruhe
EEG (MEG): PotentialeIn
traz
ellu
läre
Abl
eitu
ngE
xtrazelluläreA
bleitung
Afferente Faser => Dendrit => EEG
EEG: Ableitung
InternationaleBezeichnungender Elektroden
Ableitungsschema:
EEG: Frequenzbänderα: EEG Grundrhytmus in Ruhe (Augen zu)β: Auftreten bei Sinnesreizen;
emotionale Erregungγ: Schlaf bei Erwachsenenδ: Tiefschlaf
Erlöschen der EEG-Tätigkeitbeim Sterben:
Evozierte PotentialeBisher: “spontanes EEG” ohne sensorische Reizung
Reizung eines Sinneskanals => Zusätzliche EEG-Wellen“Evozierte Potentiale”
- In der Regel wesentlich geringere Amplitude (10 µV)E.P. mit Reizung korreliert
=> Mittelung (N ≈ 1000)
- Somatosensorisch E.P.: Reizung eines peripheren Nervs- Akustisch E.P.: Aktivierung des auditorischen Systems- Visuell E.P.: Stimulierung des visuellen Systems
- Diagnostik: Amplituden(änderungen) & Laufzeiten
MS: erste Symptome Verlängerung der Latenzen von VEPAnästhesietiefe: AEP werden am spätesten abgeschaltet
EKG: Vektorkardiographie
Integralvektor = ∑ Zelldipolekreist mathem. positiv in Frontalebene
Projektionen des Integralvektors aufVerbindungslinien zwischen Ableitungs-punkten => “Normales” EKG
Elektrische Welle am HerzenHerzrhythmusstörungen
http://www.psc.edu/science/2003/fenton/hearts_gone_wild.html
Simulation
Lead fieldsAlle aktiven Stromdipole liefern einen Beitrag zum SignalBeitrag eines Dipols zu Signal eines spezifischen Elektrodenpaars:
Definiert über: “Lead fields”
Lead fields wurden für verschiedene Elektrodenanordnungen bestimmt:KugelförmigesKopfmodell
Haut
Knochen
Gehirn
Das inverse Problem“Vorwärts-Problem”: Stromdipolverteilung gegeben,
Potenziale (Magnetfelder) gesucht.
“Inverses Problem”: Aus gemessenen Potenzialen aufStromdipolverteilung zu schließen.
- Problem ist Unterbestimmt:
# Unbekannte > # Meßgrößen
- Problem ist “schlecht gestellt”:
Kleine Meßfehler => große Rekonstruktionsfehler
Viele Lösungen passen zu Messungen (Mehrdeutigkeit)
Grund: “stille Quellen”
Lösungsansätze- Modellierung oft durch 1 Stromdipol (z.B. Herzvektor)
Rekonstruktion: Ort & Richtung gesuchtVorwärts-Rechnungen und Anpassung an Meßdaten
Erweiterungen: >1 Dipol möglich (physiologischer Grund?)Dynamische Beobachtungen
gesamte leadfield Matrix
Meßwerte an1 Elektrodenpaar
N Dipole anOrten r-rN
- Messung an vorher festgelegten Punkten (EEG)
Rekonstruktion der Ströme (Betrag & Richtung) an diesen Punkten
Nachteil: sinnvolle Meßpunkte benötigtVorteil: Rekonstruktion einfach
DetektorenElektrische Strom- oder Spannungssignale:
Auf die Haut aufgesetzte ElektrodenEingestochene Elektroden
Möglichst großflächig (Kontaktwiderstand ≤ 100 Ω)
Biomagnetische Signale:
Berührungslos
Sehr kleine Signale => Abschirmung gegenüber “Rauschen”Elektronische FilterungSehr empfindliche Meßmethode
SQUIDS
SupraleiterEmpfindlichste Methode zum Nachweis von Magnetfeldern:
Josephson-Effekt(Tunneleffekt durch dielektrische Barriere zwischen 2 SL)
SL: - DC-Widerstand = 0- Perfekte Diamagnete χ = - 1/µ0 (Meissner-Ochsenfeld-Effekt)
Typ I SL: BcTyp II SL: Bc1 , Bc2
- Energielücke (Größenordnung 1 meV) um EF- Kritische Temperatur Tc für supraleitende Eigenschaften- Isotopeneffekt Tc ~ M0,5 (Ionengitter!)- Flußquantisierung
BCS-Theorie: Attraktive WW zwischen 2 Elektronen (Cooper-Paare)über Gitterdeformation (S1 = - S2 ; p1 = - p2)
Josephson Effekt
Ansatz:
TunnelstromStrom durch die Tunnelbarriere:
Phasendifferenz:
Gleichspannung erzeugt oszillierenden Suprastrom
SQUIDDC-SQUID: 2 parallel geschaltete
Josephson-Kontakte
Magnetfeld => Phasenfaktor
Strom durch beide Josephson-Kontakte: