20. ELEKTRI ČNA I MAGNETA STIMULACIJA (232,205,207,208,232 AS, 121-I, 186-II)

Elekrična i magnetna stimulacija su metode aktivacije neuromuskulaturnih struktura u organizmu. Stimulatori su uređaji koji se primenjuju u cilju terapije, dijagnostike ili uspostavljanja neke funkcije. Bez obzira na to kojim se stimulatorom vrši pobuda, cilj je obično da se postigne pojačano izlučivanje nekih žlezda, kontrakcija muskulature ili omogućavanje posmatranja odziva akcionog potencijala na pobudu.

20.1. ELEKTRONSKI STIMULATORI

Elektronski stimulatori su uređaji koji treba da pobude ili kontrolišu rad delova neuromišićnog sistema. Stimulator je generator impulsa kod koga je moguće kontrolisati sve karakteristike signala.. Stimulacija se obično vrši impulsima, pri čemu je neophodno vršiti kontrolu oblika impulsa, učestanost, dužinu trajanja i intenzitet. Prema načinu realizacije, elektronski stimulatori se dele na

- Izvore sa ograničenjem po snazi- Izvore sa kontrolisanim naponom (konstantan, testerast, eksponencijalan, sinusoidalan, promenljiv- Izvore sa konstantnom strujom

Pretvarači koji povezuju instrumentat sa tkivom su elektrode. One imaju izraženu kapacitivnost što može u izvesnoj meri uticati na procese koji se odvijaju pri pobudi tkiva. Nezavisno od oblika pojedinačnog stimulacionog impulsa, veličina koja određuje pobudu ćelije ili grupe ćelija je količina naelektrisanja koja se “preda” tkivu. Stimulacija se naziva monofazna ukoliko se smer kretanja slobodnih naelektrisanja u toku primene ne menja. Ukoliko se smer kretanja nelektrisanja menja, strimulacija se naziva bifazna. Pri monofaznoj stimulaciji (sl 20.1a), dolazi do disbalansa slobodnih naelektrisanja u organizmu, što pri primeni implantacionih elektroda može da dovede do korozije istih, a time i do oštećenja tkiva. Bifazna stimulacija može da bude uravnotežena ili neuravnotežena, što zavisi od odnosa količine naelektrisanja koja se prenose u jednom odnosno suprotnom smeru. U slučaju kada je monofazna stimulacija praćena kratkim impulsima suprotno smera, tako da je količina naelektrisanja predata tkivu negativnim impulsom jednaka količini naerlektrisanja predatoj pozitivnim impuslom, kao i kod bifazne stimulacije kada pozitivni i negativni impulsi nose jednako količinu naelektrisanja, (sl. 20.1.c. i 20.1.d.) stimulacija je kompenzovana.

sl. 20.1.a. sl. 20.1.b. sl. 20.1.c. sl. 20.1.d.

Za snimanje evociranih potencijala, nophodno je stimulisati odgovarajuće nerve i mišićne strukture. Kako elektrodna impedansa sadrži nezanemarljivu kapacitivnu komponentu, dolazi do diferenciranja pobudnog signala, pa se na prednjoj i zadnjoj ivici signala dobija signal sa porastom, odnosno opadanjem intenziteta. Takav, diferencirani signal (umesto pravougaonog) je praktično primenjen na mestu gde se vrši pobuda. Ako je kapaciticnost dovoljno velika, može se desiti da struja za vreme pobude padne na nulu i da do pojave akcionog potencijala uopšte ne dođe. Ovaj problem se rešava primenom kvalitetnijih elektroda, pa se i za manje pobudne potencijale dobija prihvatljiv akcioni potencijal.

Pri stimulaciji impulsima sa konstantnom strujom, količina naelektrisanja koja se primanjuje se striktno kontroliše. Gustina struje je jednaka količniku primenjene struje i površine elektrode. Postoji mogućnost da zbog lošeg kontakta između elektrode i kože pacijenta gustina struje postane veoma velika i da dođe do privremenog ili trajnog oštećenja tkiva. Količina naelektrisanja koju treba predati tkivu za pobuđivanje nerva odnosno mišića, zavisi od od tipa elektrode koja se primenjuje i njenog položaja u odnosu na deo koji se stimuliše. Primenom intraneuralnih elektroda, u cilju aktivacije nervne ćelija, potrebno je tkivu predati približno 10nC. Ako se stimulacije nerva vrši tzv. cuff elektrodama, tada se primenjuje samo oko 10pC. Stimulacijom površinskim elektrodama, tkivu je potrebno predati i više od 1mC. Pri stimulaciji nerva, dužina impulsa bi trebalo da bude između nekoliko mikro sekundi do 250s. Za direktnu stimuilaciju mišića površinskim elektrodama potrebno je oko 100mC, pri čemu je bitno da dužina impulsa bude 200 – 500ms. Pri stimulaciji intramuskularnim ili implantiranim elektrodama, dolazi do biohemijskih reakcija na površini elektroda, a efekti su uočljivi na anodi. Ove biohemijske promene dovode do korozije elektroda, pa je potrebno voditi računa da se tkivu predaje što je moguće manja količina naelektrisanja, ali svakako dovoljna da izazove aktivaciju ćelija. Ako se primenjuje bifazna stimulacija, kod koje napon menja smer, ne može se više govoriti o anodi i katodi jer se efekti nagomilavanja pozitivnih i negativnih jona javljaju na obe elektrode. S obzirom na procese u organizmu, važno je primenjivati kompenzovanu stimulaciju, kod koje količima naelektrisanja koja se predaje organizmu treba da se u što je moguće kraćem roku ”povuče” iz organizma. Ukoliko širine impulsa koje se primenjuju ne pređe 50s i ako je amplitude manja od desetak miliampera korozija elektroda je vrlo mala, pa je dovoljno voditi račua da kompenzovanost bude bar 80%. Sa tog aspekta najpovoljnija je primena kompenzovane monofazne stimulacije. Eksperimnti sa ovakvim oblikom stimulacije su pokazali da su korozivna i elektrolitička dejstva minimizirana u odnosu na druge oblike stimulacije, a funkcionalnost je ista.

20.1.1. JEDNOSTAVNI SISTEM ZA STIMULISANJE

Bez obzira na primenu, svaki stimulator mora da ima iste osnovne delove:

- Osnovni generator impulsa- Kola za podešavanje impulsa- Izlazna jedinica

Navedeni delovi mogu biti realizovani na razne načine, kako po vrsti impulsnog generatora, tako i po obiku impulsa koji se generišu, njihovim amplitudama, vrsti izlazne jedinice (naponska, strujna ili jedinica sa izolovanim izvodima). Na slici 20.2. je prikazana principijelna šema jednog jednostavnog sistema za stimulaciju.

sl. 20.2

Ovaj stimulator je sastavljen od dva podsistema. Prvi podsistem je impulsni generator, a drugi je stimulator, tj izlazna jedinica čijim se elektrodama vrši stimulacija. Sam impulsni generator može biti izveden na razne načine. On ima takt generator, koji daje impulse učestanosti 0,1Hz do 1KHz. Na tom mestu se praktično bira učestanost svih ostalih signala koji se kasnije generišu (testerasti, četvrtasti ...), a sinhronizovani su sa učestanošću takt generatora. Ukoliko se želi moguće je vršiti po jedinačno generisanje impulsa. To se postiže prebacivanjem preklopnika P u položaj – ručno. U tom slučaju impulsi će se na izlazu pojaviti samo kada se rukom zatvori taster. Impulsni generator A generiše impulse u ritmu takt generatora. Širina impulsa može da se menja u granicana od 0,01 do 300ms, sa vremenom porasta i pada ivice manjim od 1s. Impulsni generator B generiše impulse suprotnog polariteta sa kašnjenjem u odnosu na impulse iz generatora A, čije se kašnjenje može menjati u granicana od 0,01 do 300ms u odnosu na signale iz generatora A. Prema tome na izlazu stimulatora, se mogu dobiti sledeći signali:

- testerasti- samo pozitivni četvrtasti impulsi (A)- samo negativni četvrtasti impulsi (B)- kombinovano pozitivni i negativni impulsi (A + B)

Ovaj stimulatora ima dve izlazne jedinice. Na kontaktu 3 pojačavača sa uzemljenjem, dobijaju se izlazni signali konstantnog napona ili konstantne struje vrednosti izlaza su obično: , ,

, ... Druga izlazna jedinica je tzv. izolaciona izlazna jedinica.

sl. 20.3.

Izolaciona jedinica je ustvari kolo čiji je izlazni signal galvanski odvojen od generatora impulsa, zajedničkog uzemljenja kao i od šasije. Način izvođenja izolacione jedinice je prikazan na slici 20.03. Na ulaz a-b se dovode impulsi nekog generator, dok se na izlazu 1-2 dobijaju pozitivni ili negativni strujni ili naponski impulsi.

Bitno je napomenuti da je impedansa između ulaza 1-2 i mase veća od 1010 uz kapacitivnost manju od 30pF. Vrednosti izlaznog signala na kontaktima 1-2 su oko / , bez obzira da li se uređaj koristi kao naponski ili kao strujni generator.

20.1.2. ELEKTRODE ZA ELEKTRIČNU STIMULACIJU

Sl. 20.04.

Elektrode koje se koriste za električnu stimaulaciju mogu da budu površinske ili implantirane. Površinske elektrode su predviđene za vremenski ograničenu upotrebu (nekoliko sati u jednom danu, sa mogućnošću ponovne upotrebe narednih dana). Njihovo delovanje je ograničenio s obzirom na dubinu. Na slici 20.04. su prikazane dve elektrode i raspodela struje u organizmu ispod njih. Sa slike se vidi da je gustina struje najveća neposredno ispod površine kože, dok je na većoj dubini gustina manja. Može se desiti da gustina struje neposredno ispod površine kože bude veoma velika i da dovede do oštećenja okolnog tkiva, dok struja u organu koji je potrebno stimulisati ne bude dovoljna za stimulaciju. Iz čega sledi zaključak da se ova vrsta stimulacije koristi prvenstveno za stimulisanje organa koji su neposredno ispod kože ili na maloj dubini, dok se za stimulaciju organa na većoj dubini koriste

implantirane ili iglene elektrode.

20.2. OSNOVE MAGNETSKIH STIMULATORA (AŠ 232)

Pri upotrebi implantiranih elektroda ne dolazi do oštećenja okolnog tkiva kao kod površinskih elektroda, a struje koje se koriste su znatno manje. Postavljanje ovih elektroda zahteva hiruršku intervenciju i zato se one koriste samo za dugotrajnu upotrebu i za stimulaciju organa koji se nalaze na većoj dubini. Uređaji koji napajaju implantirane elektrode mogu takođe da budu implantirani zajedno sa izvorom napajanja. Druga vrsta ovih uređaja može biti podeljana na prijemni deo koji je implantiran i predajni deo koji se nalazi van organizma. Prenos energije između ova dva dela se vrši telestimulacijom elektromagnetnim putem.

Princip prenosa energije telestimulacijom, je prikazan na slici 20.05. Princip rada se svodi na modulaciju osnovnog signala, koji se pojačava i dovodi do induktivnosti L0, koja je spregnuta sa induktivnošću Lp, koja je implantirana zajedno sa ispravljačkim delom uređaja i elektrodama. Napon indukovan na Lp se ispravlja i koristi kao pobudni za implantirane elektrode koje stimulišu željeni organ.

sl. 20.05.

Elektromagnetna stimulacija je metod koji je uveden u primenu početkom prošlog veka. Od značaje su sledeće vrste stimulacija:

- Stimulacija skeletnih mišića- Stimulacija srca- Stimulacija disajnih organa (trovanje barbituratima, poliomijelitis..)- Stimulacija nerva karotidnog sinusa (smanjivanje krvnog pritiska)- Stimulacija urogenitaknog trakta (smetnje pri mokrenju)- Stimulacija digestivnog trakta (stimulacija peristaltike)- Stimulacija za ublažavanje bola- Stimulacija za izazivanje sna- Stimulacija elektrošokom (lečenje endogene depresije i akutne šizofrenije)- Stimulacija za rast biološkog tkiva- Stimulacija nerava i mišića (kod EMG i ENG)

20.2.1. IMPLANTIBILNI STIMULATORI ZA FUNKCIONALNU NEUROMIŠIĆNU STIMULACIJU

Električna pobuda paralizovanih mišića je efikasan metod osposobljavanja pojedinih motornih funkcija. Pokreti koji su rezultat ove stimulacije su brzi, kontrolisani i pored direktne funkcionalne koristi poboljšavaju ukupno zdravstveno stanje pacijenta. Da bi stimulacija bila efikasna i selektivna, potrebno je stimulisati tačno određene mišićne puteve i pri tome obezbediti specifične profile signala koji će generisati željeni pokret. Iako su u zadnjih dvadesetak godina postignuti izuzetni rezultati, još uvek nije pronađen metod koji bi na fiziološki način pobuđivao mišiće. Da bi se obezbedila dovoljna selektivnost, neophodno je koristiti implanirane elektrode. Najpovoljnija je ali i najinvazivnija stimulacija nerava, odnosno pojedinog fascikula u nervu. Ranijih godina pokušaji su bili

usmereni uglavnom na primenu intramuskularnih elektroda, ali se pokazalo da je njihov vek prekratak.

sl. 20.6.

Za aktivaciju mišića neophodnih za kontrolu Hvatanja predmeta potrebno je nekoliko nezavisnih pobuda, a to znači nekoliko nezavisnih kanala stimulacije. Na slici 20.6. je prikazan osmokanalni stimulator. Ovaj stimulator je uveden u klinički praksu 1994. godine i naslednik je sličnog sistema koji je bio ekstrakorporalan i primenjivao je intramuskularne elektrode i konektor na površini kože. Taj sistem se primenjivao deset godina sa različitim, pretežno pozitivnim rezultatima.

sl. 20 .7.

Stimulator se zajedno sa elektrodama ugrađuje kao što je to prikazano na slici 20.7. Šema primene ovog implantibilnog sistema ukazuje da za primenu mora da postoji antena (koja se nalazi u blizini implantiranog uređaja), procesor (koji upravlja svim kanalima stimulatora) i voljno kontrolisani sistem koji daje signal čija akvizicija upravlja stimulacijom. Voljna kontrola sistema omogućava da pacijent samostalno odabere da li će da hvata lateralno (držanje između šake i palca) ili palmarno (držanje u šaci). Takođe, pacijent podešava silu hvatanja, tako da može da angažuje minimalnu silu, pa time i da smanji potencijalni zamor mišića usled duge nefizološke kontrakcije. Na slici 20.7. je prikazana principijelna šema implantiranog dela stimulatrora. Ceo uređaj je zatvoren u titanijumsko kućište i zatopljen u dvokomponentnom medicinski čistom aralditu. Na implantu se nalaze priključci za osam elektroda, kod kojih je najvažnije dostignuće,

heremtičko dihtovanje. Provodnici su napravljeni od čelične žice, koja se sastoji od sedam tankih provodnika koji su izolovani teflonom i upleteni u kabl, koji je takođe izolovan teflonom. Ovaj provodnik je namotan oko hirurškog konca a sve zajedno je provučeno kroz cevčicu od silikonske gume. Na kraju provodnika je zavaren disk od PtIr, koji je zaštićen ojačanim dakronom. Ojačani dakron je veće površine od elektrode i prišiva se za epimizijum odgovarajućih mišića u blizini tačke u kojoj motorni nerv ulazi u mišić. Ove elektrode stimulišu motorne nerve u blizini samog mišića. U ovom slučaju se primenjuje kompenzovana monofazna stimulacija sa intzitetom impulsa od 20mA i učestanošću koja se bira između 12,5 i 20Hz, upravljanjem sa međuimpulsnim intervalom u opsegu od 50 do 80ms, Pacijent upravlja impulsnom širinom modulacije koristeći komandnu kutiju i ona se menja u opsegu od 0 do 255s sa rezolucijom od 1s. Podešavanje granice za svaki pojedini mišić vrši uvežbani lekar ili terapeut u toku inicijalne pripreme uređaja. U implantu se anlazi prijemna antena koja prima elektromagnetne talase u opsegu radio talasa (10MHz). Efikasnost prenosa je oko 25 do 30%, a to znači da implant mora da bude realizovan tako da je potrošnja minimalna. Prenos energije je kontinualan, a kontrolni signali generišu impulse u skladu sa programom po potrebi. U proizvodnji stimulatora koristi se CMOS tehnologija. Ovaj stimulator kao nedostatak ima duge provodnike, koji bez obzira na fleksibilnost utiču na stabilnost rada. Pre svega zbog relativnog pomeranja mišića i ostalog tkiva pri pokretima, posebno u okolini zglobova koji imaju veliki opseg pokreta (koleno, rame, kuk, lakat ...) može da dođe do pomeranja elektroda, kidanja provodnika i oštećenja tkiva.

sl. 20.8.

Jedna od mogućnosti je primena individualnih stimulatora koji komuniciraju direktno sa spoljnom jedinicom, a pri tome nemaju nikakve provodnike. Jedan od prvih takvih uređaja za neuromišićnu stimulaciju je inkapsuliran u staklo sa iridijumskim i tantalskim elektrodama

kao na sl. 20.8. Ovaj stimulator može da preda okolnom tkivu dovoljnu količinu naelektrisanja koju akumulira (od predajne antene koja je postavljena u blizini na telu) za generisanje funkcionalne kontrakcije. Ceo uređaj se postavlje hipodermijskom iglom.

Rešenje na kome se radi predviđa da će jedan spoljni uređaj moći da kontroliše istovremeno do 256 mikrostimulatora, čime bi se dobila mogućnost da veći broj stimulatora pobuđuje neke veće mišiće. Mikrostimulator poseduje prijenmnu antenu a koeficijent korisnog dejstva pri prenosu je oko 20%.

20.4. PEJSMEJKERI (44 i 208/AŠ,123/I, 243/II)

SRCE I KRVOTOKSrce je mišić koji svojim ritmičkim kontrakcijama pumpa krv kroz krvne sudove sistemskog (sistemska

cirkulacija) i plućnog krvotoka (pulmonarna cirkulacija). Sistemski krvotok napaja krvlju celokupan organizam, omogućavajući razmenu materija, dok plućni krvotok dovodi krv samo do pluća, gde se odvija razmena gasova (CO2 i O2). Rad srca se može predstaviti slikom 20.09.

sl. 20.19.

Srce je pregradom (septumom) podeljeno na levi i desni deo (sa aspekta pacijenta). Oba dela se sastoje od po jedne pretkomore (atrij) i jedne komore (ventrikul). Krv ulazi u desnu pretkomoru kroz gornju i donju šuplju venu (vena cava superior i vena cava inferoir), a u levu pretkomoru kroz plućne vene. Krvni sudovi kroz koje krv ulazi u srce se nazivaju vene, a krvni sudovi kojima krv izlazi iz srca se nazivaju arterije, bez obzira na to da li je u njima venska ili arterijska krv. Krv iz pretkomora kroz srčane zaliske (valvule) ulazi u komore. Zalisak koji se nalazi između desne pretkomore i komore (atrioventrikularna valvula) se naziva trikuspidalna valvula jer je sastavljen iz tri segmenta, dok se leva valvula naziva bikuspidalna valvula jer se sastoji od dva dela. Ova valvula se naziva i mitralna valvula. Srčani zalisci imaju ulogu ventila jer krv puštaju samo u jednom smeru (iz pretkomora u

komore i iz komora u arterije). To znači da dok je pritisak u pretkomoram veći nego u komorama, krv teče iz pretkomora u komore. Kada pritisak u komorama postane veći nego u pretkomorama, zalisci se zatvaraju, i krv ne može da se vrati u pretkomore, ali se pri tome otvaraju semilunarni zalisci (nalaze se na izlazu iz komora i imaju oblik polumeseca) i krv izlazi iz srčanih komora u arterije (u aortu i u pulmonarnu arteriju).

sl. 20.10.

Rad srca odnosno kontrakcija njegove muskulature, pumpa krv od njenog ulaza u pretkomore do izlaska iz komora u arterije. Akcioni potencijali koji su za to odgovorni nastaju u sinoatrijalnom čvoru (SA - čvor). Ti potencijali se potom šire do atrioventrikularnog čvora (AV – čvor) izazivajući pri tome postepenu kontrakciju muskulature od SA-čvora do AV-čvora, koja se potom širi kao talas duž srčanog mišića. Akcionom potencijalu koji je nastao u SA-čvoru treba približno 40mS da stigne do AV-čvora, gde se zaustavi oko 100ms (zastoj je posledica sporijeg prolaska akcionog potencijala kroz mišićna vlakna samog AV-čvora). Brzina prostiranja akcionog potencijala na ovom putu je oko 0,1m/s (na samom početku puta od SA do AV čvora brzina akcionog potencijala je samo 1Cm/s). Iz AV-čvora akcioni potencijal se prenosi Hissovim snopom do mesta gde isti ulazi u ventrikularni septum (pregradu). Tu Hissov snop prelazi u Purkinijeva vlakna koja se na dnu septuma dele na levu i desnu granu, koje je potom dele na niz pojedinačnih vlakana koja imaju zadatak da sprovedu akcioni potencijal do potrebnih lokacija unutar komora. Brzina čirenja akcionog potencijala duž Purkinijevih vlakana je znatano veća i iznosi izmeđi 1,5m/s i 4m/s, što se objašnjava time da je neophodnao da se kontrakcija svih mišića

oba atrija dogodi prektično simultano.

Iako akcioni potencijal nastaje u SA čvoru, sinhronizaciju njegovog generisanja vrši centralni nervni sistem (CNS). Na slici 20.10. je prikazana osnovna veza između eksitacionih i inhibitornih informacija CNS-a koje sinhronizuju rad SA-čvora koji se ponekad naziva prirodni pejsmeker.

Pri kontrakciji komora, leva komora koja je veća od desne, pumpa krv u aortu i kroz ostale arterije, arteriole i kapilare u celo telo, dok desna komora, pumpa krva samo u pluća. Trenutna kontrakcija leve komore, naglo povećava pritisak u levoj komori jer zatvara mitralnu valvulu (atrioventrikularni zalistak), pa krv prolazi kroz semilunarn zalisak u aortu, ali tek pošto pritisak u levoj komori postane veći od pritiska u aorti. Prolazak krvi kroz semilunarni zalisak i ulazak u aortu se naziva sistola, a pritisak pri kome se to dešava se naziva sistolni pritisak. Normalna vrednost ovog pritiska kod mlađih osoba iznosi oko 16Kpa (120mmHg), dok kod starijih osoba iznosi oko 19KPa (140mmHg).

Nakon nekog vremena akcioni potencijal pada na nulu, grč komora prestaje i one se opuštaju, što dovodi do naglog smanjenja pritiska u komorama. Krv iz aorte, u kojoj je pritisak veći nego u komori ne može da se vrati u komoru jer se semilunarni zalisci zatvaraju, što dovodi do malog povećanja pritiska u aorti (incizija), da bi isti nakon toga opadao po eksponencijalnom zakonu do najniže vrednosti koja se naziva dijastolni pritisak. Dijastolni pritisak se kreća u granicama od 10KPa (75mmHg) do 12KPa (90mmHg).

Promena pritiska u levoj pretkomori i komori i aorti su prikazane na slici. 20.11.

sl. 20.11.

Kao što je rečeno akciono potencijal nastaje u SA-čvoru. SA-čvor je malo područje (3x10mm) specijalnog mišićnog tkiva koji ima znatno niži prag aktivacije u odnosu na ostale delove tkiva srca. Ritmična pojava akcionog potebcijala nastaje zbog velike propustljivosti za katione ćelija SA-čvora, tako da nakon prestanka akcionog potencijala, koncentracija ne ostaje na konstantnom nivou nego se povećava. Kada ta koncenracije dostigne prag aktivacije, generiše se novi akocioni potencijal. Na taj način je određen period ponavljanja akcionog potencijala odnosno učestanos otkucaja srca.

Kada nastupi poremećaj u generisanju akcionog potencijala u SA-čvoru, ulogu generatora (pejs mejkera) preuzima AV-čvor, ali sa nižom učestanošću. U slučaju otkaza AV-ćvora, moguće je da Hissov snop ili čak Purkinijeva vlakna preuzmu ulogu pejsmejkera, ali kako je kod njih prag aktivacije još niži, generisana učestanost srčanog rada će biti znatno niža.

Kod nekih bolesti kao što je srčani infarkt, pri prolasku akcionog potencijala (struje) kroz mišićna vlakna, povećava se osetljivost tkiva srca i na drugim mestima (osim SA i AV čvora, Hissovog snopa i Purkinijevih vlakana), tako da se mogu stvoriti i drugi izvori akcionog potencijala (ektopički centri). Kako se akcioni poterncijali pojavljuju na raznim mestima, u nepravilnim intervalima, umesto ritmičnog rada srca nastupa podrhtavane tj fibrilacija komora. Zbog toga srce nije više u stanju da pumpa krv, što kao posledicu ima prekid ishrane celog organizma (naročito mozga), pa smrt nastupa za nekoliko minuta.

Osim opisanih mehanizama, na rad srca utiče i povratna sprega koja je uključena preko kore velikog mozga. Mozak posredstom receptora dobija razne informacije, obrađuje ih i po potrebi menja ritam rada srca. Na primer pri stresu, pojačano se luči adrenalin. Informacija o tome posredstvom receptora stiže do CNS-a, koji ubrzava rad srca. S obzirom na koncentraciju ugljendioksida (CO2) i kiseonika (O2) u krvi, receptori predaju informaciju CNS-u, koji po potrebi uspoprava ili ubrzava srčani ritam. Ukoliko se koncentracija CO2 poveća iznad

određenog nivoa, povećava se i frekvencija strčanog ritma. Ukoliko se poveća koncentracija 0 2, frekvencija stčanog ritma pada

sl. 20.12.

Princip te automatske regulacije brzine srčanog ritma je prikazan na slici 20.12. Treba napomenuti da je srce na slici predstavljeno kao srčani mišić i sinoatrijalni čvor (oscilator). Receptora u mozgu ima veoma mnogo, a na slici su predstavljena samo tri o kojom je bilo reči. Nа osnovu iznetog se jasno vidi da se kod zdravog srca, regulacija ritma vrši automatski i to preko autonomnog nervnog sistema. Međutim ako dođe do srčanog oboljenja kod koga prestaje normalno stimulisanje i sinhronizam rada srčanog mišića ne funkcionišu, pribegava se primeni spoljne stimulacije srca.

ELEKTROSTIMULATOR SRCA (PEJSMEJKER)

Među svim postojećim elekrtrostimulatorima, pejsmejker je stimulator koji se u praksi najviše primenjuje. Ovaj stimulator omogućava skoro normalan život pacijentima koji boluju od atrioventrikularnog bloka (AV blok), sinoatrijalnog bloka (SA blok) ili onima koji boluju od tahikardijskih aritmija.

SA bloka je ređi i predstavlja zastoj širenja impulsa (akcionog potencijala) pre ulaska u atrijski mišić. U slučaju Sa bloka, AV čvor preuzima funkciju generisanja i provođenja akcionih potencijala, ali sa manjom učestanošću.

AV blok nastaje ako je prekid širenja akcionih impulsa u AV čvoru. Kod AV bloka, akcioni impulsi nastaju u Hissovom snopu sa još nižom učestanošću (15 – 40 kontrakcija u minutu). Posledica ovako malog broja srčanih kontrakcija je nedovoljno snabdevanje organizma krvlju, a time i nemogućnost bilo kakve fizičke aktivnosti pacijenta. U slučaju AV bloka, od trenutka nastajanja bloka, do trenutka kada Hissov snop preuzme na sebe generisanje impulsa akcionog potencijala protekne 3 – 5 sekundi, pa bolesnik zbog nedovoljnog dotoka krvi u mozak obično gubi svest. U ovom slučaju je naophoddno primeniti elektrostimulator srca koji predstavlja izvor električnih impulsa pogodne učestanosti.

Najjednostavniji tip elektrostimulatora srca u toku rada generiše nepromenljiv srčani ritam (fixed rate). Podešavanje njegove osnovne učestanosti se vrši u toku implantacije i ne može se kasnije menjati. Ovakvi stimultori se više ne proizvode kao zasebni uređaji, ali se složeniji stimulatori mogu podesti, u zavisnosti od potreba, da rade kao stimulatori nepromenljivig ritma. Kod ovih stimulatora postoji latentna opasnost da u slučaju uspostavljanja normalnog srčanog ritma (koje se može ponekad spontano desiti), impulsi iz stimulatora ne budu u sinhronizmu sa prirodnom (onima koje generiše SA čvor). Taj „nesinhronizam“ nastaje ako se impulsi iz elektrostimulatora generišu između „zuba“ S talasa i maksimuma T talasa. U slučaju da se impuls iz elektrostimulatora generiše baš u „zabranjenoj zoni“ obično nastaje fibrilacija ventrikula, što može dovesti do fatalnog ishoda.

sl. 20.13.

Prevazilaženje problema „nesinhronizma“ između impulsa koje generiše pejsmejker i impulsa koje generiše SA čvor, se ostvaruje upotrebom elektrostimulatora srca koji radi „na zahtev“ (on demand). Ovaj tip stimulatora osim aktivne elektrode kojom se vrši stimulacija ima još jednu (mernu) elektrodu (sense electrode). Ova elektroda detektuje normalnu srčanu aktivnost, tj detektuje pojavu pika „R talasa“. Merna elektroda može biti ista ona koja se koristi za stimulaciju. To znači da je dovoljno da ovakav stimulator poseduje samo jednu elektrodu jer se detekcija „R pika“ vrši u trenutku koji nikako ne može da se poklopi sa trenutkom generisanja stimulišućeg impulsa. Kod ovog tipa stimulatora, nakog generisanja impulsa, elektroda se prebacuje u merni režim i detektuje sve napone koji se javljaju u tkivu, iščekujući R pik. Ako merni deo stimulatora detektuje normalan R pik (koji je generisan u SA čvoru), preko dela za inhibiciju, ne dozvoljava se generisanje stimulišućeg impulsa. Ukoliko se R pik ne pojavi (1 sekund nakon prethodnog), stimulator ga generiše i time veštački stimuliše srce. Opisani stimulator se naziva asinhroni jer generiše impulse samo u slučaju da „prirodni impulsi“ izostanu. Kod sinhronog stimulatora, impulsi za stimulaciju se uvek generišu. U slučaju da „prirodni“ R pik izostane, zamenjuje ga R pik generisan u stimulatoru. Ako se desi da SA čvor generiše R pik, tada se R pik koji generiše stimulator sinhronizuje sa njim. Jasno je da je kod sinhronog stimulatora utrošak energije veći (jer se impulsi stalno generišu), pa je samim tim i vek baterije kraći u odnosu na vek baterije kod asinhronog stimulatora. To u praksi znači da je potrebno češće vršiti zamenu stimulatora, a kako je ista vezana za hirurški zahvat, traumatiziranje pacijenta je češće.

Amplitude impulsa koje generše pejsmejker iznose do 25mV, sa trajanjem oko 10ms. Kapacitivnost srčanog mišića je oko 1F/cm2. Odavde proizilazi da pobudna struja treba da bude manja od 1mA, a da pri tome gustina struje bude manja od 0,1mA/cm2. Elektrode za stimulaciju srca se prave od legure zlata i platine (Au-Pt). Impedansa između tkiva i ovakve elektrode je 0,5K do 1K. Za elektronsku stimulaciju srčanog mišića je neophodna stabilnost elektroda koja neće ugroziti rad mišića kao ni zdravlje pacijenta. Kod stimulatora se primenjuje katodna elektrostimulacija kod koje se katoda postavlja u blizinu tačke na srčanom mišiću koju treba pobuđivati. Površina elektroda je oko 10mm2, a trajanje stimulacije je reda veličine 1ms. Tačno podešavanje trajanja stimulacije i napona stimulacije se vrši interaktivno u toku procesa ugrađivanja stimulatora, a može se po potrebi menjati i kasnije u toku rada. U toku ugradnje stimulatora se snima EKG, i posmatra QRS kompleks na snimljenom signalu, na osnovu čega se vrši inicijalno podešavanja parametara stimulacije.

Internacionalna komisija za srčana oboljenja (Inter-Society Comission for Heart Disease ICHD)je izvršila klasifikaciju srčanih stimulatora. Obeležavanje pripadnosti pojedinim klasama se vrši pomoću tri slova koja ukazuju na karakteristike stilmulatora. Prvo slovo se odnosi (Pacing) se odnosi na davanje ritma. Drugo slovo (Sensing) se odnosi na dobijanje povratne informacije. Treća slovo (Activity) se odnosi na aktivnost koju realizuje stimulator. Pacing i sensing mogu da budu u oblasti atrijuma (A), oblasti ventrikula (V) ili dualni (u obe oblasti – D). Sensing može da bude i izostavljen tj da ima vrednost 0. Activity može da bude 0 – nema aktivnosti, T – okidajuća (Triggering), I – kočeća (inhibiting) ili D – dualna. U tabeli je pirkazan je dat prikaz tipova stimulatora na osnovu ICHD koda.

U praksi se koriste još dva slova. Četvrto slovo označava opciju telemetrie opcije u uređaju. Peto slovo označava defibrilatorsku opciju.

sl. 20.14.

Prvi elektronski stimulatori su u praksi primenjeni 1958 godine i pripadali su grupi VOO – slika 20.14. Stimulatori ovakve konstrukcije se danas praktično ne koriste jer generišu impulse sa unapred odabranom konstantnom frekvencijom bez mogućnosti adaptacije (nema povratne sprege), pa ne omogućavaju promenu srčanog ritma u skladu sa potrebama organizma (uzbuđenje, fiziči napor..).

sl. 20.15.

Nešto složeniji sistem koristi istu elektrodu za snimanje aktivnosti i dobijeni signal koristi za određivanje srčanog ritma. Ovaj VVT stimulator generiše impulse na elektrodi samo kada za njima postoji potreba tj kada se srčani ritam smanji ispod ili poveća iznad dozvoljene vrednosti. Stimulator detektuje i aritmije, pa lako može da nametne ritam i u takvim slučajevima.

sl. 20.16.

Još složeniji, a samim tim i mnogo efikasniji su stimulatori koji imaju dualne funkcije. Dualna stimulacije pretkomora (A) i komora (V), sa istovremenim registrovanjem aktivnnosti u komorama (DVI), omogućava još bolju adaptaciju pri ritmičnim promenama rada srca. Pri normalnim uslovima u mirovanju ili slaboj aktivnosti srčani ritam je oko 70 otkucaja u minutu, sa normalnim smanjenjem na oko 60 otkucaja u minutu.

Postoje i znatno složeniji stimulatori (DDD) koji istovremeno mere i stimulišu kako komore tako i pretkomore. Oni sadrže mikrokontrolere koji su pretprogremirani, a moguće ih je i u toku rada reprogramirati telemetrijski. IMPLANTACIJA PEJSMEJKERA

Elektrostimulator srca se postavlja u „džep“ koji hirurg pravi ispod kože pacijenta u predelu klučne kosti (klavikule). Elektrode se zajedno sa specijalnim provodnicima provlače kroz venu cavu superior direktno do srca. Tu prolaze kroz desnu pretkomoru, uvlače se u desnu komoru i fiksiraju se ua određenoj tački na zidu komore. Ponekad se koriste dve elektrode, od kojih se jedna fiksira na zid pretkomore, a druga na zid komore.

ICHD kodPoložaj elektroda Senzorna pov. sprega Preduzeta aktivnost

0 – Ne postoji 0 – Ne postoji A – atrijum A – Atrijalna T – Pobuđivanje V – Ventrikulum V – Ventrikularna I – Inhibicija D - Dualan D – Dualna D – Dualna

Elektrostimulator se može implantirati potkožno i u područje abdomena. Odavde se elektrode sa pripadajućim provodnicima potkožno vode do srca i fiksiraju sa spoljne strane (epikardijalno).

Elektrode koje se koriste kod pejsmejkera mogu biti unipolarne i bipolarne. Sve one imaju na sebi mali šiljak, koji služi da se iste bolje fiksiraju na potrebnu lokaciju.

Provodnici od pejsmejkera do elektroda su u početku primene stimulatora predstavljali veliki problem jer su se često kidali, što je dovodilo do prestanka rad stimulatora. Savremeni provodnici se sastoje od 6 traka od platine od kojih je svaka obmotana oko jezgra od poliestera. Tako dobijeni provodnici su upredeni međusobno oko poliesterskog jezgra, čime je znatno povećana mehanička čvrstoća provodnika, tako da oni obično mogu da „nadžive“ sam elektrostimulator.

IZVORI NAPAJANJA PEJSMEJKERA

Izvori napajanja elektrostimulatora srca su oduvek predstavljali njegov najproblematičniji deo. Elektronski deo je relativno brzo rešen u smislu male potrošnje i velike pouzdanosti. Takođe su brzo rešeni i problemi prekida provodnika. Od izvora napajanja praktično zavisi koliko često će pacijent morati da bude podvrgnut hirurškoj intervenciji zbog zamene stimulatora, jer se kada se izvor napajanja potroši, menja ceo uređaj. Kod prvih stimulatora vek baterije je bio samo godinu dana, što je značilo da su pacijenti bili svake godine podvrgavani hirurškim intervencija. Kaončno je nakon petnaestak godina od početka primene stimulatora srca problem rešen, konstrukcijom litijumskih baterija. Vek savremenih litijumskih baterija koje se koriste u elektrostimulatorima srca iznosi ne manje od 10 godina, a nekada mogu da traju i do 15 godina.

Kao izvori napajanja su se koristili između ostalog i biogalvanski izvori u kojima su elektrolit bile tečnosti organizma.

Vršeni su eksperimenti sa biogorivnim ćelijama kod kojih se električna energija stvarala u procesu oksidacije i redukcije na elektrodama. EMS ovih izora je bila mala, pa je bilo neophodno koristiti DC-DC konvertore za dobijanje potrebnog napona.

Neki savremeni elektrostimulatori još uvek koriste nuklearne izvore napajanja. Ovi izvori koriste , koji je pretežno emiter. Zbog radioaktivnog raspada, temperatura kapsule u kojoj je smešten izotop je 80 - 100C veća od temperature ambijenta. Oko izvora se postavlja određena količina termoparova (oko 700 komada) serijski povezanih, pa se tako dobija napon od oko 0,7V. Taj napon se DC-DC konvertorom pretvara u napon od 8V, što je dovoljno za funkcionisanje čak i programabilnih stimulatora..

SAVREMENI ELEKTROSTIMULATORI SRCA

Savremeni elektrostimulatori se najčešće konstruišu kao programabilni (programable pacemakers) ili kao stimulatori sa prilagođavanjem ma fizičku aktivnost (excersize responsive pacemakers). Ne retko se prave i pejsmejkeri koji predstavljaju kombinaciju ova dva tipa.

Programabilni stimulatori omogućuju promenu bitnih parametara stimulacije i u toku rada stimulatora. U podesljive parametre spadaju: amplituda, trtajanje i učestanost stimulišućih impulsa. Osim toga moguće je menjati i način rada stimulatora. Tako da se rad stimulatora može prilagoditi potrebama svakog pacijenta.

Konstrukija ovih stimulatora je prilično složena, ali im je potrošnja, zbog upotrebe CMOS tehnologije veoma mala.

Stimulatori sa prilagođavanjem na fizičku aktivnost menjaju učestanost impulsa koji generišu u skladu sa radom koji pacijent obavlja. Da bi se vršila promena učestanosti neophodno je postojanje mehanizma koji će biti u stanju da utvrdi kada se pacijent bavi pojačanom fizičkom aktivnošću.

Najjednostavniji metod merenja fizičke aktivnosti je detekcija P talasa i sinhronizacija stimulatora sa istim. Moguće je takođe detektovati pokrete delova tela, meriti pomeraj dijafragme ili jednostavno meriti temperaturu tela i shodno rezultatima pomenutih merenja upravljati radom stimulatora.

19. DEFIBRILATOR ( II – 167, IV – 188, AŠ-225)

Defibrilator spada među one elektronske medeicinske instrumente koji su danas u širokoj upotrebi, a od čije blagovremene i pravilne primene često zavisi život pacijenta. Njegovo prisustvo je obavezno u odeljenjima

za intenzivnu negu, u operacionim salama, prostorijama za kateterizaciju, u odeljenjima za ergonometrijske testove, službama hitne pomoći itd. Kao medicinski uređaj, defibrilator služi za to da se pomoću elekrtičnih impulsa koji se u njemu generišu zaustavi fibrilacija srca i uspostavi njegov normalan rad. Isto tako defibrilator se koristi i kod prestanka rada srca (npr zbog udara električne struje).

sl. 19.1.

Slika 19.1. predstavlja zavisnost procenta preživljavanja pacijenta u funkciji vrementa koje protekne od trenutka prestanka rada srca ili od početka fibrilacije do trenutka primene defibrilatora. Sa slike se jasno uočava da je vreme od 4 minuta nakon prestanka rada srca kritično. Nakon tog vremena procenat preživljavanje pacijenta pada ispod 50%

Iz prethodnog izlaganja (oblast 14 – Merenje akcionih potencijala srca) je poznato da brzo širenje akcionog potencijala kroz atrij (pretkomore) uzrokuje kontrakciju pretkomore i protok krvi kroz atrioventikularne zaliske i punjenje ventrikula (komora) krvlju. Nakon određenog vremenskog kašnjenja, sinhronizovano se aktivira muskulatura ventrikula, zbog čega se krv pumpa kroz pulmonarni i aortalni cirkulacioni sistem. Stanje kada srce izgubi ovaj neophodni sinhronizam naziva se fibrilacija. Za vreme fibrilacije, normalne ritmične kontrakcije atrija ili ventrikula se prenose brzim i neregularnim trzajima mišićnih vlakana. Fibrilacija atrijalne muskulature se naziva atrijalna fibrilacija, dok se fibrilacija ventrikula naziva ventrikularna fibrilacija. U slučaju atrijalne fibrilacije, ventrikuli još uvek mogu da funkcionišu, ali se ova fibrilacija odražava kao neregularan ritam i na ventrikulama zbog nesinhronizovane električne stimulacije koja je prouzrokovana fibrilacijom atrija. To znači da se cirkulacija krvi uz atrijalnu fibrilaciju može održavati mada ne potpuno efikasno. Ovakvo stanje može u velikoj meri da traumatizuje pacijenta. Ventrikularna fibrilacija je mnogo opasnija, zbog toga što u tom slučaju ventrikuli nisu sposobni da pumpaju krv, pa ako se fibrilacija ne otkloni, nakon nekoliko minuita može da nastupi smrt. Fibrilacija koja je započela ne može spontano da se zaustavi. Zato pacijent kod koga postoje izgledi za pojavu fibrilacije mora biti pod stalnom lekarskom kontrolom kako bi medicinsko osoblje moglo blagovremeno da interveniše. Ova intervencija se vrši defibrilatorom.

PRINCIP RADA DEFIBRILATORA

Defibrilator je medicinski instrumenat koji ima dve elektrode na čijim se krajevima pojavljuje impuls relativno visokog napona i vrlo kratkog trajanja. Osnovni princip rada defibrilatora je prikazan na slici 19.2.

sl. 19.2.

Biračem izvoda “P“ se bira željeni napon na sekundaru transformatora, koji se ispravlja diodama “D“, pa se njime pune kondenzatori “2C“. Kada su elektrode spremne za defibrilaciju (kondenzatori 2C su puni), prekidač “S“ se prebacuje iz položaja a-a1 u položaj b-b1 i kondenzatori se prazne kroz telo pacijenta preko induktivnosti „L“. Funkcija induktivnosti u ovom kolu je da eksponencijalni oblik stuje koji bi se dobijao kada

nje ne bi bilo „zatupi“, tj da zaobli „pik“ koji bi se javio. Na slici 19.03a.je isprekidanom linijom prikazan talasni oblik struje koja bi se generisala kad ne bi bilo induktivnosti „L“. Punom linijom je predstavljena realna struja koja se generiše. Takva struje se naziva monofazna. Za veće induktivnosti „L“, struja kroz elektrode i pacijenta može da postane bifazna tj. da dobije i negativnu poluperiodu, kao na slici 19.03.b. Istraživanjem je utvrđeno da bifazne struje imaju veliku prednost u odnosu na monofazne zbog većeg procenta uspešnosti i manjeg broja aritmija koje se javljaju nakon primene defibrilatora. Osim toga kod bifazne defibrilacije, primenjena unergija može biti i do 50% manja nego kod monofazne. Instrument “I“ je tako podešen da direktno pokazuje energiju defibrilacionog impulsa.

sl. 19.03a. sl. 19.03b.

Ranije su se za defibrilaciju koristili naizmenični naponi, pa su defibrilatori bili veoma veliki (jer su bili potrebni naponi od nekoliko hiljada volti i struje od nekoliko desetina ampera), nije postojala mogućnost primene defibrilatora na terenu. Metoda korišćenja jednosmernog napona ima mnogo prednosti u odnosu na metodu korišćenja naizmeničnog napona, jer se njime mogu vršiti kako korekcije ventrikularne tako i atrijanle fibrilacije, pa čak i korekcije izvesnih aritmija. Ova metoda je manje opasna za pacijenta i može se ponavljati više puta. U savremenoj medicini defibrilatori se primenjuju za spoljašnju i unutrašnju defibrilaciju. U zavisnosti od načina primene, menja se i energija koja se kopristi. Iako granične vrednosti energije nisu striktno određene standardima, ipak je usvojeno kao pravilo da se za spoljašnju defibrilaciju koristi energija do 400Ws, dok se za unutrašnju defibrilaciju koristi energija ne veća od 80Ws. Međutim i kod spoljašnje defibrilacije postoje dve mogućnosti postavljanja elektroda. Uobičajena je da se elektrode postavljaju na grudni koš pacijenta, tako da se između njih nalazi srce - slika 19.4.a. Druga mogućnost je da se jedna elektroda – standardna postavlja na grudni koš pacijenta, tačno iznad srca, a druga, pljosnata nešto veća na leđa, takođe u zoni srca. Srce se u ovome slučaju nalazi tačno između elekrode na grudnom košu i elektrode na leđima pacijanta.

sl. 19.4.b sl. 19.4.a.

U priloženoj tabeli navedene su uobičajene vrednosti koje se javljaju kod primene defibrilacionih impulsa kod spoljašnje defibrilacije (na grudnom košu) i unutrašnju defibrilaciju (otvorene elektrode direktno na srcu).

OZNAKA JEDINICAUNUTRAŠNJA DEFIBRILACIJA SPOLJAŠNJA DEFIBRILACIJAminimalna najčešća maksimalna minimalna najčešća maksimalna

Energija Ws 10 30 70 50 150 400

Primenjennapon

V 500 800 1300 1100 4000 9000

Trajanje impulsa

ms 3 5 8 3 5 8

sl. 19.5.

Zbog velike struje koja se pojavljuje u toku defibrilacije, na koži se mogu javiti opekotine. Zato se po potrebi koriste različite veličine elektroda i različiti naponi (za decu se koriste elektrode prečnika 40mm i nešto niži naponi, dok se za odrasle koriste elektrode prečnika 80mm i nominalni naponi). Radi zaštite osoblja koje rukuje defibrilatorom, izolacije elektroda se prave od izuzetno kvalitetnog izolatora. Na mestu gde palac dodiruje elektrodu su postavljeni prekidači kojima se defibrilatori uključuju. Međutim, ako se aktiviranje defibrilatora vrši automatski, sinhrono sa EKG-om, ovi prekidači se ne koriste.

Defibrilacioni impuls (puna linija na slici 19.5.) može ponekad biti štetan, pa čak i opasan ako se koriste visoki naponi od 6.000 do 9.000V. Ovo se naročito odnosi na oštećenje kože na mestima gde su postavljene elektrode, pa čak i na oštećenje površine samog srčanog mišića. Da bi se ove opasnosti izbegle, impuls se razvlači i smanjuje mu se amplituda. Ovako dobijeni impuls (isprekidana linija na slici 19.5.) ima isti efekat kao i regularni impuls, ali mu je maksimalni napon manji, trajanje mu je skoro dva puta duže a primenjena energija je znatno manja. Da bi se izbeglo nastajanje ventrikularne fibrilacije kod primene jednosmernih impulsa prilikom atrijalne defibrilacjie ili korekcije bilo kog oblika aritmije, trenutak okidanja defibrilacionog impulsa se mora sinhronizovati sa elektrokardiogramom samog pacijenta. Trenutak okidanja defibrilacionog impulsa mora da nastupi neposredno nakon R pika i to po mogućstvu sa kašnjenjem od oko 20ms (slika 19.6.) . Ovo kašnjenje ne sme da bude veće od 80ms. Ako bi se to desilo, defibrilaconi impuls bi ušao u područje T talasa (poklopio bi se sa početkom deploarizecije srca tj sa trenutkom kada se ventrikule opuštaju i počinju da primaju krv iz atrija) što bi moglo da dovede do ventrikularne fibrilacije.

sl. 19.6.

Blok šema savremenog defibrilatora je prikazana na slici 19.7. Uređaj ima tri osnovna dela: EKG pojačavač, sinhronizator i izlaznu jedinicu koja je ustvari defibrilator.

sl. 19.7.