Stimulatoare electrice

Stimulatoare electrice

Un stimul reprezinta pentru tesut o modificare adusa in mediul in care se afla, care il face sa reactioneze. Din factorii fizici si chimici utilizati in practica medicala si in studiul fenomenelor bioelectrice, stimulii electrici sunt cei mai utilizati, deoarece prin natura lor se apropie foarte mult de stimulii biologici naturali si prezinta avantaje deosebite fata de ceilalti:

nu lezeaza tesuturile;

pot fi aplicati in mod repetat;

actioneaza imediat (timp de latenta scurt) si direct;

genereaza excitatii sau inhibitii in orice tip de celula sau tesut;

pot fi masurati cu precizie si pot fi aplicati oricat de localizat se doreste (exemplu intracelular), la nivele de tensiune, curent, viteze de variatie, durate si forme de unda foarte variate.

Celulele vii si in general tesuturile se comporta diferit la stimulare electronica in functie de intensitatea stimulului, polaritate (pentru celula polaritatea reprezentand stimul inhibator sau excitator, pentru tesut depinzand de modul de aplicare a electrozilor, etc.), durata aplicarii, viteza de variatie a stimulului, frecventa de receptie, starea fiziologica a tesutului. Aceasta ultima dependenta este utilizata in diagnosticare, dar si in terapeutica pentru recuperarea functionala.

Pentru ca o celula, respectiv un tesut sa se depolarizeze (excite), este necesar ca stimulul aplicat sa depaseasca o anumita valoare de prag, intensitate, respectiv tensiune liniara. Cand stimulul electric (tensiune sau curent) utilizat este impuls dreptunghiular, liniara a impulsului de durata infinita este numita REOBAZA R. Caracteristica de a se depolariza un tesut, la valorile minimale ale excitantului electric in functie de durata impulsului se numeste CARACTERISTICA DE EXCITABILITATE si este specifica fiecarui tesut in parte. Valoarea minimala a impulsului de curent sau tensiune variaza invers proportional cu durata impulsului (legea Weiss):

unde k, R sunt constante (parametri tesutului) iar caracteristica de excitabilitate este normata pe ordonata in valoare de reobaza.

Durata minima a stimulului electronic de amplitudine 2R care excita tesutul este numita CRONAXIE sau TIMP CARACTERISTIC, Cr.

Deci parametri ce definesc excitabilitatea unui tesut sunt reobaza R si cronaxia Cr. In fig.3.8. se prezinta caracteristica de excitabilitate a unui muschi scheletic.

Caracteristica de excitabilitate desenata in fig.3.8. stabileste schematic relatia intre amplitudinea impulsului de stimulare (U[V] sau I[mA] normalizate la reobaza R) si durata impulsului (Ti[ms]) : a - muschi normali; R - reobaza, Cr - cronaxia; b - muschi partial denervat; c - muschi denervat; R'=1.4 R, Cr'=11 ms.

Fig.3.8. - Caracteristica de excitabilitate

Tesuturile care reactioneaza repede au o cronaxie mica fata de cele ale tesuturilor care reactioneaza mai incet. Cronaxiile muschiului neted si ale nervilor lui sunt mai mari decat acelea ale muschilor scheletului si ale nervilor somatici. Fibrele nervoase cu un diametru mai mare si cu o conducere mai rapida raspund la impulsuri de durate mai mici decat fibrele nervoase mai subtiri si mai lente. Cronaxiile nervilor senzitivi sunt, in general, egale sau foarte apropiate de cele ale nervilor motori corespunzatori. Cronaxia tesutului de conducere cardiac este de trei ori mai mare decat a miocardului atrial si ventricular.

In tabelul de mai jos se dau valori ale cronaxiei catorva tesuturi umane normale. Diversi factori pot modifica valorile normale, de exemplu, la frig cronaxia este marita, iar la o temperatura crescuta este micsorata.

Tabel 2 - Valori normale ale cronaxiei catorva tesuturi umane

In cazul unei stimulari prelungite, potentialul generator sau potentialul receptor creste initial pina la un nivel de virf si apoi scade, fenomen denumit adaptarea receptorilor (acesta este caracteristic pentru potentialul de actiune).

La un stimul 2, cu o panta mai lenta I₂/t₂ pragul de depolarizare este atins pentru o alta pereche de valori I₂,t₂. Micsorand panta de crestere a stimulului, se poate ajunge la o valoare la care depolarizarea celulelor nu se mai produce, tesutul fiind complet adaptat, desi amplitudinea stimulului poate fi atat de mare la un moment dat incat tesutul sa fie ars, distrus.

Experimental s-a dovedit ca adaptarea este functie de viteza de aplicare a stimulului. Desi receptorii semnalizeaza centrilor nervosi ambele calitati ale stimulului, viteza de crestere (panta) si amplitudinea, modalitatea cum sistemul nervos central utilizeaza doar viteza aplicarii stimulului ramane inca necunoscuta. Adica, descarcarea ritmica a impulsurilor produse prin stimularea unui receptor scade treptat in ceea ce priveste frecventa si poate chiar sa inceteze, desi stimulul continua sa fie aplicat cu intensitatea initiala.

Timpul minim intre doua impulsuri de stimulare care conduc la doua raspunsuri distincte este numit TIMP CRITIC. Daca impulsurile de stimulare sunt repetate prea rapid, fibrele nervoase, respectiv muschii, raspund asemanator unui stimul de aceeasi amplitudine, dar durata mai mare. Frecventa critica variaza de la un tesut la altul si depinde in plus si de temperatura, oboseala, etc.. Frecventa critica pentru muschii importanti umani este intre 5 si 15 Hz, ceea ce corespunde perioadei critice intre 200 si 66 ms.

Avand in vedere aceasta caracteristica a celulelor, deci si a tesuturilor, de a se adapta la stimuli, rezulta ca formele de unda ale tensiunilor sau curentilor utilizati pentru stimulare trebuie sa aiba cel putin o anumita viteza de variatie (panta) pentru a produce excitatia celulei, respectiv tesutului

La aparitia unui stimul 1 (cu panta I₁/t₁), luand in considerare o celula a tesutului sub test, potentialul de membrana al celulei atinge pragul de stimulare si celula se depolarizeaza in momentul t₁ la amplitudinea I₁ a impulsului.

La stimuli prelungiti cu viteza mica de crestere, pragul de excitabilitate al celulelor creste. De aceea studiul comportarii tesuturilor la stimulare se efectueaza cu impulsuri dreptunghiulare (curent sau tensiune) de amplitudini, durate, pante si frecvente reglabile independent.

Stimulatoarele electrice sunt generatoare de impulsuri de tensiune constanta si / sau curent constant, reglabile in amplitudine (max.500V respectiv 100mA), in durata (50ms - 500ms) si in frecventa (de la 0,1 Hz la 10kHz). Unele stimulatoare pot livra impulsuri unice (singulare) sau trenuri de impulsuri de durate si frecvente reglabile - fig. 3.9.

Fig.3.9. - Diferite tipuri de impulsuri generate de stimulatoarele electrice si anume:

a)     dreptunghiular monofazic

b)     dreptunghiular bifazic

c)     trifazic

d)     , e) , f) polifazic

g)     dreptunghiular in scara monofazica

h)     dreptunghiular in scara polifazica

i)      treapta variabila

Impulsurile generate pot fi de forme diferite (dreptunghiular, triunghiular, exponential, trapezoidal, sinusoidal, etc.) monofazice, bifazice sau polifazice. Stimularea poate avea loc si in curent continuu (galvanic) si neofaradic (similar celui produs de bobina de inductie avand durata de 1 ms si f = 50 Hz).

In anumite stimulatoare bifazice impulsul de stimulare este urmat de un impuls de polaritate opusa cu amplitudinea de 10 ori mai mica si durata cu de 10 ori mai mare fata de impulsul de stimulare astfel compensandu-se potentialele de polarizare a electrozilor de culegere. La stimulatoarele electrice de curent constant (curentul de excitatie - de stimulare - este constant, independent de variatia rezistentei tesutului stimulat), rezistenta interna este mult mai mare decat rezistenta tesutului. La stimulatoarele electrice de tensiune constanta (tensiunea de stimulare este constanta independent de variatia rezistentei tesutului stimulat) rezistenta interna este mult mai mica decat rezistenta tesutului.

Pentru asigurarea unei stimulari corecte se impune pe de o parte alegerea parametrilor impulsurilor adecvat tesutului vizat, iar pe de alta parte mentinerea unui raport convenabil intre artefactul de excitatie si raspunsul propriu zis.

Captarea impulsului de excitatie prin electrozii de culegere determina pe traseul afisat (vizualizat sau inregistrat) o deflexie care precede raspunsul specific si care este cunoscuta sub numele de artefact de excitatie. date fiind confuziile care pot aparea in disocierea artefactului de raspuns fie prin amplitudinea si durata mult crescute ale acestuia fata de raspuns, fie chiar prin mascarea raspunsului, se impun unele masuri de precautie atat in conceperea lantului de stimulare cat si in manipularea lui.

In acest sens o cale de reducere a artefactului este folosirea in lantul de stimulare -fig.3.10.- a unei unitati de separatie izolata fata de masa prin impedante foarte mari (reducandu-se la minim capacitatile parazite fata de pamant). Unitatile de separatie pot fi cu transformator de impulsuri, cu cuplaj in radiofrecventa, cu cuplaj optic.

Pentru a nu lua drept raspuns artefactul de excitatie in cazul cand raspunsul veritabil este absent sau stimulul este subliminal, schimbarea polaritatii de stimulare ne ofera mijlocul de a recunoaste imediat artefactul prin aceea ca deflexia observata pe traseul afisat urmeaza sensul schimbat. Pentru a putea observa pe ecranul unui osciloscop atat raspunsul tesutului cat sI impulsul (artefactul) de stimulare, este necesar ca impulsul de stimulare sa fie intarziat fata de impulsul de sincronizare care declanseaza baza de timp a osciloscopului iar viteza baleiajului sa fie adecvata perioadei latente.

Fig.3.10. - Structura lantului de stimulare

Schema bloc a unui stimulator electric este prezentata in fig.3.11. Impulsurile de frecventa variabila produse in oscilator sunt aplicate direct sau cu intarziere formatorului de impulsuri cu durata variabila, care ataca amplificatorul de putere si de aici se culeg semnalele pentru electrozii de excitare. Oscilatorul livreaza un semnal de sincronizare (dreptunghiular), corespunzator momentului eliberarii stimulului, acest semnal de sincronizare fiind necesar mijlocului de afisaj.

Fig.3.11.- Schema bloc a unui stimulator electric

Sincronizarea sau usoara intarziere a stimulului fata de declansarea bazei de timp ajuta pe de o parte la disocierea raspunsului fata de artefact, iar pe de alta parte, ofera posibilitatea calcularii perioadei latente (intervalul de timp dintre artefactul de excitatie si raspuns)