Sách:Điện từ sinh học/Đáp ứng điện da

Từ Thư viện Khoa học VLOS
Bước tới: chuyển hướng, tìm kiếm


27.1 Giới thiệu

Ở chương trước, chúng ta đã nói về việc cần thiết phải tính đến sự tương tác của da với các điện cực có nhiệm vụ ghi lại điện thế bề mặt không tiếp xúc hoặc đưa vào dòng kích thích. Da và các đặc tính của nó ở các ví dụ này gây khó khăn trong việc tìm hiểu và có thể phản tác dụng. Ở chương này, chúng ta sẽ chỉ tập trung vào đáp ứng của da.

Vấn đề liên quan đến độ dẫn giữa các điện cực da, thường đặt tại bề mặt lòng bàn tay nảy sinh do sự liên quan của tuyến mồ hôi trong việc đo lường. Do hoạt động của tuyến mồ hôi-được điều khiển bởi hoạt động của dây thần kinh giao cảm, việc đo lường này được xem như cách thức lý tưởng để giám sát hệ thần kinh tự trị (autonomic nervous system). Ở chương này, chúng ta sẽ tìm hiểu một số kiến thức để nhấn mạnh đáp ứng điện da (electrodermal response-EDR) với kích thích giao cảm. Nguồn tài liệu chính của chương này là các bài tổng kết của Fowles (1974, 1986) và Venables và Christie (1980) mà bạn đọc có thể tham khảo khi muốn tìm kiếm thêm thông tin.

Ở các chương trước của cuốn sách này mỗi chủ đề được lựa chọn để minh họa cho các nguyên lý cơ bản của môn học này. Ở chương này, chúng ta sẽ phát hiện nền tảng cho EDR chưa được hiểu một cách đầy đủ và còn rất nhiều điều cần khám phá để có thể giải thích hiện tượng trong các điều kiện lý sinh và sinh lý cơ bản. Bất chấp việc còn có hạn chế nhưng EDR vẫn đang được sử dụng rộng rãi. Do đây là một chủ đề trong điện sinh học, nó cần được quan tâm đặc biệt cho những nghiên cứu sâu hơn. Rõ ràng là, đây là một ứng dụng điện từ sinh học trong đó một mô hình định lượng hợp lý sẽ có tác dụng tốt và tức thì trong nghiên cứu và các ứng dụng điều trị.

27.2 Sinh lý học của da.

Lý giải về độ dẫn và điện thế của da đòi hỏi một số kiến thức về cấu tạo của các mô tại và dưới bề mặt da. Hình 27.1 chỉ ra các đặc trưng chính của da. Lớp dầy phía trên bề mặt gọi là biểu bì (epidermis) gồm có lớp sừng (stratum corneum) và lớp lucidum (Chỉ nhìn thấy được ở các bề mặt ma sát – “frictional surfaces”), lớp hạt (granular layer), lớp tế bào gai (prickle cell layer) và lớp cơ sở (basal) hay lớp nảy mầm (germinating layer). Bề mặt của lớp sừng (nghĩa là bề mặt của da) được tạo thành bởi các tế bào chết, trong khi tại mặt đáy của nó là các tế bào sống khoẻ mạnh. Giữa chúng là các tế bào chuyển tiếp. Lớp này còn được gọi là horny layer. Mạch máu nằm tại vùng hạ bì (dermis) trong khi các tế bào kích thích bài tiết tuyến mồ hôi nội tiết nằm tại ranh giới giữa vùng hạ bì và lớp mỡ (panniculus adiposus), còn được gọi là lớp dưới da (hypodermis) hay mạc nông (superficial fascia). Ống bài tiết của tuyến mồ hôi nội tiết gồm có một ống đơn tạo bởi một hay hai lớp tế bảo biểu mô, ống này đi lên và mở ra tại bề mặt của da. Nó có hình dạng lượn sóng tại lớp hạ bì nhưng sau đó theo một đường xoắn ốc và hình nón ngược xuyên qua lớp hạ bì và kết thúc tại một lỗ chân lông trên bề mặt da. Kích thích tiết acetylcholine thông qua các sợi từ hệ thống thần kinh giao cảm cấu thành tác nhân chính sản xuất ra mồ hôi của các tuyến nội tiết này.

Nhìn trên hình 27.1, ta có thể thấy lớp biểu mô thông thường có trở khàng điện cao do lớp dày các tế bào chết với các màng chất sừng (keratin) dầy. Điều này không có gì ngạc nhiên, do chức năng của da là tạo một hàng rào và bảo vệ chống chầy xước, các tác nhân cơ học... Toàn bộ lớp biểu mô (không tính các tế bào tróc vẩy) cấu thành lớp chắn (barrier layer), một hàng rào ngăn thẩm thấu. Các thí nghiệm chỉ ra rằng nó hoạt động như một màng thụ động.

Tuy nhiên, lớp sừng bị đâm xuyên bởi các ống mồ hôi nằm ở các tế bào bên dưới (đã nói ở trên), khi các ống này được đổ đầy, xuất hiện chất dẫn khá tốt (mồ hôi có thể xem như tương đương với dung dịch hoà tan muối NaCl 0.3%, nghĩa là chất điện phân yếu), và dẫn đến rất nhiều đường dẫn song song trở kháng thấp. Độ dẫn tiếp tục tăng do sự hydrat hoá của lớp sừng do dòng mồ hôi chảy qua vách ống mồ hôi (một quá trình được tạo điều kiện bởi đường ống hình xoắn ốc và đặc tính hút nước rất mạnh của lớp sừng). Hệ quả là độ dẫn của da thực tế có thể biến thiên rất lớn, phụ thuộc vào các hoạt động nội tiết hiện tại và trước đó. Hoạt động này đặc biệt lớn tại vùng gan lòng bàn tay do trong khi lớp biểu mô rất dày, các tuyến mồ hôi nột tiết có mật độ rất khác nhau. Cần chú ý rằng việc đổ mồ hôi vào các ống có thể xảy ra trước (có thể quan sát được) sự giải phóng mồ hôi từ bề mặt da và sự khuếch tán vào lớp sừng.

Chúng ta đã lưu ý rằng nhiệm vụ chính của da là bảo vệ cơ thể trước các tác nhân từ môi trường. Một trong số đó là ngăn chặn sự mất nước của cơ thể. Tuy nhiên, đồng thời quá trình bay hơi nước để điều chỉnh thân nhiệt cũng phải diễn ra. Những yêu cần này được thực hiện bởi lớp sừng ngăn chặn sự mất nước ra bên ngoài ngoại trừ thông qua tuyến mồ hôi. Những hoạt động này có thể điều khiển được thông qua hệ thống thần kinh tự trị (giao cảm). Việc đo lường đầu ra các tuyến mồ hôi, nơi EDR đi qua, cung cấp một đánh giá đơn giản về mức độ và quy mô của hoạt động giao cảm. Đây là khái niệm cơ bản và đơn giản về EDR và các ứng dụng của nó trong vật lý học tinh thần (psychophysiology).

2701.gif
Hình 27.1: Phần da mềm lấy từ lòng bàn chân.
(Redrawn from Ebling, Eady, and Leigh, 1992)

27.3 Đo lường điện da (ELECTRODERMAL MEASURES)

Ta đã khẳng định mối quan hệ giữa điện da và các hoạt động tuyến mồ hôi. Các bằng chứng thuyết phục từ các thí nghiệm cho thấy sự tương quan trực tiếp giữa EDR và các hoạt động tuyến mồ hôi chịu kích thích. Hơn nữa, khi huỷ bỏ các hoạt động tuyến mồ hôi, các tín hiệu EDR không còn xuất hiện (Fowles, 1986).

Có 2 cách đo lường chính cho đáp ứng điện da. Đầu tiên, liên quan đến đo lường trở kháng hay độ dẫn giữa 2 điện cực đặt tại gan bàn tay, được đề xuất lần đầu tiên bởi Féré (1888). Phương pháp này còn có thể đo điện áp giữa các điện cực; các điện thế dạng sóng xuất hiện tương tự như sự thay đổi trở kháng thụ động, mặc dù việc thông dịch nó còn gặp nhiều khó khăn. Phương pháp này được phát minh bởi Tarchanoff (1889). Loại phương pháp đo lường đầu tiên này được gọi là ngoài cơ thể (exosomatic) do dòng sử dụng trong phương pháp này được đưa từ bên ngoài. Loại thứ hai, ít được sử dụng hơn, được gọi là trong cơ thể (endosomatic) do nguồn điện áp ở bên trong. Các nhà nghiên cứu cũng phân biệt phép đo lường là thuộc lớp nền (tonic-trương lực) (L) hay loại đáp ứng (R) biến thiên theo thời gian (phasic-pha). Các ý tưởng đơn giản này dẫn tới một loạt phép đo lường cụ thể được mô tả bởi 3 chữ cái viết tắt trên bảng 27.1.

Bảng 27.1 : Chữ viết tắt dùng để phân biệt các loại phép đo điện da.
27table.gif


Các thuật ngữ cũ hơn không còn được sử dụng, như là galvanic skin response (đáp ứng da điện) không được nói đến trong bảng này. Các phép đo lường trở kháng và độ dẫn có quan hệ tương hỗ lẫn nhau, tuy nhiên, sẽ có phương pháp có quan hệ tuyến tính với các tác nhân kích thích trong nghiên cứu và hữu dụng trong cung cấp kết quả.

27.4 Vị trí đo lường và các tín hiệu đặc trưng.

Như đã nói ở trên, EDA được đo lường tốt nhất tại gan bàn tay. Các vị trí lý tưởng đặt điện cực được cho trên hình 27.2. Nói chung, các điện cực được sử dụng là loại Ag/AgCl được gắn vào da và yêu cầu phải sử dụng điện cực dán thích hợp. Do đây là loại điện cực thuận nghịch, điện thế thiên áp là tối giản. Đây là một điều quan trọng do liên quan đến việc xác định SC và SP. Dưới mỗi điện cực còn có một điện thế pin bán phần (half-cell), nhưng nếu đây là các nồng độ clorua đồng nhất che phủ và cùng loại, tác dụng của chúng là bằng nhau và được loại bỏ. Vì lý do này mà một điện cực dán NaCl tại nơi tập trung mồ hôi (xấp xỉ 0.3% NaCl) được lựa chọn thay thế.

Như mô tả trên hình 27.2, vị trí tham chiếu bị mài mòn, một quá trình rất có thể làm mất lớp sừng và do đó làm giảm đáng kể trở kháng. Bản thân vị trí đặt điện cực, trên cẳng tay, được lựa chọn làm vị tri trung tính (nonactive) do đó chỉ yêu cầu một tiếp điểm tốt. Mặc dù việc mất lớp sừng có thể làm cản trở việc kiểm tra của hệ thống ở đó, không có thêm bất cứ yêu cầu nào với vùng tham chiếu, do nó là không hoạt động (trung tính).

2702.gif
Hình 27.2 : Vị trí đặt điện cực trên gan bàn tay để đo trở kháng và điện thế da.
(vẽ lại từ Venables và Christie, 1980)


Trên hình 27.3 là các đặc trưng tín hiệu của dạng sóng SCR và SPR. Chúng được nhận biết với việc có khôi phục chậm (slow recovery) ở hình 27.3A có thời gian tồn tại xấp xỉ 40s với biên độ pha khoảng 2 µS cho độ dẫn và 10-20 mV cho điện thế. Do giá trị biên độ phụ thuộc phi tuyến tính vào vùng điện cực, các giá trị này không thể chuẩn hoá một cách dễ dàng, do đó, khó khăn khi so sánh với nhau. Dữ liệu thu thập bởi Venables và Christie (1980) cho giá trị SCL trung bình là 0.3 µS và SCR trung bình là 0.52 µS khi nghiên cứu một mật độ cụ thể (N = 500-600). Khôi phục nhanh (Rapid-recovery) SCRs và SPRs được cho trên hình 27.3B.

Kỹ thuật điện tử liên quan đến đo lường EDR khá đơn giản. Với các điều kiện ngoài cơ thể, một nguồn dòng không đổi hoặc một nguồn áp không đổi được sử dụng. Như đã được mô tả bởi Venables và Christie (1980), mạch trong cả 2 trường hợp gồm có một pin với điện áp EB nối với da thông qua trở kháng nối tiếp RA; mạch đóng bởi trở kháng da Rs. Các điều kiện dòng không đổi có được bằng cách thiết lập RA rất lớn (Ví dụ EB = 100 V; RA = 10 MΩ; và thậm chí với trở kháng da có giá trị lớn (nghĩa là Rs ≈ 250kΩ, tương ứng với 4 µS), dòng sai khác so với giá trị không đáng kể 10.0 µA một lượng dưới 2.5%). Với các điều kiện điện áp không đổi, giá trị RA nhỏ khi so sánh với Rs, vì vậy điện áp qua Rs là điện áp pin cố định. Trong trường hợp dòng không đổi, điện áp da Vs(t) được đo lường và

Congthuc27.1.gif

Với các điều kiện áp không đổi, điện áp VA được đo lường thông qua các điện trở nối tiếp. Tiếp đó

Congthuc27.2.gif

Thực tế ngày nay sử dụng một pin điện áp Eb bằng 0.5 V trong khi dòng không đổi và áp không đổi thu được tốt hơn bằng điện tử.

Với các điều kiện trong cơ thể, ta mong muốn đo lường được điện thế da, và điều kiện lý tưởng là khi trở kháng đầu vào của bộ khuếch đại là rất lớn khi so sánh với trở kháng da. Một bộ khuếch đại thuật toán được sử dụng. Các yêu cầu khác được chỉ rõ trên dạng sóng mẫu trên hình 27.3 : nói chung, một điện áp đầu vào nằm trong khoảng từ +10 tới -70 mV tại dải thông từ DC (dòng một chiều) cho tới vài Hz. Geddes và Baker (1989) khuyến nghị sử dụng dải từ 0-5 Hz cho các đo lường trương lực (tonic) và dải 0.03-5 Hz phù hợp cho đo lường pha (phasic). Đề xuất cho các phép đo lường điện da được soạn thảo bởi một uỷ ban được lựa chọn bởi biên tập viên của Psychophysiology (Vật lý học tinh thần) và được xuất bản bởi tạp chí này (Fowles et al., 1981). Các bài viết của MacPherson, MacNeil, và Marble (1976) về các thiết bị đo lường cũng rất hữu ích.

2703.gif
Hình 27.3 : (A) Đường phía trên là một SCR khôi phục chậm, trong khi đường ở giữa và dưới cùng là SPRs âm một pha.
(B) Đường phía trên là một SCR khôi phục nhanh, trong khi đường ở giữa và dưới cùng là SPRs một pha dương. (Fowles, 1974)

27.5 Lý thuyết về EDR

Một mô hình toàn diện về EDR được phát triển bởi Fowles (1974) và xuất hiện không thay đổi về cơ bản trên Fowles (1986); nguyên lý của nó được cho trên hình 27.4. Mô hình này chỉ hữu dụng về mặt định tính do không có các dữ liệu định lượng để hỗ trợ mạch hoặc để đánh giá các phần tử của nó. Phía trên hình vẽ mô tả bề mặt da, trong khi bên dưới hình mô tả bề mặt giữa lớp dưới da (hypodermis) và lớp hạ bì (dermis). Điện cực hoạt động đặt tại phía trên (bề mặt da), trong khi điện cực tham chiếu đặt ở bên dưới (lớp dưới da).

R1 và R2 biểu diễn trở kháng với dòng chảy qua các ống mồ hôi nằm lần lượt ở lớp biểu bì và lớp hạ bì. Đó là các dòng chính khi các ống này chứa mồ hôi, và trở kháng của chúng giảm khi các ống được đổ đầy. Quá trình đổ đầy này bắt đầu trong lớp hạ bì và tiếp tục với lớp biểu bì.

E1 và R4 biểu diễn đường vào các ống mồ hôi thông qua các vách ống mồ hôi trong lớp hạ bì, trong khi E2 và R3 mô tả con đường giống như vậy nhưng là trong lớp biểu bì. Các điện thế tải nạp E1 và E2 xuất hiện là kết quả của sự tập trung ion không đồng đều qua các ống mồ hôi cũng như độ thấm từ ion có chọn lọc (đã nói ở chương 3). Điện thế này chịu tác động bởi quá trình tạo mồ hôi, đặc biệt là nếu, sự tăng dần của áp suất thuỷ tĩnh làm khử cực màng ống mồ hôi. Sự khử cực này làm tăng độ thấm từ dòng ion, điều này được thấy rõ trên mô hình với việc giá trị của R3 and R4 bị giảm. Thông thường, vấn đề này được quan tâm như một cơ chế quan trọng để giải thích các tín hiệu khôi phục nhanh (do tốc độ khôi phục lại độ thấm từ bình thường là như nhau). Điện thế của E1 and E2 thông thường là âm-lumen (lumen-negative).

Trở kháng R5 là trở kháng của lớp sừng, trong khi E3 là điện thế lớp sừng. Hiện tượng hydrat hoá của lớp sừng, kết quả của sự khuếch tán của mồ hôi từ các ống mồ hôi vào lớp sừng khô và hút nước thông thường, dẫn đến làm giảm giá trị R5.

Kết quả dự đoán của một thí nghiệm phụ thuộc vào quy mô của đáp ứng với một kích thích và điều kiện tuyến mồ hôi trước. Với một sự xác nhận SCR, Fowles (1986) tuyên bố các điện thế có thể được bỏ qua (xem như các nhân tố tương đối nhỏ). Nếu giả thiết các điều kiện nghỉ ban đầu, một đáp ứng mồ hôi gồm có sự tăng lên của mồ hôi trong các ống mồ hôi, và R2 tương ứng giảm dần. Thời gian đợi đáp ứng liên quan đến thời gian cần thiết để hoạt động trên diễn ra. Nếu đáp ứng là nhỏ và R1 và R5 không bị ảnh hưởng, SCR sẽ không thay đổi. Với một đáp ứng lớn hơn, mặc dù mồ hôi vẫn còn trong các ống mồ hôi, nó đã trải rộng sang lớp sừng và do đó làm giảm R1 và R2. Nếu đáp ứng đủ lớn, sẽ có dòng qua vách ống mồ hôi, làm hydrat hoá lớp sừng nghĩa là làm giảm R5. Với một đáp ứng mồ hôi rất lớn (hoặc một đáp ứng trung bình diễn ra sau khi các ống mồ hôi vừa được đổ đầy một phần), nó còn bao gồm sự kích hoạt màng ống mồ hôi biểu bì do sự dâng lên của áp suất thuỷ tĩnh, và hệ quả là làm giảm R3.

Để ghi lại SP, có thể sử dụng hình 27.4 như một hướng dẫn về các kết quả có thể có của đáp ứng với một kích thích. Điện thế đo được qua lớp biểu bì biểu diễn E3 trừ đi điện áp rơi trên R5. Các nhân tố được xem xét bao gồm sự tái hấp thu Natri qua các vách ống mồ hôi nhờ vận chuyển tích cực hoạt động tạo ra các điện thế âm-lumen lớn. Tác động của chúng lên điện áp đo được phụ thuộc vào các giá trị tương đối của R1, R2, and R4 (với các giá trị thấp làm tăng cường sự đo lường E1, và giá trị R5 thấp làm giảm sự đo lường này (Edelberg, 1968)). Với các đáp ứng bình thường khi lớp sừng không bị hydrat hoá tương đối, điện thế ống mồ hôi âm-lumen tăng lên và R2 giảm và R1 có thể hoạt động tạo ra một SPR âm một pha. Các đáp ứng lớn kích hoạt đáp ứng màng và sự sụt giảm lớn và nhanh tại R3 làm giảm điện thế âm đo được và có thể một thành phần dương nếu ống mồ hôi đã được đổ đầy.

Người đọc có thể nhận thấy rằng mô hình này không định lượng và do đó, không thể sử dụng làm nguồn thông tin đối với kết quả của một thí nghiệm ngoại trừ các vấn đề định tính. Khi cần kiểm tra mức độ mạch thông số tập trung biểu diễn hệ thống phân bố thực, có lẽ cần có các lớp phụ thêm. Quan trọng nhất là, mỗi phần tử mạch cần được mô tả một cách lý sinh và định lượng. Có thể điều này sẽ yêu cầu phải cách ly các phần khác nhau của hệ thống và cũng thích hợp trong các thí nghiệm vitro. Trong khi đó, EDA tỏ ra hữu dụng như một công cụ thực nghiệm để ghi lại mức độ hoạt động giao cảm trong một thí nghiệm tâm sinh lý học.

Vấn đề của chúng ta khi sử dụng EDR cũng cần được quan tâm. Khi đáp ứng độ dẫn da được sử dụng để đánh giá một kết quả tức thì ứng với một kích thích cụ thể, rất khó để phân biệt đáp ứng cụ thể của kích thích với các hoạt động SCR tự phát. Để giải quyết vấn đề này, các điều tra viên sử dụng một cửa sổ đáp ứng sau kích thích từ 1-5 s –khoảng thời gian một tín hiệu sẽ được chấp nhận. Nếu giả thiết tỉ lệ SCR tự phát là 7.5/phút, SCR tự phát trùng hợp được giảm đi 50%. Một cửa sổ hẹp hơn được đề xuất để phân biệt rõ hơn các tín hiệu không mong muốn.

2704.gif
Hình 27.4 : Một mạch tương đương được đơn giản hoá mô tả hệ thống điện da (From Fowles, 1986)


27.6 Các ứng dụng

Các ứng dụng của EDR nằm ở mảng tâm thần sinh lý học và liên quan đến các nghiên cứu về đo lường định tính các hoạt động giao cảm. Fowles (1986) phát biểu:

Kích thích tạo ra các đáp ứng này (EDR)có ở khắp nơi và đã được chứng minh là khó có thể đưa ra một khái niệm hoá của các đặc điểm chung cho các kích thích này. Tuy nhiên, đáp ứng thường xuất hiện với các kích thích phụ thuộc vào hiệu năng của chúng về mặt sinh lý học ngược với cường độ vật lý của chúng.

Bạn đọc quan tâm tới vấn đề này có thể tìm thấy các tài liệu tham khảo với EDR là từ khoá. Trong cuốn Citation Index của SCI (1991) có thể tìm thấy xấp xỉ 25 tài liệu tham khảo (nghĩa là đã được xuất bản). Tầm quan trọng của vấn đề ở chương này được chỉ ra trong một nghiên cứu gần đây – mồ hôi gan bàn tay là một trong những triệu chứng rõ nhất của trạng thái lo lắng, và trong một vài trường hợp, là phản ứng của cơ thể có thể nhìn thấy rõ nhất. Nhưng các ứng dụng này nằm ngoài phạm vi của cuốn sách và chúng ta sẽ không đi sâu hơn về vấn đề này. Bạn đọc quan tâm có thể tìm đọc thêm trong các ấn phẩm của tạp chí Psychophysiology.

Tài liệu tham khảo

Ebling FJG, Eady RAJ, Leigh IM (1992): Anatomy and organization of the human skin. In Textbook of Dermatology, 5th ed., ed. RH Champion, JL Burton, FJG Ebling, p. 3160, Blackwell, London.

Edelberg R (1968): Biopotentials from the skin surface: The hydration effect. Ann. N.Y. Acad. Sci. 148: 252-62. Féré C (1888): Note sur les modifications de la résistance électrique sous l'influence des excitations sensorielles et des émotions. C. R. Soc. Biol. (Paris) 5: 217-9.

Fowles DC (1974): Mechanisms of electrodermal activity. In Methods in Physiological Psychology. Bioelectric Recording Techniques, C ed. Vol. 1, ed. RF Thompson, MM Patterson, pp. 231-71, Academic Press, New York.

Fowles DC, Christie MJ, Edelberg R, Grings WW, Lykken DT, Venables PH (1981): Committee report: Publication recommendations for electrodermal measurements. Psychophysiol. 18: 232-9.

Fowles DC (1986): The eccrine system and electrodermal activity. In Psychophysiology, ed. MGH Coles, E Donchin, SW Porges, pp. 51-96, Guilford Press, New York.

Geddes LA, Baker LE (1989): Principles of Applied Biomedical Instrumentation, 3rd ed., John Wiley, New York, N.Y.


Trang trước Đáp ứng điện da Trang tiếp

Liên kết đến đây