Sách:Điện từ sinh học/Kích thích điện chức năng
21.Kích thích điện chức năng
21.1.Giới thiệu
Có 1 số lượng lớn các văn bản khoa học về tri liệu sử dụng dòng điện (Segmant,1982). Mặc dù cơ chế này là không rõ ràng, nó xuất hiện phát sinh như là hậu quả sự khử cực hay siêu phân cực của những màng tế bào kích thích lấy kết quả từ ứng dụng dòng. Các cơ chế khác , đôi khi phức tạp bao gồm hiệu ứng nhiệt và hiệu ứng thần kinh.
Kích thích điện chức năng là 1 sự ứng dụng rất đơn giản cho việc trị liệu dùng dòng điện. Một vùng khác trong đó liệu pháp điện có thể áp dụng trong điện kích thích các mô tim bao gồm sự quan sát nhịp tim và sự khử rung tim. Chủ đề này sẽ được thảo luận trong 2 chương kế tiếp.
Kể từ khi sự kích thích điện của mô sinh học đòi hỏi các điện cực, bất kì nghiên cứu thực hành nào đều bao gồm sự tương tác giữa mô với điện cực và những điện cực với nhau. Những đặc tính cơ của điện cực thì đặc biệt quan trọng với sự cấy ghép vì thời gian đo của chúng được thực hiện trong nhiều năm. Từ đây, dòng điện từ điện cực (nơi electron mang điện) vào trong mô (nơi các ion mang điện) có thể bao hàm một phản ứng điện hóa, vùng này phải được nghiên cứu một cách kĩ lưỡng. Do vậy vài phần của chương này dành riêng cho các đặc tính điện.
21.2. Mô phỏng sự kích thích của sợi myelin hóa.
Ở đây và các phần tiếp theo chúng ta sẽ xem xét trạng thái của một vài mô hình thần kinh cơ bản dựa trên các nguyên lý của điện sinh học. Như người đọc thấy, những mô hình này rất đơn giản. Đó là một công cụ (trong phân tích toán học ) và sự giới hạn ( từ đó chúng ta quan tâm tới những cấu trúc phức tạp hơn). Những kết quả quan trọng như là cung cấp những điểm khởi đầu hướng đến sự sáng tỏ của các mô hình thực tế hơn và thấy rõ hơn những thứ đạt được có tính ứng dụng rộng rãi.
Trong những ví dụ đơn giản nhất về kích thích thần kinh, một nguồn dòng điểm của độ bền Ia được đặt gần 1 dạng sợi myelin, cả nguồn và thần kinh coi như là đặt trong một dung môi dẫn điện vô hạn. Trong dạng này khoảng cách nguồn sợi biểu diễn là h, đường kính sơi do (đường kính myelin ngoài) và đường kính sợi trục(đường kính myelin trong) di. Độ dài giữa các nút kí hiệu là l. Tỉ lệ của độ dài liên nút với đường kính sợi xem như là hằng số (100). Mô hình này được công bố bởi McNeal (1976), và được ứng dụng chặt chẽ trong bài này.
Mô hình điện tương ứng với hình 21.1 được miêu tả trong hình 21.2. Trong hình này thì mô hình xem như là dòng qua màng bị giới hạn duy nhất đến các vùng nút. Nhiều thí nghiệm gần đây, bản tóm tắt của Chu và Ritchie (1984) cho thấy trong những sợi thần kinh của động vật có vú các kênh kali được tìm thấy trong màng bọc sợi liên nút. Sự xuất hiện này giới thiệu sự khác nhau định lượng mà không định tính trong mô hình thần kinh lưỡng cư của Frankenhauser và Huxley (1964) miêu tả ở hình 21.2. Chúng ta sẽ tiếp tục dùng nó do tính đơn giản và đầy đủ những đặc tính.
Do nút tương đối hẹp, mô hình mạng đại diện màng được mô tả cơ bản bởi các nhân tố-là các tham số tập trung. Những nhân tố này được biểu diễn như là 1 mạch song song R-C, cấu trúc này giống nhau ở tất cả trừ nút trung tâm (nút 0). McNeal đã trình bày chặt chẽ sự kích thích lên đến ngưỡng, tất cả các nút trừ nút 0 đáp ứng đầy đủ trong một mô hình tuyến tính yêu cầu chỉ là một mạng đại diện thụ động. Chỉ nút trung tâm là được mô tả bởi biểu thức Frankenhauser và Huxley (1964).
Trục dòng dẫn nội bào liên quan đến điện trở liên nút ri:
Ri =điện trở trục bên trong tế bào trên một đơn vị dài liên nút [kΩ/l]
ρi =Suất điện trở bên trong tế bào [kΩ•cm]
L = độ dài liên nút [cm]
di =đường kính sợi trục [cm]
Hình 21.1: 1 dòng điểm kích thích Ia, đặt bên dưới 1 khoảng h, từ sợi thần kinh myelin. Một nút của Ravier được xem để căn chỉnh với kích thích đơn cực. Khoảng liên nút l có liên quan đến đường kính ngoài của myelin, do với l=100.do
Hình 21.2:Mô hình điện của sợi myelin bị kích thích bởi nguồn dòng điểm Ia, nút thẳng bên dưới là nguồn có nhãn 0 và mô hình màng này được tạo ra bởi công thức của Frankenhauser-Huxley. Những nút ở bên được xem là ngưỡng phụ và được mô tả bởi cặp R-C song song. Điện trở liên nút tổng bên trong màng là ri.
McNeal cho rằng điện thế bên ngoài tế bào của màng nút là cố định với sự kích thích bởi trường. Điện thế trường kích thích Φo
Φo = điện thế trường kích thích [mV]
Ia = dòng đưa vào [µA]
σo = suất dẫn môi trường bên ngoài tế bào [kΩ•cm]
r = khoảng cách từ nút tới nguồn điểm [cm]
Công thức này , trong kết quả coi rằng bản thân những sợi có rất it ảnh hưởng vào trường ứng dụng (.., nguồn thứ hai ở bề mặt sợi thiết lập một trường rất yếu để so sánh tới Φo bắt nguồn từ Ia, mô tả trong công thức 21.2). Nếu những trường bên ngoài tế bào rất nhỏ được xác định bởi sự truyền xung lực thần kinh trên những sợi cách ly (Plonsey, 1974), thì điện thế bên ngoài tế bào từ những nguồn thứ hai (chúng nhỏ hơn điện thế của những nguồn hoạt động) chắc chắn không đáng kể.
Dựa vào mô hình mạng cơ bản và công thức 21.2 có thể xác định sự ảnh hưởng đến nguồn bước của những Ia khác nhau. Biểu thức này được giải bởi định luật Kirchhoff. Chỉ số dưới i nghĩa là bên trong tế bào, o là bên ngoài tế bào và chỉ số n là nút đặc biệt (nút trung tâm chỉ định là 0). Chúng ta có dòng qua màng trên vùng nút ở nút thứ n , Im là:
Im, n = dòng qua màng trên vùng nút ở nút thứ n
Ii, n = dòng ion qua màng trên vùng nút ở nút thứ n
Vm, n = điện thế qua màng ở nút thứ n
Cm = dung kháng qua màng ở nút n
ri =trở kháng trục bên trong tế bào trên độ dài liên nút.
Giới hạn thứ 2 của công thức 21.3 biểu diễn sự khác nhau của dòng trục bên trong tế bào vào trong nút n (Vi,n-1 - Vi,n)/ri) trừ đi dòng ra (Vi,n - Vi,n+1)/ri); sự khác nhau này được thiết lập bằng dòng truyền qua màng của nút n (vế phải của công thức 21.3) nó thỏa mãn đúng để duy trì dòng. Ngoại trừ n=0 chúng ta thừa nhận điều kiện ngưỡng phụ là phù hợp trong kết quả và dòng ion là được xác định:
Rm, n = điện trở qua màng trên vùng nút (constant)
Sử dụng định nghĩa của điện thế qua màng Vn = Vi,n - Vo,n trong 21.3 xác định:
Công thức 21.4 đã được thay thế cho Ii,n
Khi n=0 tuy vậy nó biến thành:
V là bề rộng nút và dòng ion được tìm thấy từ công thức Frankenhauser-Huxley . Điện thế nút bên ngoài tế bào trong công thức 21.5 và 21.6 được tìm thấy từ công thức 21.2 và tạo thành hàm cưỡng bức. Chúng ta thừa nhận sự kích thích dòng được bật lên ở t=0 đến Vm,n = 0 cho tất cả n ở t=0; dòng kích thích tiếp tục được giả thiết cho 1 khoảng thời gian xác định. Công thức 21.5 là đủ để mô tả các phản ứng và cũng có thể áp dụng tại n=0.
Cách giải công thức 21.5 hoặc 21.6 với n=0 phân biệt theo thời gian và cách giải hệ thống công thức bằng sự lặp lại hay bằng kỹ thuật ma trận. Trạng thái dừng tác động đến giảm bớt sự kích thích nhanh chóng với tương ứng sự tăng của n để mà hạn chế số lượng của nút là cần được xem xét. Tốt nhất là sử dụng số nút nhỏ nhất; McNeal đã khảo sát sử dụng tổng cộng 11,21,31 nút và đã thấy sự đáp lại đến 1ms xung với độ chính xác bên trong là 0.2% chỉ với 11 nút.
Sự phản ứng tới một bước dòng dưới ngưỡng được xác định ở nút trung tâm và 4 nút bên cạnh mô tả trong hình 21.3. Chúng được tính toán từ tổng cộng 31 nút sử dụng những biến số giống nhau đã được chọn bởi McNeal (bảng 21.1). Những kết quả có được để đồng nhất với những kết quả đã thu được của McNeal sử dụng 11 nút. Từ đó, sự kích thích đơn cực được xem xét tới cực âm, dòng phải dời đi từ nút gần nhất, để duy trì dòng, dòng phải đi vào nút bên cạnh. Sự tính toán này của sự siêu phân cực của những nút ±2, ±3, ±4 . . .và sự khử cực của nút 0. Trạng thái của nút ±1 thay đổi như những tụ điện màng nạp điện. Ban đầu là siêu phân cực , nhưng điện thế trạng thái dừng (đáp ứng 1 xung của 1 khoảng thời gian dài) lại là 1 sự khử cực. Nếu sự kích thích thuộc cực dương thì tất cả những đáp ứng trong hình 21.3 sẽ bị đảo dấu, ban đầu sự khử cực lớn nhất xuất hiện ở nút ±1, nhưng sau đó 15ms sự khử cực lớn nhất ở nút ±2. Vậy kết quả sự kích thích từ 1 khoảng thời gian kích thích t<15ms và t>15ms xảy ra ở những nút khác nhau.
Bảng 21.1 Đặc tính điện của những sợi dây thần kinh myelin.
Hình 21.3 Đáp ứng ở nút trung tâm (n = 0) và 4 nút kế bên đến 1 nguồn dòng điểm đặt cách 1 mm từ sợi và bị kích thích với 1 bước dòng f 0.1 mA. Hình vẽ đã được mô tả ở hình 21.1. Đường kính sợi là 20 µm, và khoảng cách liên nút là 2 mm. Những thông số khác xác định ở bảng 21.1.
Trở lại xét sự kích thích âm cực, thấy rõ rằng cho những kích thích qua ngưỡng sự hoạt hóa xảy ra ở nút 0. Xác đinh định lượng giá trị của dòng và khoảng thời gian thực hiện sự hoạt hóa đòi hỏi dùng công thức 21.6 để mô tả nút trung tâm. McNeal đã tính toán với xung 100ms thì mức dòng ngưỡng là 0,23mA. Bằng cách xác định tương ứng dòng ngưỡng cho 1 loạt khoảng thời gian xung khác nhau, bằng một thí nghiệm về cường độ-thời gian, đường cong đã được vẽ lên. Đường cong này mô tả những điều kiện dưới, những điều kiện kích thích được thực hiện trong trường hợp rõ ràng của sợi 20 µm với 1 nguồn điểm cách 0,1mm. Với điều kiện lý tưởng trong chương 3 chúng ta mong đường cong có 1 dốc-1 cho khoảng xung ngắn, nhưng ở đây thì không đúng trong thí nghiệm đường cong. Lí do cho sự khác nhau này là cuộc thí nghiệm đã bị ảnh hưởng bởi sự thích ứng, cấu trúc phân bổ sợi và dạng hình học nguồn.
Phụ thuộc vào tính kích thích , đường kính sợi của dây thần kinh là rất quan trọng, từ đấy miêu tả một chùm dây thần kinh (bao gồm những sợi có đường kính khác nhau) sẽ phản ứng lại các kích thích thế nào. Xem xét kĩ công thức 21.5 và 21.6 thấy rõ được sự thay đổi của đường kính sợi do làm ảnh hưởng đến giải pháp chỉ thông qua các liên kết với khoảng cách liên nút l. Hình 21.5 đưa ra dòng ngưỡng cho 1 đơn cực cách sợi 1mm, đường kính chúng trong khoảng (2 µm do 25 µm) và khoảng xung thời gian là 100 µs. Khi đường kính giảm 10 lần (từ 20 đến 2 µm) ảnh hưởng đến ri và Rm thì tỉ lệ nghịch (tăng 10 lần). Như phép lấy xấp xỉ thô, điện thế truyền qua màng cảm ứng ở nút 0 là 1 phần thế ứng dụng khác nhau giữa nút 0 và nút 1. Điện thế này giảm khá đáng kể cho dây thần kinh có đường kính 2 µm chống lại đường kính 20 µm, từ đây l tăng lên 10 lần. Do vậy tính dễ kích thích bị giảm đối với những dây thần kinh có đường kính bé hơn. Hình 21.5 xác nhân kết quả này là đúng với sự mô phỏng. Chú ý rằng ở những đường kính lớn hơn thì độ dốc quanh điểm -½ nghĩa là ngưỡng giới hạn sẽ tỉ lệ nghịch với căn bậc hai đường kính sợi.
Hình 21.4: Đồ thị loga của một thời khoảng xung tạo ra sự hoạt hóa của sơi myelin có đường kính 20 µm từ 1 nguồn dòng điểm cách 1mm. Hình vẽ mô tả ở hình 21.1 và thông số điện của sợi theo bảng 21.1
Hình 21.5: Đồ thị loga biểu diễn quan hệ giữa ngưỡng dòng và đường kính sợi myelin cho 1 nguồn dòng điểm cách sợi 1 mm. Hình vẽ mô tả ở hình 21.1 21.3. Sự kích thích của 1 sợi trục thần kinh không myelin hóa.
Đáp ứng của 1 sợi đơn không myelin hóa tới 1 trường kích thích có thể thấy qua các dạng mô phỏng giống nhau được mô tả cho các sợi không myelin hóa. Thực tế để tính toán bằng số , điều cần thiết là để rời rạc hóa trục tọa độ x thành những thứ nguyên Δx và một mô hình mạng khá giống với kết quả xét đến trong hình 21.2. Biểu thức thông dụng cho dòng qua màng ở nguyên tố thứ n, từ công thức của mô hình cáp :
ri = điện trở trục nội bào trên đơn vị dài.
Lấy đạo hàm bậc hai công thức 21.7 ta có:
Vi,n = điện thế bên trong của nguyên tố thứ n.
Công thức mong muốn được tìm thấy bằng cách tính toán dòng truyền qua màng từ công thức 21.8 (xác đinh nhờ cấu trúc sợi ) với yêu cầu là đặc tính bên trong của màng là phi tuyến:
cm = điện dung màng tế bào trên một đơn vị dài
imI =thành phần ion của song truyền màng trên đơn vị dài
Dòng ion là ion của natri, kali, clorua được tìm thấy bởi Hodgkin and Huxley (1952).
Chú ý rằng chúng ta đã thừa nhận điều kiện trạng thái dừng, giới hạn điện dung có thể bằng 0, bởi vì nếu điều kiện tuyến tính có thể thừa nhận thì imI = Vm,n/Rm.
Nếu ta thay Vi,n bởi Vm,n + Vo,n
Công thức này bản chất giống công thức 21.6 trừ cách xếp đặt giữa các nguyên tố , Δx có thể nhỏ hơn l. Rất đúng vì liên nút được xếp đặt theo mô hình myelin hóa trong khi đó Δx thì ở vị trí tùy ý.
Hàm cưỡng bức trong công thức 21.10 có bản chất là 2Vo/ x2. Tùy theo trạng thái không gian của Vo và độ dài l hàm cưỡng bức trong 21.6 được xác định xấp xỉ 2Vo/ x2. Chúng ta chú ý Vo là trường thông thường của những điện cực kích thích trong sự vắng mặt của những sợi kích thích. Đó là cho 1 sợi độc lập cách ly, tác động trên trục của trường sợi được đặt. Từ đó có thể tính toán 2Vo/ x2 từ trường kích thích các điện cực một mình. Một cách rõ ràng đáp ứng tới trường kích thích thì nằm trong cách lấy đạo hàm bậc hai, được biểu thị là hàm hoạt hóa bởi Rattay (1986).
Thực tế, để biểu diễn tuyến tính nhất thiết đặt trước sự kích thích, công thức 21.10 có thể được thay thế bởi công thức :
rm =điện trở màng trên đơn vị dài
ri =điện trở bên trong trục tế bào trên đơn vị dài.
Chúng ta xem là đáp ứng Vm,n, tới một trường kích thích Vo, nó được kích thích ở t=0,( ví dụ hàm bước). Sự hoạt hóa là có thể nếu Vm,n/ t > 0, và điều kiện này dường như phụ thuộc vào 2Vo/ x2 > 0. Rattay đã thừa nhận mối quan hệ là đúng và biểu diễn 2Vo/ x2 như là một hàm hoạt hóa. Một ứng dụng xác định bởi Rattay, được mô tả bên dưới . Tuy nhiên người đọc nên chú ý rằng Vm,n không phụ thuộc trực tiếp vào 2Vo/ x2 , nhưng đúng hơn bắt nguồn từ cách giải công thức 2.11. Nhưng cách giải này cũng dựa trên phương pháp đồng nhất cộng thêm điều kiện biên. Thấy rằng kết quả của cùng hàm cưỡng bức có thể khác trong cách giải này cho thấy rằng sự giải thích 2Vo/ x2 như là 1 hàm hoạt hóa là không chắc chắn.
Hình 21.6 cho thấy trường ứng dụng Vo(x) dọc theo 1 sợi không myelin hóa cho 1 nguồn điểm cách xa 1mm và tương ứng với hàm hoạt hóa cho cả điều kiện cực dương và âm. Cho dòng âm giá trị -290 µA điều kiện ngưỡng đạt được ở sợi nguyên tố nằm dưới đường thẳng vuông góc từ đơn cực. Đó là vùng đỉnh cực dương của đồ thị đường cong 2Vo/ x2 Cho 1 nguồn dòng dương, 1450 µA được yêu cầu để đạt được sự kích thích, điều này được thấy qua đồ thị tương ứng với hàm hoạt hóa (d2Vo/dx2). Tăng gấp 5 lần dòng bù cho đỉnh ở bên trong hàm hoạt hóa, hiện tại chỉ có 1/5 của đỉnh trung tâm. Vị trí của miền kích thích có thể được tìm thấy từ công thức 21.2 giống như:
H=khoảng cách từ nguồn điểm đến sợi.
X=khoảng trục theo sợi
σo =độ dẫn trung bình ngoài tế bào
Chúng ta xem xét vấn đề:
Và lưu ý sự kích thích dương, kết quả khử cực cho | x | h / 2 (siêu khử cực với | x | h / 2). Ngược lại sự hoạt hóa từ sự kích thích âm thì bị giới hạn đến miền | x | h / 2. Trong khi siêu phân cực thì được tạo ra ở vùng bên.
Đối với sự kích thích âm và cho cường độ kích thích gia tăng, một mức ngưỡng đạt được trong sự hoạt hóa. Gia tăng liên tục cường độ kích thích thì theo sự biến đổi ít trong trạng thái đến một mức 8 lần ngưỡng thì đạt được. Ở điểm này vùng bên siêu phân cực tới vùng hoạt động có thể hạn chế tốt xung lực truyền đi. Rattay (1987) thấy rằng định lượng trạng thái này có thể giải theo công thức 21.10 với dòng ion được tính từ công thức Hodgkin-Huxley và với nguồn trường điểm của công thức 21.12. Kết quả này được vẽ trên hình 21.7 cho 1 sợi không meylin hóa đường kính 9.6 µm (tỉ lệ trong) và đường kính 38,4 µm(tỉ lệ ngoài).
hình 21.6 : Trường ứng dụng Vo(x) theo 1 sợi được định hướng theo x x bởi một nguồn điểm và 2Vo(x)/ x2 cho cả kích thích dương và âm. Ngưỡng dòng âm -290 µA bắt đầu hoạt hóa ở t x = 0 nó tương ứng đến đỉnh của hàm hoạt hó 2Vo(x)/ x2. Đối với điều kiện dương ngưỡng kích thích cho sự hoạt hóa là 1450 µA và tương ứng hàm hoạt hóa biểu diễn. Tăng 5 lần dòng được yêu cầu để mang đến sự tương ứng với đỉnh dương của 2Vo/ x2 tới mức giống nhau, nó có những điều kiện dưới ngưỡng âm. Chú ý sự kích thích để đặt ở bên x tới điểm 0. (From Rattay, 1986.)
Hình 21.7 có thể giải thích cho điều này. Cho sự kích thích âm với dòng -4mA và đường kính sợi nhỏ hơn (sử dụng tỉ lệ tọa độ trong). Sự kích thích xuất hiện nếu nguồn trường cách 0.73 tới 1.55mm nhưng trái lại cho sợi lớn sự kích thích yêu cầu nguồn trường trong khoảng 0.94 đến 2.44mm. Sự ghép cầu mô tả cực tiểu và cực đại của sự kích thích cho sợi bé (A) và sợi lớn. Thống nhất kết qủa đạt được với sợi meylin hóa. Chúng ta chú ý sự kích thích mạnh hơn của những sợi lớn. Sự kích thích ở đó có thể bắt đầu ở khoảng cực đại của 2.44mm được so sánh với 1.55 mm cho một sợi với 1/4 đường kính. Đối với những bó sợi có đường kính khác nhau và tròn nhưng không có ảnh hưởng qua lại giữa những sợi với nhau. Hình 21.7 có thể mô tả sự lựa chọn kết quả của nhiều mức kích thích khác nhau của một sợi có vị trí danh nghĩa:
Hình 21.7: Mối quan hệ giữa khoảng cách-dòng cho những sợi meylin hóa. Sự kích thích xuất hiện ở những điểm nằm dưới trong miền tô đậm. Đối với sự kích thích âm , một khoảng cách cực tiểu xuất hiện ở điểm nơi miền dương ngăn ngừa sự thoát đi của xung lực tác động. Đối với sự kích thích âm , ngăn ngừa không xảy ra, không có giới hạn thấp hơn trên khoảng cách nguồn sợi. Tỉ lệ bên trong là cho những sợi có đường kính 9.6 µm, và bên ngoài cho đường kính 38.4 µm. (Rattay, 1987.) 21.4. Sự bổ xung cơ.
Nếu một sợi cơ được kích thích điện, nó phản ứng co giật, giống như hình 21.8. Nếu một chuỗi kích thích được cung cấp khoảng thời gian cung cấp đó là ngắn hơn khoảng thời gian co giật, thì tổng thời gian xảy ra và một lực giãn lớn hơn sẽ bị tăng lên. Đối với một tần số đủ lớn đủ bằng phẳng, sự căng được quan sát, bắt đầu từ sự teo cực đai. Độ lớn và khoảng thời gian co giật là không giống nhau, phụ thuộc vào các loại sợi cơ. Chúng có thể phân ra theo cơ xương làm 3 nhóm chung kết hợp từ đặc tính sinh lý và trao đổi vật chất. ( Mortimer, 1981):
1. Giật cơ nhanh, glycotic (FG): Những sợi này phụ thuộc chủ yếu vào sự trao đổi glycotic với oxi hóa thấp. Khi đã kích thích sự co này trong khoảng thời gian ngắn và đáp ứng tới sự kích thích lặp lại biểu hiện là sự mệt mỏi nhanh và sự phục hồi chậm. Trong những cơ hỗn hợp những sợi này có khuynh hướng được tìm thấy ở gần ngoại biên. Đường kính sợi tương đối lớn, như cường độ tương đối của đỉnh lực .
2. Giật cơ nhanh, oxidative (FO): Rõ ràng từ FG là giật cơ oxihóa nhanh, nó dùng sự oxi hóa như là sự chuyển hóa glycotic. Đáp ứng đến sự kích thích lặp chậm hơn để mệt mỏi và nhanh hơn để phục hồi so với loại sợi FG khác. Đường kính của sợi FO thì ngắn hơn sợi FG, trong đó đỉnh lực của chúng nằm khoảng 2.6-2.9 kg/cm2 của thiết diện cơ đối với cơ sinh đôi cẳng chân mèo.
3. Giật cơ chậm, oxidative (SO): Những sợi này có thiết diện nhỏ nhất trong 3 nhóm. Chúng có khả năng thu nhận thấp đối với sự chuyển hóa glycotic. Đáp ứng giật cơ của chúng dài nhất về khoảng thời gian và thấp nhất về độ lớn (sự kết hợp tần số là thấp nhất) trong 3 nhóm. Sự kích thích lặp lại là nguyên nhân giảm chịu đựng và phục hồi nhanh. Những sợi này có khuynh hướng nằm ở miền trung tâm của một bó cơ. Trong cơ sinh đôi cẳng chân mèo, chúng sinh ra một lực khoảng 0.6kg/cm2.
Hình 21.8: Đáp ứng cho một sợi cơ đơn. Sự kích thích được mô tả bởi xung lực ban đầu.
Mỗi sợi trong một bó thì được phân bố bằng một nơron vận động đơn, nhưng mỗi nơron vận động chỉ tác động đến vài sợi. Nhóm sợi bị tác động bởi một nơron vận động đơn thì được gọi là một đơn vị vận động. Tất cả những sợi trong một đơn vị vận động là một loại giống nhau. Không ngạc nhiên là những sợi cơ đường kính lớn thì được phân bố bởi những nơron có đường kính lớn. Do đó những đơn vị vận động tạo ra lực lớn nhất là những phân bố của chúng bởi sợi trục có đường kính lớn; tạo ra lực nhỏ nhất là những phân bố bởi sợi trục có đường kính bé. Thứ bậc tự nhiên của sự tuyển chọn là sự triển khai của lực nhỏ từ những sợi SO đã theo, cuối cùng bằng lực lớn là quyền tuyển chọn của đơn vị vận động FG. Những sợi FG góp phần trong tầm trung bình. Vậy những lực vừa phải nhất cần có để duy trì dáng đứng một khoảng thời gian dài là từ loại sợi SO, trái lại sự quyay của vận động viên bóng chày mô tả sự tuyển chọn chốc lát của sợi FG. Nhiều bài tập thể dục khác cũng có đặc tính như bóng chày.
Đường cong của khoảng thời gian bền cho sự kích thích của nơron vận động và sự kích thích trực tiếp của cơ được biểu diễn trên hình 21.9. Chúng ta chú ý có sự khác nhau rất lớn ở tính kính thích mà tất cả hệ thống điện kích thích chức năng (FES) tập trung vào sự kích thích của nơron vận động, trong đó hoạt hóa với những cơ liên kết. Có thể kích thích tới dây thần kinh trung tâm hay ngoại biên (trong vùng lân cận của tiếp hợp thần kinh cơ). Có nhiều ưu điểm, như có độ chọn lọc lớn.
Hình 21.5 và hình 21.7 biểu diễn với sự kích thích nguồn điểm tính kích thích tăng cùng với độ tăng đường kính sợi. Mối liên hệ này đúng không kể đến loại điện cực hay sự sắp đặt liên quan đến dây thần kinh mục tiêu. Nhưng có nghĩa là đường kính nơron lớn sau, đường kính sợi cơ lớn là được phục hồi trước. Điều này ngược với thứ tự tự nhiên và kết quả của một loại sợi với sự mệt mỏi nhanh cho những bài tập thông thường. Kết quả này là hạn chế quan trọng để ứng dụng FES.
Vài cách giải quyết có thể dùng nói về những vấn đề ở trên. Trước tiên đó là tạo ra một kĩ thuật sẽ lấy kết quả trong sự kích thích của những dây thần kinh đường kính nhỏ trước những dây có đường kinh lớn. Ví dụ trước tiên kích thích tới những sợi với một xung lực cực đại trên và sau đó ở một điểm gần hơn tới những cơ đặt một khối siêu phân cực. Điều chỉnh cường độ của khối để tỉ lệ nghịch với tín hiệu điều khiển muốn có. Từ đây những sợi đường kính lớn rất dễ để ngăn chặn, một tín hiệu điều khiển thấp, cùng với một khối lớn sẽ ngăn chặn tất cả những sợi nhỏ nhất, trái lại lực gia tăng gần như nhau sẽ lấy kết quả trong khối giảm. Do đó trạng thái tiếp theo giống hơn với thứ tự phục hồi tự nhiên (Zhou, Baratta, and Solomonow, 1987), dù cho đó là một số lượng bài tập khó trong sự ứng dụng của phương pháp này. Ứng dụng kế tiếp của kĩ thuật này nó phụ thuộc vào cách dùng một dòng kích thích hình thang, xuất hiện để nhận được thứ tự sự phục hồi tự nhiên (Fang and Mortimer, 1987).
Hình 21.9: Thí nghiệm xác định mối quan hệ giữa độ bền khoảng thời gian cho sự kích thích nơron vận động và cho sự kích thích trực tiếp của cơ. Trong mỗi trường hợp sự đáp ứng cơ bị ảnh hưởng ở những giá trị hằng số giống nhau (From Mortimer, 1981.)
Cách giải thứ hai là cấy vài điện cực vào những phần khác nhau của cơ và kích thích liên tục. Trong cách này, tần số kích thích thực tế của mỗi nhóm con bị giảm bởi nhân tố ngang bằng với số lượng điện cực. Từ kết quả khối tổng, trạng thái của những cơ này được định rõ đặc điểm bởi tần số cao, bằng cách kết hợp tần số. Kết quả những tần số thấp trong sự giảm chịu đựng của cơ. Phương pháp này được chỉ dẫn như là sự kích thích vòng . (Holle et al., 1984).
Cách giải thứ ba, chuyển đổi cơ FG bên trong cơ SO bằng cách kích thích điện từng khoảng. Kết quả của một quá trình điều trị hang ngày của bài tập trên 4 tuần bao gồm giảm tần số kết hợp từ 40 xuống 10 Hz và cải thiện khả năng duy trì lực. Thực tế phân tích kích thích cơ, những mô hóa học thay đổi phù hợp với từ nhanh đến chậm của sự giật cơ.
2.5 Giao diện mô-điện cực
Thảo luận sự kích thích điện của mô sẽ là không rõ ràng nếu không xem xét tới các điện cực và trạng thái của chúng . Trong nội dung này, sự thay thế của những hạt mang điện tích từ độ dẫn điện tử trong điện cực kim loại tới ion trong mô xuất hiện ở bề mặt mô-điện cực, một khảo sát của điện hóa học và mối quan hệ tới vật chất điện cực và hình dạng của chúng là rất quan trọng. Trong phần thêm này chúng ta cần thêm phần hỗ trợ của những đặc tính cơ khí của điện cực, như là bị ảnh hưởng thế nào bởi vật chất hoặc hình dạng.
Đó là tổng quát về điện hóa học ở mặt điện phân –kim loại (Conway, 1965). Cho mục đích của chúng ta, ở đây chúng ta cần tính toán mạch điện vẽ trong hình 21.10, nó tóm tắt về trạng thái mô điện cực (Dymond, 1976). Điện dung phản ánh lại lớp đôi của điện tích mà xuất hiện ở điện phân kim loại , lớp đơn trong kim loại xuất hiện bởi vì kết nối của chúng tới pin, trái lại chất điện phân bởi vì sức hút của ion trong trường điện. Những lớp này được phân chia bởi kích thước phân tử của phân tử nước vì thế điện dung hiệu quả khá lớn.
Ở mức đủ thấp, dòng có chủ yếu tính điện dung với thấp hoặc không có dòng qua đó được biểu diễn bởi trở kháng Z Faradic trong hình 21.10. Nhưng đối với dòng cao, phóng đại khả năng của kênh điện dung, không thể thay đổi được phản ứng hóa học sẽ chiếm chỗ và được phản chiếu trong hình 21.10 bằng sự giảm nhiều trở kháng Z. Kết quả của phản ứng hóa học thì không ai muốn, từ đó sẽ gây hại cho điện cực hoặc mô hay cả hai.
Nói chung mục tiêu là kích hoạt sự kích thích điện cực để dùng riêng biệt cho điện dung của chúng, vì thế để giữ trong dải hoạt động. Dưới những điều kiện điện cực dòng này đặc biệt là tính điện dung và thuận nghịch, trong cách này có thể tránh xa những phản ứng hóa học bất lơi. Ví dụ, nếu một điện cực thép không gỉ làm cực dương:
Và
sự
phân
hủy,
cho
một
điều
kiện
cực
âm,
kết
quả
là:
Sự
tăng
điện
cực
âm
có
thể
lấy
trong:
Hình 21.10: Bề mặt điện cực-mô bao gồm một loạt điện trở omic Rs, điện dung Cs và một trở kháng Z. Điện dung tương ứng với một lớp đôi xuất hiện ở bề mặt điện cực –mô còn trở kháng Faradaic gồm vài quá trình lý hóa có thể xuất hiện.
Hoạt động điện cực trong dải này là mong muốn, đó là sự thuận nghịch hoàn toàn và những kết quả trong những mô hại hoặc điện cực phân hủy . Để yêu cầu những điện cực đó được đặt gần nhất như là có thể tới dây thần kinh mục tiêu, và nếu có thể phải có vùng lớn cho mật độ dòng thấp. Cuối cùng vật chất làm điện cực nên có tính điện dung lớn. Một bề mặt nhám xuất hiện để lấy kết qua trong sự giảm mật độ dòng nhỏ mà không ảnh hưởng tới toàn bộ kích thước điện cực. Giá trị của điện thế lưu có thể tăng từ 0.5 đến 2.0 µC/mm2 .
Nếu dòng kích thích đơn cực thì dù ngay cả một xung cũng làm cho sự tích điện bên trong dải có thể đảo ngược, những xung đoạn con cuối cùng sẽ làm cho điểm làm việc di chuyển ra khỏi vùng thuận nghịch. Lí do là dưới những điều kiện làm việc thông thường sự tích tụ điện tích xảy ra nhưng không tương xứng về thời gian làm điện tích bị rò rỉ ra ngoài. Do vậy những điều kiện kích thích thực tế đòi hỏi sử dụng xung 2 pha. Trong thực tế chúng phải được cân bằng cẩn thận để tránh một cách khác làm chậm sự tích lũy điện tích. 1 loạt các điện dung sẽ đảm bảo sự vắng mặt của các thành phần một chiều. (Talonen et al., 1983).
21.6. Vật liệu và hình dạng điện cực.
Đối với phần lớn sử dụng FES, điện cực được cấy vào bên trong cơ thể từ đó sự kích thích qua da đòi hỏi mức dòng cao và có thể gây tổn hại vùng mô, và kích thích những dây thần kinh không mong muốn. Vì thế vật liệu điện cực bị giới hạn trong những vật chất cơ bản trơ như platin, platinir, và 326 loại thép không gỉ.
Giảm chấn thương hơn kết quả từ những điện cực linh hoạt do đó những dây đường kính nhỏ được ưa thích. Hơn là sự uốn ngang của một dây thẳng, cái này có thể là dạng ruột gà bên trong đường xoắn ốc từ đó sự uốn bị chuyển bên trong sự uốn xoay, nghĩa là giảm ứng suất . Trong thực tế sử dụng dây nhiều sợi như là 1 bước hữu ích để giảm sự bẻ gãy.
Trong những kích thích của não, đặc biệt là mối liên quan để ngăn chặn sự đánh thủng của rào cản máu-não. Mật độ điện tích lưu giữ thấp (<0.3 µC/mm2) được đề cập tới, đó là điện cực hay là bề mặt điện cực. Vòng điện cực kích thích dây thần kinh được đặt bên trong một vòng găng cách điện; do đó số lượng dòng nhỏ hơn được yêu cầu bởi vì trường thì rất hạn chế . Dòng có khuynh hướng thấp để giảm đến mức tối thiểu sự kích thích không mong muốn của những mô xung quanh. Cuối cùng những điện cực bên trong tế bào, bởi vì sự uốn phải chịu đựng, thường là những sợi dây xoắn ốc rất đa dạng ở trên.
Tham khảo
- Chu SY, Ritchie JM (1984): On the physiological role of internodal potassium channels and the security of conduction in myelinated nerve fibers. Proc. Roy. Soc. (London) B220: 415-22.
- Conway BE (1965): Theory and Principles of Electrode Processes, 303 pp. Ronald, New York.
- Dymond AM (1976): Characteristics of the metal-tissue interface of stimulation electrodes. IEEE Trans. Biomed. Eng. BME-23:(4) 274-80.
- Fang ZB, Mortimer JT (1987): A method for attaining natural recruitment order in artificially activated muscles. In Proc. Ninth Annual Conf. IEEE Eng. In Med. And Biol. Society, Vol. 2, ., pp. 657-8, IEEE Press, New York.
- Frankenhauser B, Huxley AF (1964): The action potential in the myelinated nerve fibre of Xenopus Laevis as computed on the basis of voltage clamp data. J. Physiol. (Lond.) 171: 302-15.
- Hodgkin AL, Huxley AF (1952): A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve. J. Physiol. (Lond.) 117: 500-44.
- Holle J, Frey M, Gruber H, Kern H, Stöhr H, Thoma H (1984): Functional electrostimulation of paraplegics. Orthop. 7: 1145-55.
- McNeal DR (1976): Analysis of a model for excitation of myelinated nerve. IEEE Trans. Biomed. Eng. BME-23:(4) 329-37.
- Mortimer JT (1981): Motor prostheses. In Handbook of Physiology, Section 1: The Nervous System. Motor Control Part I, Vol. II, ., pp. 155-87, American Physiological Society, Bethesda, Md.
- Plonsey R (1974): The active fiber in a volume conductor. IEEE Trans. Biomed. Eng. BME-21:(5) 371-81.
- Rattay F (1986): Analysis of models for external stimulation of axons. IEEE Trans. Biomed. Eng. BME-33:(10) 974-7.
- Rattay F (1987): Ways to approximate current-distance relations for electrically stimulated fibers. J. Theor. Biol. 125: 339-49.
- Seligman LJ (1982): Physiological stimulators: From electric fish to programmable implants. IEEE Trans. Biomed. Eng. BME-29:(4) 270-84.
- Talonen P, Malmivuo JA, Baer G, Markkula H, Häkkinen V (1983): Transcutaneous, dual channel phrenic nerve stimulator for diaphragm pacing. Med. & Biol. Eng. & Comput. 21:(1) 21-30.
- Zhou B-H, Baratta R, Solomonow M (1987): Manipulation of muscle force with various firing rate and recruitment control strategies. IEEE Trans. Biomed. Eng. BME-34:(2) 128-39.
Sách tham khảo
- Eccles JC, Dimitrijevic MR (eds.) (1985): Upper Motor Neuron Functions and Dysfunctions, 345 pp. S. Karger, Basel.
- Hambrecht FT, Reswick JB (eds.) (1977): Functional Electrical Stimulation. Application in Neural Prosthesis, Vol. 3, 543 pp. Marcel Dekker, N.Y.
- Lazorthes Y, Upton ARM (eds.) (1985): Neurostimulation: An Overview, 320 pp. Futura, Mount Kisco, N.Y.
- Mannheimer JS, Lampe GN (1987): Clinical Transcutaneous Electrical Nerve Stimulation, 636 pp. F.A. Davis, Philadelphia.
- Myklebust JB, Cusick JF, Sances AJ, Larson SJ (eds.) (1985): Neural Stimulation, Vol. I and II, 158+160 pp. CRC Press, Boca Raton, Fla.
- Reilly JP (1992): Electrical Stimulation & Electropathology, 504 pp. Cambridge University Press, Cambridge.
- Wolf SL (ed.) (1981): Electrotherapy, 204 pp. Churchill Livingstone, New York.
| Trang trước | Kích thích điện chức năng | Trang tiếp |
