Reseptörler, Beyin ve Kalp Reseptörler Dışardan gelen uyarıları toplama görevi vardır. Değişik tipte reseptörler vardır. 1
Reseptörler Dış reseptörler - Fotoreseptörler : retina -Kimyasalreseptörler :Koku ve tat -Mekanikreseptörler :Ses ve dokunma duygusu -Termoreseptörler : Sıcak ve soğuk hissi Reseptörler İç Reseptörler Kalp ve akciğerdeki kimyasal reseptörler : Karbondioksit basıncına bağlı olarak nefes almayı tetiklerler. 2
The Pacinian Corpuscle (Dokunma Reseptörü) Dokunma reseptörüdür. 0.5-1 mm uzunluğunda ve 0.3-0.7 mm kalınlığındadır. Bir çok yatay tabakadan oluşur. Merkezinde sinir hücresinin miyelinsiz kısmının da bulunduğu çekirdeği içerir. Ranvier : Miyelinli sinir hücrelerinde aksonların yaptığı, üzerindeki elektrik hızını arttıran miyelinlerin boğum yaptığı boşluğun adıdır. Bu reseptörde ilk Ranvier boğumu çekirdekte meydana gelir. Werner R. Loewenstein (1959) bu reseptörle ilk defa deney yapmıştır. Deneyinde bir piezoelektrik kristalini reseptörü uyarmak için kullanmıştır. Bu uyarıma karşılık oluşan tepkiyi ise nöronun miyelinsiz ucundan jeneratör gerilimini ve Ranvier boğumlarından ise aksiyon potansiyelini bir elektrot ile ölçmüştür. Dış katmandaki tabakaları soymuş, soyulmamış halinde ürettiği sinyallare benzer sinyal üretmeye devam ettiğini gözlemlemiştir. 3
(a) dan (e) ye şiddeti aratarak uygulanan uyarılara jeneratör geriliminin normal cevabı. o Tüm tabakalar soyulmuş durumda. Verilen cevabın A durumundakinin aynısı olduğu gözlenmiştir. C de çekirdek kılıfı kısmen tahrip edilmiştir. Bu durumda da cevaplarda değişiklik olmamıştır. D de ilk Ranvier boğumu bloke edilmiştir. Bu durumda aktivaston süreci engellenir. Fakat jeneratör geriliminin oluşumuna engel olmaz. E de nöron ucu tahrip edilmiştir. Bu durumda jeneratör gerilimi oluşamamıştır. 4
Beyin ve Anatomisi İnsan beyninde beş ana lob bulunur. Ön (frontal) lob: Bilinçli düşünmek Yan (parietal) lob: Duyguları işlemek Arka baş (osipitâl lob: Görmek Şakak temporâl lobu: sesle kokuyu algısı Beyincik serebellum lobu: Duyu-hareket ilişkilendirmesi Beyin Loblarının işlevleri: Frontal lob--bilinçli düşünme; zarar görmesi durumunda ruh hali, hissiyat değişikliği olabilir. Parietal lob--çeşitli duyu organlarından gelen bilgileri birleştirmede önemli rol oynar. Ayrıca nesnelerin kullanılması ve bazı mekansal görüş işlemelerinde (visuospatial processing) parietal lobun kimi bölümleri rol alır. Oksipital lob--görme duyusuyla ilgili bilgilerin işlendiği lobdur. Hafif zarar görmesi halüsinasyonlara sebep olur. Temporal lob--ses ve kokunun algılanması, aynı zamanda da yüzler, mekanlar gibi karmaşık uyaranların işlenmesi bu lob tarafından sağlanır. Serebellum--Duyu organlarından gelen bilgilerle haraketi ilişkilendirir. Bu lob özellikle dengenin sağlanmasında önemli rol oynar. 5
Kalp ve Anatomisi Kalbin Elektriksel Aktivitesi Kalp sürekli bir şekilde elektriksel uyarılar oluşturur. Bu elektriksel uyarılar kalp fonksiyonları için çok önemlidir. Kalbin elektriksel uyarıları kalp atışının en uygun düzeyde tutulması için her bir kalp atışında kalp kasılmasını düzenler. Kalp elektrofizyolojisi kalp için çok önemli olan bu elektriksel uyarıları inceler. 6
Kalbin Elektriksel Aktivitesi Kalp hücresinin hücre membranı uyarılırsa hücre membranındaki kanalcıklar açılıp kapanmaya başlar. Bu kanalların açılması iyonların hücre membranı boyunca içeri ve dışarı çıkmasına olanak tanır. Böylece hücre membranın potansiyeli değişir. Bu potansiyel değişmelerin zamana karşı grafiği çizilirse aksiyon potansiyeli oluşur. Aksiyon potansiyelinin 5 fazı vardır. Fakat ben 3 genel fazdan (depolarizasyon, repolarizasyon, istirahat) bahsedeceğim. 7
Depolarizasyon: Depolarizasyon fazı aksiyon potansiyelinde faz 0 olarak gösterilir. Hücre membranındaki Na kanallarının açılması ile Na iyonları hücre içine dolar ve hücre potansiyelinde voltaj değişikleri olur. Bu olaya depolarizasyon denir. Depolarizasyon olan hücrenin potansiyelindeki değişikler komşu hücrelerdeki Na kanallarının da açılmasını sağlar. Yani bir hücredeki depolarizasyon dalgası kalp içinde hücre hücre yayılır. Repolarizasyon: Bu faz aksiyon potansiyellerinin 1.,2.,3. fazlarını içerir. Repolarizasyon iyonlarının başladıkları yere geri dönmesi işlemidir.bir hücre içinde repolarizasyon tamamlanıncaya kadar hücre içinde depolarizasyon olamaz. Faz 0 dan faz 3 e kadar olan süreye refrakter süresi denir. Repolarizasyon fazı aksiyon potansiyelini istirahat hücre potansiyeline döndürür. Bunun olabilmesi için belli bir süre gerekir. Bu süre aksiyon potansiyelinin süresine yakındır. Ve kalbin refrakter periyodunda olduğunu gösterir. Aksiyon potansiyelinin 2.inci fazı plato fazıdır. Bu fazda potasyum iyonları hücre dışına çıkmaya başlar. Bu repolarizasyonun depolarizasyonundan farkıdır. Bu fark refrakter süresini uzatır. 8
İstirahat: Aksiyon potansiyellerinde faz 4 olarak gösterilir. Pasif bir fazdır. Hücre membarında iç ve dış yüzeyler arasında net bir yük geçişi olmaz. Fakat bazı hücrelerde istirahat fazı tam anlamıyla bir dinlenme değildir. Bu hücrelerde hücre membranın daki iyon giriş ve çıkışları devam eder. Bu da hücre membranı potansiyelindeki bir artış yapar.membran potansiyeli uygun bir değere çıktığında kanallar hücreyi depolarize etmek için harekete geçer. Depolarizasyonu sağlayan harekete otomasite denir. Otomasite, normal kalp ritminin oluştuğu mekanizmadır. Aksiyon potansiyelinin biçimini, iletim hızı, refrakter periyodu ve kalbin otomasitesi belirler. 9
Biyolektrik Kaynaklar ve Elektrik Alanlar Elektrik mühendisleri, bir elektriksel şebekede dirençler, kondansatörler ve endüktörlerden faydalanırlar. Fakat Biyoelektromanyetizmada endüktörler yoktur. Direnç ve kondansatörler ise hücre membranlarında bulunurlar. Bu bölümün ana hedefi kaynaklardan oluşan elektrik alanları ve biyoelektrik kaynakları öğrenmektir. Bir diğer önemli hedef ise modellemeyi öğrenmek. Bunun için Biyoelektrik hacimsel kaynaklardan faydalanılacaktır. Böylece kalp veya tüm vücudun modeli elde edilebilecektir. Modelleme Bir canlının organizmalarının çalışma fonksiyonlarını araştırmanın ya da incelemenin en pratik yolu bu organizmaların olabildiğince en doğru modelinin çıkarılması ile olur. 10
Hacimsel Kaynağın Temel Modeli Dipol: Sabit Dipol: Kartezyen koordinat sisteminde x,y ve z bileşenlerine sahip sabit genliklikli dipoldür. 3 değişkene sahiptir. Hareketli Dipol: Tek dipol elemanına sahitir. Sabit dipolden farkı genliği ve lokasyonu değişir. 6 değişkene sahiptir. 11
Çoklu Dipol: Çoklu-Dipol, birçok dipol elemanı içerir. Her bir dipol kalbin belirli bir anatomik bölgesini ifade eder. Bu dipollerin lokasyonu sabittir fakat genliği ve yönü değişkenlik gösterir. Eğer yönü de sabit olsa idi bu dipollerin yalnızca genliği değişkenlik gösterirdi. Bu durumda bağımsız değişken sayısı dipol sayısına eşit olacaktır. Multipol: Tıpkı, iki eşit fakat zıt monopolün dipol oluşturduğu gibi iki dipol de quadrupole (dörtlü) oluşturur. Bu yöntem ile yüksek-dereceli kutuplar elde edilmeye devam edilebilir (octapole (altılı), vs.) Bu tip kaynakların her biri multipolü (çokkutuplu ortamı) ifade eder. 12
13
Hacimsel İletkenlerin Temel Modeli Sonsuz, Homojen Hacimsel iletkenin homojen modeli «önemsiz durum» (trivial case) olarak adlandırılır. Bu durum iletken sınırından gelen etkileri ve iç kısmın inhomojenliğini ihmal eder. Sonlu, Homojen Küresel---Sonlu homojen modelin en basit formu küresel modeldir. Burada kaynak tam merkezdedir. Yüzeydeki dipol kaynak alanın, sonsuz homojen hacimsel iletkende olduğu gibi aynı yarı çapta fakat ondan 3 kat daha büyük olduğu ortaya çıkar. Bu nedenle bu durum trivial case olarak adlandırılabilir. Gerçek Şekilli, Homojen--- Göğüs kafesi, kafa gibi gerçek şekilli sonlu ve sınırlı homojen yapıları ele alır. Fakat içsel inhomojenliği ihmal eder. Sonlu, İnhomojen Sonlu inhomojen ortamlar ele alınır. Büst Kalp kası dokusu Yüksek-iletkenlikli kalp içi kan kütlesi Düşük-iletkenlikli akciğer dokusu Kas tabakası yüzeyi Omuga ve göğüs kemiği gibi iletken olmayan kemikler Büyük damarlar, karaciğer, vs. gibi diğer organlar. Kafa Beyin Beyin omurilik sıvısı Kafa tası Kaslar 14
Hacimsel iletken olarak İnsan Vücudu Dokuların Direnci: İnsan vücudu rezistif, kısmen homojen ve lineer iletken olarak değerlendirilebilir. Birçok doku izotropik olmasına rağmen kas ve beyin anizotropik yapıdadır. 15
Kanın rezistif değeri büyük ölüçüde hemoglobin sayısına bağlıdır. Her iki denklem de büyük ölçüde doğru sonuç verir. 16
Kafa Modeli İnsan yaşamsal faaliyetlerin önemli merkezi olan beyin uyarılabilen nöron dokularının bir araya gelmesi ile oluşmuştur. Beynin elektriksel aktiviteleri kafa derisinden kolaylıkla ölçüle bilinir ve EEG olarak isimlendir. Beyin yalnızca elektriksel kaynakların olduğu bir organ değildir. Aynı zamanda kafa tası ve derisi gibi hacimsel iletkenleri de içerir. Hacimsel iletkenleri modellemek için bir dizi küresel alan tanımlanmıştır (Bkz. Şekil). Bu modelde iç ve dış kafa tası yarı çapı 8-8,5 cm arası, tüm kafa ise 9.2 cm olarak belirlenmiştir. Beyin ve kafa derisi direnci 2.22 Ωmolarak seçilmiştir. Kafa tası 80 2.22 Ωm =177 Ωmolarak tanımlanır. Bu değerler kafa modelinin matematiksel ya da bilgisayar modelini çıkarmak için tanımlanırlar. Göğüs Kafesi Modeli Göğüs kafesinde kalp ve diğer organlar elektrik kaynağı olarak ifade edilir. Rush, Abildskov, ve McFee (1963) ilk defa göğüs kafesi için iki model oluşturmuştur. Her ikisinde de dış sınır göğüs kafesidir. Daha basit olanında akciğerler 10 Ωm, kalp içi kan direnci ise 1 Ωm olarak seçilmiştir (Bkz. Şekil B). Daha gerçekçi olan diğer modelde ise akciğerler 20 Ωm seçilmiştir. Bu modelde ayrıca kalp kasları ve kaburga kasları 4 Ωm, ve kalp içi kan direnci 1.6 Ωm olarak belirlenmiştir (Bkz. Şekil A). Günümüzde ise çok daha detaylı göğüs kafesi modelleri gelişen bilgisayar teknolojisinin de yardımıyla üretilmektedir. 17
İleri ve Geri Problem 18
İleri Problem ile medikal alanda tanı koymak için kullanılmamaktadır. Geri Problemleme ise tıbbi tanı koyma aşamasının önemli ve vazgeçilmez alanıdır. Örneğin, kardiyolog ve nörologlar klinik muayenelerinde biyoelektrik ve biyomanyetik sinyalleri ölçüp, bu ölçülen sinyalin kaynağında herhangi bir anormalliği araştırırlar. Ters Problemin Çözülebiliriliği Her devrede de çıkış gerilimi 2v tur. Tüm devrelerin Thevenin ya da Norton eşdeğer devre modeli elde edilerek bulunabilir. Bu örnekteki devrelerin çıkışı aynı olmasına rağmen her biri farklıdır. Bu örnek, Ters problemde kaynağın kendisinden ölçüm almadan sonucun 4 farklı devreden hangisine ait olduğunu bulmanın kolay olmadığını göstermiştir. Bu amaçla bir çok teori üretilmiştir. İlk teori 1853 yılında ortaya konan Hermann von Helmholtz a aittir. 19
Ters Problemin çözümüne ilişkin yaklaşımlar 1) Deneysel Yaklaşım: Burada tanı koymak için ölçülen sinyalin daha önce yapılan deneysel çalışmalardan elde edilen sinyaller ile karşılaştırılıp konulmasına dayanır. Bunun için ilk defa Macfarlane and Lawrie, 1974 yılında bir bilgisayar programı yazmıştır. 2) Fizyolojik Kısıtlar Daha önceki örnekten görüldüğü üzere ters problemde tek bir çözüm yoktur. Fakat burada tanıyı koymak için daha önce karşılaşılan fizyolojik kısıtlar göz önünde bulundurulur. Dipollerin kaynakların hep dışa doğru çıktığı, aktivasyon sırasının devamlı olduğu, v.s. 3) Alan Yolu Teorik Yaklaşımı Birim dipol kaynak için pozisyon ve yönün bir fonksiyonu olarak yol boyunca ölçülen gerilim; bir noktadaki yol hassasiyeti (lead sensitivity), maksimum cevap almak üzere yönü ayarlanan dipol için yol gerilimidir. Bu yaklaşım; her bir yolun aktivasyon dipol bileşenlerini bulmasına dayanır. 4) Basitleştirilmiş Kaynak Modeli Yaklaşımı Ters problem, biyoelektrik veya biyomanyetik sinyal kaynaklarını ve hacimsel iletkenleri modellemeye ve bunları çözmeye dayanır. (Malmivuo, 1976): 20
Basitleştirilmiş Kaynak Modeli Yaklaşımı 1. Kaynak sinyalinin modeli oluşturulur. Belirli sayıda bağımsız değişken içerir. 2. Hacimsel iletken için model oluşturulur. Oluşturulan iletken modeli kaynak sinyal modeli kadar ya da ondan daha iyi olmalıdır. 3. Birçok bağımsız ölçüm sonucu yapılmalıdır. Bu şekilde bir çok denklem ve değişken bulunur. Modelleme Yöntemi ile Ters Problemin Çözümü 21
Ödev Konuları 1) 12 Lead ECG (Elektrokardiyografi) Sistemi (Bölüm 15) 2) Vektörkardiyografi Lead Sistemi ve ECG (Bölüm 16 ve 18) Sisteminde bozucu faktörler 3) ECG Sisteminin Temelleri (Bölüm 19) (Alındı) 4) Magnetokardiyografi (Bölüm 20) 5) Impedance Plethysmography (Bölüm 25) 6) Impedance Tomography (Bölüm 26) (Alındı) 7) Biyolojik Sistemin EM Görüntülenmesi (Alındı) 8) RF kaynakların uzak alanlarına maruz kalan insan vücudunda soğrulma (Chp 10) (Alındı) 9) Baz istasyonları ve cep telefonları ile insan vücudunda soğrulma (Alındı) 10) MR Manyetik Rezonans Görüntüleme (Alındı) 22