BİYOELEKTROMANYETİK Yrd. Doç. Dr. Sibel ÇİMEN Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Bölümü Kocaeli Üniversitesi sibelgunduz@kocaeli.edu.tr «Bioelectromagnetism» -Jaakko Malmivuo and Robert Plonsey Ders Kitapları «Handbook of Biological Effects of Electromagnetic Fields» -Frank S. Barnes and Ben Greenebaum 1
Referans Kitapları 1)R. M. Gulrajani, Bioelectricity and Biomagnetism, 1998, John Wiley & Sons, Inc. 2)R. Plonsey, R. C. Barr, Bioelectricity, 1988, Plenum Press, New York 3)R. Plonseyand David G. Fleming, Bioelectric Phenomena,McGraw-Hill Book Company, 1969. 4)Edited by S. J. Williamson, G. L. Romani, L. Kaufman, I. Modena, Biomagnetism: An Interdisciplinary Approach, 1983, Plenum Press, New York. 5)P. Nunez, R. D. Katznelson, Electric Fields of the Brain, 1981, Oxford University Press, 1981. Giriş Biyoelektromanyetik Nedir? «Biyolojik dokularda elektrik, manyetik ve elektromanyetik dalgaların davranışlarını inceleyen çok disiplinli bir bilim dalıdır.» Biyoelektromanyetiği, medikal elektronik ile karıştırmamak lazım. Biyoelektromanyetik; biyoelektrik, biyomanyetik ve biyoelektromanyetiği ve bu alanlarda ölçüm ve simülasyon metodolojisini içerir. Medikal elektronik ise bu amaçla kullanılan cihazları içerir. 2
Biyoelektromanyetik neden önemlidir? Günümüzde sağlık alanına önemli görülen problemlerden birisi de doktor ve hemşire başına düşen hasta sayısının çokluğudur. Bu durum, özellikle hastanelerde doktor ve hemşire açısından zor bir çalışma süreci anlamına gelirken, ani bir durumda müdahale edilemeyen hastalar için de can kaybı demektir. Hasta sayısının yoğunluğu, hastanın birebir takip edilmesi gereken yoğun bakım üniteleri, hasta uyanma odaları, ameliyathane ve yenidoğan ünitelerinde de görülmektedir. Birden çok fizyolojik ve biyokimyasal parametre ile gözlemlenecek hastaların takibinde yaşanacak bir aksama geri dönülmez sonuçlara yol açabilmektedir. Biyoelektromanyetik neden önemlidir? Dolayısıyla yoğun bakım ünitelerinde yatmakta olan hastaların, nabız ve EKG (elektrokardiyagrafi) sinyallerinin kablosuz iletişim teknikleriyle hemşire/doktor takip bilgisayarına gerçek zamanlı iletimi gibi durumlar önemlidir. Biyoelektromanyetik bilim dalı ise bu amaçla hücre ve organlardaki biyoelektromanyetik davranışlarını inceler. Son yıllarda bir hücre zarındaki iyon kanalından elektrik akı geçişini inceleyebilecek seviyeye gelmiştir. Dolayısıyla biyoelektromanyetik, tanı ve tedaviye yönelik yeni ve önemli yöntemler sunmaya olanak tanır. 3
Biyoelektromanyetik neden önemlidir? Hücre zarı organizmanın yaşamsal faaliyetlerini sürdürmek için biyoelektrik olayından faydalanır. Hücre bir çok farklı yol ile zardaki potansiyel farkından yaralanır. Zardaki kanallar sodyum iyonları için hızlıca açılırlar, böylece zarın potansiyeli saniyede 1000 defa değişir. 4
hücredışı Dinlenim Mebran Potansiyeli Na K Cl - Membrane - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - hücreiçi A - Na K Cl - Hücre içi yük; negatif ve 70 mv dur. Denge halindedir. Aksiyon potansiyeli voltaj kapılı sodyum ve potasyum kanallarından olan iyon akımları ile oluşur. (Polarize durum) Önce sodyum kanalları açılır ve hücre içine sodyum iyonu şeklinde pozitif yük dolar (depolarizasyon). Ardından sodyum kanalları kapanır ve potasyum kanalları açılır. Böylece hücre dışına potasyum iyonu şeklinde pozitif yük çıkar (repolarizasyon). Daha sonra, elektrojenik sodyum potasyum pompası ile hücre içi ve hücre dışı arasındaki sodyum, potasyum dağılımı restore edilir. 5
BEN : Bioengineering BPH : Biophysics BEM : Bioelectromagneti sim MPH : Medical Physics MEN : Medical engineering MEL : Medical electronics Giriş Biyoelektromanyetiğin Alt Dalları Biyoelektromanyetik bir çok yol ile alt dallara bölünebilir. İki yöntem ile bölünecek; A) Teorik olarak B) Anatomik olarak 6
A) Teorik olarak alt dallar Bu şekilde alt dallara ayırma «Maxwell denklemleri» ve «Karşılıklılık ilkesi» ne dayanır. i) Maxwell Denklemleri (Maxwell 1865): Maxwell denklemlerine göre, zamanla değişen elektrik alan manyetik alanı oluşturur böylelikle elektromanyetik alan oluşur. Dolaysıyla Biyoelektrik alanların oluştuğu bir ortamda biyomanyetik alanların oluşması kaçınılmazdır. A) Biyoelektrik B) Biyoelektromanyetik C) Biyomanyetik A) Teorik olarak alt dallar ii)karşılıklık ilkesi: Bu teoreme göre biyoelektrik sinyallerin dağılımını algılaması ile elektrik uyarımı ile enerji dağılımı ve elektrik empedans ölçümlerindeki dağılımı algılamak aynıdır. Bu mantığa göre 3 alt dala ayrılabilir: I) Biyoelektrik kaynaklarından (veya manyetik malzemelerden) elektrik (veya manyetik) alanların ölçülmesi II) Elektrik veya manyetik alan ile elektriksel uyarma, ya da malzemelerin mayetizasyonu III) Dokuların elektrik ve manyetik özelliklerinin ölçülmesi. 7
I) Elektrik veya manyetik alanların ölçülmesi: Elektrik veya manyetik sinyallerin maruziyeti sonucunda yaşayan dokularda meydana gelen aktivitelerin ölçülmesidir. 8
II) Elektrik veya manyetik alan ile elektriksel uyarma, ya da malzemelerin mayetizasyonu: Dokulara uygulanan elektrik ve manyetik alanların etkisini ve tedavideki yerini inceler. Elektrik veya manyetik enerji doku dışında elektronik bir cihaz vasıtasıyla üretilir. Uyarılabilir dokuya üretilen enerji uygulandığında «elektrik veya manyetik uyarma» olarak adlandırılır. Ferromanyetik malzemeye manyetik enerji uygulandığında ise malzeme manyetize olur. II) Elektrik veya manyetik alan ile elektriksel uyarma, ya da malzemelerin mayetizasyonu: 9
III) Dokuların elektrik ve manyetik özelliklerinin ölçülmesi: Biyoelektromanyetiğin kısa tarihçesi Biyoelektrik olayı anlatan ilk dokümana antik Mısır hiyerogliflerinde rastlanır (M.Ö. 4000). Bu dokümanlarda elektrikli yılan balıkların dan bahsederler. Antik Yunan da elektrik balıkları ilk defa tedavi amaçlı kullanılmaya başlamıştır. 10
1600'lerde William Gilbert tarafından kullanılan ve kehribar gibi anlamına gelen electricus kelimesi olarak anıldı ve elektriği ölçmek amacıyla elektroskopu icat etti. Galvani; çinko ve bakır ikilisinin oluşturduğu çubuğu kurbağa sinir kasına dokundurarak kasın uyarılmasını sağladı. Volta; iki farklı metal ve elektrolit olayından elektrik üretildiğini keşfetti. 11
EEG nedir? Beyindeki sinir hücreleri tarafından hem uyanıklık, hem de uyku halindeyken üretilen elektriksel faaliyetin kağıt üzerine beyin dalgaları halinde yazdırılmasıdır. 12
İlk biyomanyetik sinyalin ölçülmesi Modern EEG ve MEG Sistemleri 13
Biyoelektromanyetik Uyarma Tarihi Biyoelektromanyetik Uyarma Tarihi 14
Biyoelektromanyetik Uyarma Tarihi Biyoelektromanyetik Uyarma Tarihi 15
Biyoelektromanyetik Temelli Medikal Cihazlar Biyoelektromanyetik Temelli Medikal Cihazlar 16
Biyoelektromanyetik Temelli Medikal Cihazlar Week 1 Vector analysis and fundamentals of bioelectricity Week 2 Static electric field Week 3 Steady electric current Week 4 Static magnetic field Week 5 Time varying magnetic field Week 6 Maxwell equations Week 7 Bioelectric potential and current Week 8 Mid-term exam Week 9 Source models, Modeling of bioelectrical activity Week 10 Bioelectrical activities in heart; principals of ECG Week 11 principles of ECG; heart source imaging Week 12 Bioelectromagnetic recording of brain activities Week 13 Principles of EEG, MEG, and electromagnetic brain stimulation Week 14 Principles of MRI and EIT Week 15 Recent trends of bioelectromagnetics Week 16 Final exam 17