1. A
e
rá pote iál létrejöttéért felelős té ezők
Membrán A membrán egy foszfolipid kettősréteg, mely elektromosan szigetel. Szemipermábilis, a kis méretű, vízoldékony molekulákat átengedi, az ionokat, nagyobb molekulákat azonban nem. A membrán integráns membránfehérjéket és perifériás membránfehérjéket is tartalmaz. Az integráns fehérjék kapcsolatot biztosítanak a kettősréteg két oldala közt (átnyúlnak rajta), ilyen típusú fehérjék alkotják a különböző ioncsatornákat (aktív, passzív) is.
Kémiai potenciál Egy rendszerben melyben két teret egy szemipermeáblis membrán választ el, a kémiai potenciált az egyes oldalakon különböző koncentrációban jelenlévő ionok okozzák. Elektromos potenciál Ha a szemipermeáblis membrán két oldalán a részecskék töltéssel rendelkeznek, akkor az elektromos potenciált a két oldal közt kialakuló töltéskülönbség is befolyásolja. Diffúziós potenciál Különböző ionokat különböző mértékben enged át a membrán, ennek következtében alakul ki a diffúziós potenciál. Elektrokémiai potenciál Elektromos és kémiai potenciál együttes hatása. Nernst egyenlet A Nernst egyenlet figyelembe veszi az elektromos és kémiai potenciált, megadja, hogy mekkora elektromos potenciál (E) képes egyensúlyban tartani a kialakult koncentráció
grádienst (különbséget) (X1 /X2 ). Segítségével egyes ionokra kiszámítható az egyensúlyi potenciál értéke, amikor a befelé és kifelé történő ionáramok dinamikus egyensúlyban vannak.
(Nernst) Egyensúlyi potenciál Egy ionra nézve az a feszültség érték, mely egyensúlyt tart a koncentráció különbséggel.
Donan egyensúly Eltérő mozgékonyságú ionok szemipermeábilis hártyán való átdiffundálásakor diffúziós potenciál alakul ki. Az eltérő mozgékonyság szélső esetben azt is jelentheti, hogy az egyik ion nem tud átlépni a membránon. Ilyenkor a membránpotenciál eltolódik, kialakul a Donnan egyensúly. Sejtek esetében ez a nagyméretű negatív töltésű aninokat jelenti, melyek nem képesek átlépni a membránon. Nyugalmi potenciál A nyugalmi potenciál kialakulásának okai: 1. A sejtek belsejében magas a K+ és alacsony a Na+ ionok koncentrációja. Egyensúlyi potenciáljuk eltér a nyugalmi membránpotenciál értékétől. 2. A sejtmembrán eltérő permeabilitással rendelkezik a K+ és Na+ ionokkal + szemben: a K ionok mintegy 20-szor könnyebben jutnak át a membránon nyugalomban, mint a Na+ ionok. 3. A sejtmembránban ATP felhasználásával működő K-Na-pumpa található, amely folyamatosan eltávolítja a sejtbe belépő Na+ ionokat és ugyanakkor vissza transzportálja a kidiffundáló K+ ionokat. (A Na/K pumpa fenntartja az ionegyensúlyt) 4. A sejt belsejében negatív töltésű, nemdiffundáló ionok (fehérjék, nukleinsavak, stb.) találhatók, amelyek a Donnan egyensúlynak megfelelően hozzájárulnak a negatívabb potenciál kialakulásához.
A nyugalmi potenciál az ideg és izom sejtekben –60 és –90 mV közt van, a K+ csatornák a fontosabbak, akciós potenciálnál a Na+ csatornák.
Hodgkin-Katz-Goldman egyenlet Sgítségével számolható a nyugalmi potenciál. Ez az egyenlet az egyensúlyi potenciálokat, a membrán permeabilitások súlyozott értékeit és az abszolút ionkoncentrációkat egyaránt figyelembe veszi a nyugalmi potenciál meghatározásához.
Ha a membránpotenciál(Vm) magasabb mint a nyugalmi potenciál (Vr), akkor a sejt depolarizált. Ha a membránpotenciál kisebb mint a nyugalmi potenciál akkor a sejt hiperpolarizált. Depolarizáció: Vm > Vr Hiperpolarizáció: Vm < Vr
2. Elektro os i ger hatása az idegsejt
e
rá pote iáljára
Elektromos ingerlés hatására az ideg és izomsejtben funkncionális változás megy végbe.
Az elektromos ingerléshez három tényező szükséges: 1. ingerelhető sejt 2. elektromos áram 3. ingerlő elektróda ingerelhető sejt A sejt extracelluláris trében sok Na+, Cl-, és kevés K+ található. Az intracelluláris térben sok K+, negatív anion, és kevés Na+, Cl- található. akciós potenciál Az akciós potenciál a membránpotenciál hirtelen emelkedése majd csökkenése, a potenciálváltozás meghatározott trajektóriát követ. Akciós potenciál csak akkor alakul ki, ha a mebránpotenciál eléri a küszöbpotenciált (~ -50 mV). Az akciós potenciál mindent vagy semmit elven működik, nem szummázódik. Az akciós potenciál kialakulásában alapvető szerepe van a feszültségvezérelt Na+ csatornáknak. Amennyiben a membránpotenciál eléri a -50mV-os küszöbpotenciált, kinyitnak a feszültségvezérelt Na csatornákon az m kapuk, az intracelluláris tér egy időre pozitívvá válik (intracell térben sok Na+, K+). 5 ms-al a depolarizáció után a h kapu bezár a Na+ csatornán, így az inaktiválódik. Ezután nyitnak a K+ csatornák, a sejt repolarizálódik. Ezután a nyugalmi potenciálhoz szükséges ion egyensúlyt a Na/K pumpa állítja vissza. Az AP közben és után a sejt egy ideig ingerelhetetlen marad, ezt az időszakot refrakter periódusnak nevezzük.
abszolút/relatív refrakter periódus Abszolút esetben sejtet nagymértékű depolarizációval sem lehet újra ingerületbe hozni. ARP esetén a depolarizációs fázisban az összes Na+ csatorna nyitva van, nem tud több aktiválódni, a repolarizációs fázisban pedig inaktívak ezek a csatronák. Relatív esetben az ingerület kialakulásához nagyobb mértékű depolarizáció szükséges, mivel nem minden Na+ csatorna aktiválódott még, valamint a K+ csatornák is nyitva vannak. Rheobázis: ingerküszöb hosszú idejű ingerimpulzusnál
Chronaxiás idő: A rheobázis ingererősség kétszeresével történő ingerléskor a válasz kiváltásához szükséges idő.
Elektromos áram Elektromos ingerléssel befolyásolhatjuk a membránpotenciált. Az áram potenciált hoz létre a sejtmembránon.
A stimulációt használhatjuk 1. akciós potenciál kiváltására 2. deploarizációra (membránpotenciált + irányba toljuk el, serkentés) 3. hiperpolarizációra (membránpotenciált – irányba toljuk el, gátlás) Az ingerlés lehet monopólusos vagy bipólusos, ebben az esetben a feszültségek a következőek:
Abban az esetben, ha extracelluláris ingerlést és intracelluláris elvezetést végzünk, akkor egy jó modell alkotható a sejtről. Ez a következő:
Ingereljük egy neuron két oldala melletti térrészt. A két elektród közti térerősség vehető úgy, mint egy kondenzátor két lapja közti térerősség. A sejt vehető a dielektrikumnak(vezető). Az a konklúzió, tehát, hogy a sejtet adott régióban tudjuk így depolarizálni és adott régióban hiperpolarizálni. Ha a negatív ingerlőelektródát hozzuk közelebb a sejthez, mind a pozitívat, akkor a sejt depolarizálódni fog, ellentétes esetben hiperpolarizálódni. Ha a sejtmembrántól távolodunk, akkor a potenciál lineárisan csökken, vagy nő. Tehát az ingerlés akkor jó, hogyha az elektródák távolsága nem azonos a sejttől. Ezek szerint, ha a sejttől nagyon távol megyünk az egyik elektródával, akkor a monopoláris ingerlésről/elvezetésről beszélünk, ha viszonylag mind a két elektróda közel van, akkor pedig bipolárisról. Ingerlés Akciós potenciál anódos és katódos ingerlésnél is kialakul, a virtuális anódnál serkentés, a virtuális katódnál gátlás fog kialakulni, azt hogy az akciós potenciál merre terjed, az ingerlés sejttől vett távolságából tudjuk megmondani. (-) töltés bejuttatása katóddal történik – közelben hiperpolarizál, gátol (+) töltés bejuttatás anóddal – közelben serkent, depolarizál Monopoláris anódos ingerlés
Az ideg és egy külső ingerlő sematikus rajza, ami egy Ranvier-befűződéshez van illesztve. A bemutatott serkentés anódos. A pozitív töltés az elektród aljánál jut be az idegbe, és a szomszédos csomópontban hagyja el. A sejtmembránból kilépő feszültségtől megnő a membrán depolarizációja. Azt a helyet, ahol a sejtmembránból kilép a feszültség, virtuális katódnak nevezzük. Virtuális anód: ahol bejut a (+) ingerlés. Virtuális katód: ahol kijutnak az intracell térből a (-) ionok Monopoláris katódos ingerlés
Bekapcsoláskor erős hiperpolarizáció alakul ki (az arrest end felé) a közeli sejtnél. Ingerület itt is kialakul, de ez a távolabbi sejt felé halad tovább. Kikapcsoláskor az anódnál is kialakulna ingerület, de a kikapcsolás utáni elnyújtott tranziens miatt ez nem történik meg. Bipoláris és tripoláris ingerlés:
Az ingerlő feszültség behatol az axonba az anódnál megakadályozza, hogy a depolarizáció feszültség akciós potenciált hozzon létre, de egy bipoláris kialakításnál a feszültség ki tud folyni a virtuális katódon, és kialakít egy továbbterjedő akciós potenciált. A virtuális katódon kialakult továbbterjedő akciós potenciál negálja a megállított akciós potenciált az anódnál. A feszültség külső elvezetésénél a virtuális katód létrejötte kiküszöbölhető, ha egy védő anódot helyezünk el a másik végén a hüvelynek, így létrehozva egy tripoláris elektród konfigurációt.
Aszimmetrikus bipoláris ingerlés:
Ez egy olyan bipoláris hüvely sematikus ábrázolása, ami azért lett kifejlesztve, hogy egyirányúan terjedő akciós potenciált hozzanak létre, ami ellenirányban terjed. Azt eredményezi, hogy blokkolt anód elfojtja a virtuális katód hatást a blokkolt végén a hüvelynek. Elektromos ingerlés alapfolyamatai 1. Áram hatására az ideg-izomsejtben változás jön létre. 2. Az ingerlés a nyugalmi potenciálban okoz változást, ami kiválthat akciós potenciált és vele ingerületet. a. A nyugalmi potenciál az ionkoncentrációktól függ. (K,Cl,Na) az elektromos tér hat ezeknek az ionok mozgására: a diffúzióra. és így a koncentrációkkal együtt határozza meg az ionáramlást és a töltés eloszláskülönbséget a sejtben. Ezzel a nyugalmi potenciál új helyzetét, ezt a: - Nernst egyenlet írja le. (egyensúly felé törekvés). b. A hatás lehet: - Távolra vezető : ha akciós potenciált okoz - Lokálisan módosító : serkentő vagy gátló c. Az ingerlő elektromos mező irányának a hossztengelyének megfelelően a negatív töltésű elektródát az eredéshez és az áramforrás a sejt másik oldalán helyezkedik el. Az áramfolyás a pozitívből a negatív felé történik. A potenciál (V) az elektromos térnek (E) a vele való kapcsolata alapján (E=-grad*V) jobbkéz-szabálynak megfelelően merőleges irányú lesz. d. Monopólus esetén az ingerlés tere sugárszerű és a távolsággal fordítottan arányos (V=Io/4π*σ*r), ekkor egy elektródával egy távolabbi földhöz képest negatív töltéssel ingerlünk. e. Dipólus esetén a szuperpozíció elve érvényesül. A potenciál (V) két áramforrás a távolságuk szerint (d) - értsd itt a dipólus-momentumát (p= Io*d) – függ, míg a távolságtól itt már négyzetesen. (V=Io*Cos(Θ)*p/4π*σ*r2). f. A modell szerint az extracellurális potenciál tér lineáris, míg a potenciál eloszlás tekintetében a szakaszosnak fogható fel ez a membrán jó szigetelőképességéből adódik ez méretekben 2*10-5m és 2*10-3V területnyi szakadást jelent az equlibriumpontból (Vm). g. A nyugalmi egyensúly térfüggése: az elektromos ingerlés ellentétesen hat a sejt „oldalaira” a negatív külső töltés felé depolarizáló hatás jön létre, míg az ellentétes oldalon hyperpolarizáló hatást, rájuk merőlegesen nem fejt ki hatást. h. A létrehozott potenciál függ az ingerlő eszköz anyagától, amik az elektródák. - Az ezüst ezüst-klorid elektroda bír a legjobb elektomos jellemzőkkel, míg a
többi esetben az átviteli függvény csak az inger on és off szakaszában reagál.(arany és acél esetében) 10mV,10uA, és 1s esetén 100uV lesz az átvitel i. polarizációs hatások A polarizáció akkor alakul ki ha fém és folyadék érintkezik és az egyensúly eltolódik és elektomos kettős réteg jön létre.
j.
k.
l.
m.
n.
- Az áthaladó áram nagysága a kettősréteg tulajdonságaitól függ - Az áram hatása lehet a.) - töltő b.) - vagy kisütő jellegű rétegre - Az áram nemlineáris karakterisztikával bír. - Nagyon nagy az egyenáramú impedancia ami, kapacitásként is funkcionál. Nem polarizálható elektródok: Nem változnak a kettősréteg tulajdonságai Szabadon folyik az áram (a kettősrétegen) Lineáris karakterisztika Egyenáramon ellenállásként viselkedik fém-folyadék-fém kapcsolat fizkailag egy elemnek felel meg, feszültség képződik (galvánelem) Elektróda potenciál mérése : standard hidrogén elektróddal szemben mért potenciál különbség (hidrogénhez képest pozitív az nemesfém) mérések: elektróda elektrolit helyettesítő képlet segítségével. melyből adódik: elektród impedancia frekvenciafüggése: exponenciálisan csökkenő, alacsony frekvenciákon hatalmas.. Kivételt képez az ezüst ezüst-klorid, ami esetében a frekvencia impedancia görbe egy nulla meredekségű egyenes. (frek.). A nagy áramsűrűség káros hatást okozhat.(hidrolízis, hő, töltések -> roncsolás.) megoldás: repetatív ingerlés ami lehet monofázisos és bifázisos Ingerlés és ingerület kapcsolata = szaturációt mutat erősség időbelis összegződés refrakteritás
o. chronaxia és rhodobázis – inger erősség időtartam görbén Ch=2*Rh a Rhodobázis az az ingerszint ami semmiképp se vált ki hatást (görbe alja).
ingerlő elektróda Kettős réteg: Fém-folyadék érintkezésekor ionmozgás alakul ki -> polarizáció -> egyensúlyi állapot. Polarizálható elektródok: Ag, Pt, Au -
az áthaladó áram nagysága függ a kettősréteg tulajdonságaitól az áram tölti vagy kisüti a kettős réteget az áram-feszültség karakterisztika nem lineáris Nagy az impedancia, kapacitásként működik egyenáramon
Nem polarizálható elektródok: Ag/AgCl - az áthaladó áram nem változtatja a kettősréteg tulajdonságait - az áram szabadon folyik a kettős rétegben - az áram-feszültség karakterisztika lineáris - ellenállásként működik egyenáramon
. Fu k io ális elektro os i gerlés Fes Egy rehabilitációs technika, amiben alacsony szintű elektromos áramot használnak, hogy a páciens valamilyen mozgási funkcióját javítsák, elősegítsék. A paciens valamilyen motoros diszfunkcióval rendelkezik. A terápia célja, hogy a páciens függetleníteni tudja magát az addig őt megkötő tényezőitől, és az életminősége javuljon. Gyakran azokra az alkalmazásokra utal, ami hosszútávú segítséget igyekszik nyújtani a hiányzó vagy sérült funkciók helyettesítésére. A fogalmat sok különböző körben sokféleképpen használják. FES fajtái - bőrön keresztüli ingerlés.
probléma: a kötőszöveten keresztülhaladó áram nagy volumennel terjed, ezért nem lehet jól fókuszálni, célzottan ingerelni, és a viszonylagos nagy áramok miatt a beteg, ha képes az ingerelt területen érezni, fájdalmat tapasztal. - beépített elektródokkal vagy nerve cap-el történő ingerlés. probléma: az ideg, amire a nerve cap-et teszik, könnyen károsodik. A fém drótok a mozgás miatt eltörnek, illetve csökken az élettartamuk. Kiken és mire lehet alkalmazni: A hivatkozott irodalomban három féle sérült célcsoportot neveznek meg, akiken klinikai gyakorlatban használják a FES-t: - Gerincvelő sérülés okozta diszfunkciók - Stroke okozta diszfunkciók - Testen belüli rendszerek diszfunkciója (pl urológiai, alvás közbeni légzészavar, stb.) Az okok, ami miatt valamilyen izomműködés zavar léphet fel: - agykérgi sérülés - gerincvelői rost sérülés - gerincvelői motoneuron sérülés - perifériás idegsérülés - izomsérülés Mire lehet használni: - szívizom rásegítés, légzéssegítés, fogás (kézzel), valaminek az elérése, felállás lépés, járás, hólyagfunkciók helyreállítása, tónikus görcsoldás, sorvadt izmok bizonyos mértékű rehabilitációja. A FES technikai jellemzői: Minden esetben ma már bifázisos ingerlést alkalmaznak, hogy a folyamatos töltéskiegyenlítéssel elkerüljék az elektrolízisét a szöveteknek. Az ingerlés frekvenciája függvényében a fáradás mértéke változik. Minél nagyobb frekvenciával ingerlünk, annál hamarabb kifárad az izom Beépített elektródok esetén az ingerlő árammal sokkal jobban szabályozható az izom összehúzódási ereje. Az összes többi ingerlési módszer esetén egy meredek szigmoid görbe jelentkezik,ami nagyjából annyinak felel meg, hogy az izmot össze tudjuk rántani, de nem tudjuk változatni csak kis mértékben az összehúzó erejét az izomnak. Milyen kulcs paraméterektől függ egy FES rendszer jósága, használhatósága: - Egyszerű felhelyezhetőség és leszerelhetőség, ha a szerkezet a testen kívül van.
- Egyértelmű legyen a nyújtott funkció. - A rendszernek mindig tudnia kell teljesítenie a kívánt funkciót. - A rendszernek tekintettel kell lennie a felhasználóra, és bevonnia őt. - A felhasználónak tudatában kell lennie a rendszernek a korlátaival - A felhasználónak tisztában kell lennie, hogy mennyi gyakorlás és tanulás kell a lehető legnagyobb hatékonyság eléréséhez. - A rendszernek robosztusnak és hibamentesnek kell lennie. Egy gyakorlatilag használható FES rendszernek tehát két fő alkotóeleme van: az egyik az adaptív, megbízható, széles skálán paraméterezhető rendszerből, és egy gyakorlott felhasználóból kellő motivációval. Mindkettő ugyan olyan fontos. FES példák Gerincvelői sérültek, akiknek az alsó végtagi mozgató funkcióik szűntek meg A végtagok nyújtó és hajlító izmaira kívülről tesznek elektródokat. Általában a negatív pólust teszik az ingerlés kezdeti helyére. Biciklizést el lehet érni speciális kerékpáron, vagy akár fel lehet állítani székben ülő egyént.
Fogási funkció kiesés
Ált. az 5-6. csigolya törésénél a felkar még működőképes, azonban a kézfej lebénul. Léteznek még az alkarra szerelhető külső ingerlők is. Pl. bionic glove
Vállsüllyedés esetén
Ha a vállizom csökkent működőképessége okozza, akkor az izom ingerlésével megszüntethető a szubluxációból eredő fájdalom.
járássegítők, rehabilitáló rendszerek
pl.: Lokomat és az Erigo – Body weight supported treeadmill training
Hólyagfunkciók, vizelet és széklettartás.
A legelterjedtebb módja, hogy a testbe építve az elekródot, az anterior szakrális gerincvelői gyökerekhez. Általában átvágják a posterior idegrostokat, amik az érzésért felelősek. Ez az úgynevezett Rhisotomia. Ezzel kiiktatják ezt a gerincvelői reflexkört. Így a hólyagnyomás ismeretében olyan ingersorozatot tudunk előállítani az aktuátor idegeken, amivel ürítésre késztethetjük a hólyagot. Hátránya, hogy az átvágott érzőrostok miatt a szakrális területen mindenfajta érzékelési funkció csökken, vagy megszűnik. Pl. az egyén kevésbé érzi a székletürítési szükséget, stb.
neuromoduláció
Szelektíven ingerlik az idegrostokat, fájdalomcsillapítás céljából.
. Mi a sztereota iás élzás és a euro avigá ió, alkal azási területeik A sztereotaxiás célzás egy olyan módszer mely segítségével mélyagyi struktúrába tudunk előre meghatározott helyre elektródot bejuttatni. Sztereotaxia állatok esetében Az állat fejét a külső hallójáratba csúsztatott rúddal valamint a fogaknál/szemnél rögzítik, a rögzítés alapján megadható egy rögzített 3D koordinátarendszer, amiben lehetséges a navigáció. Mivel az állatok esetén adott fajban az agy mérete azonos, az agyról pontos térkép készíthető mely alapján lehetséges a pontos navigáció. Sztereotaxia embereknél Embereknél az atlasz alapján történő neuronavigáció nem lehetséges, mivel itt az agyi struktúrák sokkal differenciáltabbak. Leksell sztereotaxiás rendszer Az egyik embereknél alkalmazott módszer a Leksell sztereotaxiás rendszer, mely egy rögzítő keretből és egy koordináta keretből áll. A páciens fejét négy csavarral rögzítik, majd a fejről MRI, CT vagy Angiográfiás felvétel készül, a felvételen az egyes pontokhoz a keret alapján koordniátákat rendel hozzá a rendszer. A Leksell SurgiPlan program segítségével ezek a különböző felvételek egymásba illeszthetőek, és lehetségessé válik a műtét előtti pontos tervezés. Leksell gamma kés A leksell gama kés egy olyan eszköz mellyel nem-invazív módon végezhetőek agyi műtétek, pl. tumor ellenes kezelések. A Leksell sztereotaxiás rendszerrel meghatározzák a tumor helyét, ezután sok alacsony intenztitású gamma sugarakkal besugározzák azt, úgy hogy azok nem tesznek kárt a szövetben miközben áthatolnak rajta, viszont a megjelölt helyen fókuszálódnak és roncsolják a rákos szövetet. Frameless neuronavigáció Frameless navigáció során a referenciapontokat markerekkel (ledekkel, vagy ultrahanngal) jelölik ki. Mind a páciens mind pedig az operáció során használt eszközök el vannak látva markerekkel, így számítógéppel pontosan hozzáilleszthető a páciens agyáról készült kép az aktuális helyzetéhez, valamint az eszközök mozgása is nyomon követhető. Számos alkalmazási területe van, használják pl. tumor műtétek esetén. Framless neuronavigációt használ pl. a Medtronic Stealth station, mely optikai és elektromágneses navigációt is lehetővé tesz.
. Ag i elektro os i gerlés terápiás alkal azása Lokalizáció, agytérképezés Pl: látókéreg térképezése beépített pontingerlésen alapuló „grid”-del (hálóval). Stimuláció közben az illető foszféneket (fény-felvillanásokat) lát. A foszfének látótérben való elhelyezkedésének és az ezekhez tartozó anatómia pontoknak ismerete lehetőséget adhat bionikus látás létrehozására megfelelő agyterületek ingerlésével.
Mély agyi ingerlés (Deep Brain Stimulation) DBS paradoxon A DBS hatása gyakran megegyezik a struktúra roncsolásának hatásával, számos agyi elváltozásból eredő betegség kezelésére alkalmazzák. Az agyszövet különböző rétegeinek elektrofiziológiás tulajdonságai különbözőek(pl. vezetési sebesség, chronaxiás idő), ezt figyelembe kell venni a feszültség és az impulzus hosszának beállításánál. DBS hipotézisek
szinaptikus gátlás depolarizációs blokád transzmitter-megvonás miatt kialakuló szinaptikus átviteli zavar (szinaptikus depresszió) Az ingerlés hatására megszakad a neuronhálózat patológiás ritmusa
DBS műtét A DBS műtét pontos diagnózis alapján súlyos esetekben végezhető el. Első lépésben az elektródákat ültetik be sztereotaxiás koordináták alapján, majd az ingerlő egység kerül beültetésre a mellkas bőre alá. Ezután összekötik a két egységet. A műtét után tesztingerrel beállítják a megfelelő paraméterek, ha az elektróda megfelelő pozícióban van rögzítik a koponyához. A DBS programozását az orvos végzi, egyes esetekben a beteg maga is választhat a programokból. Parkinson kór Parkinson kór tünetei
rigor: általános izomtónus fokozódás (főleg nyugalmi állapotban) akinesis: időleges mozgásképtelenség nyugalmi tremor: állandó remegés fogaskerék tünet: akadozó mozgás (nyújtásnál jellemző) bizonytalan testtartás, csoszogás
Parkinson kór okai
Substancia nigra sejtpusztulása Nigrostriatális pálya degenerációja Csökkent dopamin szint a striatumban
Parkinson kór kezelése Gyógyszerekkel részben kompenzálhatók a tünetek, de ezek hatása egyre rövidebb. Az agy két megfelelő területén gyakorolt stimulációk képesek javítani ezen az állapoton. Az elektromos impulzusokat egy kényelmes és egyszerű eljárással az agy mélyebb rétegeiben fekvő képleteknél alkalmazzák a subthalamikus mag (STN) területein. Ez utóbbi terület sérülékenyebb, stimulációja esetén gyakrabban számolnak be operációt követő komplikációkról. Az elektromos stimuláció gyógyszeres kezeléssel együtt alkalmazva a leghatásosabb. Stimuláció paraméterei
130‐185 Hz frekvencia, 60‐150 µs impulzusszélesség 1‐2,5 V intenzitás
Tourettes-szindróma Egy régóta ismert neurológiai betegség, tudományos publikációkban először 1825-ben került megemlítésre. A Tourettes-szindróma feltételei 1. 2. 3. 4.
több motoros tik (rángás) és legalább egy vokális tik fennállása első tünetek 18 éves kor előtt a tünetek több mint egy évig fennállnak a betegség lefolyása alatt a tikek típusukat, gyakoriságukat, számukat és súlyossági fokukat tekintve változnak
A motoros tikek alatt akaratlanul fellépő, hirtelen mozgásokat értünk, melyek leggyakrabban az arcon és a fejen jelentkeznek (pl. grimaszolás, hunyorgás, fejrángatás), de ritkán még a törzsben és a lábakban is előfordulhat. A vokális tik hangok vagy zajok önkéntelen kibocsátását, komplex esetben szavak, esetleg mondatok önkéntelen kimondását jelenti. A tikek nagymértékben akaratlanok, ugyanakkor erős odafigyeléssel az érintettek el tudják nyomni tüneteiket néhány percre, esetleg órára. Nagyon sok érintett nem szívesen tartja vissza tüneteit hosszú időre, mivel ezután a tikek erősebben jelentkeznek. Ezzel ellentétben azt is megfigyelték, hogy erős koncentrációt igénylő feladatok végrehajtása közben a tikek alábbhagynak. Tourette szindrómához kapcsolódó egyéb rendellenességek
Kényszercselekvések, kényszergondolatok
A leggyakrabban jelentkező kényszercselekvések a rendszeretettel, rendezgetéssel, és mások irányításával kapcsolatosak, vagy rituális cselekedeteket, illetve számolást jelentenek.
Hiperaktivitás és figyelemzavar
Felmérések szerint a Tourettes-szindrómás gyerekek körében e tünet együttes 50%-kal gyakoribb. Gyakran párosul tanulási nehézséggel, magasabb szintű konfliktus kereséssel, illetve nevelési és irányítási problémákkal. Tourette szindróma kiváltó okai
törzsdúcok (bazális ganglionok) és az agykéreg funkcionális elváltozását mutatják ki (nem írja a jegyzet de valószínűlegszeg itt ingerelnek) A tünetegyüttesért jelenleg elsősorban az agy különböző neurotranszmitterei közötti egyensúly zavarát teszik felelőssé. Különösképpen a dopamin (túlsúly) és a szerotonin (alulműködés) egyensúlyáról van szó.
Disztónia A disztónia akaratlan folyamatosan ismétlődő fájdalmas mozgásokat jelent, melyek különböző kiterjedésűek. A terápiás ingerlés célterülete a globus pallidus internus (GPi), 200-400 us impulzusszélesség, 2,2 -7 V intenzitás. Eszzenciális tremor Ritmusos (4‐12 Hz) remegés az akaratlagos mozgások közben. Karok, fej, arc a leggyakrabban érintettek, nincs rá gyógyszeres kezelés. Pontos oka nem ismert, a kisagy, agytörzs, talamusz, agykéreg közti kapcsolatban bekövetkeztett változás állhat mögötte. A kezelés során a talamusz ventralis intermedialis magjába ültetik az elektródát. Egyéb alkalmazások Epilepszia krónikus fájdalom csillapítása Öningerlés Macska egy üveglapon állva az előtte elhelyezkedő pedállal öningerlést végez. A pedál lenyomása után a hipotalamuszba implantált elektródákon keresztül egy ingerimpulzust kap az állat, melynek hatására dopamin-kiválasztás jön létre. Nem szükséges minden pedálnyomást megerősíteni. Az öningerlést az állat éhhalálig képes folytatni. Az öningerlésért felelős anyag a dopamin. A pedálnyomások száma az ingerlő áram erősségétől függ. Az agyi „jutalmazási” („reward”) rendszer A jutalmazási rendszer részei a dopaminerg pályák, és több subcorticalis struktúra. Egyes fiziológiai tevékenységek, mint az evés, ivás, nemi kontaktus „jutalmazottak”, örömmel, gyönyörrel, kellemes érzéssel vagy kielégüléssel járnak. Ezen érzésért felelős struktúrákat az agy „jutalmazási rendszerének”-ének („reward system”) nevezték. A legrégebbi idők óta ismert, hogy a „gyönyör” állapotát mesterségesen, bizonyos anyagok segítségével is elő lehet idézni pl. alkohollal, drogokkal. Ezek a szerek ugyanúgy a jutalmazási rendszerre hatnak mint az öningerlés. Egyes agyi területek elektromos ingerlése ismételt ingerlés iránti vágyat kelt.
. Tra szkra iális
ág eses i gerlés, tra szkra iális DC i gerlés
Agyi mágneses ingerlés TMS A mágneses ingerléssel hatása hasonló az elektromos ingerléshez. A mágneses ingerlés noninvazív módszer. A mágneses ingerlés előnyei steril noninvazív
A mágneses ingerlés hátrányai hangos, csattan a tekercs a nagy áram miatt, ezért ijesztő. A mágneses ingerlés nem alkalmazható Ha pacemaker van beépítve fokális epilepszia esetén, mert rohamot kelthet illetve, ha az agyban fémet helyeztek el (kivéve ha MR kompatibilis a fém) Alkalmazásai
fel lehet térképezni az agyat meg lehet határozni az egyes izmok ingerlési térképét -> milyen pozícióban jelenik meg a legjobb válasz.
A mágneses ingerlés(TMS – transcranial magnetic stimulation) elve A rendszerrel feltöltünk egy kondenzátort, amelyben így nagy töltés halmozódik fel. Ezután kisütjük a kondenzátort, ennek eredményeképp a tekercsben nagyon gyorsan (~100-200 μs alatt), nagyon nagy áram keletkezik (~8000A), ami nagyon erős, néhány Tesla nagyságrendű (~2.5 Tesla) mágneses teret indukál. A mágneses tér változása (~30kT/s) elektromos teret (~500V/m) hoz létre, áramot gerjeszt az agyszövetekben (~15mA/cm2), ennek következtében az idegsejtek depolarizálódnak, ingerületbe kerülnek. A keltett töltés sűrűsége 1μC/cm3 nagyságrendű. TMS segítségével jól lokalizáltan ingerelhetünk, azonban csak az agykéreg felszínén, mivel az indukált feszültség a távolsággal arányosan csökken. A motoros kiváltott válasz (MEP) latenciája rövidebb mint elektromos ingerlés esetén, de a mágneses ingerlésnél nagyobb az amplitúdó. Motoros kéreg ingerlése esetén az inger után aktivitási szünet alakul ki, amit Silent Periodnak (SP) nevezünk. A mágneses ingerlés átmenetileg rontja a kognitív funkciókat. Transzkraniális DC ingerlés (tDCS) Viszonylag nagy felületű fejbőrre helyezett elektródon keresztül egyenáram alkalmazása. Az áramerősséget fokozatosan növelik, és csökkentik, így direkt hatása nincs tartós alkalmazás esetén. A tDCS hatása a motoros kéregre -
ingerlés után hosszú ideig nem ingerelhető újra A serkentést anódos ingerléssel, és a gátlást pedig katódos ingerléssel végezhetjük A feszültség nagyságának és időtartamának változtatásával az utóhatások nagysága és időtartama irányítható. A hatásokat a membrán polarizáció okozza.
A tDCS és rTMS összehasonlítása:
tDCS
rTMS
Idői felbontás
Rossz (sec)
Jó (msec)
Modulatory hatások időtartama
Másodperctől órákig
Másodperctől órákig
Fókuszáltság
Kevésbé
Jobban
Használat
Kevésbé bonyolult
Bonyolultabb
Alkalmazás egyszerűsége
Könnyen alkalmazható
Könnyen alkalmazható, de kell vki aki jó pozícióban tartja
Ár
Alacsonyabb
Magasabb
Mennyire dokumentált
Jól
Jól
Hatásának időtartama
Csak a kezdeti néhány másodperc
Végig
. Ese é hez kötött pote iálok alkal azása ag -szá ítógép kap solat létrehozására BCI (Brain computer interface) A BCI az agy számítógép kapcsolaton alapuló rendszerek gyűjtőneve. BCI rendzereket általában mozgásukban korlátozott, vagy valamilyen oknál fogva locked in stateben lévő embereknél akalmazzák terápiás célra. A BCI rendszerek működése alapvetően három lépésből áll 1. jel kinyerése az agyból 2. jelfeldolgozás 3. feladat végrehajtás BCI kompatiblis jelek (invazív)
Ecog LFP MUA
BCI kompatibilis jelek (nem invazív)
fMRI (bold válasz) EEG MEG közeli IR spektroszkópia
Az EEG igen elterjedt, mivel noninvazív, jó időbeli felbontással rendelkezik, olcsó, és számos különböző jel kinyerhető vele mely alkalmas vezérlésre. Hátránya a viszonylag rossz térbeli felbontás. Eseményhez kötött potenciálok Az eseményhez kötött potenciálok rendkívül hasznosak mivel használatuk nem igényel tanulást (az esetek nagy részében). ERS/ERD (Event related synchronization/desynchronization) Az eseményhez kötött szinkronizáció/deszinkronizáció mozgás vagy elképzelt mozgás esetén figyelhető meg (képzelt végtag mozgatás esetén tanulást igényel). A mozgás közben deszinkronizáció utána pedig szinkronizáció jelenik meg az EEG görbén.
ujjmozgás 13-19 Hz kar mozgás 18-23 Hz láb mozgás 20-24 Hz
Mu rythm Az Mu rythm 8-14 Hz-es frekvenciatartományban jelenik meg, akaratlagos mozgás elkezdése előtt két másodperccel, az mozgás tervezésének következtében. A Mu rythm önkéntes irányítása tanulható. Felhasználják pl. BCI spellerben, amely egy kurzor egy tengelyen való (fel/le) mozgásán alapul. Az agy két féltekén található Mu rythm eltérő irányításával 3 dimenziós irányítás is lehetővé válik. P300 A P300 eseményhez kötött potenciál általában 300 ms-al a megfigyelt esemény után jelenik meg, egyáltalán nem igényel tanulást. A gyakorlatban alkalmazzák pl. BCI speller esetén. Egy betű mátrixban egymás után villannak fel a betűk, a páciens által választani kívánt betű után 300 ms-al megjelenik a P300 komponens. Amennyiben a detektálandó jel/szimbólum feldolgozást igényel, úgy a P300 jelentkezésében késés figyelhető meg.
SSVEP (Steady state visual evoked potential) Az SSVEP alapja, hogy a páciens egy bizonyos frekvenciájú repetitív vizuális ingerlést kap (pl. villogó led), mely egy szinusz szerű oszcillációként megjelenik az EEG jelben. A különböző frekvenciájú jelek ezután felhasználhatóak vezérlésre, pl. kerekes szék/robot irányítására. Nem igényel tanulást. Ezekmellett még ismerjük az N400 (mismatch negativity) és az oddball paradigmát is.
. A „Thought Tra slatio Devi e” és EEG jel alkal azása ag szá ítógép kap solatra Birbaumer dolgozta ki Németországban, locked-in szindrómában szenvedőknek, és nagyon sikeres az alap kommunikációs képességek biztosításában. A rendszer SCP-t (slow cortical potential)-t használ, melyek kognitív/szenzoros funkciókkal állnak összefüggésben.
Fontos, hogy az agyi aktivitásról feedback-et kapjon a beteg – visszajelzést arról, hogy mit csinál (visual, auditory, tactile feedback).
TTD: hosszú betűsorozat folytonos felezésével (szuccesszív approximációval) találja meg a páciens a kívánt betűt. A módszer használatára trainingelni kell a betegeket, általában heti 2 alkalommal tanítanak. Csak annál a betegnél működik, akinek van motivációja, hogy elektromos jelekkel dolgozzon. Ha aktívan dolgoznak, képesek megírni egy kisebb, pár soros levelet is a gondolataikkal. A sebesség 3 betű/perc, viszont a betű-felismerési hatékonyság 90%-os. Az általános esetben a használói vizuális visszacsatolást kapnak a gondolati tevékenységükről a számítógép képernyőjén, két választási lehetőséggel a tetején és az alján. A páciensek megtanulják, hogy állítsanak elő lassú kérgi potenciálokat (SCP), amivel képesek még kurzort is mozgatni a képernyőn. Negatív SCP elmozdulás felfelé mozgatja a kurzort, a pozitív elmozdulás lefelé. Minden kísérlet végén az SCP amplitúdók iránya egy bináris válaszra, igenre vagy nemre osztályozódnak. Mikor a páciens megbízhatóan tudja iránytani az SCP-jét, a válaszok felhasználhatók arra, hogy kiválasszon adatokat a képernyő alján. EEG alapú BCI 1. jel kinyerése az agyból 2. jelfeldolgozás 3. feladat végrehajtás Az EEG igen elterjedt, mivel noninvazív, jó időbeli felbontással rendelkezik, olcsó, és számos különböző jel kinyerhető vele mely alkalmas vezérlésre. Hátránya a rossz térbeli felbontás.
. Sejtelvezetés alkal azása ag -szá ítógép kap solat létrehozására A sejtelvezetés célja a motoros, szenzoros és kognitív funkciók javítása/helyettesítése sérülést vagy betegséget követően. többsejtes elvezetés motoros kéregből (brain gate system) Motoros kéregi elvezetésnél általában minimum 50 -100 neuron aktivitását monitorozza a rendszer. Ilyen emberbe épített elektróda tömböt használ pl. a Brain Gate system, mely az ERD/ERS detekción alapul. A rendszer egy szenzorból, egy dekóderből (számítógép jelfeldolgozással) és egy external device-ból (pl. számítógép, kerekes szék) áll.
neurotroph elektród A neurotroph elektród egy olyan üveg mikroelektróda, mely krónikusan beültethető. Az elektródákat neurális növekedési faktorokkal töltik fel, így a célbavett sejtek axonja „ránő” az elektródára, amely így pontos elvezetést tesz lehetővé. Gyakorlatban ALS-es betegek esetében alkalmazzák.
elvezetési hibák Ha meghibásodik egy elektród, vagy akár csak elmozdul, elvezetett neuronok elpusztulnak, neuronok fiziológiai tulajdonságai megváltoznak. Ki kell használni az agy nyújtotta plaszticitási és adaptálódási képességeket. egysejt aktivitás regisztrálás Unit activity-t akkor láthatunk ha az elektród nagyon közel van a sejthez, ezt nagyon nehéz kivitelezni, sokszor a szerencsén múlik hogy megtalálunk-e egy sejtet. Itt ennek megoldására mikromanipulátorokat alkalmazhatnak, mely manipulátor addig mozgatja fel-le az elektródot míg az el nem ér egy sejtet. Minél több sejtet sikerül megtalálni annál jobb. A mozgatást program is vezérelheti. Állatkísérletben jól működik, azonban humán probléma a nagyméretű agy és mozgása. A humán agy (már egy macskáé is) a koponyában az elektród méretéhez képest igen nagyokat tud elmozdulni, ergo elveszhet a sejt amire beállítottuk. Ezt például egy kis program vezérelte manipulátor korrigálhatja. Újabb megoldás MEMS technológiás mozgatás. Másik probléma a biokompatibilitás. Az elektródok előbb utóbb pl elfertőződhetnek, begyulladhatnak.
. A külső szőrsejtek jele tősége a o hlea
űködésé e
A külső szőrsejtek meglehetősen érzékenyek nagy intenzitású hangokra: ezek a hangok (pl. ipari zaj) hosszabb időn keresztül hatva tönkreteszik a frekvenciájuknak megfelelő külső szőrsejteket, és ezeken a frekvenciákon a hallás jelentősen megromlik. Egyes ototoxicus gyógyszerek, így bizonyos antibiotikumok szelektíven károsítják a külső szőrsejteket, és ezzel irreverzíbilis halláscsökkenést vagy teljes süketséget hoznak létre.
A cochlea mechanikája A hangnyomás a dobhártyától a hallócsontocskákon keresztül jut az ovális ablakhoz. Az akusztikus rezgések a belső fül folyadékába a perilymphaba jutnak. A hangjullámok megmozgatják a baziális membránt passzív tonotópia A nagy frekvenciás magas hangok a coachlea alján (base), az ovális ablakhoz közel rezegteti meg a mebránt, viszont a mély hangok a csúcsnál (apex). Ez a teória a passziv tonotópia. A perilymhaban haladó akusztikus hullám a basilaris membrán mentén halad, és azt a hangmagasságtól, más szóval a frekvenciától függő jellemző helyeken rezgésbe hozza. Ezt a helyet a basilaris membrán rezgésének a módja szabja meg, amely így a hangstimuláció adott frekvenciájának megfelelő saját egyedi amplitúdóival járul hozzá a teljes amplitúdóhoz. Ezért a cochleát egy, a belső fülben elhelyezett hidromechanikus frekvencia analizátornak lehet tekinteni. Ennek alapfeladata az akusztikus hullámok egyidejű spektrális szétválasztásának a megvalósítása. Ezt a jelenséget a cochlearis rész különleges felépítése okozza (csúcsánál 0.05 mm, ovális ablaknál 0.5 mm). Szőrsejtek 12000 külső szőrsejt, az idegrostok 5%-a végződik rajtuk 3500 belső szőrsejt, az idegrostok 95%-a végződik itt
A stereocilium 100nm kitérése megfelel a választerjedelem 90%-ának. Normális inger: ~±1° kitérés (kevesebb mint az átmérője!!) Termális zaj: 3nm. Hallásküszöb: 0,3 nm (!!) → 100μV receptor pot. (folytonos neurális normalizálás, hallóidegben állandóan van aktivitás ezt a szőrsejtek folyamatosan modulálják
A levegőrezgéseknek a cochleában lévő folyadékhoz kell eljutniuk, hogy a cochlea szőrsejtjeit ingerelhessék. A cochlea szőrsejtjei, együtt a szomszédos támasztósejtekkel, két eltérő összetételű folyadékkompartmentet választanak el. A szőrsejtek nyugalmi potenciálja -60 mV / -80 mV. Az endolympha és a szőrsejt belseje közötti elektromos potenciálkülönbség +150 mV-nak adódik. A depolarizációt a K+ ionok beáramlása okozza az endolympha térből a szőrsejt belsejébe. A csatornák a sztereociliumok rezgésére nyitnak. A sztereociliumok neutrális helyzetében a csatornáknak kb. 15%-a nyitott, ez annyit jelent, hogy a sejtek eleve kissé depolarizált állapotban vannak. Külső szőrsejt erősítése (electromotility) Aktív mechanizmus: az külső szőrsejtek fél oktávval arrébb teszik a vibráció maximális helyét (frekv. tart.ban) valamint 50dB-t erősítenek a jelen. Ezért a belső szőrsejtet elérő hullám már más lesz, mint a passzív: frekvenciában eltolt és erősített. Depolarizáció hatására a külső szőrsejtek összehúzódnak.
A külső szöröket „tip link”-ek kapcsolják össze. A szőrsejtek a magas K koncentrációjú extracell térben vannak. Az erősítés úgy zajlik, hogy stereocilium elhajlásakor a kation csatornák megnyílnak, K+ ion áramlik a sejtbe, a sejt depolarizálódik. Az ugyancsak megnövekvő Ca+ ion koncentráció hatására a csatornák záródnak. Ugyanakkor a Ca ionok hatására a membránban egy összetett folyamat is elindul és egy benne lévő fehérje (prestin) megrövidül, ettől összehúzodik a külső szőrsejt(electromotility), ez az összehúzódás erősítetten aktiválja a belső szőrsejteket, mivel megmozgatja a bazilláris membránt a deiter sejtek segítségével.
A cochlearis mikrofonia A kerek ablakra helyezett elektródával elvezethető a bemenő hangnak megfelelő jel. A cochlearis mikrofonia a külső szőrsejtekből ered, az ezekben keletkező depolarizáció szummált jeleiből származik. Tönkrement külső és ép belső szőrsejtek esetén a cochlearis mikrofonia nem váltható ki. oto-akusztikus emisszió A szőrsejtek összehúzódása megrezgeti a cochlea folyadékát, a rezgés pedig elvezetődik és megrezgeti a külső fülben található levegőt. szőrsejtek spontán aktivitása A szőrsejtek esetében spontán aktivitás is megfigyelhető, amely azonban eltérő az ingerléstől és a gátlástól.
11. A vezetéses hallászavarok korrek iója protézisekkel HALLÁSKÁROSODÁS: A lakosság 10 %-a halláskárosodott! Vezetéses halláskárosodás: pl. középfül gyulladás, hallócsont láncolat károsodik (mechanikai rész rossz, cochleáig) Vezetéses halláscsökkenés felnőttkorban előforduló esete az úgynevezett otosclerózis. Ez tulajdonképpen amiatt alakul ki, mert a belső fülhöz csatlakozó hallócsontocska (kengyel) becsontosodik a belső fülbe vezető ovális ablakba. Emiatt pedig a hangvezetés a belsőfül felé nagymértékben csökken. A vezetéses halláskárosodásra kétféle megoldás létezik: a tradicionális hallókészülék és a beépíthető hallásjavító készülékek. Tradicionális hallókészülékek Fajtái
Fül mögötti (Behind the Ear) fülbe helyezhető (completeley in canal)
A hangokat egy mikrofon veszi fel, a jelet erősítik, feldolgozzák, majd ez a jel kerül továbbításra viselője felé. Előnye hogy non invazív. Hátránya hogy kényelmetlen, karbantartást igényel, szociális megkülönböztetéshez vezet. Emellett rontja a visszajelzést, felgyülemlik mögötte a fülzsír, valamint a normál halláshoz képest gyengébb hangminőséget biztosít. beépíthető hallásjavító eszközök Csontba-épített hallókészülék bone-anchored hearing apparatus (BAHA) Középfülbe épített hallókészülék middel ear implantable hearing device (MEIHD) Cochleáris implantátum cochlear implant (CI) Agytörzsbe épített implantátum auditory brainstem implant (ABI) Vibrant soundbridge MEIHD A mikrofon felveszi a jelet, a hangprocesszor feldolgozza a jelet, amit egy tekercsen keresztül továbbít a csontba épített receiver coilnak. Innen a jel a floating mass transducerre kerül ami az elektromos jelet rezgéssé alakítja.
12. A o hleáris protézis
űködési elve
A CI(cochlear implant) mint megoldás A süketek és súlyos nagyothallók nagy részénél az okozza a problémát, hogy a szőrsejtek nem működnek. Ezekben az esetekben segíthet a CI azzal, hogy átveszi a szőrsejtek funkcióját, és elektromos impulzusokat továbbít a hallóidegek felé. A CI működésének lépései • A hanghullámokat egy mikrofon érzékeli, majd továbbítja a beszédprocesszor felé. • A beszédprocesszor egy kódolási stratégia segítségével átalakítja a mikrofontól kapott jeleket. • A processzortól egy adótekercs veszi át a jeleket. Az adótekercset egy kis mágnes rögzíti a fejbőrön, pontosan a vevőtekercs felett. • A koponyacsontba implantált vevőtekercs veszi át az adótekercs jeleit. Egy dekóder dekódolja, majd az elektróda felé továbbítja a jeleket. • Az elektróda a csigába van beültetve. Több szálból áll, ezek különböző hosszúságúak. A rövidek a csiga elején végződnek és a mély frekvenciát érzékelő idegeket ingerlik, míg a hosszabbak a csiga belsejéig mennek és a magasabb frekvenciákért felelősek. Az elektróda által keltett elektromos impulzusokat az idegsejtek érzékelik és az agyba továbbítják, hallásérzetet keltve. A CI-vel elérhető hallás jelentősen különbözik a normális hallástól. Normál hallás vs. hallás CI-vel • A hallásküszöb CI-vel általában 35-40dB. Ez a hangos beszéd megértéséhez már elegendő.
• A CI meglehetősen torzít. Objektív módon nem mondható meg, hogy pontosan hogyan hall egy CI-s, de a korábban halló operált CI-sek "robotszerű", "csipogó", "fémes" szavakkal jellemzik a CI hangvilágát. •
Egyoldali implantálás esetén nem lehet vele a hangok irányát megállapítani. A normál beszéd dinamikus tartománya 120 dB, 200 megkülönböztethető lépésközzel, a CI-é 10-20dB, 20-al.
Implantáció indikációi: - szőrsejtek károsodtak, az idegrostok épek (amíg van hallás: inkább hallókészülék), - feltétel, hogy a cochlea csatornái ne csontosodjanak el - pre- vagy postlinguális süketség (beszédképesség előtti/utáni)->hosszú tanulási folyamat(évek) - részleges (pl. magas frekvenciás) halláskiesés - a pácienseket ki kell válogatni -> promontórium teszt, melyben átszúrják a dobhártyát és csonton keresztül erős jellel ingerelnek - szájról olvasás hatékonyság - minél korábbi a beültetés, annál jobb ->késői beültetésnél nagy a hatékonyság szórása (5 90%), korainál a szórás jóval kisebb. - gyereknél kisebb a hatékonyság (több csatorna kell ugyanazon teljesítmény eléréséhez felnőtthöz viszonyítva).
A hallási teljesítmény (Auditory performance – AP) három fázis görbéje postlinguális süketség esetén.
Beszédértés A beszéd nagy részben egy top-down mechanizmus, nagy részben az agykéreggel értjük. Négy csatorna elég csendben 90%-os mondatértéshez egyszerű mondatok esetén. (Mondatértés könnyebb mint a szóértés) Öt csatorna kell több beszélő esetén egyszerű mondatok megértéséhez. Nyolc csatorna kell egytagú szavak megértéséhez. Tizenkét csatorna kell gyermekeknél szavak megértéséhez. A hangmagasságot jóval kevésbé halljuk. A zenénél ezért jóval rosszabb a hatásfok, így 16 csatorna esetén is alig hallani a hangmagasság-különbséget, a ritmust azonban nagyon jól ki lehet hallani. Orvosi/pedagógiai/etikai feltételek Orvosi szempontból azt a legfontosabb kiemelni, hogy a siket/nagyothalló hallóidegeinek épnek, funkcióképesnek kell lenniük. Fontos emellett még a csiga térbeli elhelyezkedése, formáltsága; valamint hogy az elektródát a csigába lehessen vezetni. (A szerzett siketség egyik leggyakoribb oka, az agyhártyagyulladás a csiga elcsontosodásával járhat.) A CI beültetése nem jelenti azt, hogy a páciens egyből jól hall. A CI viselőjének el kell sajátítania a CI-vel való hallás képességét, mivel az jelentősen különbözik a normál hallástól. Ehhez audiológus/szakpedagógus segítségére is szükség van, de még fontosabb az érintett motiváltsága. A CI, az operáció és a rehabilitáció jelentős anyagi terhet jelent. Országonként eltérő a finanszírozási gyakorlat, hazánkban orvosi indikáció esetén a társadalombiztosítás állja a költségeket. A CI pártolói szerint azonban a hallás az egészséges ember egyik fontos képessége, ezért annak hiánya orvosolandó. beültetés A CI beültetése minden esetben teljes narkózisban zajlik. A CI vevőtekercsét a fül mögött, a koponyacsontra vájt mélyedésben helyezik el, míg az elektródát a középfülön keresztül a csigába vezetik. Az ily módon elhelyezett implantátumot rögzítik. A CI külső részeinek felhelyezése legkorábban egy hónappal az operáció után lehetséges, korábbi felhelyezés esetén a külső tekercs mágnese elmozdíthatja a még nem kellően rögzült vevőtekercset. Mint minden orvosi beavatkozás, a CI beültetése is rejt magában kockázatot. A legfontosabbak: •
a teljes narkózis általános kockázatai,
• mivel az elektródát az arcidegek közelében vezetik, óvatlan operáció esetén előfordulhat részleges arcbénulás vagy az ízérzékelés elvesztése, •
egyensúlyérzékelési problémák,
•
tinnitusz,
•
allergia az alkalmazott anyagok valamelyikére.
Mindezek mellett is elmondható, hogy a modern műtéti technikák alkalmazása, a kellő higiéniai intézkedések betartása és a sebész elővigyázatossága esetén a CI egy viszonylag kockázatmentes beavatkozás. rehabilitáció A páciens a beszédprocesszor bekapcsolásakor egyből hall. Ezek a hangimpulzusok azonban nagyon távol állnak a normális hallástól, mivel a CI nem képes olyan differenciált hangérzetet produkálni, mint a szőrsejtek. A hanginpulzusok idegi feldolgozása azonban olyan rugalmas, hogy a páciens – megfelelő tréning mellett – hamarosan hozzászokik a CI-hez. A szoktatás első pár hónapja során a beszédprocesszor beállításain fokozatosan állítanak az audiológus szakemberek. Erre azért van szükség, mert a hallóidegek "hozzászoknak" a CI elektródája által keltett jelekhez, és ezért változtatni kell a jelszinteket. Ezzel párhuzamosan zajlik a beszédtréning, melynek célja, hogy a CI viselője a hangos beszédet megértse, azzal kommunikálni tudjon. A tréning alapvetően különbözően zajlik prelingvális és posztlingvális pácienseknél. A prelingvális siketek hallásukat a beszéd elsajátítása előtt vesztették el, vagy siketen születtek. Esetükben csak akkor hozhat eredményt a CI, ha az operációra igen hamar, kisgyermekkorban kerül sor. Az optimális időpont vita tárgya, de általánosan elfogadott álláspont, hogy a 7-ik életév előtt kell megtörténnie. A műtéti technika fejlődésével és az implantátum méretének csökkenésével az operáció egyre korábbra tolódik, jelenleg már 6 hónapos csecsemőket is sikerrel műtenek. Amennyiben az operáció ilyen fiatal korban zajlik, a beszédterapeuta legfontosabb feladata a beszéd normális fejlődésének elősegítése. A kisgyermekek a CI segítségével jól megtanulhatnak beszélni, beszédértésük pedig a mindennapos kommunikáció megértéséhez szükséges szintre fejlődhet. Magas frekvenciás halláskiesés: Az elektródot csak a bázisra teszik, itt reprezentálódik a magas hang, a csúcson a mély. Monopoláris ingerlés: Hátránya: viszonylag nagy területet ingerel A cocleáris protéziseknél alkalmazott ingerlési technikák: CA: Compressed Analog CIS: Continous Interleaved Sampling MPEAK: Multipeak SMSP: Spectral Maxima Sound Processor SPEAK: Spectral Peak
13.A o hleáris protézisek él alkal azott i gerlési stratégiák stimuláció analóg pulzáló bifázisos pulzusokkal 20-200 us
elektróda konfigurációk monopoláris bipoláris tripoláris
szekvenciális/simultán stimuláció
ingerlésre használt jelalakok
Gyakorlatban leginkábbb a bifázisos stimulációt használják. Mivel a hosszabb mnopoláris ingerlés szövetroncsolódást okozhat.
kódolási stratégiák 1. analóg hullám – a jelet szűrt, kompresszált analóg hullámként továbbítjuk 2. pulse trains – az impulzusok frekvenciája az akusztikus jel frekvenciájának felel meg 3. amplitudó modulált pulse train- a pulse train frekvenciája fix, az amplitudóját moduláljuk a jelnek megfelelően 4. pulse width modulated pulse trains Az információ vesztés analóg esetben a legkisebb, azonban pulse trainek alkalmazásával a csatornák külön külön moodulálhatóak elektromos stimuláció featurejei (miket modulálhatunk a minél jobb hallás eléréséhez) időbeli tulajdonságok
analóg jel – frekvencia és fázis pulse train – fázis hossz, frekvencia, polaritás
térbeli tulajdonságok
elektróda elhelyezkedése elektróda orientáció elektróda site separation (cross talk minimalizására) elektróda konfiguráció (multipoláris, bipoláris…)
stimulus tulajdonságok
működési tartomány kompreszziós algoritmus
A cochleáris protéziseknél alkalmazott ingerlési technikák CA: Compressed Analog Közvetlen analóg ingerlés a beszédprocesszor jelével. A jelen beállítják az erősítést automatikus gain controllal, majd megszűrik, eztán a négy analóg hullám egyszerre (szimultán) a négy ingerlő elektródára kerül amplitudó kompreszzió után. A módszer hátránya hogy az elektródák által keltett stimulusok interakcióba lépnek egymással.
CIS: Continous Interleaved Sampling Ingerlés egymáshoz képest időben eltolt impulzusokkal történik, a "cross-talk" megelőzése érdekében.
SMSP: Spectral Maxima Sound Processor - 16 külön sávszuro a 250 -5400Hz-es tartományban, ennek megfeleloen 16 ingerlo elektródon. Ezek a jelek javítottak és lowpass filtereltek (200Hz). - A 6 legnagyobb kimenetet 4 ms -onként újra méri, majd tömöríti (formánsokat választ FFT burkológörbével) és egyszerre csak ezt a hatot ingerli.(250 pps). Ez elég jó technika dinamikusan mindig a legjobb tartományok ingerlésére.
SPEAK: Spectral Peak - az előzőtől kb. annyiban különbözik, hogy itt a bandpass filterek beprogramozhatók, hogy az adott páciensre optimális eredményt adjanak. Feature- extraction techniques -
-
These are based on extracting the spectral information of the input signal and using this information to generate the stimulus to the electrodes. For proper perception of speech it is important to present the formant frequencies (F1-F3). The frequency of this periodic waveform is called the fundamental frequency (F0). - F0/F1/F2
o Nucleus cég Wearable Speech Processor első többcsatornás implantátum és beszédprocesszor amit az fda elfogadott o egyszerre két elektróda szet ingerlése történik, a base elektródák a jelet 1-3 kHz közötti szűrt jelből kapják, az apikális elektródák a 0.3-1kHz közötti o kifejezetten beszédre hangolva. o Szóértés: 63%
MPEAK: Multipeak - Cochlear miniature speech processor (MSP) - Hasonló az előzőhöz de az F0/F1/F2 mellett 3 magas frekvenciás sáv. - Beszédhangoknál 4 elektród F0 impulzus gyakorisággal, 4 elektród magas frekvenciájú hangokra. - jó a sávmegfeleltetés, de durva a felbontás. - (envelope detectors) - Szóértés: o F0/F1/F2-hez hasonlítva: o +17% mássalhangzó felismerés o +28% mondat értés
N of M Select n peaks of m bands.
14.Reti a protézis A retina középső részét elhagyva a pálcika-túlsúly jellemző. A 120 millió pálcika a gyenge fényben való látásért felel – ez a sötétadaptált (szkotopikus) látás. Fényérzékenységük kiváló, téri felbontóképességük viszont rossz, vagyis a halvány ingert is észreveszik, de a mintázat nem rajzolódik ki élesen. Az 500 nanométeres fényre válaszolnak leginkább, mely nappal kékeszöldnek látszik. A csapokkal ellentétben a pálcikák a színlátásban nem vesznek részt.
Fovea centralis: itt vannak a csapok, éleslátás területe A csapok adják a fényadaptált (fotopikus) látás alapját, gyenge fényben nem működnek. A retina közepén, a sárgafolton csapokat találunk, melyek fényérzékenysége kisebb, mint a pálcikáké, viszont felbontóképességük kiváló. A csapoknak köszönhető a színlátás is.
OFF -ganglion fényre hiperpolarizált
ON– ganglion fényre depolarizál
A retinában az egy ganglionhoz kapcsolódó receptrok csoportja a receptív mező. Magasabb rendű emlősökben minden ganglion koncentrikus receptív mezővel rendelkezik. Ha a neuron receptív mezejének egy részén változtatjuk a fényt, a sejt vagy akkor ad impulzussorozatot, ha megvilágítjuk a kérdéses részt (on reakció on-center ganglion), vagy pedig akkor, ha kikapcsoljuk a képrészlet megvilágítását (off reakció off-center ganglion), néha pedig mindkét esetben.
Retinal degenerations: AMD: Age-related macula degeneration: a foveában kiesnek a csapok-> középen nem látnak, megszűnik az éleslátás. RP: Retinitis pigmentosa: a periféria betegsége, csak középen látnak élesen, megszűnik a tájékozódó-képesség, vaksághoz vezet. Usher szindróma Ezekben az esetekben a retina fotoérzékeny sejtjei ritkulnak és az agy többé nem jut elegendő információhoz a vizuális érzékeléshez. A retina implantátum egy tanuló, hangolható vizuális protézis, amely áthidalja és helyettesíti a retina hiányzó funkcióit. Epiretinális implantátum Az epiretinális implantátumot a retina felszínére helyezik fel, a működésképtelen csapokat/pálcikákat helyettesíti. Az implantátum fényérzékeny fotodiódákból áll, mindegyikük rendelkezik stimuláló elektródával is, mellyel a retina sejtjeit serkentik, (ganglion, amakrin, bipoláris sejtek). Ennek köszönhetően az épen maradt részek feldolgozó képességét kihasználja a rendszer. Subretinális implantátum A retina belső felén található, a jelet külső jelfeldolgozó egységből kapja. Mindkettőnél gond: a szemmozgás miatt a vezetékezés nem tartós, wireless megoldásra van szükség.
Kék nyíl- epiretinális implantátum helye a rétegben piros nyíl – szubretinális implantátum helye a rétegben Second sight ARGUS (epiretinális) Cochleáris implantátum technológiáján alapul. Az érzékelés és a feldolgozás egy külső szemüvegbe épített egységen történik, innen megy tovább a jel az elektróda tömbbe. Első verzijóával 4x4 pixeles felbontást lehetett elérni, ezzel a páciensek képessé váltak fény és mozgás felismerésére. Második verziója már 60 pixel felbontású, ezzel már körvonalakat is képesek látni. Epiret Teljesen beültethető retina implantátum. Az adat és energiaátvitel induktív tekerccsel történik. Boston retina implant teljesen beültethető subretinális implantátum, külső feldolgozással, wireless adatátvitellel. Csak az elektródatömböt ültetik be. Retina: Nem sima, hanem hullámos felületű -> megnehezíti az elektród felhelyezését. Retina implantátumok összehasonlítása: Fajta
Készülékek
Előnyök
Hátrányok
Epiretinális
Intelligens implantátumok
Lehet elektromosan tölteni,
A hosszútávú stabilitása nem lett kimutatva,
Rizzo implantátum Second-sight implantátum
Egyéni erősítése az átvitt áramnak, alkalmazható előnytelen fényviszonyoknál, a retinális ingerelhetőség be lett mutatva pácienseken
Sejtburjánzás veszélye, Szegényes felbontás, Külső kamera kell, Magas költség
Subretinális Optobionikus Implantátum
Már 6 páciensbe be lett ültetve
Nincs „aktív” chip,, nagyon magas fényességet kíván, nem tud alkalmazkodni sötétebb fényviszonyokhoz, kiegészítő vizuális segítségre van szüksége, normális fényviszonyok mellett nem tud dolgozni
Külső energiaforrásból
Komplex beültetési eljárás
(CHOW)
Retina implantátum
töltik, nem kell külső kamera German EPI-RET Project: Két alapvető összetevője: - retina enkóder: az „intelligencia” Egy tanuló neurális számítógép, amely a vizuális képet idegi jelekké alakítja át, úgy, ahogy a retina teszi. A retina enkóder egy fotoérzékelő tömbbel (mintavételhez) és egy adó-val (jel-és energia átvitelhez) egy szemüvegbe van elhelyezve. - Retina stimulátor:az implantátum A retina stimulátor egy rugalmas mikrokapcsolat fólia, ami magába foglalja a vevőt (a jeleknek, amiket a retina enkóder produkál), és egy stimulációs mikrokontaktot a megfelelő ellenőrző eszközökkel, hogy stimulálják a retina ganglion sejtjeit. A retina stimulátor be van ültetve a szembe, de el lehet távolítani, és beépíteni a szemüvegbe. - külső kamera - vezeték nélküli átvitel German SUB-RET projekt: - retina enkóder, retina stimulátor - vezeték nélküli működés - nincs külső egység - fotodiódával megoldott - szubretinálisan bültetett Boston retina implant: - A célja, hogy olyan mikroelektronikus retina implantátumot fejlesszenek, mellyel visszaállíthatják AMD és RP betegek látását. - Hogy a vizuálisan károsodott betegeken segítsünk, a vizuális protézisek, helyezhetők a szembe (és a retina felszínére vagy alá), a látóidegre, vagy a vizuális kéregbe. - A vizuális protézis kétfajta információt kell kapjon. Az egyik infó a vizuális látvány (vizuális jel), a másik az áram, hogy stimulálja a retinát. - Fontos, hogy a kommunikáció, amivel a vizuális információ és az áram eljut az implantátumhoz, vezeték nélkül történjen, amihez lézerfényt vagy rádiófrekvenciás átvitelt használnak.
Nervus opticus protézis: - A látóideg könnyen megkereshető. - 4-8 elektród - Fényirányt tud csak meglülönböztetni->nem reális. Kortikális protézis: - látókéreg könnyen lokalizálható - retinális négyszög alakú ingerlés -> négyszög alakú leképezés, de kortikális esetben a leképezés egy szabálytalan alakzat lesz. Dobelle: - elavult elektróda technológia, de működik…valahogy - felszíni elektród, nagy mátrix - Sobel szűrt bemenet nem közvetíthet valóságos alakú látást, de durva helymeghatározást biztosít. - „tolatni” is lehet vele….. Optobionics: - Az optobionics cég egy mesterséges szilikon retinát fejleszt, ami egy 2 mm átmérőjű sok-fotodiódás tömb, 4000 alkotórésszel. - 25 μm vastag - még meglévő sejtekre alapoz –> javul a látás, de vitatott, hogy miért. - alkalmazható AMD, RP, és más retinális betegeknél. - 10 betegnél alkalmazták, a szubretinális térben - kizárólag a ráeső fénnyel működik, nincs szükség külső vezetékekre vagy elemekre. - ezek a mikro fotodiódák átalakítják a képekről a fényenergiát elektromos-kémiai impulzusokká, amelyek ingerlik a retina megmaradó funkcionális sejtjeit. Utah electrode array: - szilikon alapú beépített elektróda tömb - 1,5 mm hosszú elektródákból áll (tipikusan 10x10-es), 0,2mm vékonyak, és 0.4 mm-re vannak egymástól. - az elektródok csúcsa platinával van bevonva - a kortikális felületre rakják e. A retinális protézis működése:
The retinal prosthesis is designed to bypass(kikerül) damaged photoreceptors (rods and cones) and directly stimulate the surviving ganglion cells connected to the brain through the optic nerve. A camera mounted(felszerel) on specially designed glasses capture(rögzít) the visual scene and transmits(közvetít) this information (in this figure, using an invisible laser beam). The laser strikes a solar panel (photodiode array) located behind the pupil and generates internal power and transmits the encoded visual information. An ultra-thin electrode array carries the power and information to the retinal surface where it stimulates the ganglion cells.
