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Inhalt der Vorlesung1) Einführung
Physik des Körpers2) Biomechanik3) Blutkreislauf4) Ohr5) Auge
Diagnostische Methoden6) Röntgendiagnostik7) Nukleardiagnostik8) Ultraschall9) MRI10) Bioelektrische Quellen
Therapeutische Methoden11) Ionisierende Strahlung12) Laser
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10.1 Grundlagen
10.2 Ursprung bioelektrischerQuellen
10.3 Messung bioelektrischerSignale
10) Bioelektrische Quellen
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10) Bioelektrische Quellen
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Hierarchie der Strukturen
Glaser: Biophysics
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139 mMol
4 mMol
145 mMol
12 mMol
1 µF / cm2
RuhemembranpotenzialUrsache:
Unterschiedliche Verteilungder Ionen im intra- undextrazellulärem Raum
- passiver Transportdurch Kanäle
(selektive Permeabilität)
- aktiver Transportdurch Ionenpumpen
Zelle Zelle
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Depolarisation
Gleichgewichtspotential für Na+
Gleichgewichtspotential für K+
Membranschwelle
Herzmuskelzellen: Plateau (Ca++)
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RefraktärphaseAbsolute Refraktärzeit: keine erneute Anregung möglichRelative Refraktärzeit: Anregung nur möglich bei erhöhter Schwelle
und mit reduzierter Amplitude
Membranschwelle
Ruhemembranpotential
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Erregungsleitung
KontinuierlicheErregungsleitung
Nervenfaser
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Erregungsleitung
SaltatorischeErregungsleitung
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NervenzellenNervenzelle (Neuron): auf Erregungsweiterleitung spezialisierte ZelleNeurit (Axon, Nervenfaser): Depolarisation nur an Schnürringen möglichDendrit: rezeptive StrukturPerikaryon (Soma): Zellleib, Stoffwechselzentrum
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Ursprung bioel. QuellenModellierung:
- Weiterleitung von Signalen auf Axonen: Strom-Quadrupol- Elektrische Vorgänge direkt hinter Synapsen: Strom-Dipol
An der Haut des Kopfes detektierbar: Signale von Stromdipolenin der Hirnrinde (Pyramidenzellen)
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primärmotorisch
primärsensibel
primärvisuell
motorischesSprachzentrum
primärauditorisch
auditorischesAssoziationsgebiet
HirnstammKleinhirn
Hirnrin
de
SignalstärkenIm Allgemeinen heben sich Signale von Axonenbzw. Synapsen auf (Stochastische Verteilung)
Ausnahme: Pyramidenzellen des Gehirns
104 Nervenzellen in 1 mm3 der Hirnrinde
Gleichzeitiges “feuern”=> Messbare Signale
U ≈ 10 µVB ≈ 100 fT (!)
Vergleich Herz (Kapitel 3.4)
U ≈ 1 mVB ≈ 10 pT
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Biomagnetische SignaleQuellen biomagnetischer Signale sind die im Körperinnerenentstehenden elektrischen Ströme.
Vorteile: - Fast keine Störung der biomagnetischen Signale zwischenEntstehungs- und Aufnahmeort an Körperoberfläche(berührungslose Aufnahme; µr ≈ 1 + O(10-6) )
- Keine räumlichen Verzerrungen im Körperinnern=> gute Lokalisation (Forschung!)
Nachteile: - Sehr kleine Magnetfelder 10-11 ... 10-13 T- Sehr sensitive Sensoren benötigt (SQUIDS)- Sorgfältige Abschirmung notwendig (Gradiometer)
Erdmagnetfeld: B ≈ 5 * 10-5 TStröme in Netzkabeln: B ≈ 10-7 TMagnetische Verunreinigungen der Lunge: B ≈ 10-9 T
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QuellenmodelleGesamte Stromdichte:
Eingeprägte Stromdichte(bioelektrische Ströme)
Rückstrom im Volumenleiter
Potential = Überlagerung aus vielen Stromdipolen
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ÜbersichtAn Körperoberfläche abgeleitete Signale = ∑ elektrische Aktivität des
gesamten Nerven-, Muskel-und sensorischen Systems
=> “Selektion” durch Ortswahl der Elektrodenanordnung
- EKG: Elektrokardiogramm (Kapitel 3.4)- EEG: Elektroenzephalogramm- EMG: Elektromyogramm (Bild der Muskelerregung;
Sportmedizin; U ≈ 100 µV)- ERG: Elektroretinogramm (Sichtbarmachung der Lichtreizung;
Info in Amplitude & Latenzzeiten)- EOG: Elektrookulogramm (Aufschluß über Augenstellung;
motorische Einflüsse diagnostizierbar)
- Elektroolfaktogramm (Reizung des Geruchssinns)- Elektrogastrogramm (Aufzeichnung Aktivität Magenmuskulatur)- Elektrohysterogramm (Aufz. Aktivität Uterusmuskulatur)- Elektrodermatogramm (Aufz. elektr. Potentialvert. auf der Haut)- Elektroneurogramm (Aufz. von intrazellulären elektr. Potentialen)
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EEG (MEG): Entstehung
Aktivierung
Potential-änderungen;Gradienten Ionenströme
Extrazellulär => Feldpotentiale (EEG)Intrazellulär => Magnetfelder (MEG)
Ruhe
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EEG (MEG): PotentialeIn
traz
ellu
läre
Abl
eitu
ngE
xtrazelluläreA
bleitung
Afferente Faser => Dendrit => EEG
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EEG: Ableitung
InternationaleBezeichnungender Elektroden
Ableitungsschema:
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EEG: Frequenzbänderα: EEG Grundrhytmus in Ruhe (Augen zu)β: Auftreten bei Sinnesreizen;
emotionale Erregungγ: Schlaf bei Erwachsenenδ: Tiefschlaf
Erlöschen der EEG-Tätigkeitbeim Sterben:
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Evozierte PotentialeBisher: “spontanes EEG” ohne sensorische Reizung
Reizung eines Sinneskanals => Zusätzliche EEG-Wellen“Evozierte Potentiale”
- In der Regel wesentlich geringere Amplitude (10 µV)E.P. mit Reizung korreliert
=> Mittelung (N ≈ 1000)
- Somatosensorisch E.P.: Reizung eines peripheren Nervs- Akustisch E.P.: Aktivierung des auditorischen Systems- Visuell E.P.: Stimulierung des visuellen Systems
- Diagnostik: Amplituden(änderungen) & Laufzeiten
MS: erste Symptome Verlängerung der Latenzen von VEPAnästhesietiefe: AEP werden am spätesten abgeschaltet
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EKG: Vektorkardiographie
Integralvektor = ∑ Zelldipolekreist mathem. positiv in Frontalebene
Projektionen des Integralvektors aufVerbindungslinien zwischen Ableitungs-punkten => “Normales” EKG
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Elektrische Welle am HerzenHerzrhythmusstörungen
http://www.psc.edu/science/2003/fenton/hearts_gone_wild.html
Simulation
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Lead fieldsAlle aktiven Stromdipole liefern einen Beitrag zum SignalBeitrag eines Dipols zu Signal eines spezifischen Elektrodenpaars:
Definiert über: “Lead fields”
Lead fields wurden für verschiedene Elektrodenanordnungen bestimmt:KugelförmigesKopfmodell
Haut
Knochen
Gehirn
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Das inverse Problem“Vorwärts-Problem”: Stromdipolverteilung gegeben,
Potenziale (Magnetfelder) gesucht.
“Inverses Problem”: Aus gemessenen Potenzialen aufStromdipolverteilung zu schließen.
- Problem ist Unterbestimmt:
# Unbekannte > # Meßgrößen
- Problem ist “schlecht gestellt”:
Kleine Meßfehler => große Rekonstruktionsfehler
Viele Lösungen passen zu Messungen (Mehrdeutigkeit)
Grund: “stille Quellen”
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Lösungsansätze- Modellierung oft durch 1 Stromdipol (z.B. Herzvektor)
Rekonstruktion: Ort & Richtung gesuchtVorwärts-Rechnungen und Anpassung an Meßdaten
Erweiterungen: >1 Dipol möglich (physiologischer Grund?)Dynamische Beobachtungen
gesamte leadfield Matrix
Meßwerte an1 Elektrodenpaar
N Dipole anOrten r-rN
- Messung an vorher festgelegten Punkten (EEG)
Rekonstruktion der Ströme (Betrag & Richtung) an diesen Punkten
Nachteil: sinnvolle Meßpunkte benötigtVorteil: Rekonstruktion einfach
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DetektorenElektrische Strom- oder Spannungssignale:
Auf die Haut aufgesetzte ElektrodenEingestochene Elektroden
Möglichst großflächig (Kontaktwiderstand ≤ 100 Ω)
Biomagnetische Signale:
Berührungslos
Sehr kleine Signale => Abschirmung gegenüber “Rauschen”Elektronische FilterungSehr empfindliche Meßmethode
SQUIDS
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SupraleiterEmpfindlichste Methode zum Nachweis von Magnetfeldern:
Josephson-Effekt(Tunneleffekt durch dielektrische Barriere zwischen 2 SL)
SL: - DC-Widerstand = 0- Perfekte Diamagnete χ = - 1/µ0 (Meissner-Ochsenfeld-Effekt)
Typ I SL: BcTyp II SL: Bc1 , Bc2
- Energielücke (Größenordnung 1 meV) um EF- Kritische Temperatur Tc für supraleitende Eigenschaften- Isotopeneffekt Tc ~ M0,5 (Ionengitter!)- Flußquantisierung
BCS-Theorie: Attraktive WW zwischen 2 Elektronen (Cooper-Paare)über Gitterdeformation (S1 = - S2 ; p1 = - p2)
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Josephson Effekt
Ansatz:
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TunnelstromStrom durch die Tunnelbarriere:
Phasendifferenz:
Gleichspannung erzeugt oszillierenden Suprastrom
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SQUIDDC-SQUID: 2 parallel geschaltete
Josephson-Kontakte
Magnetfeld => Phasenfaktor
Strom durch beide Josephson-Kontakte: