各種生理電訊號 Biopotentials 莊子肇副教授 中山電機系
複習 如何形成細胞膜電位? 通透性的改變 : 從靜止電位到動作電位 生理電訊號的傳遞 各種生理電訊號 :ENG, EMG, ECG, EEG
ElectroNeuroGraphy (ENG) 刺激某條神經後記錄電位變化 可刺激感覺或 / 與運動神經 診斷 peripheral nerve disorder
神經元構造
各種不同的神經元
還有更多
神經傳導速度 V (t) S 1 S 2 + + D R Muscle Reference V (t) V (t) S 2 S 1 L 2 t D Velocity = u = L 1 L 2 L 1 2 ms 1 mv
不同深度的 ENG 訊號 Stimulation: square pulse with amplitude 100-V and duration 100-300 µsec 偵測的訊號均來自於 median nerve, 但是位置不同
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反射動作 : the H reflex Stimulus artifact Muscular response H-Reflex 電刺激強度加大 刺激點 :posterior tibial nerve ( 神經 ) 記錄點 : triceps sural muscle ( 肌肉 )
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肌肉中的動作電位 刺激肌肉的收縮 ( 而非傳遞訊息 ) 動作電位的發生, 確保整個肌肉細胞同時收縮 ( 不然沒用 ) 原理同樣是離子通道的開啟閉合
ElectroMyoGraphy (EMG) 肌肉由許多細長的肌纖維細胞所構成 肌纖維每次活動時會產生一次抽動 (twitch) 肌肉收縮 : 肌纖維交互抽動所產生的張力動作 運動單元 (motor unit) 為肌肉收縮的最小單位, 受到所屬運動神經元的支配
Single motor unit, SMU
ElectroMyoGraphy (EMG) 當運動神經元產生脈衝時, 由它所支配的所有肌纖維都會產生抽動 當神經衝動傳到肌纖維時, 會造成細胞膜去極化, 使得離子在細胞內外濃度改變進而造成電位的變化, 稱為動作電位
EMG 的訊號來源 肌電訊號 : 肌肉在收縮時, 肌纖維細胞膜去極化所產生之動作電位的合成信號
SMU and EMG 施力越強表示 : 刺激傳遞到更多 SMU SMU 刺激頻率增加 More power! The evoked potential of a SMU Duration: 3~15 ms Amplitude: 20~2000uV Discharge rate: 6~30/s
如何偵測 EMG 侵入式電極 量測特定的肌束或深層單一肌肉 優點 : 訊號較準確 不適感明顯 感染問題 表面式電極 量測皮膚下方的肌肉群 適用於淺層肌肉 優點 : 非侵入式
Surface EMG A 126-channel high-density electrode grid as it is developed for the study of the larger skeletal muscles. (M.J. Zwarts and D.F. Stegeman, Muscle Nerve 28: 1 17, 2003)
Surface EMG M.J. Zwarts and D.F. Stegeman, Muscle Nerve 28: 1 17, 2003
EMG 身體的動作是數條肌肉協力合作的結果 動作改變, 參與運作的肌群及收縮的時序 程度皆有可能不同 從肌電圖判斷動作 相同的動作在不同位置的電極上, 也會產生不同的肌電圖信號 通道數目越多, 獲得動作資訊越多
所以只要能給電刺激 肌肉就能收縮 功能性電刺激 (FES, functional electrical stimulation): 用於復健 電子義肢 Utah arm i-limb http://www.touchbionics.com/
所以只要能給電刺激 心臟就能搏動 人工心律調整器 (pacemaker) www.nhlbi.nih.gov/
心電圖 ECG/EKG
ECG 預備知識 平均每人有生之年心臟跳動 20 億次 心臟收縮噴射血液量每日約 10000 公升 基本心臟結構總不能不知道吧? 左右心房 左右心室 誰先收縮? 誰又是最大? 循環系統和心房心室的關係?
基本心臟功能 左心室 體循環 右心房 右心室 肺循環 左心房 心房先收縮, 其次才是心室收縮 左心室負責體循環, 心室壁最厚
回顧 :Action Potential 不同的細胞, 動作電位形狀也不同
AP of cardiac ventricle 快速去極化 :Na + 內流 高原期 :Ca 2+ 內流 緩慢的再極化過程 :K + 外流
心肌的 AP 和 ECG Action potential ECG s PQRST pattern
心電圖 (ElectroCardioGram) 心肌的動作電位波形, 長得一點也不像 ECG 呀? 體表測得的電位, 是多處的綜合 那麼動作電位如何 疊加?
PQRST pattern A typical QRS amplitude is 1-3 mv. P-R interval is caused by delay in the AV node.
心臟結構 上腔大靜脈 竇房結 SA node 左心房 希氏束 右心房 右心室 左心室 普金氏纖維
解剖名詞解釋 竇房結 : Sinus-Atrium (SA) node Sinus : 竇 孔洞 靜脈 Atrium : 心房 表示位置介於靜脈與心房之間 同理房室結 : Atrium-Ventricle (AV) node, 表示位置介於心房與心室之間 Ventricle : 心室
心臟如何規律收縮 心肌每個部位都會發出規則的動作電位而收縮 : 節律點 依序傳導讓使各部位收縮竇房結 (SA node) 心房 房室結 (AV node) AV node delay (~0.1 s) bundle of His 傳至各 bundle branches Purkinje fiber network 傳到心室各處
SA node AV node AV node delay bundle of His 心室各處 http://en.wikipedia.org/wiki/image:ecg_principle_slow.gif
心臟功能與心電圖 左心室動作電位主導大部份 ECG 心房則只佔有小部份 但是動作電位會領先心室 收縮 : Depolarization 舒張 : Repolarization
所以波形的意義 P wave : 心房收縮 QRS-complex : 心室收縮 T wave : 心室舒張 心房舒張波形被 QRS 蓋過 所以不正常的心臟收縮過程可從 ECG 觀察
稍等, 多說一些 既然心臟的每個部位都是節律點, 又為何由 SA node 啟動心臟收縮? 一旦 SA node 失效, 心臟仍能維持規律搏動輸送血液至全身! 但是, 會不會到處都發號施令?
Inherent rhythm 上游 頻率高 下游 頻率低 由於動作電位 refractory period 的作用, 不會重新收縮 Inherent rhythm SA node : 70~75 bpm 心房 : 70~75 bpm AV node : 60 bpm 心室 : 30~45 bpm
推理一下 緩脈 (bradycardia) : 60 bpm 由心率推測 異位節律點來自 AV node 沒有 P wave 與此推測吻合
觀念延伸 PQRST pattern 完全正常 電性傳導正常 節律點由 SA node 發出竇性緩脈 (sinus bradycardia) 或頻脈 (sinus tachycardia)
再例 : 心室早期收縮 PVC (premature ventricular contraction), or VPC 心室中的異位節律點 (ectopic focus) 提早發出動作電位
再看一遍心率調節系統 心肌每個部位都會發出規則的動作電位而收縮
心室早期收縮 心房還沒收縮好, 心室就先收縮 無效搏動 ( 送不出血液 ) 心悸 最常見的心律不整 焦慮 咖啡因 缺氧 等可引起 嚴重者會發生心室性頻脈 (VT, Ventricular Tachycardia ) 或心室震顫 (VF, Ventricular Fibrillation) 立即生命危險!
長期熬夜喝咖啡 VT VF
Ventricular Fibrillation 特徵 : ECG 全無規則可言 每次都是無效的搏動 ( 心臟也沒血 ) 心肌收縮完全不同步, 心室根本無法收縮
電影畫面常看到 緊急治療方式?
電擊 重擊或心臟按摩 強大外力引發瞬間去極化 Refractory period 結束後恢復節律 一般可 暫時 恢復正常心跳 部分公共場所應設置自動體外心臟電擊去顫器 (AED) 攜帶型去顫電擊器
當然還有很多其他的 心臟阻滯 心房早期收縮 心室肥大 各位不是醫師, 就不多叨擾了 心電圖 : 心臟科的第一線檢查
心電圖的衍生 Holter ECG (24 小時心電圖 ) 運動心電圖
腦電圖 EEG
Electroencephalogram (EEG) 腦部所記錄到的電位變化 由外界量測電位改變 神經與肌肉的活動 帶電離子流動
EEG 量測
人腦功能 - Cerebrum ( 大腦 ) - Conscious functions - Brainstem ( 腦幹 ) - primitive functions such as controlling heart beat - Integration center for motor reflexes - Thalamus is integration center for sensory system - Cerebellum ( 小腦 ) - balance and voluntary muscle movement
人腦結構 大腦大致可區分成額葉 (frontal) 顳葉 (temporal) 頂葉 (parietal) 和枕葉 (occipital) 四區
大腦跟洋蔥一樣, 也是有層次的 外層 : 灰質 (gray matter) 神經細胞主體 富含微血管 皺折結構 : 腦迴 (gyrus) 與腦溝 (sulcus) 又可以細分成六層 內層 : 白質 (white matter) 主要由軸突 (axon) 所構成
Functional anatomy 大腦皮質感覺區示意圖
EEG 的訊號來源 皮質 ( 大腦外層灰質 ) 的神經元 Pyramidal cell: oriented vertically 反應 Action potential 在軸突裡的傳遞, 但只有這樣嗎? EEG 來自皮質部分區域內同步活化或抑制
Pyramidal cell Excitatory synaptic input EEG wave activity Lines of current flow Cell body (soma) Apical dendritic tree + Basilar dendrites Axon
Synapse Post-synaptic currents: 突觸 (synapse) 所釋放的神經傳導物質開啟離子通道, 造成細胞體外的微電流
腦電圖可以 紀錄大腦中的活動情形 睡眠 腦死 癲癇
腦電訊號的取得 電極配置 電極部位說明
腦波的頻域分析 Alpha wave: 8~13 Hz 清醒的靜止狀態, 睡眠時消失 Occipital lobe Beta wave: 14~30 Hz 與 alpha 相似, 但頻率倍增 中央神經高度運作時產生 ( 如 : 緊張 ) Frontal and parietal lobes Theta (4~7 Hz) and delta (< 4 Hz) wave: 慢波, 通常出現在睡眠或腦部發生病變時
EEG 的分類
睡眠 EEG
眨眼可能會導致誤判! 不正常的 EEG
EEG 的臨床應用 : 癲癇 癲癇 (epilepsy): 腦部異常活躍的放電活動 癲癇前後常伴隨棘波 (spike and sharp wave) 間歇性出現 棘波出現頻率正比於癲癇發作可能性 棘波的判定與紀錄成為臨床 routine
棘波 Spike and sharp wave
怎麼從大海當中撈出棘波? 振幅 鄰近通道特性 相位反轉 經驗?
以鄰近電極為參考電位 只有這個才是
EEG 定位 相當複雜 臨床應用在找出不正常腦組織位置 癲癇 (epilepsy) 腫瘤 (tumor) 中風 (stroke) 等腦部損傷 手術建議
腦磁圖 MagnetoEncephaloGraphy, MEG Reference: MEG tutorials, Matti Hämäläinen, MGH NMR Center, Charlestown, MA
既然有電場 那有沒有磁場? 神經活動 大腦皮質微小電流 電場變動 (EEG) 磁場變動 (MEG) Biot-Savart law
局部離子的濃度改變 Green arrow: electric dipole inside the brain
想量到磁場, 沒那麼容易 神經活動所產生的電偶極 (electric dipole) 走向多半垂直於大腦皮質表面 垂直於頭部表面的電流所產生的磁場不容易被偵測
想量到磁場, 沒那麼容易 皮質表面神經活動所產生的磁場 < 10-9 Tesla 地磁強度 5 10-5 Tesla 開個冷氣, 訊號就被蓋掉了 越深處的電流越難量! somatosensory auditory visual
MEG 的訊號強度
MEG 量測方法 Magnetically Shielded Rooms SQUID (superconducting quantum interference device) 超導材料線圈 工作溫度 :4 K
現代 MEG 儀器
MEG vs. EEG 均有高時間解析度 訊號源相同 EEG 容易受到頭骨 頭皮的電場效應干擾 MEG 無法偵測垂直頭部表面走向的電流 此外, 價錢也差很多!
Reference chapters: Chapter 4: The origin of biopotentials, Medical Instrumentation: Application and Design, John G. Webster. MEG reference: Matti Hämäläinen, Riitta Hari, RJ Ilmoniemi, Jukka Knuutila, and OV Lounasmaa, Magnetoencephalography theory, instrumentation, and applications to noninvasive studies of working human brain, Review of modern physics, Vol.65, No.2, 1993 生醫工程導論 : 生理電訊號