a Ders Kitapları

23.09.2013
BİYOELEKTROMANYETİK
Yrd. Doç. Dr. Sibel ÇİMEN
Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Bölümü
Kocaeli Üniversitesi
[email protected]
Ders Kitapları
 «Handbook of Biological
 «Bioelectromagnetism»
-Jaakko Malmivuo and Robert
Plonsey
Effects of Electromagnetic
Fields»
-Frank S . Barnes and Ben
Greenebaum
1
23.09.2013
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
23.09.2013
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
23.09.2013
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
23.09.2013
Dinlenim Mebran Potansiyeli
Clhücredışı
Na+
K+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Membrane
-
-
-
-
-
-
-
K+
-
-
-
-
Na+
-
-
-
-
A-
-
-
-
-
-
-
-
hücreiçi
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
23.09.2013
Giriş
 BEN :
Bioengineering
 BPH : Biophysics
 BEM :
Bioelectromagneti
sim
 MPH : Medical
Physics
 MEN : Medical
engineering
 MEL : Medical
electronics

Biyoelektromanyetiğin Alt
Dalları

 Biyoelektromanyetik bir çok yol ile alt dallara
bölünebilir.
 İki yöntem ile bölünecek;
 A) Teorik olarak
 B) Anatomik olarak
6
23.09.2013
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
23.09.2013

I) Elektrik veya manyetik alanların
ölçülmesi:
 Elektrik veya manyetik sinyallerin maruziyeti sonucunda
yaşayan dokularda meydana gelen aktivitelerin ölçülmesidir.

8
23.09.2013
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
23.09.2013
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
23.09.2013
 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
23.09.2013

EEG nedir ?
Beyindeki sinir hücreleri tarafından hem uyanıklık, hem de uyku
halindeyken üretilen elektriksel faaliyetin kağıt üzerine beyin dalgaları
halinde yazdırılmasıdır.

12
23.09.2013
İlk biyomanyetik sinyalin ölçülmesi

Modern EEG ve MEG Sistemleri

13
23.09.2013
Biyoelektromanyetik Uyarma
Tarihi

Biyoelektromanyetik Uyarma
Tarihi

14
23.09.2013
Biyoelektromanyetik Uyarma
Tarihi

Biyoelektromanyetik Uyarma
Tarihi

15
23.09.2013
Biyoelektromanyetik Temelli
Medikal Cihazlar

Biyoelektromanyetik Temelli
Medikal Cihazlar

16
23.09.2013
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