Biofyzika elektrických projevů a
účinků elektrické energie,
diagnostické a terapeutické metody
využívající elektrické energie
Biofyzika
Doc. Ing. Jana Kolářová, PhD.
Ing. Vratislav Harabiš, (PhD.)
Ústav biomedicínského inženýrství, VUT v Brně
Elektrický proud
 Usměrněný pohyb nabitých částic
 Vodiče: volné elektrony
 Elektrolyty: ionty
 Živá tkáň: makroskopická i mikroskopická nehomogennost:
mezibuněčné prostředí, buněčná membrána, cytoplazmatické struktury,
…
Pasivní elektrické vlastnosti – chování tkání v el. poli
Aktivní elektrické vlastnosti – vznik el. potenciálů
Vedení elektrického proudu
 Příčina:
 elektrické napětí: U [V]
 rozdíl napěťových potenciálů: U=UA-UB [V]
 Důsledek:
 elektrický proud: I [A]
 Vlastnosti materiálů, které vedou el. proud:
 elektrický odpor: R[W], R=U/I
 Elektrická vodivost: G[S], G=1/R, [S=W-1]
Pasivní elektrické vlastnosti
 chování tkání v el. poli:
 Intenzita elektrického pole:
 Vedení stejnostměrného proudu (ss)
 Buněčné membrány vykazují velký odpor – 2-3% celkového ss proudu
 Měrná vodivost membrán je výrazně nižší (106-108)než měrná vodivost mezibuněčného
prostředí a cytoplazmy buněk
 Ionty – nosiče nábojů – zastoupení iontů se v různých tkáních liší
],,[, CN
m
V
q
F
E 
Pasivní elektrické vlastnosti
 Vedení střídavého proudu (st)
 Buněčné membrány jsou průchodnější pro ionty při Ust
s vyšší frekvencí
 Buněčné membrány vykazují rezistanci (odpor,
rezistor) a kapacitanci (kondenzátor)
 Kapacitance = impedance kondenzátoru: (zdánlivý odpor
součástky s kapacitou):
 Většina buněk se chová jako dielektrikum (izolant)
 Natočení dipólů
 Vnitřní elektrické pole má opačnou polaritu než vnější el. pole
fC
Z
2
1

Pasivní elektrické vlastnosti
Aktivní elektrické vlastnosti
 Vznik elektrického napětí na buněčné membráně
 změna koncentrace iontů sodíku, draslíku, vápníku… v intra- a extracelulární
tekutině
 buněčná membrána: lipidová dvojvstva obsahuje iontové kanály pro pasivní
přenos iontů a iontové pumpy pro aktivní přenos iontů
 změna napěťových potenciálů – vznik el. napětí
 Klidové membránové napětí: vzniká difůzí iontů po koncentračním spádu,
nerovnoměrné rozdělení základních fyziologických iontů (draslík, sodík,
vápník) po obou stranách buněčné membrány
svalové, nervové buňky: -50mV až -100mV
 Akční membránové napětí: vzniká náhlou (ale přechodnou) změnou el.
vodivostí membrány
u nervových a svalových buněk má hodnotu
-50 až -100 mV (nitro buňky negativní)
je dáno třemi faktory:
1. různé koncentrace iontů
(v intracelulární tekutině vysoká
koncentrace K+, v extracelulární zase
vysoká konc. Na+ iontů)
2. rozdílnou propustností buněčné
membrány (lepší pro K+, horší pro Na+)
3. činností sodíko-draslíkové pumpy,
která udržuje dynamickou rovnováhu
pohybu kationtů přes membránu

Nadbytek kationtů vně membrány
klidový membránový potenciál
Klidové membránové napětí
• vzniká u vzrušivé buňky (nervové
nebo svalové).
• podrážděním buňky se mění
vodivost její membrány pro ionty
• je-li podnět dostatečně silný,
vznikne AP
podráždění  zvýšení propustnosti
membrány pro Na+ (až 500 krát),
zvýšení propustnosti pro K+ 
sodíková pumpa vše zase vyrovná
(proces trvá asi 3ms)
Akční membránové napětí
Průběh akčního napětí srdeční buňky,
vodivost membrány pro jednotlivé ionty
Akční potenciály nervových a svalových vláken
Využití akčních potenciálů v diagnostice
 Elektrodiagnostika se zabývá registrací elektrických potenciálů
vznikajících při činnosti excitabilních orgánů a tkání při
diagnostických vyšetřeních
název vyšetření zkratka cíl vyšetření
elektrokardiografie EKG elektrická aktivita srdce
elektroencefalografie EEG elektrická aktivita mozku
elektrokortikografie ECG elektrická aktivita mozku
elektromyografie EMG elektrická aktivita svalu
elektrogastrografie EGG elektrická aktivita hladké svaloviny žaludku
elektroretinografie ERG elektrická aktivita oční sítnice
elektrohysterografie EHG elektrická aktivita dělohy
Elektrické vlastnosti srdce
Elektrická aktivita srdce
SA uzel – 70 tepů/min.
AV uzel – 50-60 tepů/min.
komorová centra – 25-45 tepů/min.
 Depolarizace vzniká v SA uzlu a šíří se paprskovitě předsíněmi k AV uzlu (depolarizace
předsíní za 0,1 s).
 Vedení v AV uzlu je pomalejší a vzniká zpoždění asi 0,1 s. (Doba PQ je doba šíření
excitace z SA uzlu k AV uzlu, Hisovu svazku a jeho větvím - u dětí do 14ti let 0,10 – 0,14 s,
u dospělých do 0,2 s)
 Z horní partie septa se vlna depolarizace rozšíří přes Hisův svazek přes tzv. Purkyňova
vlákna do všech částí komor (0,08 – 0,1 s) – doba QRS (komorový komplex)
 Depolarizace svaloviny komor začíná u člověka na levé straně mezikomorového septa a
pokračuje napravo k srdečnímu hrotu, obrací se podél komorových stěn.
 Poslední části, které jsou depolarizovány, jsou části levé komory a nejhořejší části septa.
 Doba QT - trvání elektrické aktivity srdce, tj. tzv. elektrické systoly (od 0,34 s do 0,42 s)
Fáze
srdečního
cyklu
Fáze
srdečního
cyklu
Fáze
srdečního
cyklu
Fáze
srdečního
cyklu
Elektrokardiogram (signál EKG)
• zobrazuje součet akčních napětí - elektrickou aktivitou srdce
• el. napětí vzniká na rozhraní depolarizovaných a
nedepolarizovaných úseků myokardu
• během postupu vlny podráždění vznikají el. potenciály, které se liší
velikostí a směrem
• sumární vektor mění během cyklu velikost a směr, jeho vrchol
opisuje dráhu smyčky
zobrazení jako vektorkardiogram
frontální sagitálnítransverzální
(horizontální)
Snímání signálů EKG
 (u nás je nejběžnější 12svodové EKG)
• bipolární Einthovenovy svody (I, II, III)
• unipolární Goldbegerovy svody (aVL, aVR, aVF)
• unipolární hrudní svody (V1 - V6)
Einthovenův trojúhelník Einthovenovy bipolární svody
Končetinové unipolární Goldbegerovy svody
Unipolární hrudní svody
• nervové vlákno má
relativně velký odpor a
není dobře izolované od
okolí
• postupující impuls musí
být „osvěžen“
znovuvytvořením AP
• šíření podél
nemyelinizovaného axonu
(do 1,5 m/s)
• šíření podél
myelinizovaného axonu
(do 130 m/s)
nemyelinizovaný a myelinizovaný axon
Šíření akčního potenciálu nervem
Účinky elektrického proudu na organismus
žádoucí, cílené x nežádoucí
závisí na:
1. druhu proudu
2. velikosti proudu
3. frekvenci proudu
4. impedanci lidského těla
5. dráze proudu
6. době průchodu proudu
7. fyziologickém stavu a psychickém stavu organizmu
8. velikosti dotykového napětí
Účinky elektrického proudu na organismus
1. Odpor vlastního těla a dalších předmětů v cestě průchodu el. proudu
kožní odpor (vlhká, suchá kůže, překrvená), odpor vnitřních orgánů je nižší (500W)
2. Intenzita proudu:
ss: bezpečná hodnota intenzity ss proudu je menší než 25mA, život ohrožující:
nad 200mA
st: život ohrožující nad 10mA, nebezpečné frekvence: 30-150Hz.
3. Napětí:
50V může být nebezpečné – záleží na proudu
110-220V může být příčinou fibrilace komor
4. Proud prochází tělem nepřímočaře – cesta nejmenšího odporu: krev, nervová
vlákna,
průchod srdcem: fibrilace komor, průchod hlavou: zástava dýchání , srdeční
činnosti, tonicko-klonické křeče kosterního svalstva, tepelné poškození mozkové
tkáně.
5. První pomoc při zasažení elektrického proudu:
1. Přerušení el. obvodu
2. Defibrilace srdce, masáž srdce, dýchání z plic do plic……
Elektrická stimulace srdce
 Kardioverze – obnova funkce síní
 pomocí elektrického výboje se upraví rytmus srdce, zejm. jeho nadměrně rychlá činnost (fibrilace či flutter síní
apod.). Provádí se po přípravě pacienta, v krátké narkóze.
 Defibrilace – obnova funkce komor
 použití elektrického výboje, kterým se na čas „vymaže“ veškerá chaotická srdeční činnost a umožní nástup
pravidelnějšího rytmu. Fibrilace komor bez léčby vede rychle k smrti,
 provádí se okamžitě, jakmile je to možné (pacient při fibrilaci
je v bezvědomí). Dvě elektrody se přikládají na hrudník a aplikuje se krátký elektrický výboj. Není-li defibrilace
dostupná, je nutná kompletní resuscitace (umělé dýchání, srdeční masáž) až do doby, kdy d. bude možné
uskutečnit.
 Kardiostimulátory - dlouhodobá podpora srdeční funkce
 Externí
 Implantabilní
Typy kardiostimulátorů
1.znak 2.znak 3.znak 4.znak 5.znak
místo
stimulace
místo
snímání
způsob
stimulace
programovatelnost antiarytmická
funkce
A
V
D (A+V)
O
A
V
D (A+V)
O
O
I
I
D (T+I)
P – jednoduchá
M – multi-
programovatelný
C – komunikovatelný
R – frekvenčně
adaptabilní
P – antitachykardiální
stim.
S – šok
D – (P + S)
Identifikační kód kardiostimulátorů byl navržen komisí ICHD (1981 – Intersociety
Commission for Heart Disease) a zaveden jako kód NBG (1987).
Funkční vlastnosti jsou vyjádřeny třemi případně dalšími dvěma písmennými znaky,
jejichž význam je uveden NBG kód kardiostimulátorů.
Zde značí: A - síň, V - komora, O - žádná, D - obojí, T - spouštění, I - inhibice.
Typy kardiostimulátorů
1. doby trvání stimulace -dočasná (klinické), trvalá (implantabilní),
2. způsobu dráždění - přímé: endokardiální, myokardiální, epikardiální,
nepřímé: hrudní, jícnové,
3. funkce stimulátoru - neřízené, řízené, programovatelné,
4. počtu ovládaných srdečních dutin - jednodutinové, dvoudutinové,
5. typu stimulačních elektrod - unipolární (záporný pól), bipolární,
6. typu napájení stimulátoru - bateriové, vysokofrekvenčně buzené.
Dlouhodobá kardiostimulace
 1960 jednokomorový, asynchronní, neprogramovatelný stimulátor s hmotností
250 g.
 dnes kardiostimulátor dvoudutinový, multiprogramovatelný s diagnostickou
funkcí i sběrem dat. (fyziologická kardiostimulace – přizpůsobeno pacientovi),
hmotnost 25 g, životnost 10 let.
Neřízená kardiostimulace
 stimulátory s pevnou opakovací frekvencí a šíří impulsů, ~ 1 Hz a 1,2 až
1,5 ms,
 nejjednodušší konstrukce,
 aplikace při chronické AV blokádě pro obnovení spontánního srdečního
rytmu,
 řízení činnosti komor, síně tepou vlastním rytmem. (asynchronní),
 Interferencí činnosti stimulátoru s obnovenou spontánní srdeční aktivitou
mohou být vyvolány salvy extrasystol, komorová tachykardie či fibrilace
komor. Stimulační impuls proto nesmí být aplikován ve vulnerabilní fázi
EKG signálu (vzestupné rameno T vlny).
Řízená kardiostimulace
- Stimulace synchronní, řízeno vlnami P nebo R,
- mohou pracovat jako inhibované nebo spouštěné vlnami.
Kardiostimulace řízená P vlnou
Stimulátor nahrazuje narušený srdeční převodní systém při normální činnosti síní.
1.elektroda - snímání aktivity síní - P vlny
2.elektroda - stimulace komor po časovém zpoždění (160 ms)
3.elektroda – společná – umístěna na stimulátoru
- sledování námahy
- při poklesu frekvence síní pod jistou minimální mez pokračuje stimulátor v asynchronní stimulaci
komor s touto minimální frekvencí,
- při vysoké frekvenci síní se uplatní refrakterní doba stimulátoru (doba necitlivosti k detekci EKG) a
komory jsou stimulovány bezpečnou, např. poloviční frekvencí síní.
Řízená kardiostimulace
Kardiostimulace řízená R vlnou – inhibovaná (on demand)
- řízen komorovou aktivitou – R vlny EKG signálu,
- jedna elektroda - snímání i stimulace, (zpravidla se zavádí do hrotu pravé komory),
- hodnocen je R-R interval,
- zamezení možnosti interference rytmů,
- kontrola frekvence generovaných impulsů - zabudované magneticky ovládané spínače.
Vnějším magnetem lze vyřadit z činnosti inhibiční obvody a stimulátor potom pracuje
jako neřízený s pevnou (vyšší) frekvencí.
Řízená kardiostimulace
Kardiostimulace řízená R vlnou – spouštěná (stand by)
- je okamžitě spouštěn každou R vlnou EKG signálu.
- stimulační impuls (asi 1,5 ms) časově zapadá do QRS komplexu (zhruba 80 ms) a
tím nezpůsobí další,
- při snížení frekvence spontánní činnosti pod nastavenou minimální hodnotu je
vyslán funkční stimulační impuls,
- při zvýšení frekvence nad zvolenou maximální hodnotu je stimulátor spouštěn
jen každou druhou nebo třetí R vlnou.
Dvoudutinová kardiostimulace
- označení jako „bifokální“
- tvořeno dvěma bloky typu on demand řízenými komorovou aktivitou,(jeden
blok stimuluje síně, druhý komory),
- inhibiční interval bloku pro síně je kratší oproti inhibičnímu intervalu pro
komory o dobu fyziologického zpoždění vzruchu šířícího se ze síní do komor
(A-V zpoždění)
Umístění elektrod
Použitá literatura:
Navrátil L., Rosina J. a spol.: Medicínská biofyzika,
Grada, 2005.
Rozman J. a kol. Elektronické přístroje v lékařství,
Akademia, 2006
Šíření vzruchu nervovými vlákny
 vzruch - projev činnosti nervové soustavy
 informace je kódována frekvencí a počtem vzruchů
 na membráně každé buňky, tedy i neuronu, je v klidu nerovnoměrné rozložení iontů a náboje
(polarizace membrány, klidový potenciál)
 vně buňky je vyšší koncentrace Na+, uvnitř K+
 vně buňky je kladný náboj (převažují kationty), uvnitř je záporný náboj (převažují anionty) – o
70mV se liší el. potenciály
 v místě podráždění neuronu se zvýší propustnost membrány pro Na+, Na+ vnikají dovnitř
neuronu, tím se mění i rozložení náboje na membráně (depolarizace membrány, akční potenciál)
 po podráždění se zvýší propustnost membrány pro K+, K+ unikají z neuronu po koncentračním i
potenciálovém spádu a obnoví tak rozložení náboje na membráně (depolarizace membrány)
 původní rozložení iontů Na+ a K+ poté zajistí a udržuje sodíková-draslíková pumpa
39
Neuromuskulární stimulátory
 stimulace nervů a kosterního svalstva
 stimulace vnější (transkutánní aplikace – přes kůži)
 stimulace vnitřní (implantabilní aplikace)
 vícekanálová
Z pohledu umístění stimačních elektrod:
- odpor kůže a podkožních tkání se podstatně liší
- impedance kůže a podkoží – kapacitní charakter 
- nízké frekvence – stimulační energie je pohlcována převážně kůží – podráždění
mnoha receptorů – nepříjemné pocity
- vyšší frekvence – do vnitřních orgánů se dostává více stimulační energie