Elektromagnetické pole živých organismů

Předmět lze klasifikovat až po klasifikaci předmětů:

Biologické signály (17ABBBLS)
Lékařské přístroje a zařízení I (diagnostická technika) (17ABBLPZ1)

Garant předmětu:

Peter Kneppo

Přednášející:

Peter Kneppo, Jan Vrba

Cvičící:

Ondřej Fišer, Jan Vrba

Předmět zajišťuje:

katedra biomedicínské techniky

Anotace:

Statické a quasi-statické elektrické a magnetické pole, elektromagnetické pole - základní fyzikální poznatky a rovnice. Elektrické a magnetické vlastnosti biologických tkání. Elektrická, magnetická a elektromagnetická stimulace v medicíně. Anatomické a fyziologické základy bioelektromagnetismu. Bioelektrické zdroje a vodivé prostředí. Integrální vztahy elektrodynamiky bioelektrických polí, elektrodynamické aspekty matematického modelování elektrokardiografie a elektroencefalografie. Topografická koncepce bioelektrických a biomagnetických měření. Metody a techniky měření.

Požadavky:

Podmínky pro udělení klasifikovaného zápočtu:

Přípustná je jedna absence; v případě dlouhodobé nemoci je třeba domluvit náhradu s vedoucím cvičení.

Úspěšné absolvování zápočtového testu. Počet otázek v testu je 10. Všechny otázky budou mít stejnou váhu a za správnou odpověď získá student 10 bodů. Minimální počet bodů pro získání zápočtu je 50 a výsledná známka je dána stupnicí ECTS (max. 100 bodů).

Osnova přednášek:

1. Statické a quasi-statické elektrické a magnetické pole, elektromagnetické pole - základní fyzikální poznatky a rovnice, materiálové vztahy, okrajové podmínky, platnosti aproximací.

2. Úvod do problematiky bioelektromagnetického pole. Aplikace teorie elektromagnetického pole v biologii. Anatomické a fyziologické základy bioelektromagnetismu. Klidový membránový potenciál. Fyzikální vyjádření membránový potenciál - Nernstova rovnice. Elektrický model buněčné membrány.

3. Elektrické vlastnosti buněčné membrány. Podstata vzniku klidového membránového potenciálu. Fyzikální vyjádření MP - rovnice G-H-K. Podstata vzniku a šíření akčního potenciálu. Průmět akčního potenciálu do extracelulárního prostředí neuronu. Metody a techniky měření elektrické aktivity buněk, měřicí metoda „terčíkový zámek“, měřicí metoda „napěťový zámek“, můstková metoda.

4. Elektrické, magnetické a elektromagnetická stimulace organismu. Transkraniální magnetická, elektrická a přímá kortikální stimulace, numerické metody pro výpočet rozložení elektrického a magnetického pole. Mikrovlnná hypertermie.

5. Vznik a šíření vzruchu srdečním svalem, převodní systém srdeční. Teorie elektrokardiografických svodů, povrchové potenciály.

6. Elektrické vlastnosti biologických tkání: typy polarizací a jejich dopad na frekvenční a teplotní závislosti, metody měření, databáze elektrických vlastností biologických tkání. Cole-Cole model.

7. Definice objemového prostředí, modelování zdrojů a vodičů, pole dipólu. Inverzní úloha. Mapování elektrické aktivity. Biomagnetické měření.

Osnova cvičení:

1. Měření amplitudy magnetického pole vytvořého pomocí Helmholtzových cívek Hallovou sondou. Vizualizace směru magnetického pole pomocí matice magnetických dipólů. Teorie a experimentální ověření působení elektrických a magnetických sil na pohybující se elektricky nabité částice pomocí elektronek.

2. Teoretický úvod do šíření elektromagnetické vlny biologickou tkání. Implementace numerického 1D simulátoru v prostředí MATLAB a numerická simulace šíření rovinné elektromagnetické vlny biologickou tkání. Vizualizace fokusace energie ze dvou vysokofrekvenčních zdrojů do požadované oblasti pomocí nastavení vhodných amplitud a fází zdrojů.

3. Měření rychlosti šíření akčních potenciálů nervovým vláknem žížaly pomocí přípravků firmy Backyard Brains. Měření EMG pomocí přípravků firmy Backyard Brains.

4. Numerické výpočty elektrických a magnetických stimulací v prostředí Sim4Life a COMSOL Multiphysics. Numerické simulace šíření akčních potenciálů v prostředí Sim4Life.

5. Elektrická stimulace srdce. Numerický model elektrody kardiostimulátoru a srdce v program COMSOL Multiphysics, prostorové rozložení elektrického pole od elektrody kradiostimulátoru. Měření vlivu elektrochirurgické jednotky na kardiostimulátor.

6. Princip měření a vyhodnocení elektrických vlastností biologických tkání (elektrické permitivity a vodivosti) z naměřených dat včetně rozboru použitého matematického aparátu. Měření komplexní permitivity silikonového fantomu a svalové tkáně (vepřové maso) pomocí komerční odrazné koaxiální sondy a systému Dielectric Assessment Kit od firmy SPEAG. Rozsah měření 1 až 3000 MHz.

7. Mapování elektrické aktivity srdce. Měření povrchových potenciálů na hrudi dobrovolníka pomocí přístroje Procardio.

Cíle studia:

Cílem je seznámit studenty s obecnými základy teorie elektrického a magnetického pole, s podstatou a významem vzniku elektromagnetických polí v prostředí živého organismu a s vlivy elektromagnetických polí na živé organismy. Seznámit studenty se způsoby modelováním těchto polí a jejich zdrojů přímou a inverzní metodou, s modelováním na různých strukturálních úrovních organismu.

Studijní materiály:

[1] Novotný, K.: Teorie elmag. pole I. Praha, ČVUT 2005.

[2] Malmivuo, J. - Plonsey, R.: Bioelectromagnetism - Principles and Applications of Bioelectric and Biomagnetic Fields. New York, Oxford University Press 1995.

[3] Titomir, L. I. - Kneppo, P.: Bioelectric and Biomagnetic fields. Boca Raton, CRC Press 1994.

Poznámka:

Rozvrh na zimní semestr 2022/2023:

Rozvrh není připraven

Rozvrh na letní semestr 2022/2023:

	06:00–08:0008:00–10:0010:00–12:0012:00–14:0014:00–16:0016:00–18:0018:00–20:0020:00–22:0022:00–24:00
Po
Út	místnost KL:B-126 Fišer O. Pokorný T. 12:00–13:50 LICHÝ TÝDEN (přednášková par. 1) Kladno FBMI Lab. Bio-elektromagnetizmu
St
Čt	místnost KL:B-420 Vrba J. 14:00–15:50 LICHÝ TÝDEN (přednášková par. 1) Kladno FBMI Učebna
Pá

Předmět je součástí následujících studijních plánů:

• Bakalářský studijní obor Biomedicínský technik v aj (povinně volitelný předmět)