Изучение физических основ электрокардиографии

Живые ткани и органы являются источниками электрических потенциалов (биопотенциалов). Биопотенциалы имеют мембранно-ионную природу и возникают вследствие разницы общих концентраций положительных и отрицательных ионов по обе стороны мембраны, окружающей клетку. Это явление называется поляризацией мембраны.

В невозбужденной мышечной клетке, находящейся в состоянии покоя, наружная поверхность клеточной мембраны заряжена положительно.

Рис. 1 -Трансмембранная разность потенциалов покоя. Двойной слой зарядов на клеточной мембране. i-цитоплазма e-внеклеточная среда

Если клетка находится в состоянии возбуждения, то заряд наружной поверхности мембраны становится отрицательным, т.к. при возбуждении изменяется проницаемость мембраны для ионов Na⁺ и Ca²⁺, которые быстро устремляются в клетку. И при этом, естественно, меняется заряд мембраны: внутренняя поверхность мембраны становится положительной, а наружная – отрицательной. Происходит деполяризация мембраны. Эти изменения называют потенциалом действия (ПД).

Потенциалы отдельных клеток, суммируясь, создают общую разность потенциалов, которая может быть измерена между отдельными точками органа или ткани. Регистрация биопотенциалов тканей и органов с диагностической целью называется электрографией.

Электрограммой называют кривую, отображающую изменения во времени разности потенциалов, возникающих на поверхности органа, ткани или всего тела человека или животного, происходящие вследствие возбуждения соответствующих органов или тканей (ЭКГ - электрокардиограмма -следствие распространения возбуждения по сердечной мышце).

Электрокардиография основывается на теории Эйнтховена, которая позволяет судить о биопотенциале сердца косвенно, путем измерения потенциалов в определенных точках на поверхности тела человека.

Электрические явления, возникающие на поверхности возбудимой среды (волокна сердца), принято описывать с помощью понятия токового электрического диполя. Токовым электрическим диполем (дипольным электрическим генератором) называется двухполюсная система, состоящая из положительного полюса – истока (участок покоя) и отрицательного полюса – стока (возбуждённый участок), в которой поддерживается электрический ток. Для описания токового диполя вводится вектор – дипольный момент:

I – сила тока, l - расстояние между истоком и стоком. Условно принято считать, что вектор дипольного момента направлен от отрицательного полюса к положительному (рис. 2).

Рис. 2

Процесс распространения волны деполяризации по мышечному волокну условно можно представить как перемещение двойного слоя зарядов, расположенных на границе возбужденного (-) и невозбужденного (+) участков волокна. Эти заряды, находящиеся на бесконечно малом расстоянии друг от друга представляют собой токовые электрические диполи.

Волна деполяризации

Рис.3

Направление вектора дипольного момента при деполяризации и реполяризации мышечного волокна и соответствующее взаимное расположение электродов формирует положительную или отрицательную волну (зубец) ЭКГ, как показано на рисунке.3.
Если в процессе распространения возбуждения вектор дипольного момента направлен в сторону положительного электрода, то на электрограмме (ЭГ) получают отклонение вверх от изолинии (положительный зубец), если в сторону отрицательного – то отклонение вниз (отрицательный зубец). Если же вектор дипольного момента направлен перпендикулярно электродам, то на ЭГ записывается изолиния.

Распространение волны деполяризации и реполяризации по сердцу является несравненно более сложным процессом, чем движение фронта возбуждения по единичному мышечному волокну. Однако, согласно теории Эйнтховена, сердце можно представить как один точечный токовый диполь, который характеризуется интегральным электрическим вектором сердца (ИЭВС). ИЭВС представляет собой сумму дипольных моментов токовых электрических диполей в данный момент времени:

U₁: U₂: U₃ =E₁: E₂: E₃ P₁-ПРОЕКЦИЯ ИЭВС НА I ОТВЕДЕНИЕ P₂- ПРОЕКЦИЯ ИЭВС НА II ОТВЕДЕНИЕ P₃–ПРОЕКЦИЯ ИЭВС НА III ОТВЕДЕНИЕ U₁: U₂: U₃ = P₁: P₂: P₃

Эйнтховен предложил при электрокардиографии измерять разности потенциалов между каждыми двумя из 3-х точек, представляющих вершины равностороннего треугольника АВС, построенного симметрично по отношению к телу человека так, чтобы центр треугольника совпадал с точкой приложения ИЭВС. Каждая из трех измеренных разностей потенциалов пропорциональна проекции ИЭВС на стороны треугольника (рис. 4).

Рис.4

При регистрации биопотенциалов сердца электроды располагаются в местах, которые можно считать электрически эквивалентными точкам А, В и С треугольника Эйнтховена: на левом предплечье (ЛР), правом предплечье (ПР) и левой голени (ЛН). Каждые две точки наложения электродов образуют совместно стандартное отведение:
I – (ЛР – ПР), II – (ЛН – ПР) и III – (ЛН – ЛР). Четвертый электрод устанавливается на правую ногу (ПН) для подключения заземляющего провода. Гипотетическая линия, соединяющая два электрода, участвующие в образовании электрокардиографического отведения называется осью отведения. Осями стандартных отведений являются стороны треугольника.

Рис.5 Треугольник Эйнтховена. Система стандартных электрографических отведений.

…………………….

красный

желтый

Заземление чёрный

Схема отведений электрокардиограммы от конечностей:

стандартные отведения (треугольник Эйнтховена);

проекция интегрального вектора Е на ось отведения образуется при опускании на нее перпендикуляров из нулевой точки диполя (0) и из конца вектора Е; проекция нулевой точки разделяет каждую из осей отведения на положительный и отрицательный компоненты;

ПР — правая рука, ЛР — левая рука, ЛН — левая нога,

е_I, е_II, е_III — проекции вектора Е соответственно на оси отведения ПР — ЛР, ПР—ЛН и ЛР—ЛН (I, II и III отведения). Рядом с осями отведений схематически представлены ЭКГ. Угол α между вектором Е и осью I отведения определяет направление электрической оси сердца; знаками + и - обозначены положительный и отрицательный полюса отведений.

В процессе возбуждения сердечной мышцы ИЭВС постоянно меняет свою величину и направление. Точку приложения ИЭВС можно считать постоянной – это нервный узел в межпредсердной перегородке. Конец вектора за цикл работы сердца описывает сложную пространственную кривую, которая в первом приближении принимается за плоскую кривую, расположенную во фронтальной плоскости тела и состоящую из трех петель, обозначаемых согласно стандарту буквами P, QRS и Т (рис.6).

Рис. 6

Устанавливая электроды на поверхности тела, регистрируют изменение потенциалов, обусловленные изменением величины и ориентации ИЭВС на протяжении всего возбуждения сердца.

Полученная кривая – график изменения во времени мгновенных значений разности потенциалов в соответствующем отведении называется электрокардиограммой-(ЭКГ).
Рассмотрим процесс формирования ЭКГ. В норме возбуждение распространяется по предсердиям сверху вниз. Вначале возбуждается правое предсердие. Деполяризация предсердий регистрируется на ЭКГ в виде зубца Р. Процесс реполяризации предсердий имеет минимальное значение потенциала на поверхности тела, на ЭКГ он соответствует интервалу от конца зубца Р до начала комплекса QRS. Процесс деполяризации желудочков миокарда на ЭКГ регистрируется в виде комплекса зубцов QRS. Процесс быстрой конечной реполяризации желудочков соответствует на ЭКГ зубцу Т.

Таким образом, на ЭКГ имеется характерные по форме волны: зубец P, комплекс QRS и зубец Т (рис. 7), разделенные участками нулевого потенциала (в эти периоды потенциалы на различных участках сердечной мышцы взаимно компенсируются). Эти волны соответствуют трём петлям, которые описывает конец ИЭВС за цикл работы сердца.