Биофизические принципы исследования электрических полей тканей и органов

Если наложить на тело два электрода (их нужно выходы подсоединить к усилителю с самописцем), то самописец запишет хаотические колебания, характеризующие разность потенциалов под электродами. Откуда на поверхности тела берется эта разность потенциалов? Очевидно, что она генерируется внутри тела. Действительно, почти все процессы в организме сопровождаются электрическими явлениями. Чтобы электрические поля существовали достаточно долго, необходимы процессы, которые бы непрерывно разделяли электрические заряды. Для этого требуется энергия, которая вырабатывается в клетке.

Если мы хотим разобраться в вопросе, почему на поверхности тела фиксируются потенциалы, надо начинать с клетки. Действительно, в каждой клетке существуют такие органеллы, как митохондрии, основная задача которых состоит в преобразовании энергии, содержащейся в питательных веществах, в энергию, которую может использовать организм. Сложная система мембран в клетке также способствует процессу разделения зарядов. Все эти процессы можно описать наличием в клетке механизма, эквивалентного маленькой электростанции или хорошо известной всем батарейке. И электростанция, и батарейка характеризуются таким понятием, как электродвижущая сила (ЭДС), которая и определяет способность к разделению зарядов. Среда, заполняющая клетку, состоит из хорошо проводящих электрический ток жидкостей и плохо проводящих электрический ток мембран. Поэтому она обладает определенным сопротивлением току.

Итак, если мы хотим в самом простом случае представить клетку через электрические величины, то у нас получится следующая схема (рис. 2).

 

R – внутриклеточное электрическое сопротивление току;

ε – ЭДС генератора;

a, b – условные внешние выходы генератора (а – положительный полюс, b – отрицательный полюс).

Если бы клетка находилась в вакууме, то такое состояние сохранялось бы неопределенно долго. Однако клетка омывается межклеточной жидкостью, которая является хорошим проводником, следовательно, между точками a и b пойдет ток. Источник тока должен непрерывно работать, разделяя заряды, чтобы поддерживать этот ток. Следовательно, мы должны дополнить нашу схему, включив в рассмотрение внешнюю цепь (рис. 3).

 

a

·

R0

R

ε

b

·

.

 

 

Рис 3. Модель эквивалентного токового электрического генератора клетки, находящейся в объемной электропроводящей среде: R0 – сопротивление внешней цепи.

 

Мы получили замкнутую цепь, для которой справедлив закон Ома:

здесь: I и I₀ - ток внутри и вне клетки.

Поскольку внешняя среда является хорошим проводником, следовательно, R>>R₀ и закон Ома, без большой ошибки, можно записать в виде: , т.е. сила тока в генераторе и суммарный ток во внешней среде не зависят от сопротивления внешней среды.

Электрическую активность органов и тканей сводят к действию определенной совокупности токовых генераторов, для которых выполняется принцип суперпозиции (потенциал поля совокупности генераторов равен алгебраической сумме потенциалов полей, создаваемых отдельными генераторами).

Таким образом, первичным электрическим механизмом, определяющим распределение потенциалов на поверхности тела, является клетка, представляющая своеобразный генератор токов сложной формы, которые получили название биотоков.

Поскольку все органы состоят из клеток, следовательно, все они могут быть представлены как совокупность токовых генераторов. В связи с этим возникает возможность изучать электрическую активность отдельных органов и тканей. Зависимость от времени разности потенциалов, возникающей при функционировании органа или ткани, называется электрограммой.

Электрокардиография (ЭКГ) – регистрация биопотенциалов, возникающих в сердечной мышце при её возбуждении.

Электромиография – метод регистрации биоэлектрической активности мышц.

Электроэнцефалография (ЭЭГ) – метод регистрации биоэлектрической активности головного мозга и т.д.

Можно сформулировать две основные задачи изучения электрограмм: первая (прямая) заключается в выяснении механизма возникновения электрограмм, вторая (обратная или диагностическая) – в выявлении состояния органа по характеру его электрограмм.

 

Потенциал электрического поля, создаваемого униполем и диполем. Понятие о мультиполе. Токовый электрический генератор клетки можно представить в виде токового электрического диполя (т.е. системы из положительного и отрицательного полюса). Основная характеристика электрического диполя – электрический дипольный момент – .

 

 

,

 

 

где - ток в диполе, направленный от минуса к плюсу;

l - расстояние между полюсами диполя.

Униполь – это отдельный полюс диполя. Потенциал электрического поля, создаваемого униполем, определяется по формуле:

,

где ρ – удельное сопротивление среды;

I – суммарный ток униполя;

r - расстояние от униполя до точки, в которой определяется потенциал;

Знак «плюс» – для положительного униполя;

Знак «минус» – для отрицательного униполя.

Потенциал электрического поля, создаваемого диполем в точке B, согласно принципу суперпозиции:

и определяется по формуле:

или

. (I)

 

Диполь является частным случаем системы электрических зарядов, обладающих в пространстве определённой симметрией. Общее название подобных распределений зарядов – электрические мультиполи.

 

Они бывают разных порядков:

Порядок мультиполя (l)	Название мультиполя	Число зарядов мультиполя (n=2l)	Потенциал электрического поля, создаваемый мультиполем	Распределение зарядов в мультиполе
	униполь   диполь   квадруполь   октуполь			+ или –   + –

 

Дипольный эквивалентный электрический генератор сердца. Электрическая активность сердца является результатом циклического передвижении ионов в клетках и межклеточной жидкости миокарда. Для понимания генеза ЭКГ необходимо знать следующее:

1. Общее электрическое поле сердца образуется в результате сложения полей многочисленных отдельных волокон сердца.

2. Каждое возбужденное волокно представляет собой диполь, обладающий элементарным дипольным вектором определенной величины и направления.

3. Интегральный вектор в каждый момент процесса возбуждения представляет собой результирующую отдельных элементарных дипольных векторов.

В период возбуждения клетка миокарда имеет два противоположно заряженных полюса и является как бы маленьким генератором электрического тока. Клетка, имеющая два заряда одинаковой величины с противоположным знаком, является диполем. Миокард состоит из множества клеток, каждая из которых в период возбуждения представляет элементарный диполь.

Основную массу сердца составляют мышечные волокна миокарда. Кроме того, в сердце существуют волокна, которые обеспечивают проведение возбуждения к волокнам миокарда. В покое внешняя поверхность мембраны волокон заряжена положительно и, следовательно, если мы измерим потенциал между двумя любыми точками волокна миокарда, находящимися в покое, то получим ноль. Когда возбуждение достигает волокна миокарда, начинается процесс деполяризации волокна, связанный с трансмембранными потоками ионов. Деполяризация сопровождается изменением заряда на внешней стороне мембраны волокна.

Таким образом, пока идет процесс деполяризации, часть поверхности волокна (возбужденная) заряжается отрицательно, часть поверхности, в которую возбуждение ещё не дошло, заряжается положительно. Возникает диполь. Когда возбуждение охватывает все волокно и вся поверхность заряжена отрицательно, диполь опять исчезает. После деполяризации наступает фаза реполяризации. В течение этой фазы происходят обратные процессы: поверхность волокна постепенно опять становится заряженной положительно. Пока эта фаза не закончена, существует диполь с определенным дипольным моментом.

Величина электрического потенциала сердца является алгебраической суммой электрических потенциалов всех клеток миокарда (согласно принципу суперпозиции). Сердце, с точки зрения формирования в нем электрического потенциала, представляет собой как бы один суммарный диполь.

Таким образом, в возбужденном миокарде всегда имеется много диполей, которые называются элементарными. Потенциал диполя определяется по формуле (1). Потенциал любого j -того элементарного диполя пропорционален Д_j·cosα_j (проекции вектора дипольного момента на прямую, соединяющую начало диполя и точку измерения потенциала).

Потенциал электрического поля сердца (j₀) складывается из дипольных потенциалов элементарных диполей. Так как в каждый момент кардиоцикла возбуждается сравнительно небольшой участок миокарда, расстояние и направление от всех диполей до точки измерения потенциала примерно равны друг другу, то ₀ описывается уравнением:

где m - число диполей в возбужденном миокарде;

- эквивалентный диполь сердца.

Таким образом, потенциал электрического поля сердца можно представить в виде дипольного потенциала одного эквивалентного диполя:

, (2)

где - угол между Д₀ и направлением регистрации потенциала.

Модель, в которой электрическая активность миокарда заменяется действием одного эквивалентного диполя и потенциал внешнего поля описывается уравнением (2), называется эквивалентным электрическим генератором сердца.

Векторная электрокардиография (ВЭКГ). Теория Эйтховена. Векторная электрокардиография заключается в измерении вектора дипольного момента Д₀ эквивалентного диполя сердца на протяжении кардиоцикла. Этот вектор называется интегральным электрическим вектором сердца, или вектором сердца.

Измеряя потенциалы ₀, создаваемые сердцем на поверхности тела (по формуле 2), и определяя соответствующим образом r и α, легко определить электрический вектор Д₀ сердца (хотя действительные значения вектора I и l остаются неизвестными). По данным таких измерений максимальное значение модуля вектора сердца:

Д_max= 2·10^-5 А·м.

В векторной электрокардиографии регистрируют два вида кривых, характеризующих вектор дипольного момента эквивалентного диполя сердца:

1. Пространственная ВЭКГ – представляет собой траекторию конца вектора Д₀ в трехмерном пространстве в течение кардиоцикла.

2. Плоские ВЭКГ – кривые, описываемые в течение кардиоцикла концом проекции вектора дипольного момента эквивалентного диполя Д₀ на какую-либо плоскость.

Для исследования ВЭКГ человека разработано несколько систем отведений потенциалов, отличающихся по числу и расположению отводящих электродов на поверхности тела, а также выбору плоскостей для плоских ВЭКГ. Плоские ВЭКГ получают в проекциях на горизонтальную, фронтальную и сагиттальные плоскости.

 

Теория отведений Эйнтховена. В 1887 г. Уоллер впервые зарегистрировал ЭДС сердца у человека. Современная форма ЭКГ была получена в 1903 г. Эйнтховеном. Согласно данной теории, сердце есть диполь с дипольным моментом Д₀, который поворачивается, изменяет своё положение и точку приложения (изменением точки приложения этого вектора часто пренебрегают) за время сердечного цикла.

Покажем положение вектора Д₀ и эквипотенциальных (или изопотенциальных) линий для момента времени, когда дипольный момент максимален (это соответствует зубцу R на электрокардиограмме) (рис.4).

 

 

 

Эйнтховен предложил условно представить тело человека в виде равностороннего треугольника, в центре которого расположено сердце – как точечный источник электрических потенциалов. Вершинами треугольника являются правая и левая рука, а также левая нога (рис.5). Одна нога используется потому, что потенциал на обеих нижних конечностях практически одинаков. Сердце представляется равноудаленным от вершин треугольника, тело обладает одинаковой электропроводностью во всех направлениях, сердце и конечности расположены в одной плоскости – фронтальной.

Эйнтховен рассматривал разность потенциалов между каждыми двумя из трех электродов, расположенных в вершинах равностороннего треугольника ABC, в центре которого находится сердце и точка приложения интегрального электрического вектора (Д₀).

 

 

 

 

Каждые две точки наложения электродов образуют отведения. Различают следующие стандартные отведения:

I отведение (правая рука – левая рука);

II отведение (правая рука – левая нога);

III отведение (левая рука – левая нога).

Отведения могут быть прямыми, когда электроды накладываются непосредственно на поверхность сердца. Регистрация электрической активности сердца с поверхности тела принято называть электрокардиограммой.

Проекции вектора Д₀ на стандартные отведения соответствуют разностям потенциалов U₁, U₂, U₃:

φ_А – φ_В= U₁~Д₁;

φ_А – φ_C= U₂~Д₂;

φ_C – φ_В= U₃~Д₃.

Сопоставляя U₁, U₂, U₃, можно судить о величине и направлении вектора Д₀ в целом.

Конец интегрального электрического вектора сердца за один цикл работы сердца описывает сложную пространственную фигуру, при проекции которой во фронтальную плоскость тела получается фигура, состоящая из трех петель: P, QRS, T. Эти петли разделены интервалами нулевого потенциала, которые образуются вследствие того, что в эти периоды времени разности потенциалов в различных областях нервно-мышечного аппарата взаимокомпенсируются и результирующая разность потенциалов для всего сердца получается равной нулю.

Разность потенциалов от электродов передается на усилитель и записывается на движущейся ленте. Таким образом мы получаем график, отражающий во времени проекции мгновенных значений интегрального электрического вектора сердца на линию соответствующего отведения (рис.6).

 

	Рис. 6. ЭКГ здорового человека.

 

Форма кривой ЭКГ при синхронной записи с различных участков тела будет различной. Зубцы (или волны) ЭКГ характеризуют величину, направление и локализацию потенциалов в сердце. Отрезки ЭКГ, находящиеся между зубцами, называются сегментами (PQ, ST, TP), а отрезки, состоящие из сегмента и прилегающего зубца, – интервалами (P-Q, S-T, Q-T, R-R).

Зубцы – это отклонение от изопотенциальной линии, указывающие на наличие разности потенциалов (ЭДС) под отводящими электродами. Они бывают положительными (отклонение от изопотенциальной линии вверх) – P, R, T и отрицательными (отклонение от изопотенциальной линии вниз) – Q, S. Зубцы Q, R и S образует комплекс – QRS.

Сегменты – это участки изопотенциальной линии между зубцами, соответствующие отсутствию разности потенциалов под электродами. Различают сегменты – PQ, ST, TP.

Интервалы включают в себя зубцы и сегменты. Вид интервалов:

P-Q (предсердный интервал);

Q-T (желудочковой интервал);

S-T (полная деполяризации обоих желудочков);

R-R (один сердечный цикл электрической активности).

 

Элементы нормальной ЭКГ (II отведение)

Распространение возбуждения по сердцу

Зубец Р Сегмент PQ Комплекс QRS Сегмент ST   Зубец Т   Сегмент T-P     Интервал P-Q   Интервал Q-T   Интервал R-R

Возникает при распространении возбуждения по миокарду предсердийи отражает деполяризацию обоих предсердий. Расположен на уровне изоэлектрической линии. Этот сегмент соответствует времени равномерного охвата возбуждением миокарда предсердий и отражает полную деполяризацию всех мышечных волокон предсердий. Он приблизительно характеризует продолжительность атриовентрикулярной задержки (т.е. передачи возбуждения с предсердий на желудочки). Образуется в результате возбуждения миокарда желудочков и отражает последовательную деполяризацию волокон миокарда обоих желудочков. Соответствует периоду равномерного охвата возбуждением миокарда обоих желудочков и характеризует полную деполяризацию обоих желудочков. Так как при этом разности потенциалов нет, то сегмент ST располагается на уровне изоэлектрической линии. Соответствует процессу выхода желудочков из состояния возбуждения, т.е. процессу реполяризации. Соответствует отсутствию возбуждения в миокарде и отражает состояние относительного покоя (в это время уже начинается медленная диастолическая деполяризация в клетках синусного узла). Иногда здесь регистрируется зубец U, его происхождение связывают с запаздыванием реполяризации отдельных участков миокарда желудочков. Этот интервал называют предсердным. Он показывает распространение возбуждения по предсердиям и через атриовентрикулярный узел. Показывает полное распространение возбуждения по желудочкам, что соответствует электрической систоле желудочков. Характеризует продолжительность одного кардиоцикла (»0,8с)

 

Систолический показатель является характеристикой электрической активности желудочков .

Периодичность колебания ЭКГ (за цикл работы сердца) связана с частотой пульса и находится в норме в пределах 60 – 80 периодов в минуту, или 1 – 1,3 Гц. Наибольшее значение напряжения имеет порядок несколько милливольт.

Для определения численного значения биопотенциалов сердца в единицах напряжения используют калибраторы напряжения. Запись калибровочного напряжения делают до или после снятия электрокардиограммы. Обычно используют калибровочный сигнал, равный 1 милливольту.

Аппарат для регистрации биопотенциалов, возникающих при сокращении сердечной мышцы, называется электрокардиографом. Представим его блок схему:

 

Рис.7. Блок схема электрокардиографа.

 

Техника безопасности при работе с электрокардиографом. Недопустимо пользоваться электрокардиографом при нарушении целости изоляции шнура питания или какой-либо неисправности аппарата. Запрещается проводить ремонт при включенном в сеть электрокардиографе. В кабинете, где производится электрокардиография, обязательно должен быть металлический контур заземления, к которому подсоединяется аппаратура.