1.Утворення потенціалу спокою.

Мембрана напівпроникнена для різних іонів. Коефіцієнти проникненості відносяться, як:

Р_к : Р_Na : Р_Cℓ = 1 : 0,04 : 0,45

Іони калія в 20 разів краще проходять через мембрану, ніж іони натрія

К⁺ N^{+ (в 8-10 разів більше зовн.)}

К⁺ (в 20-50р. більше всередин1). N⁺

У стані спокою, коли закриті всі канали, за рахунок дифузії іонів калія і різної їх концентрації зовнішня поверхня мембрани зарядж. +, внутр. -, утворюється різниця потенціалів, яка називається потенціал спокою (всі рівняння: М., 4.2.1).

Виникне електричне поле, завдяки якому встановлюється динамічна рівновага руху К⁺.

Існує незначна дифузія іонів Na⁺ і Cℓ^-.

Таким чином, внаслідок дифузії іонів К⁺ зовнішня поверхня мембрани заряджена «+», а внутрішня «-», утворюється електричне поле і різниця потенціалів між поверхнями, яка називається потенціал спокою.

Приклад: ПСп (волокно міокарда) = -90 мВ.

ПСп (нерв.вол.) = -80 мВ

Навіщо потрібен ПСп? Для перенесення деяких речовин через мембрану за допомогою електричного транспорту.

Приклад: існують білки – переносники цукру: білок приєднує іон Na⁺ і цукор і втягується всередину клітини електричним полем.

білок – карета цукор

цукор – сідок

Na⁺ - кінь

цукор

2.Утворення потенціалу дії.

Озн. ПД – це різниця потенціалів, яка утворюється на мембрані при збудженні клітини.

При утворенні ПД на зовнішній поверхні мембрани – «-» заряд, всередині – «+».

Приклади:

1) Нервове волокно:

- у спокої – всі канали закриті, П Сп = - 80 мВ;

- під дією факторів збудження потенціал знижується до – 50 мВ (потенціал деполяризації) при якому відкривається Na - канали;

- відкриваються Na – канали, починається деполяризація, Na⁺ проходить всередину. За 1 – 2 мс втан. ПД = + 40 мВ;

- при 40 мВ Na – канали закриваються, відкриваються К – канали, К ↑ назовні – реполяризація до – 100 мВ;

- після цього 5 – 10 мс ця ділянка знаходиться в рефракторному стані, тобто не може бути збуджена. В цей час К - Na – помпа відновлює ПСп;

г) м’язова тканина:

- ПС_n волокна міокарда (99%) - -90 мВ;

- при -60 мВ відкриваються Na – канали, 1-2 мс Na⁺ входить у клітину, до +30 мВ, Na⁺ канали закриваються;

- при +30 мВ відкривається Са²⁺ і К⁺ канали, К⁺ виходить, а Са²⁺ входить в клітину ~ 200 мс, потенціал повільно спадає ~ 0 мВ, після чого Са²⁺ канали закриваються;

- К⁺ продовжують входити 50 мс до -90 мВ, потім закриваються К⁺ канали;

- працюють Са²⁺ - АТФаза, Са²⁺ - Na⁺ - обмінник, Na⁺, К⁺ обмінник, Са²⁺ закачуються на 80% у саркоплазматичн1 ретикулуми, що являють собою складки мембрани, спрямован1 всередину, а 20%-в м1жкл1тинне середовище.

Передача збудження по нервовому волокну.

Нервові волокна бувають: 1) безміелінові (υ = 0,5 – 60 м/с, чим більше d, тим більше υ: при d = 1 мкм – 2 м/с, d = 0,5 – 1 мм – 20 м/с);

г) з мієліновою оболонкою: через рівні проміжки (від 0,2 до 2 мм) оболонка переривається і мембрана вісьового циліндра відкривається: перехват Ранвьє – довж. ≈ 1 мкм.

перехват Ранвьє

Розповсюдження ПД в безміеліновом волокні:

зовн. збудж.ділянка

струм рефрактерна зона

За рахунок виникнення різниці потенціалів виникає струм, що збуджує слідуючу ділянку мембрани – тільки в один бік, тоді як з іншого – рефрактерна ділянка. В мієлінових волокнах різниця потенціалів виникає між перехватами Ранвьє, швидкість імпульсу зростає.

(типових міокардіальних волокон~99% всієї маси міокарда)

2.Кардіоміоцит.

1).В стані покою - ПСп = -90мВ канали закриті.

Іони кальцію - зовні мембрани

Для скорочення міокарду, іони повинні зайти всередину, а після скорочення видаляються.

2) при збудженні кардіоміоцита потенціал знижується до потенціалу деполяризації - 60мВ. Відкриваються Na⁺ канали і за 1-2мс встановлюється ПД= +30мВ

Після цього натрієві канали закриваються, а відкриваються кальцієві і калієві; іони калія рухаються назовні, а - всередину, потенціал повільно спадає і за 200мс =0В, після чого кальцієві канали закриваються.

3) Іони К⁺ продовжують виходити назовні і реполяризація прискорюється: за 50мс встановлюється ПСп = -90мВ, К⁺ - канали закриваються.

4) Працюють К⁺-Na⁺ насос, Са⁺ - АТфаза, К⁺-Na⁺ обмінник. Але тільки 20% іонів Са²⁺ виходить назовні мембрани, 80% закачується в саркоплазматичні ретикулуми - вип`ячену всередину мембрану.

При серцевій недостатності за допомогою серцевих гликозидів (дігоксин, строфантин, корглікон та ін) пригнічується робота Са-Na обмінника і концентрація іонів Ca²⁺ всередині клітини зростає, тому підсилюється скорочувальна діяльність міокарда.

Існують атипові кардіальні волокна (синусові, атріо-вентрикулярні вузли, жмуток і ніжки Гіса , волокна Пуркінье - провідникова система), в них виникнення біопонціалів інше. У водія ритму немає потенціалу спокою.

Постійний та змінний струм.

Озн. Струмом провідності називається напрямлений рух вільних зарядів(напрямок-це напрямок руху «+» зарядів і протилежний «-» зарядам)

«+» частинки рух. до від ємного електрода(катода)

«-» до «+» електрода(анода)

Струм в організмі не прямолінійний. Опір тканин(питомий) ρ: ( R= p [Ом] ).

1.Спиномозкова рідина – 0.55 Ом. м.

2.Кров – 1.66 Ом. м.

3.М язи – 2 Ом. м.

4.Мозкова і нервова тканина – 14.3 Ом. м.

5.Жирова – 33.3 Ом. м.

6.Суха шкіра - Ом. м.

7.Кістка - Ом. м.

Опір тіла вцілому залежить від опору шкіри,що залежить від товщі шкіри, вологості, емоційного стану, сп’яніння.

В середині тіла струм проходить по кровоносним та лімфатичним судинах, м язах, оболонках нервових волокон.

Характеристика струму:

а)сила струму – заряд,що проходить через поперечний переріз провідника за 1 сек.:

I= .

б)густина струму – струм ,що проходить через одиничний переріз за 1 сек.:

j= [ ] ; [ ]

Закон Ома: I=

Озн. Постійним називається струм з постійною величиною і напрямком,в усіх інших випадках маємо змінний струм.

В колах змінного струму існує 3 види опору:

а)активний – у звичайному смислі, Ra ;

б)індуктивний – котушки, ;

в)ємнісний – конденсатори .

Озн. Конденсатор – система двух провідників, розділених тонким шаром діелектрика.

В живих організмах ємність мають мембрани , жирові тканини між м’язовими, індуктивних властивостей практично немає ,тому повний опір – імпеданс тканин:

Z= ( Z= ).

Імпеданс здорових ,хворих і мертвих тканин відрізняється. Він змінюється при наповненні кровоносних судин, тобто є діагностичним показником стану судин.

Дія струмів на людину

1.Постійний струм – проходить через весь переріз. Утворюється, в основному, іонами.

В шкіру проникає через вивідні протоки потових і сальних залоз. Викликає нагрів,зміну концентрації іонів в клітинах і міжклітинному середовищі,електроліз тощо.

Озн. Гальванізація – лікування постійним струмом малої сили(до 50 мА) і низької напруги(30-80В).

Місцеві реакції:зміна проникненості клітинних мембран, прискорення кровотоку,підвищення проникненості судинних стінок,утворення біологічно-активних речовин (серотонін,гистомін),нервові імпульси при подразненні струмом передаються в ЦНС і викликають складні реакції органів і систем,зв’язаних з ділянкою.

2.Струм низької частоти (50-10000 Гц.).Як і постійний, викликаэ нагрів, проходить через весь переріз ,але чим більше частота,тим більшу роль грає поляризація в діелектричних тканинах.

Озн. Поляризацією називається зміщення зв’язаних зарядів у діелектрику під дією електричного поля.

Види поляризації:

1)електронна-зміщення електронних оболонок.

2)дипольна-орієнтація полярних молекул за силовими лініями.

3)іонна-зміщення іонів відносно кристалічної решітки.

4)макроструктурна поляризація-виникає під дією електричного поля внаслідок неоднорідності електричних властивостей речовини.

В тканинах існують шари з різною електропровідністю. Під дією електричного поля вільні іони і електрони переміщуються в границях провідникового шару і концентруються на межах:

- провідникове включення перетворюється в гігантський диполь

5)поверхнева поляризація на поверхнях.

6)електролітична поляризація-біля електродів.

.

3.Змінні струми високої,ультрависокої частоти.

Процеси:

а)в провідникових середовищах-коливання іонів,нагрів.

б)в діелектричних-осциляторний ефект.

Озн. Осциляторний ефект-це коливання дипольних молекул тканин організму під дією змінного електричного поля,при цьому розхитуються бічні ланцюги великих органічних молекул і змінюються фізико-хімічні властивості тканин ,відбувається нагрів.

Електричне поле

Електричне поле – це вид матерii, завдяки якiй передається взаємодiя мiж зарядами, породжується як рухомими так і нерухомими зарядами і змінним магнітним полем. Діє на рухомі і нерухомі заряди.

Характеристики електричного поля:

1)Силова:напруженість-сила,з якою електричне поле діє на одиничний позитивний заряд:

Е= [ ] [ ]

2)Енергетична:потенціал-це потенціальна енергія одиничного позитивного заряду в даній точці:

[B]

3)різниця потенціалів-зв язує дві точки поля:

­­­­­­­ - робота,що здійснюється електричним полем по переміщенню між точками одиничного позитивного заряду:

Дія електричного поля:

1)В провідникових тканинах викликає струм

2)В діелектричних-поляризацію

Магнітне поле

Магнітне поле – це вид матерii, завдяки якiй передаэться взаэмодiя рухомих зарядiв I струмiв, породжується тільки рухомими зарядами,струмами,змінним електричним полем. Діє тільки на рухомі заряди і струми.

Силова характеристика-вектор магнітної індукції : В=

напруженість: Н= [ ]

На провідник зі струмом діє з силою Ампера:

На рухомий заряд-з силою Лоренца:

Магнітні властивості речовини.

Магнітне поле в речовині являє собою суму зовнішнього магнітного поля і власного магнітного поля, що створюється атомами і молекулами речовини.

Озн. Відносна магнітна проникненість речовини µ показує, в скільки разів магнітна індукція в речовині В більше індукції того ж поля у вакуумі :

За значенням µ всі речовини діляться на три групи:

1).Діамагнетики, µ трохи менше одиниці;

2).Парамагнетики, µ трохи більше одиниці;

3).Феромагнетики, µ значно більше одиниці.

Живі тканини людського організму за своїми магнітними

властивостями в основному належать до діамагнетиків. Пояснюється це тим, що м’які тканини на 60-70% складаються з води, яка є діамагнетиком. Але поряд із цим усередині тканин є незначна кількість йонів та молекул, яким притаманні парамагнітні властивості. Феромагнітних частинок речовини в організмі немає.

У клітинах і міжклітинному просторі постійно міститься велика кількість одно- й двовалентних йонів (К, Na, Ca, Mg та інші), які спричиняють виникнення біострумів у процесі життєдіяльності клітин організму. Ці біоструми створюють слабкі магнітні поля тканин і утворюють магнітні поля окремих органів і тіла людини як єдиного цілого. Так, коли ми згинаємо і розгинаємо руку, навколо її поверхні виникає магнітне поле, що становить Серце людини теж має власне магнітне поле, але воно дуже слабке й не перевищує За допомогою надчутливих магнітометрів вдалося виявити й магнітне поле мозку, яке майже в 1000 разів слабкіше від магнітного поля серця.

Оскільки біоструми в тканинах організму змінні, то й магнітні поля окремих органів теж змінюються з часом. Графічний запис змінного магнітного поля того чи іншого органу називають магнітограмою. Магнітокардіограма дає більш докладну інформацію про роботу серця, ніж електрокардіограма. Магнітне поле серця передає найтонші нюанси скорочення серцевих м’язів, що дає змогу точніше відшукати уражене хворобою місце. Реєстрація магнітного поля людини дозволяє простежити за рухом крові в судинах, за перебігом обмінних процесів у клітинах, одержати потрібну інформацію для ранньої діагностики хвороб серцево-судинної системи, виміряти кількість заліза в легенях робітників, які працюють у сталеливарних цехах, тощо.

Магнітне поле чинить значний вплив на живі організми. Фізична суть дії магнітного поля полягає у тому, що воно впливає на заряджені частинки, які рухаються в тканинах організму, з силой Лоренца. Тим самим воно діє на фізико-хімічні і біохімічні процеси. Основою біологічної дії магнітного поля вважають наведення електрорушійної сили в потоці крові і лімфи. За законом електромагнітної індукції в цих середовищах, як в гарних рухомих провідниках, виникають слабкі струми, що змінюють хід обмінних процесів. Під дією магнітного поля змінюється концентрація йонів у клітинах і міжклітинному просторі, виникає діамагнітний ефект в усіх молекулах, магнітні моменти парамагнітних частинок речовини орієнтуються в напрямі зовнішнього магнітного поля.

Розглянемо детальніше ефект Холла, що виникає в біологічних рідинах під дією магнітного поля.

Позитивні і негативні йони, що рахуються разом із кров’ю, під дією сили Лоренца відхиляються у двох протилежних напрямах,

унаслідок чого на протилежних стінках кровоносних судин накопичуються заряди протилежних знаків. Між ними виникає електростатичне поле, спрямоване перпендикулярно до напряму руху позитивних йонів (напряму струму). Між протилежними стінками судин виникає певна різниця потенціалів Вимірявши різницю потенціалів, можна визначити швидкість течії крові у великих кровоносних судинах безкровним методом.

Терапевтична дія магнітного поля вивчена ще недостатньо. Але відомо, що воно створює протизапальну, седативну, протинабрякову, знеболюючу дію. Під дією магнітного поля покращується мікроциркуляція, стимулюються регенеративні і репаративні процеси в тканинах.

Дія магнітного поля на організм:

1.Діє на рухомі заряджені частинки з силою Лоренца ,впливаючи таким чином на фізико-хімічні і біохімічні процеси.

2.Змінне магнітне поле породжує вихрове електричне поле ,яке в масивних провідниках(тіло)викликає вихрові(наведені)струми з великою тепловою дією,що змінюють хід обмінних процесів.

3.Може змінювати діамагнітні властивості тканин на парамагнітні(

Електромагнітні хвилі

Основні положення теорії Максвелла:

1)змінне магнітне поле породжує електричне

2)змінне електричне поле породжує магнітне

Магнітне і електричне поле утворюють єдине електромагнітне поле,яке розповсюджується у просторі з швидкістю с=3* (у вакуумі)

Озн. Електромагнітна хвиля – це розповсюдження у просторі змінних електричного і магнітного полів .

Дія мобільних телефонів:є дані про те,що хвилі надвисоких частот викликають пухлини,зміни з боку ЦНС,серцево-судинної,ендокринної та інших систем.

Фізичні та біофізичні основи електрографії

Функціонування тканин і органів зв'язане з електричною активністю, при цьому в організмі виникає електричне поле. Два електроди, прикладені до різних ділянок тіла, реєструють різницю потенціалів - біопотенціалів.

Озн. Електрограма - залежність від часу різниці потенціалів, що виникає при функціонуванні органа чи тканини.

Озн. Електрографія - метод реєстрації електрограми.

Види електрографії.

1) Електрокардіографія(ЕКГ) - реєстрація біопотенціалів, обумовлених роботою серця (u_А=5мб,н - до 120Гц)

2) Електроміографія (ЕЕТ) - при роботі мозку ((u_А= до 50мб, н- до300Гц).

3) Електроміографія (ЕМГ) -при роботі м'язів (до 50мВ, до 1000Гц)

4) Електроретинографія (ЕРГ) - при функціонуванні сітківки ока (0,4мВ)

5) Електрогастрографія (ЕГГ) - при функціонуванні м'язів шлунку та 12-палої кишки, знімається з поверхні черева(до0,4мВ)

6) Шкірні потенціали.

Електрокардіографія.

Озн.Електрокардіографія - реєстрація і аналіз біопотенціалів серця з метою судження про функціональний стан його нервово - м'язового апарата.

Послідовність збудження серця: синусовий вузол►передсердя►АВВузол► жмутокГіса►ніжки Гіса►волокна Пуркіньє►міокард шлуночків.

Швидкість деполяризації:

передсердя - ~1м/с

атрио - вентрикул. вузол - 0,02-0,05м/с

ніжки Гіса - 2-3м/с

волокна Пуркінье- 4-5м/с

міокард шлуночків -0,4м/с

Маленька швидкість у АВВ- атрио - вентрикулярна затримка (~0,1с) необхідна, щоб кров встигла перетекти з передсердь при їх скороченні у розслаблені шлуночки.

Фібріляція - тремтіння - порушення проведення збудження , ліквідується пропусканням струму (5000В)протягом кількох мілісекунд - всі клітини міокарда одночасно поляризуються і після одночасної реполяризації можуть запуститись електричні коливання синусового вузла і робота серця відновиться.

Озн. Струмовий диполь - 2 полюса джерела струму, які розміщені в провідниковому середовищі.

Озн. Дипольним моментом струмового диполя

н азивається вектор,величина якого знаходиться за формулою:

Д=І (І - сила струму, l-відстань між полюсами).

Напрямок Д:

від"-" до "+"

В процессі збудження міокарда в ньому рухається хвиля деполяризації, фронт хвилі розділяє потенціали різного знаку і його можна уявити як сукупність елеметарних струмових диполів з дипольними моментами Д_і. Векторна сума моментів елементарних струмових диполів називається інтергральним електричним вектором серця УЕВС .

.

Озн. Модель, в якій електрична активність міокарда заміняється дією одного еквівалентного струмового диполя , наз. дипольним еквівалентним ектричним генератором серця. В процесі кардіоцикла УЕВС змінює величину і напрямок.

На поверхні тіла при цьому виникають змінні потенціали.

Теорія Ейнтховена

Голландський вчений, в 1924р.- Нобелівська премія.

Серце - струмовий диполь в однорідному середовищі.

Він запропонував вимірювати різниці потенціалів між вершинами рівнобічного трикутника на поверхні тіла людини (трикутник Ейнтховена) Центр трикутника - точка прикладання. УЕВС - атріо -вентрикулярний вузол (вузол Ашоффа - Тавара , розташовується праворуч від передсердієвої перетинки над місцем прикріплення тристулкового клапана) Познач. вершин:

АВВ -центр грудної клітини

Вектор проектується на сторони, напруга пропорційна проекціям.

Вісь серця - це напрямок Д при його максимальному значенні.

Система відведень.

Найбільше розповсюдження набула електрокардіографія на основі системи відведень ЕКГ-12. в неї входять:

1) три стандартних відведення LR, FR, FL.

2) три підсиленних відведення aVL, aVR, aVF.

3) шість грудних однополюсних відведень V1-V6 (може бути і більше)

Маркировка: Права рука – червоний електрод, ліва рука – жовтий, ліва нога – зелений, до правої ноги - чорний -земля.

Підсилені відведення введені у 1942р. Гольдбергом. Принцип : електрод однієї з кінцівок називається активним і підключається до "+", Дві інші кінцівки з`єднуються загальним електродом і підключаються до "-" амплітуда ЕКГ збільшується у 1,5р. ("а"- підсиленний "V"-потенціал)

Невелика неточність у накладанні електродів приводить до зміни ЕКТ.

Електрокардіограма

Зубці: P,Q,R,S,T,u Зубці Q,R,S- коплекс QRS

зуб. Р - деполяризація передсердь; (імпульс рухається від синусового вузла до АВ - вузла (0,07-0,11с))

Сегмент PQ (ізолінія) - рівномірне охоплення збудженням передсердь і проведення збудж. по АВ - вузлу, ніжкам Гіса, волокнам Пуркіньє (0,12-0,20с)

Комплекс QRS- деполяризація шлуночків(0,07-0,11с)

Ізолінія ST- період повного охоплення збудженням обох шлуночків (його відхилення від 0 - діагиостика ішемії)

ЗубецьТ- реполяризація шлуночків.

Зубець U- його іноді реєструють після Т - спізнення реполяризації окремих ділянок міокарда шлуночків.

Інтервал QT- електрична систола серця.

Сегмент ТР- електрична діастола.

У векторній кардіограмі реєструють два види кривих, які характеризують вектор Д:

1)траєкторію кінця вектора в просторі за кардіоцикл;

2)петлі, які описує кінець вектора в проекції на будь – яку з трьох координатних площин.

Проекція вектор електрокардіограми отримується при додаванні двох відведень, які вибирають так, щоб лінії, що сполучають точки прикладання електродів, були взаємоперпендикулярними.

Прилад для візуального спостереження вектор електрокардіограми називають вектор електрокардіоскопом.

Холтерівський моніторинг.

Запис сигналу здійснюється протягом 12-24 годин на електронний носій за допомогою магнітографа Холтера. Сучасні холтерівські монітори - це потужні обчислювані системи, що за хвилину обробляють весь 24-годинний запис, зберігають інформацію в електронній пам'яті.

Реографія.

Озн.Реографія (rheos - плин) - це діагностичний метод, який полягає в реєстрації залежності від часу імпедансу ділянки тканин.

Плетизмографія - запис змін об'єму органа в залежності від його кровонаповнення.

Реоплетизмографія (РПГ) - метод дослідження загального та органного кровообігу, оснований на реєстрації коливань активного опору ділянки тіла змінному струмові високої частоти при зміні кровонаповнення судин.

При РПГзастосов. Високочастотний змінний струм частотою 30-80кГц і амплітудою 1-2мА. Кров має,практично , тільки активний опір, а оточуючі тканини ємнісний.

Реограма - це графік залежності від часу зміни активної складової імпедансу ділянки біотканини.

Реограф - пристрій для реєстрації реограми.

За зміною опору можна судити про зміну

кровонаповнення судин.

Реоенцефалографія-

вивчення роботи судин мозку.

Реокардіографія - судин серця. реовазографія - судин кінцівок.

Практична робота №2.

Тема: «Призначення обладнання ( електродів та датчиків ) для знімання медичної та біологічної інформації».

Мета роботи: вивчити призначення обладнання (електродів та датчиків) для знімання медичної та біологічної інформації з досліджуваного організму, класифікацію електродів та датчиків, вимірювання медичних параметрів організму за допомогою електродів та датчиків, їх характеристики, запис та відтворення електричних сигналів досліджуваного організму.

Обладнання: таблиці, електроди, датчики з різних медичних апаратів, відеофільми.

Теоретичні відомості.

Блок –схема діагностичної апаратури:

Пристрої знімання інформації. ( датчики або електроди)

Пристрої передачі інформації (підсилювачі)

Пристрої реєстрації і відображення інформації

Передача інформації може здійснюватись на значні відстані,наприклад,з сільської лікарні в центральний консультативний пункт лікарні для отримання більш кваліфікованого діагностичного вердикту.Передача інформації може здійснюватись як по проводам, так за допомогою радіо-зв’язку.