Физические основы электрокардиографии

1. Физические принципы и задачи электрокардиографии.

В результате электрической активности возбудимых клеток возникает электрическое поле. С помощью электродов биопотенциалы можно снять, измерить и отобразить. Регистрация биопотенциалов органов и тканей с диагностической или исследовательской целью называется электрографией.

Электрограмма – это зависимость разности потенциалов на разных участках тела от времени. Название электрограмм указывает на орган или ткань, функционирование которых приводит к появлению регистрируемой разности потенциалов: электрокардиограмма, электроэнцефалограмма, электромиограмма.

2 задачи электрограмм: выяснение механизма их возникновения и определение состояния органа по характеру его электрограммы.

2. Основные характеристики электрического поля.

Электрическое поле – вид материи, посредством которого происходит взаимодействие электрических зарядов.

Е – напряжённость электрического поля – векторная величина – основная характеристика электрического поля. Е = F/q, F – сила действующая со стороны поля на заряд. [В/м].

Н

Е

Е

апряжённость поля точечного заряда Е = q/4πεε₀r².

Распределение электрического поля в пространстве

изображают с помощью силовых линий –

воображаемых линий, касательные к которым силовая линия

в

каждой точке совпадают с направлением Е в каждой точке.

Силовые линии начинаются на положительных зарядах и заканчиваются

на отрицательных зарядах. Силовые линии одного и того же поля не пересекаются.

Однородное поле – в каждой точке которого вектор напряжённости Е одинаков по величине и направлению.

Потенциал электрического поля в данной точке пространства является скалярной электрической характеристикой и равен отношению потенциальной энергии взаимодействия заряда с полем к величине этого заряда. φ =W/q = q·Е·d/q=E·d

Потенциал поля точечного заряда q в однородном диэлектрике с диэлектрической проницаемостью ε равен φ(r)=q/4π·εε₀r.

Разность потенциалов (напряжение) между двумя точками – отношение работы поля по перемещению заряда из точки 1 в точку 2. φ ₁- φ₂ =U = A/q [B].

Эквипотенциальные поверхности –поверхности с одинаковым потенциалом.

3. Электрический диполь, поле диполя.

Электрический диполь – система из двух равных по величине и противоположных по знаку точечных зарядов, расположенных на расстоянии l.

Э

р

лектрический (дипольный) момент – вектор, направленный от отрицательного заряда к положительному.

Д

–

+

иполь создаёт в пространстве электрическое поле.

Клетка – минимальный элемент возбудимой ткани,

способный электрически возбудиться и проводить возбуждение.

Мембрана разделяет два раствора электролитов, разделяющихся по составу. – – + + + + +

Раздражение участка клеточной мембраны сигналом, вырабатываемым

синусовым узлом деполяризует этот участок. – – + + + + +

Локальный ток приводит к деполяризации всего мышечного волокна.

В области соприкосновения участков, находящихся в разных состояниях, возникает электрическое поле, подобное полю диполя. Возбуждающееся волокно можно рассматривать как перемещающийся диполь.

Сердце – множество возбуждающихся мышечных волокон (электрических диполей, со своим вектором – дипольным моментом). Они формируют интегральный электрический вектор сердца, величина и направление которого меняются в каждый момент сердечного цикла.

Сердце – диполь образует электрическое поле во всём организме

и на его поверхности.

Д

γ

p

O

иполь с электрическим моментом р находится в точке О.

Р

r

r

β

азность потенциалов двух точек Аи В, равноотстоящих

от диполя: U = φ ₁- φ₂ = sin β/2/2πεε₀r2· p·cos γ =k·p·cos γ

з

B

A

ависит от проекции электрического момента диполя на

прямую, соединяющую точки А и В.

если диполь в центре равностороннего треугольника – то разность потенциалов на сторонах этого треугольника пропорциональны проекциям вектора р на его стороны. Сопоставляя эти проекции можно судить о величине и направлении вектора р в данной плоскости.

4. Теория Эйнтховена.

• Сердце – диполь, состоящий из множества элементарных диполей. Причём, величина и направление этого суммарного диполя меняется со временем.

• Сердце – диполь находится в центре равностороннего треугольника с вершинами –запястья рук и лодыжка левой ноги (т.к. сердце сдвинуто от средней линии тела влево).

• Разность потенциалов в отведении пропорциональна проекции вектора электрического диполя на это направление.

Зная разность потенциалов в двух точках, можно говорить о величине и направлении вектора дипольного момента. U = φ ₁- φ₂ = k·p·cos γ

5. Основные отведения при снятии ЭКГ. Усиленные униполярные отведения от конечностей.

Пара точек с которых снимается изменение разности потенциалов, называется отведением.

Всего 12 отведений: 3 стандартных и 3 усиленных от конечностей, 6 грудных

О

ЛР

ПР

тведения позволяют определить соотношение между

проекциями электрического момента сердца на

с

р

тороны треугольника.

Стандартные биполярные отведения от конечностей:

I отведение – правая рука - левая рука.

II отведение – правая рука - левая нога.

III отведение – левая рука - левая рука.

U

ЛН

_АВ : U_ВС : U_СА = p_АВ : p_ВС : p _СА

Униполярные отведения от конечностей –

р

HR

aVF

егистрируют разность потенциалов между

э

HL

лектродом, наложенным на конечность и

электродом, представляющим собой объединённый

электрод от двух других конечностей.

О

aVR

aVL

сь отведения aVR представляет собой биссектрису

угла между стандартными отведениями I и II.

Оси отведений aVL и aVF являются биссектрисами

двух других углов треугольника Эйнтховена.

(

LF

voltage – вольтаж, augmented – усиленный, Left- левая).

В этих отведениях регистрируются увеличенные по амплитуде потенциалы.

Рассмотренные отведения от конечностей отражают проекции векторной петли на фронтальную плоскость. Грудные отведения позволяют судить о проекции интегрального вектора на горизонтальную плоскость. При снятии этих отведений один электрод объединяет три отведения от конечностей, а активный электрод помещают на определённые участки в области сердца.

6. Электрокардиограмма, её вид, зубцы и комплексы, их связь с фазами сокращения сердца.

Электрокардиограмма – кривая изменения электрической активности сердца, характеризующая деятельность сердечной мышцы во времени.

На графике ЭКГ по вертикали регистрируются значения напряжения U (разности потенциалов φ₁- φ₂), изменяющегося в соответствии с колебаниями величины и направления электрического поля сердца.

На кривой ЭКГ видны положительные и отрицательные зубцы, обозначаемые латинскими буквами от Р до Т. Предсердный комплекс начинается с зубца Р, соответствующего распространению возбуждения по обоим предсердиям. Сегмент PQ – все отделы предсердий охвачены возбуждением. Реполяризация предсердий (не отражается на ЭКГ) совпадает с началом желудочкового комплекса – участка кривой от начала зубца Q до конца Т. QRS – комплекс, отражает распространение возбуждения по желудочкам, а зубец Т их реполяризацию.

Зная расстояние между вершинами соседних R-зубцов, можно рассчитать длительность одного сердечного цикла, который обратно пропорционален частоте сокращений сердца (60/длит.инт.RR(с)=уд./мин).

Амплитуды зубцов в норме лежат в пределах 0,1- 5 мВ. Сохранение во времени формы, фазы, амплитуды кривой означает нормальную работу сердца. Отклонения от нормы характеризуют нарушения сердечной деятельности.

7. Блок-схема электрокардиографа. Электроды, усилитель, регистрирующая часть. Калибровка.

биообъект

Устройство съёма

Дифференциальный широкополосный усилитель

Регистрирующее устройство

Электроды

(сигнал электрического происхождения)

Электрокардиограф состоит из:

• электродов, накладываемых на тело пациента;

• комплекта проводов, соединяющих электроды с кардиографом;

• широкополосного дифференциального усилителя;

• регистрирующего устройства (самописец, монитор);

• переключателя отведений;

• источника калибровочного напряжения, указывающего масштаб измеряемого напряжения.

Т.к. амплитуда потенциалов, записываемых с поверхности тела, может быть меньше 1мВ, во всех электрокардиографах вмонтированы электронные усилители.

Частотный спектр регистрируемого сигнала охватывает диапазон частот от 0,5 до 400 Гц. Он включает и частоту 50 Гц промышленной электросети. Это приводит к значительным искажениям измеряемого сигнала. Поэтому в электрокардиографах применяется дифференциальный усилитель, имеющий 3 клеммы, одна из которых является опорной для двух других. Один сигнал между 1 клеммой и опорной, другой между 2 клеммой и опорной. При этом выходной сигнал будет усиленной копией разности 2-х входных сигналов.

Измеряемый сигнал представляет собой разность потенциалов между электродами А и В.

U₁= φ_А- φ₀+U_пом U₂= φ_В- φ₀+U_пом

U₂ - U₁= k(φ_В + φ₀+U_пом ) – k(φ_А+ φ₀+U_пом)= k(φ_В - φ_А)

Получаем усиленный измеряемый сигнал, свободный от помех.

Все электрокардиографы имеют блок калибровки: калибровочный сигнал величиной 1мВ должен вызывать отклонение пера на 1 или 0,5 или 2,5 см (по выбору).

Для снятия электрокардиограммы электроды накладываются по системе стандартных отведений на внутреннюю поверхность предплечий и голеней. Для уменьшения переходного сопротивления между электродами и кожей помещают прокладки из марли, смоченные раствором поваренной соли в воде. Провода кабеля отведений соединяются с электродами так:

красный – к электроду на правой руке,

жёлтый – к электроду на левой руке,

зелёный – к электроду на левой ноге,

чёрный – к электроду на правой ноге.

3