28

Лабораторная работа №21 Физические свойства экг

Цель работы: изучить физические основы процесса снятия электрокардиограммы, ознакомиться с принципом работы электрокардиографа и процессом снятия ЭКГ.

1. Краткая теория

Многие органы полностью или частично состоят из возбудимых клеток. Возбуждение этих клеток является причиной возникновения электрического поля в организме. Исследование этого поля имеет большое значение в клинической и теоретической медицине. Электрические поля различных органов достаточно подробно изучены, и существует ряд методов исследования, основанных на регистрации электрических полей определенных органов: электрокардиография (сердце), электромиография (мышцы), электроэнцефалография (мозг), электронейрография (нервные волокна), электрогастрография (желудок) и т.п.

Основой электрографии органов и тканей являются некоторые понятия электростатики и электродинамики.

Электрокардиография – это метод регистрации электрических процессов, протекающей в сердечной мышце при её возбуждении. Запись этих процессов – электрокардиограмма, в зависимости от вида регистрирующего прибора может быть получена на экране монитора персонального компьютера или на бумажной диаграммной ленте.

Задача электрокардиографии заключается в том, чтобы оценить работу сердца (электрические процессы в сердце) по биопотенциалам, регистрируемым с поверхности тела человека.

Теория, касающаяся вопросов происхождения зубцов и интервалов при электрокардиографическом методе исследования основывается на двух концепциях: мембранной теории биоэлектрических явлений и концепции сердечного диполя.

В настоящее время установлено, что основные биоэлектрические процессы в различных возбудимых тканях протекают по одним и тем же законам, т. е. в нервной клетке центральной нервной системы и в мышечном волокне, в том числе и в сердечной мышце, возникновение биотоков в покое и при возбуждении обусловлено одними и теми же механизмами.

Между внутренней и наружной поверхностями клеточной мембраны всегда существует разность электрических потенциалов, которая обусловлена неравномерным распределением различных ионов. В состоянии физиологического покоя эта разность потенциалов называется мембранным потенциалом покоя (_мп). Экспериментально было установлено, что для различных клеток в состоянии покоя _мп лежит в пределах 50-100мВ, п ричём цитоплазма имеет отрицательный потенциал по отношению к потенциалу межклеточной жидкости (рис.1).

Рис. 1. Трансмембранный потенциал изолированной мышечной клетки:

а) стадия поляризации клетки в состоянии покоя;

б) стадия деполяризации при возбуждении клетки;

в) стадия полной деполяризации;

г) стадия реполяризации клетки;

д) стадия поляризации клетки.

В состоянии физиологического покоя соотношение зарядов, обусловливающих мембранный потенциал покоя, сохраняется достаточно постоянным. Это является результатом динамического равновесия между клеткой и межклеточной средой при двух противоположных процессах - диффузии через мембрану, главным образом, таких ионов, как Na⁺, K⁺ и Cl^-, и переноса их в противоположном направлении при активном транспорте, например, при работе калий-натриевого насоса.

Мембрана клеток возбудимых тканей в отличие от всех остальных клеток, обладает свойством под действием раздражителя менять свою проницаемость по отношению к ионам Na⁺ и К⁺ в сотни раз.

Это приводит к резкому увеличению скорости перемещения ионов Na⁺ из внеклеточного пространства внутрь клетки, а ионов К⁺ - из цитоплазмы наружу, т.е. идет перемещение ионов из области большей концентрации в область с меньшей концентрацией. Так как разность концентраций ионов натрия Na⁺ в пятьдесят раз выше, чем для ионов калия К⁺, то начальный поток через раскрытую мембрану представлен ионами Na⁺. Попадая внутрь клетки Na⁺ нейтрализует отрицательный заряд цитоплазмы (деполяризует мембранный потенциал покоя), и меняет его на положительный. Этот процесс длится около 0,5 миллисекунды, после чего поры мембраны уменьшаются в диаметре так, что более крупные ионы Na⁺ уже не могут проникать свободно, в отличие от ионов К⁺, которые имеют меньший диаметр. Поэтому в следующие 1-1,5 миллисекунды ионы калия К⁺ устремляются изнутри наружу, тем самым реполяризуя (восстанавливая) исходный уровень мембранного потенциала. Разность потенциалов между внешней и внутренней поверхностями мембраны, записанная в момент возбуждения, называют мембранным потенциалом возбуждения _мв.

Как в отдельной клетке, где возбуждение сопровождается отрицательным зарядом на поверхности мембраны, так и в любой возбудимой ткани (в макромасштабах) возбужденный участок становится электроотрицательным по отношению к невозбужденному. В этом случае между возбужденным и невозбужденным участками возникает разность потенциалов, которая может быть зарегистрирована. Величина разности потенциалов нервной ткани равна десяткам и сотням микровольт; в мышечной, в том числе и сердце, достигает одного-двух милливольт.

Таким образом, при распространении возбуждения между возбуждёнными и невозбуждёнными участками ткани возникает динамическая система из отрицательного и положительного объёмных зарядов, которую можно рассматривать как токовый диполь с изменяющимся во времени и пространстве дипольным моментом.

Это положение является одним из основных в теории Эйнтховена, предложившего современную систему отведений для снятия ЭКГ.

Сердце, в отличие от скелетной мышцы, обладает свойством автоматии, т.е. будучи вырезанным из организма, оно продолжает сокращаться под действием импульсов, возникающих в нем самом. Эти импульсы возникают в проводящей системе сердца, которая состоит из синусного узла, атриовентрикулярного узла и пучка Гиса.

Водителем ритма сердца в нормальных условиях является синусный узел. Импульс, возникающий в нем, проводится через мышечные волокна на предсердия, затем возбуждение через атриовентрикулярный узел распространяется по пучку Гиса и переходит на желудочки. Вместе с распространением возбуждения по сердечной мышце перемещается и отрицательный потенциал возбужденных участков от основания до верхушки сердца, как в объемном проводнике. Сокращения сердечной мышцы (миокарда) происходят благодаря импульсам, возникающим в синусовом узле и распространяющимся по проводящей системе сердца: через предсердия, атриовентрикулярный узел, пучок Гиса, волокна Пуркинье - импульсы проводятся к сократительному миокарду.

Рассмотрим этот процесс подробно:

1. Возбуждающий импульс возникает в синусовом узле. Возбуждение синусового узла не отражается на ЭКГ.

2. Через несколько сотых долей секунды импульс из синусового узла достигает миокарда предсердий (рис. 1)

Рис. 1. Проводящая система сердца

3. По предсердиям возбуждение распространяется по трем путям, соединяющим синусовый узел (СУ) с атриовентрикулярным узлом (АВУ):

   • Передний путь (тракт Бахмана) - идет по передневерхней стенке правого предсердия и разделяется на две ветви у межпредсердной перегородки - одна из которых подходит к АВУ, а другая - к левому предсердию, в результате чего, к левому предсердию импульс приходит с задержкой в 0,2 с;

   • Средний путь (тракт Венкебаха) - идет по межпредсердной перегородке к АВУ;

   • Задний путь (тракт Тореля) - идет к АВУ по нижней части межпредсердной перегородки и от него ответвляются волокна к стенке правого предсердия.

4. Возбуждение, передающееся от импульса, охватывает сразу весь миокард предсердий со скоростью 1 м/с.

5. Пройдя предсердия, импульс достигает АВУ, от которого проводящие волокна распространяются во все стороны, а нижняя часть узла переходит в пучок Гиса.

6. АВУ выполняет роль фильтра, задерживая прохождение импульса, что создает возможность для окончания возбуждения и сокращения предсердий до того, как начнется возбуждение желудочков. Импульс возбуждения распространяется по АВУ со скоростью 0,05-0,2 м/с; время прохождения импульса по АВУ длится порядка 0,08 с.

7. Между АВУ и пучком Гиса нет четкой границы. Скорость проведения импульсов в пучке Гиса составляет 1 м/с.

8. Далее возбуждение распространяется в ветвях и ножках пучка Гиса со скоростью 3-4 м/с. Ножки пучка Гиса, их разветвления и конечная часть пучка Гиса обладают функцией автоматизма, который составляет 15-40 импульсов в минуту.

9. Разветвления ножек пучка Гиса переходят в волокна Пуркинье, по которым возбуждение распространяется к миокарду желудочков сердца со скоростью 4-5 м/с. Волокна Пуркинье также обладают функцией автоматизма - 15-30 импульсов в минуту.

10. В миокарде желудочков волна возбуждения сначала охватывает межжелудочковую перегородку, после чего распространяется на оба желудочка сердца.

11. В желудочках процесс возбуждения идет от эндокарда к эпикарду. При этом во время возбуждения миокарда создается ЭДС, которая распространяется на поверхность человеческого тела и является сигналом, который регистрируется электрокардиографом.

Таким образом, в сердце имеется множество клеток, обладающих функцией автоматизма:

1. синусовый узел (автоматический центр первого порядка) - обладает наибольшим автоматизмом;

2. атриовентрикулярный узел (автоматический центр второго порядка);

3. пучок Гиса и его ножки (автоматический центр третьего порядка).

В норме существует только один водитель ритма - это синусовый узел, импульсы от которого распространяются к нижележащим источникам автоматизма до того, как в них закончится подготовка очередного импульса возбуждения, и разрушают этот процесс подготовки. Говоря проще, синусовый узел в норме является основным источником возбуждения, подавляя аналогичные сигналы в автоматических центрах второго и третьего порядка.

Автоматические центры второго и третьего порядка проявляют свою функцию только в патологических условиях, когда автоматизм синусового узла снижается, или же повышается их автоматизм.

Автоматический центр третьего порядка становится водителем ритма при снижении функций автоматических центров первого и второго порядков, а также при увеличении собственной автоматической функции.

Проводящая система сердца способна проводить импульсы не только в прямом направлении - от предсердий к желудочкам (антеградно), но и в обратном направлении - от желудочков к предсердиям (ретроградно).

Поскольку тело человека является электропроводящей средой, внутри которой расположен источник биопотенциалов – сердечная мышца, то разность потенциалов будет возникать не только непосредственно на сердце, но и на поверхности тела.

Измеряя потенциалы различных точек тела, можно определить линии одинакового потенциала – эквипотенциальные линии (рис.2).

Рис. 2. Эквипотенциальные поверхности.

О-О – линия нулевого потенциала;

А-А – электрическая ось сердца.

Это дает возможность регистрировать биопотенциалы не только при непосредственном расположении отводящих электродов на сердце, но и в том случае, когда они находятся на поверхности тела.

Разность потенциалов, регистрируемая между двумя точками на поверхности тела, в физиологии называется отведением.

В настоящее время приняты три основные стандартные отведения, предложенные в начале ХХ века Эйнтховеном (рис. 3). 1 отведение – правая рука – левая рука; 2 отведение – правая рука – левая нога и 3 отведение – левая рука – левая нога. Вдоль этих отведений регистрируются наибольшие разности потенциалов.

Рис. 3. Система стандартных отведений Эйнтховена.

При дальнейшем развитии электрокардиографии стали применять грудные, пищеводное и другие отведения.

При записи ЭКГ в трех стандартных отведениях отмечается, что амплитуды зубцов электрокардиограммы различны. Наибольшими они регистрируются во втором отведении, наименьшими – в третьем отведении. Это важное положение легко объясняется с точки зрения дипольной или векторной теории.

В соответствии с этой теорией сердце представляет собой диполь, помещенный в объемную проводящую среду. При этом в окружающей сердце среде образуется электрическое поле, которое характеризуется напряженностью и потенциалом. Диполь сердца формируется противоположными зарядами, возникающими у основания сердца и в той части сердца, до которой дошло возбуждение.

Основной характеристикой диполя является вектор дипольного момента, который равен произведению электрического заряда q на расстояние между зарядами: . Вектор направлен по оси диполя от отрицательного заряда к положительному.

Сам диполь является источником электрического поля, напряженность которого зависит от дипольного момента , от диэлектрической проницаемости среды и геометрических параметров. Пусть диполь находится в непроводящей бесконечной среде и некоторая точка А удалена от его центра на расстояние . Обозначим через угол между вектором и направлением на эту точку. Тогда потенциал, создаваемый диполем в точке, определяется следующей формулой:

(1).

Если диполь поместить в центр равностороннего треугольника, то он будет равноудален ото всех его вершин (на рис. 3 диполь изображен вектором дипольного момента — ).

Можно показать, что в этом случае разность потенциалов (напряжение) между двумя любыми вершинами прямо пропорциональна проекции дипольного момента на соответствующую сторону ( ~ ). Поэтому отношение напряжений между вершинами треугольника равно отношению проекций дипольного момента на соответствующие стороны:

Сопоставляя величины проекций, можно судить о величине самого вектора и его расположении внутри треугольника.

Рис. 3. Диполь в равностороннем треугольнике

В вакууме или в идеальном диэлектрике электрический диполь может сохраняться сколь угодно долго. Но в проводящей среде под действием электрического поля диполя возникает движение свободных зарядов и диполь экранируется (рис. 4).

Рис. 4. Экранирование диполя в проводящей среде

Для сохранения «диполя» в проводящей среде можно использовать источник тока. Пусть в проводящую среду (например, в сосуд с раствором электролита) введены два электрода, подключенные к источнику напряжения (рис. 5).

Заряды, индуцированные источником на электродах, будут играть роль полюсов обычного диполя (то есть клеммы «К» источника напряжения можно представить как диполь). В этом случае в среде возникнет электрический ток , который будет препятствовать эффекту экранирования «диполя». Обозначим сопротивление среды между электродами через R. Тогда сила тока определяется законом Ома:

Если сопротивление среды между электродами значительно меньше, чем внутреннее сопротивление источника , то .

Рис. 5. Токовый диполь: R — эквивалент сопротивления проводящей среды, — внутреннее сопротивление источника, — ЭДС источника; электроды: 1 — исток тока, 2 — сток тока

Для того чтобы сделать картину более наглядной, представим себе, что в сосуд с электролитом опущены не два электрода, а обычный элемент питания. Линии электрического тока, возникшего в сосуде в этом случае, показаны на рис. 6.

Рис. 6. Токовый диполь и созданные им линии тока

Ток движется в среде от положительного электрода к отрицательному. Эти электроды называют истоком тока и стоком тока соответственно.

Двухполюсная система в проводящей среде, состоящая из истока и стока тока, называется дипольным электрическим генератором, или токовым диполем.

Характеристикой токового диполя является величина, называемая дипольным моментом. Дипольный момент электрического генератора определяется формулой:

,

где — сила тока через генератор, L — расстояние между истоком и стоком тока.

Между дипольным электрическим генератором и электрическим диполем есть аналогия:

- при одинаковой форме электродов линии тока совпадают с линиями напряженности электростатического поля;

- формулы, характеризующие электрическое поле токового диполя, очень похожи на формулы электростатического поля обычного диполя.

Потенциал, создаваемый токовым диполем в точке А, удаленудаленной от него на расстояние , равен

Эта формула аналогична формуле (1). Если для электрического диполя величина характеризовала диэлектрические свойства среды, то для токового диполя величина характеризует проводящие свойства среды и называется удельной электропроводностью ( , где — удельное электрическое сопротивление).

Теория токового диполя применяется для модельного объяснения возникновения потенциалов, регистрируемых при снятии электрокардиограмм. Моделировать электрическую активность сердца можно с использованием дипольного эквивалентного электрического генератора.

Сердце человека — мощная мышца. При синхронном возбуждении множества волокон сердечной мышцы, в среде, окружающей сердце, течет ток, который даже на поверхности тела создает разности потенциалов порядка нескольких мВ. Эта разность потенциалов регистрируется при записи электрокардиограммы. Дипольное представление о сердце лежит в основе теории отведений Эйнтховена, согласно которой сердце есть токовый диполь с дипольным моментом , который поворачивается, изменяет свое положение и точку приложения за время сердечного цикла.

(В биологической литературе часто вместо термина «дипольный момент сердца» используются термины: «вектор электродвижущей силы сердца», «электрический вектор сердца»).

По Эйнтховену, сердце располагается в центре равностороннего треугольника, вершинами которого являются: правая рука — левая рука — левая нога. (Вершины треугольника равноудалены как друг от друга, так и от центра треугольника.)

Поэтому разности потенциалов, снятые между этими точками, суть проекции дипольного момента сердца на стороны этого треугольника. Эти разности потенциалов со времен Эйнтховена в физиологии принято называть «отведениями».

Таким образом, теория Эйнтховена устанавливает связь между разностью биопотенциалов сердца и разностями потенциалов, регистрируемых в соответствующих отведениях.

Рис. 7. Равносторонний треугольник Эйнтховена. ПР – правая рука, ЛР – левая рука, ЛН – левая нога. Проекция нулевой точки центра треугольника, представляющего один конец центрального диполя, разделяет каждую сторону треугольника на два компонента: положительный (+) и отрицательный (-). Каждая сторона треугольника отражает так называемую ось отведения, на которую проектируются положительный или отрицательный компоненты диполя.

Таким образом, сущность теории Эйнтховена можно выразить тремя положениями:

1. Сигналы возбуждения сердечной мышцы поступают из синусного узла, расположенного в правом предсердии в области устья верхней полой вены. Постепенно возбуждение охватывает весь миокард, развиваясь по типу цепной реакции. Поэтому в период возбуждения сердце можно рассматривать как токовый диполь с электрическим дипольным моментом, который периодически изменяет свою величину и положение в пространстве с течением времени. Причём точку приложения вектора принято считать постоянной.

2. В процессе возбуждения диполь сердца создает в теле человека электрическое поле, параметры которого (напряженность, разность потенциалов) можно зарегистрировать в любой точке, в том числе и на поверхности тела человека. В процессе распространения возбуждения, когда изменяется величина и направление воображаемого диполя, происходит изменение параметров электрического поля на поверхности тела человека. Как следует из законов электростатики, по измерениям потенциалов поля можно судить об электрических параметрах самого диполя.

3. Для снятия ЭКГ отведения на поверхности тела выбирают таким образом, чтобы измеряемая в них разность потенциалов была максимальной. Стандартными отведениями считают отведения, образующие на поверхности тела человека условно равносторонний треугольник: I – левая рука – правая рука, II – правая рука – левая нога, III – левая рука – левая нога.