книги / Экспериментальные методы в биомеханике

Электроды и датчики. Для связи электростимуляторов с объектом применяют электроды. Электроды – специальной формы проводники, соединяющие раздражающую или измерительную цепь прибора с объектом. Требования, предъявляемые к электродам, следующие: они должны быстро накладываться, фиксироваться и сниматься, иметь высокую стабильность электрических параметров, быть механически прочными, не создавать помех, не вызывать нежелательных побочных эффектов в живой ткани, не изменять своих свойств при прохождении электрического тока, не накапливать электрический заряд. Для улучшения контакта электрода с живой тканью используют специальные составы, содержащие электролиты.

По назначению электроды могут быть подразделены на следующие типы:

1)для кратковременного применения;

2)для длительного использования при «вживлении» в ткани организма (имплантируемые электроды);

3)для длительного использования при поверхностном наложении (для использования на подвижных объектах в спортивной, тру-

Монополярный активный электрод располагают в зоне воздействия или отведения. Пассивный (индифферентный) электрод – на некотором удалении от активного, на участке ткани, обладающем незначительной собственной биоэлектрической активностью. Он должен иметь большую площадь соприкосновения с тканью. Индифферентные электроды часто бывают выполнены в виде пластин из серебра, олова или других материалов. Монополярные электроды позволяют регистрировать локальные изменения электрической активности в одной точке.

Биполярные электроды, как правило, имеют одинаковый размер и обладают одинаковыми контактными свойствами. Оба электрода располагают в активной области, соблюдая стабильность межэлектродного расстояния, зависящего от физиологических свойств ткани. При биполярном отведении регистрируют разность потенциалов соседних участков ткани.

21

Втех случаях, когда объект изучения может быть выделен из окружающих тканей, используют поверхностные электроды, а когда объект выделить трудно, применяют погруженные электроды,

укоторых токопроводящая часть защищена от нежелательного соприкосновения с окружающими тканями.

При исследовании отдельных клеток мозга, мышц применяют тончайшие металлические и стеклянные микроэлектроды. В хронических экспериментах применяют вживленные электроды, изолированные на всем протяжении, кроме кончика, погружаемого в объект.

Вряде случаев, особенно при использовании в качестве раздражителя толчков постоянного тока, применяют неполяризующиеся электроды. Они представляют пластинку или проволочку из серебра, покрытую электролитическим путем тонким слоем хлорида серебра. При соприкосновении такого электрода с объектом возникает система контактов серебро– хлорид серебра– межтканевая жидкость с ничтожным поляризационным током. Другой тип неполяризующихся электродов представляет собой стеклянную трубочку, в нижний конец которой помещают ватный «фитилек», смоченный раствором Рингера. Трубочку на 0,5 см заполняют каолином, приготовленным на растворе Рингера. Оставшийся объем трубочки заполняют насыщенным раствором сульфата цинка. В раствор помещают цинковую пластинку, покрытую слоем амальгамы. Такие электроды практически не создают поляризационного тока.

Существует много других конструкций электродов для раздражения, применяемых в зависимости от конкретных целей и методов исследования.

Электроды для регистрации не имеют принципиальных отличий от раздражающих. Их конструкция, форма, параметры зависят от задач исследования и приводятся в описании соответствующих приборов для регистрации электрических процессов (электромиографов, электроэнцефалографов, электрокардиографов и др.).

1.4.Микроэлектродное и макроэлектродное исследования биоэлектрической активности

Микроэлектродная техника в физиологии применяется для измерения электрических, концентрационных и окислительных потенциалов различных клеток и их частей, а также для местного,

22

строго ограниченного воздействия на них током и различными веществами. Микроэлектроды введены в 1946 году американскими учёными Р. Джерардом и Дж. Лингом и стали применяться для отведения электрических потенциалов сначала от одиночного мышечного волокна, а затем и от отдельной нервной клетки. В исследованиях используются металлические микроэлектроды, стеклянные микропипетки и другие типы микроэлектродов [1–5]. На рис. 1.2 показаны потенциал покоя и схема микроэлектродного способа его регистрации.

Рис. 1.2. Потенциал покоя (А) и микроэлектродный способ его регистрации (Б): 1 – клетка, 2 – микроэлектрод, 3 – регистрирующее устройство

Для изготовления металлических микроэлектродов часто используют вольфрамовую проволоку диаметром 0,3–1 мм. На первом этапе вырезают заготовку, длина которой определяется глубиной погружения микроэлектрода в исследуемый объект. Один конец заготовки затачивают электролитическим методом до диаметра 1–10 мкм. После тщательной промывки поверхности в специальных растворах ее покрывают лаком для электрической изоляции. Самый кончик электрода остается неизолированным.

Стеклянный микроэлектрод изготавливают из стеклянных капилляров (трубочек) диаметром 1–3 мм. На специальном устройстве, так называемой кузнице микроэлектродов, вытягивают микроэлек-

23

трод. Для этого закрепленный стеклянный капилляр (заготовку) разогревают в средней части до температуры плавления стекла и разрывают путем растягивания капилляра. В зависимости от параметров этой процедуры (температуры нагрева, величины зоны нагрева, скорости и силы разрыва, марки стекла) получают микропипетки с диаметром кончика до долей микрометра. На следующем этапе микропипетку заполняют 2,5М KCl, получается микроэлектрод.

Для подведения микроэлектродов к объекту применяют микроманипуляторы. Электрод может располагаться внеклеточно или внутриклеточно в зависимости от решаемых задач. Околоклеточное отведение позволяет регистрировать токи действия. Внутриклеточ-

Микроэлектродная техника позволила исследовать электрические явления в нервных клетках, благодаря чему были сделаны фундаментальные открытия: раскрыты механизмы синаптической передачи и генерации токов действия, а также получены сведения о временном и пространственном распределении нервных импульсов, кодирующих передачу информации в нервной системе.

Микроионофорез. Широкое распространение получил метод микроионофореза – подведение к одиночной клетке различных химических веществ через многоканальный микроэлектрод (3–7 каналов). В таком электроде, помимо регистрирующего, имеются каналы, содержащие биологически активные вещества, которые выделяются в окружающую среду или внутрь клетки при приложении небольшого тока положительной или отрицательной полярности. Метод микроионофореза применяется для анализа химической природы передачи возбуждения, закономерностей обработки информации различного биологического качества, механизмов интеграции клеток и т. д.

Макроэлектродный способ регистрации биопотенциалов

используется при регистрации биоэлектрической активности сердца, нейронов, нервных проводников, скелетных или гладких мышц. Макроэлектроды могут быть пластинчатыми, игольчатыми и других

24

форм, имеют значительную площадь, располагаются на поверхности тела, исследуемой ткани или органа. Особенности макроэлектродных исследований биопотенциалов в зависимости от исследуемой физиологической системы или органа рассмотрены в соответствующих разделах данного учебного пособия.

1.5.Контрольные вопросы

1.Как возникает разность потенциалов между наружной и внутренней сторонами мембраны клеток возбудимых тканей?

2.Какие изменения свойств мембраны происходят при действии на клетку раздражения и каковы последствия этих изменений?

3.В чем заключаются технические сложности регистрации биопотенциалов?

4.Чем вызвана необходимость применения усилителей при регистрации биоэлектрической активности?

5.Какие конструкции электродов используют для регистрации потенциала покоя и потенциала действия?

6.Каковы технические особенности выполнения микроэлектродных исследований? В каких случаях целесообразно их применение?

7.В каких случаях для регистрации биопотенциалов можно использовать макроэлектроды?

Список литературы к главе 1

1.Антонов В.Ф. Практикум по биофизике / В.Ф. Антонов. – М.:

Владос, 2001. –352 с.

2.Биофизика: учеб. для вузов / под ред. проф. В.Ф. Антонова. –

М.: Владос, 2003.

3.Рубин А Б. Биофизика / А.Б. Рубин. – М.: Книжный дом

«Университет», 1999–2000. Т. 1–2.

4.Физиология человека: учеб. для студентов мед. вузов / под ред. В.М. Смирнова. – М.: Медицина, 2001.

25

Глава 2 ЛУЧЕВЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ЭНДОСКОПИЯ

2.1. История лучевой диагностики

Лучевая диагностика – это комплекс диагностических средств, включающий рентген, компьютерную томографию, радиоизотопные методы, магниторезонансную томографию, ультразвуковые исследования, тепловидение [1–6, 9, 11, 13–19].

Родоначальник лучевой диагностики – рентгеновский метод, появился после открытия в 1895 году рентгеновского излучения, что дало начало развитию новой медицинской науке – рентгенологии. Первыми объектами исследования были костная система и органы дыхания.

В1921 году была разработана методика рентгенографии на заданной глубине – послойно, и в практику широко вошла томография, значительно обогатившая диагностику. Новые возможности появились благодаря контрастированию полых органов (сначала органов желудочно-кишечного тракта путем введения взвеси сернокислого бария, а затем сосудистой и мочевой системы путем введения жидких контрастных веществ).

Возможность рентгеновского исследования сосудов позволила расширить и усложнить круг оперативных вмешательств (от замены части периферического сосуда различными трансплантатами с целью восстановления кровотока до аортокоронарного шунтирования, которому обязательно предшествует коронарокардиография). Кроме того, рентгеновское исследование сосудов дало толчок развитию нового направления – рентгенохирургии, когда под контролем рентгеновского экрана производится расширение суженного участка сосуда, удаление атеросклеротических бляшек.

На глазах одного поколения в течение 20–30 лет рентгенология вышла из темных кабинетов, изображение с экранов перешло на телемониторы, а затем трансформировалось в цифровое на мониторе компьютера.

В70–80- е годы в лучевой диагностике происходят революционные преобразования. В практику внедряются новые методы по-

26

лучения изображения. Этот этап характеризуется переходом от одного вида излучения (рентгеновского), применяемого для получения изображения, к другим: ультразвуковому излучению, длинноволновому электромагнитному излучению инфракрасного диапазона (термографии), излучению радиочастотного диапазона (ЯМР – ядерно-магнитный резонанс), использованием ЭВМ для обработки сигналов и построения изображения. Происходит переход от одномоментного изображения к сканированию (последовательная регистрация сигналов от разных точек).

Ультразвуковой метод исследования пришел в медицину значительно позже рентгеновского, но развивался еще стремительнее и стал незаменимым благодаря своей простоте, отсутствию противопоказаний вследствие безвредности для пациента и большой информативности. За короткое время был пройден путь от серошкального сканирования до методик с цветным изображением и возможностью изучения сосудистого русла – допплерографии. Следует отметить, что все диагностические методы развивались параллельно, в чем-то соперничая, иногда вытесняя, но чаще дополняя друг друга. По признанию многих специалистов у каждого метода есть свои разрешающие способности и свои пределы. Наилучший эффект дает комплексное использование методов диагностики.

2.2. Рентгенологические методы исследования

Рентгеновское излучение – электромагнитные волны, энергия фотонов которых лежит на энергетической шкале между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением, что соответствует длинам волн от 10−4 до 102 Å ( от 10−14 до 10−8 м). Это излучение обладает свойством проникать через предметы и тела, не пропускающие видимый свет [1, 10, 18].

2.2.1. История открытия

Открытие рентгеновского излучения приписывается Вильгельму Конраду Рентгену. Он был первым, кто опубликовал статью о рентгеновских лучах, которые он назвал икс-лучами (x-ray). Статья Рентгена под названием «О новом типе лучей» была опублико-

27

вана 28 декабря 1895 года в журнале Вюрцбургского физикомедицинского общества. Считается, однако, доказанным, что рентгеновские лучи были уже получены до этого. Катодолучевая трубка, которую Рентген использовал в своих экспериментах, была разработана Й. Хитторфом и В. Круксом. При работе этой трубки возникают рентгеновские лучи. Это было показано в экспериментах Крукса и с 1892 года в экспериментах Генриха Герца и его ученика Филиппа Ленарда через почернение фотопластинок. Однако никто из них не осознал значения сделанного ими открытия и не опубликовал своих результатов. По этой причине Рентген не знал о сделанных до него открытиях и, независимо, при наблюдении флюоресценции, возникающей при работе катодолучевой трубки, открыл лучи, названные впоследствии его именем.

Имеются сведения, что за 11 лет до Рентгена директор Бакинского реального училища Евгений Каменский описал лучи, обладающие фотохимическим действием. Секретарем Бакинского фотографического кружка Мишона производились даже опыты в области фотографии, аналогичные рентгеновым. К сожалению, сообщение об этом было опубликовано только в 1896 году в журнале «Природа и люди» № 28. За 10 лет до опубликования Рентгеном своего открытия разрядами в вакуумных трубках начал интересоваться русский профессор Иван Павлович Пулюй. Он заметил, что эти лучи проникают через непрозрачные предметы и засвечивают фотопластинки. В 1890 году им были получены фотографии скелета лягушки и детской руки и даже опубликованы в европейских журналах. Однако дальнейшим изучением лучей и получением патента он не занимался. Как тогда казалось, более важным было строительство электростанции в Австро-Венгрии. По его словам, он показывал эти снимки Рентгену. Забыл ли об этом великий ученый или умолчал, не желая ни с кем делиться первенством своего открытия, мы об этом никогда не узнаем, поскольку свой архив Рентген завещал сжечь после его смерти. Но факт остается фактом – в России икслучами стали заниматься задолго до Рентгена.

Рентген занимался Х-лучами немногим более года (с 8 ноября 1895 года по март 1897 года) и опубликовал о них три статьи, в которых было исчерпывающее описание новых лучей. Сотни работ

28

ские лучи». В некоторых странах осталось старое название – X-лучи.

В России лучи стали называть «рентгеновскими» по инициативе ученика В.К. Рентгена – Абрама Федоровича Иоффе. Позднее, в 1912 г., Ф. Лауж установил, что рентгеновские лучи являются электромагнитными колебаниями с длиной волны от 725 до 0,1 Ǻ.

Вооруженная мощной вычислительной техникой и обогащенная новыми методами рентгеновская лучевая диагностика остается одним из лидеров диагностической медицины.

2.2.2. Получение рентгеновских лучей, их биологическое действие, регистрация, области применения

Рентгеновские лучи возникают при сильном ускорении заряженных частиц (тормозное излучение) либо при высокоэнергетичных переходах в электронных оболочках атомов или молекул. Оба эффекта используются в рентгеновских трубках.

29

Рентгеновская трубка – устройство для получения рентгеновских лучей. Состоит из стеклянного или металлического корпуса, из которого откачан воздух. Внутри корпуса находятся катод и анод (антикатод), которые включены в цепь высокого напряжения. Катод служит источником электронов, а анод – источником рентгеновских лучей.

В трубке электроны, испущенные катодом, ускоряются под действием разности электрических потенциалов между анодом и катодом и ударяются об анод, где они резко тормозятся и в то же время выбивают электроны из внутренних электронных оболочек атомов анода. При этом испускается рентгеновское излучение с характерным для материала анода спектром энергий. Пустые места в оболочках занимаются другими электронами атома. В настоящее время аноды изготавливаются главным образом из керамики, причём та их часть, куда ударяют электроны, — из молибдена.

В процессе ускорения-торможения лишь около 1 % кинетической энергии электрона идёт на рентгеновское излучение, 99 % энергии превращается в тепло, поэтому совершенно необходимо охлаждение трубки.

Биологическое действие рентгеновского излучения. Рентге-

новское излучение является ионизирующим и определенная его доза, проходя через ткани, оказывает вредное воздействие. Считается, что поражение прямо пропорционально поглощенной дозе излучения. Рентгеновское излучение является мутагенным фактором, поэтому при работе с рентгеновской аппаратурой необходима специальная защита (экранировка), и к ней допускаются лица, получившие специальную подготовку (рентгенологи). Описание методик работы с такой аппаратурой дано в специальных курсах рентгенологии.

Регистрация. Рентгеновские лучи способны вызывать у некоторых веществ свечение (флюоресценцию). Этот эффект используется в медицинской диагностике при рентгеноскопии (наблюдение изображения на флюоресцирующем экране) и рентгеновской съёмке (рентгенографии). Медицинские фотоплёнки содержат флюоресцирующий слой, который светится при облучении рентгеновским излучением и засвечивает светочувствительную фотоэмульсию (этот

30