Физические основы электрокардиографии

Общие сведения

ВВЕДЕНИЕ

Современная функциональная диагностика располагает самыми различными инструментальными методами исследования. Некоторые из них доступны только узкому кругу специалистов. Самым распространенным и доступным методом исследования является электрокардиография, используемая в основном в кардиологии. Однако она с успехом применяется и при исследовании больных с заболеваниями легких, почек, печени, эндокринных желез, системы крови, а также в педиатрии, гериатрии, онкологии, спортивной медицине и т. д. Ежегодно производят десятки миллионов электрокардиографических исследований. Этот метод в настоящее время стал достоянием широкого круга врачей – не только специалистов, занимающихся функциональной диагностикой, но и кардиологов, терапевтов, педиатров, спортивных врачей, физиологов и т. д.

Медицинскую практику можно представить как многоэтапный многократно повторяющийся лечебно-диагностический процесс, целью которого является выявление симптомов заболевания и устранение их причин. Одним из важных моментов этапа сбора данных о состоянии здоровья пациента является снятие и анализ электрокардиограммы (ЭКГ). Существует большая гамма приборов для снятия, а в ряде приборов и анализа, ЭКГ. Следует отметить, что особенно эффективное использование медицинской аппаратуры на современном этапе стало возможно благодаря появлению микрокомпьютеров, поскольку приборы на основе микро-ЭВМ способны производить сложную математическую обработку данных. Кроме того, такие приборы позволяют представить большой объём информации различной степени сложности в ясной и доступной для медицинского персонала форме, что является непременным условием для быстрого принятия необходимых решений.

Электрокардиография — методика регистрации и исследования электрических полей, образующихся при работе сердца. Электрокардиография представляет собой относительно недорогой, но ценный метод электрофизиологической инструментальной диагностики в кардиологии.

Прямым результатом электрокардиографии является получение электрокардиограммы (ЭКГ) — графического представления разности потенциалов возникающих в результате работы сердца и проводящихся на поверхность тела. На ЭКГ отражается усреднение всех векторов потенциалов действия, возникающих в определённый момент работы сердца.

ОПИСАНИЕ ПЛАНА ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ СНЯТИЯ ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАММЫ

Основным инструментом исследования динамики развития сердечно-сосудистых заболеваний является электрокардиограф, так как он позволяет изучать сердечную деятельность пациента в любых условиях без проникновения непосредственно в область сердца, т.е. неинвазивным путём.

При помощи электрокардиографа можно:

• определить частоту сердечных сокращений и таким образом, своевременно выявлять любые нарушения ритма сердца;

• обнаруживать нарушения электрической проводимости сердца (типичная диагностика), которые могут приводить к снижению его насосной функции и даже к ее полному прекращению;

• выявлять дефекты или повреждения в сердечной мышце, вызванные хроническим или острым заболеванием.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭДЕКТРОКАРДИОГРАФИИ

Живые ткани являются источником электрических потенциалов (биопотенциалов).

Регистрация биопотенциалов тканей и органов с диагностической (исследовательской) целью получила название электрокардиографии. Такой общий термин употребляется сравнительно редко, более распространены конкретные названия соответствующих диагностических методов;

-электрокардиография (ЭКГ)-регистрация биопотенциалов, возникающих в сердечной мышце при ее возбуждении

-электромиграфия-метод регистрации биоэлектрической активности мышц

-электроэнцефалография (ЭЭГ)-метод регистрации биоэлектрической активности головного мозга и др.

В большинстве случаев биопотенциалы снимаются электродами не непосредственно с органа (сердце, головной мозг), а с других соединительных тканей, в которых электрические поля этим органом создаются. В клиническом отношении это существенно упрощает саму процедуру регистрации, делая ее безопасной и несложной.

Физический подход к электрографии заключается в создании (выборе) модели электрического генератора, которая соответствует картине «сжимаемых» потенциалов. В связи с этим здесь возникают 2 фундаментальные теоретические задачи:

-расчет потенциала в области измерения по заданным характеристик электрического генератора (модели)-прямая задача

-расчет характеристик электрического генератора по измеренному потенциалу-обратная задача

Дальнейшие конкретные рассмотрения физических вопросов электрокардиграфии сделаны на примере электрокардиографии.

Одной из основных задач теоретической электрокардиографии является вычисление распределения трансмембранного потенциала клеток сердечных мышц по потенциалам, измеренным вне сердца. Однако даже чисто теоретически такую задачу решить невозможно, так как одно и то же «внешнее» проявление биопотенциалов сердца будет при разном «внутреннем» их распределении.

Физический (биофизический) подход к выяснению связи между биопотенциалами сердца и их внешним проявлении заключается в моделировании источников этих биопотенциалов.

Все сердце в электрическом отношении представляется как некоторый эквивалентный электрический генератор либо чисто умозрительно (гипотетически), либо в виде реального устройства. Как совокупность электрических источников в проводнике, имеющем форму человеческого тела. На поверхности проводника при функционировании эквивалентного электрического генератора будет электрическое напряжение, которое в процессе сердечной деятельности возникает на поверхности тела человека. Предполагают, что среда, окружающая сердце, безгранична и однородна с удельной электрической проводимостью «гамма»

В этом случае для потенциала в некоторой точке можно записать формулу . При больших значениях r можно ограничиться дипольным приближением и использовать формулу для потенциала поля диполя.

Это означает, что в мультипольном эквивалентном генераторе сердца основная часть в потенциал на поверхности тела человека вносится его дипольный составляющей. Иначе говоря, моделировать электрическую деятельность сердца вполне допустимо, если использовать дипольный эквивалент электрический генератор.

Дипольное представление о сердце лежит в основе теории отведений Эйнтховена. Согласно ей, сердце есть диполь с дипольным моментом р , который поворачивается, изменяет свое положение и точку приложения (изменением точки приложения этого вектора часто пренебрегают) за время сердечного цикла.

На рисунке 12.15 показаны положения вектора р и эквипотенциальных линий для момента времени, когда дипольный момент максимален; это соответствует «зубцу» R на электрокардиограмме.

В таблице приведены значения максимального дипольного момента сердца для человека и некоторых животных, они сопоставляются с массами сердца и тела.

Объект	Масса сердца, г	Масса тела, кг	Максимальный дипольный момент сердца, мА*см
Лягушка	0,16	0,036	0,005
Крыса	1,10	0,277	0,107
Собака	108	14,2	1,63
Человек	300	71,5	2,32
Лошадь	3060	419	13,0

В. Эйнтховен предложил снимать разности биопотенциалов сердца между вершинами равностороннего треугольника, которые приближенно расположены в правой руке (ПP), левой руки (ЛР) и левой ноге (ЛН).

На рисунке 12.16 (б) схематически изображен этот треугольник

По терминологии физиологов, разность биопотенциалов, регистрируемая между двумя точками тела, называется отведением.

Различают I отведение (правая рука-левая рука), II отведение (правая рука-левая нога) и III отведение (левая рука-левая нога), соответствующие разностям потенциалов UI, UII и UIII. По Эйнтховену, сердце расположено в центре треугольника. Отведения позволяют определить по формуле 12,31 соотношение между проекциями электрического момента сердца на стороны треугольника.

Так как электрический момент диполя-сердца-изменяется со временем, то в отведениях будут получены временные зависимости напряжения, которые называют электрокардиограмма.

На рисунке показана нормальная электрокардиограмма человек в одном из отведений.

Электрокардиограмма не дает представления о пространственной ориентации вектора р . Однако для диагностических целей такя информация важна. В связи с этим применяют метод пространственного исследования электрического поля сердца, называемый ветор-кардиографией.

Вектор-кардиограмма-геометическое место точек, соответствующих концу вектора р , положение которого изменяется за время сердечного цикла.

Проекция вектор-кардиограммы на плоскость, например на фронтальную, может быть практически получена сложением напряжений двух взаимно перпендикулярных отведений.

На рисунке 12.18 показано такое сложенение с использованием электронного осциллографа, на экране которого наблюдается кривая В. По форме этой кривой делают диагностические выводы.

Большую работу по моделированию электрической активности сердца проделал Л.И. Титомир.

ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В СЕРДЦЕ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ИЗОЛИРОВАННОЙ КЛЕТКЕ МИОКАРДА

Электрическая активность сердца является результатом циклического передвижения ионов в клетках и межклеточной жидкости миокарда. Ионы, несущие положительный заряд, называются катионами. К ним относятся катионы калия (К+), натрия (Na+), кальция (Ca2+) и др. Отрицательно заряженные ионы называются анионами. К ним относятся анионы хлора (Cl-) угольной кислоты (HCO3-) и др.

Каждая клетка миокарда представляет собой сложный комплекс органических и неорганических веществ, заключенных в полупроницаемую мембрану. Мембрана обладает способностью пропускать внутрь клетки и в противоположном направлении ионы, что создает условия для поддержания постоянства ионного состава. Этот процесс регулируется специальным внутри- и внеклеточным механизмом. Так, внутри клетки концентрация катионов калия в 30 - 35 раз выше, чем в межклеточной жидкости, и, наоборот, концентрация катионов натрия в межклеточной жидкости в 10 - 20 раз больше, чем в клетке.

В связи с такой разницей концентраций ионы К+ стремятся выйти из клетки, а ионы Na+войти в нее.

В состоянии покоя клеточная мембрана остается проницаемой только для ионов К+. В определенных количествах он выходит из клетки, что создает условия для образованияна наружной поверхности клетки положительного электрического заряда. Этот заряд препятствует дальнейшему выходу ионов К+ из клетки (так как одноименные заряды отталкиваются). В связи с выходом наружу ионов К+ в клетке наступает относительное увеличение анионов (Cl-, HCO3- и др.), и внутренняя сторона мембраны приобретает отрицательный заряд. Клетка становится поляризованной.

Равновесие противоположных зарядов внешней и внутренней сторон мембраны клетки называется статической поляризацией. Если подвести к противоположным сторонам мембраны электроды, то в замкнутой цепи появляется электрический ток. Разность потенциалов составляет 90 мВ. Этот потенциал поляризованной клетки называют потенциалом покоя.

Во время возбуждения клетки записывается потенциал действия. Он имеет форму быстро нарастающей и постепенно снижающейся монофазной кривой. В ней принято различать отдельные фазы: фазе деполяризации соответствует круто нарастающий участок кривой, в фазе реполяризации 3 периода - ранней быстрой реполяризации, длительной медленной реполяризации, конечной быстрой реполяризации. Клетка в период деполяризации и большей части реполяризации находится в состоянии рефрактерности и не отвечает на раздражения.

При возбуждении клетки проницаемость ее мембраны для разных ионов увеличивается. Прежде всего происходит быстрое и значительное нарастание проницаемости для ионов натрия; положительно заряженные ионы натрия в силу градиента концентрации проникают внутрь клетки через «быстрые» каналы клеточной мембраны и вызывают изменение полярности зарядов на внутренней и наружной ее поверхностях - деполяризация. При этом положительный полюс регистрирующей системы получает положительный (больший) заряд, тогда как на отрицательный полюс подается отрицательный (меньший) заряд наружной поверхности мембраны. Такое быстрое перераспределение зарядов вызывает крутое отклонение записи вверх, превышающее нулевую линию.

Вслед за короткой фазой деполяризации начинается длительный период реполяризации - постепенного уменьшения величины отрицательного заряда на поверхности клеточной мембраны, а затем восстановлением на ней положительного потенциала покоя. Процесс реполяризации протекает с различной скоростью и разделяется на несколько фаз. I фаза потенциала действия - быстрая начальная реполяризация, обусловленная проникновением в клетку отрицательно заряженных ионов хлора, которые уменьшают положительный потенциал внутренней поверхности клеточной мембраны. фаза потенциала действия значительно более продолжительная, характеризующаяся очень небольшими изменениями зарядов клеточной мембраны (продолжающееся поступление в клетку через «медленные» каналы мембраны положительных ионов натрия и кальция почти уравновешивается выходом из клетки положительных ионов калия). Поэтому II фаза потенциала действия (фаза медленной реполяризации) регистрируется в виде медленно снижающегося «плато». III фаза потенциала действия (конечная реполяризация) отражает происходящую инактивацию потоков входивших в клетку положительных ионов натрия и кальция при одновременном усилении потока выходящих из клетки положительных ионов калия, что вызывает нарастание отрицательного заряда внутренней поверхности клеточной мембраны и увеличение положительного заряда наружной поверхности клеточной мембраны. Во время III фазы регистрируется сравнительно быстрое снижение кривой записи к исходному уровню потенциала покоя (восстанавливается статическая поляризация клетки в состоянии ее покоя). После окончания процессов реполяризации следует IV фаза, во время которой специальные ферментативные системы обеспечивают обратное перемещение ионов, которые происходят против концентрационных градиентов электролитов: избыток ионов натрия и кальция выводится из клетки, в то время как ионы калия возвращаются в клетку. Это создает готовность клетки к следующему возбуждению.

Моделью электрической активности отдельной клетки миокарда может быть представлен диполь - система, состоящая из двух равных по величине, но противоположных по знаку зарядов. Вокруг такой системы, помещенной в среду, обладающую электропроводностью, возникает электрическое поле, каждая точка в котором имеет потенциал определенной величины и полярности. Между отрицательным и положительным зарядом диполя проходит нулевая изопотенциальная линия, на которой влияние положительного и отрицательного зарядов уравновешено и величина потенциала равна нулю. Эта линия разделяет электрическое поле на две половины - положительную (все точки которой имеют положительные потенциалы) и отрицательную (все точки которой имеют отрицательные потенциалы).

Электрический диполь характеризуется разностью потенциалов, т.е. он создает электродвижущую силу, которая может выражаться векторной величиной. Вектор диполя изображается в виде отрезка прямой линии со стрелкой. Длина вектора отражает величину разности потенциалов диполя, а стрелка указывает направление электродвижущей силы: начало вектора соответствует отрицательному заряду, а конец со стрелкой направлению в сторону положительного заряда.

При одновременном существовании нескольких диполей их электродвижущие силы взаимодействуют по закону сложения векторов, параллельные векторы суммируются как алгебраические величины. Направленные под углом друг к другу векторы складываются путем совмещения их начала в одну точку и построения параллелограмма; диагональ такого параллелограмма является результирующим вектором, который называется «электрической осью сердца».

ЭЛЕТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В СЕРДЕЧНОЙ МЫШЦЕ

На поверхности мышечного волокна, находящегося в состоянии покоя, разности потенциалов нет (ток покоя можно зарегистрировать только с помощью внутриклеточного электрода). При подключении к противоположным концам клетки гальванометра стрелка его отклоняться не будет, запишется прямая линия - изоэлектрическая линия. При возбуждении, деполяризации, возбужденные участки становятся электроотрицательными, а невозбужденные - сохраняют положительный заряд. Если дифферентный электрод обращен к положительному заряду диполя, то регистрируется отклонение кривой вверх от изолинии. Если дифферентный электрод обращен к отрицательному заряду - отклонение вниз. Амплитуда зубца увеличивается по мере распространения возбуждения в клетке. Когда вся клетка возбудилась, вся ее наружная поверхность приобрела отрицательный заряд, разность потенциалов исчезла, вновь начинает записываться изоэлектрическая линия. При выходе из возбуждения, реполяризации, вновь возникает разность потенциалов между уже вышедшими и заряженными положительно участками и еще возбужденными, отрицательно заряженными участками. Это сопровождается появлением следующего зубца. Направление записи этого зубца зависит от того, какие участки прилежат к электроду: еще возбужденные - отрицательный зубец, уже вышедшие из возбуждения - положительный. Полный выход из состояния возбуждения приводит к поляризации клетки, вся наружная поверхность ее мембраны заряжена положительно, разности потенциалов нет, и вновь записывается изоэлектрическая линия.

Итак, в период распространения возбуждения клетка миокарда имеет два противоположно заряженных полюса и является как бы маленьким генератором электрического тока.

Поверхность желудочков сердца можно рассматривать как обширную поляризованную мембрану, охватывающую единую огромную клетку. Закономерно меняющиеся во время возбуждения сердца величина и направление электрических потенциалов сердца сопровождаются изменением потенциалов и на поверхности тела человека. Ориентация электрических зарядов в тканях тела подчиняется общим законам соответственно сердечного суммарному диполю.

В основном процессе возбуждения электрическая ось сердца направлена влево вниз - от отрицательного полюса к положительному. Поэтому с поверхности тела всегда можно зарегистрировать разность потенциалов от различных пунктов электрического поля сердца.