Модуль 2. Магнитные свойства тканей и окружающей среды

ЗАНЯТИЕ 2.1

ТЕМА: «ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАФИЯ»

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

Значение темы в системе знаний врача: Регистрация электрической активности органов и тканей (электрография) является объективным методом исследования деятельности различных органов. Особое значение для диагностики и контроля над ходом лечения различных сердечных патологий имеет электрокардиография. Соответственно, врач должен иметь чёткие представления об электрокардиографии, уметь регистрировать ЭКГ.

Цель работы: Усвоение материала о принципах регистрации электрической активности сердечной мышцы. Познакомиться с устройством и принципом действия работы электрокардиографа.

Студент должен знать:

Определение понятия электрокардиограммы, её основные зубцы и их происхождение.

Схему электрического поля по Уоллеру. Современные представления о модели генератора электрического поля сердца.

Понятие об электрокардиографических отведениях (виды).

Блок – схема электрокардиографа с микропроцессором (МП) и без МП.

Виды регистрирующих устройств.

Студент должен уметь:

Накладывать электроды на поверхность тела человека по различным схемам электрокардиографических отведений

Снимать электрокардиограмму в стандартных отведениях.

Рассчитывать амплитуду зубцов

Строить треугольник Эйнтховена

Рассчитывать частоту сердечных сокращений (ЧСС).

Краткая теория.

Электрокардиограмма - это периодически повторяющаяся кривая, которая отображает изменение во времени разности электрических потенциалов между двумя точками на поверхности тела человека, возникновение которых обусловлено распространением процесса возбуждения в сердечной мышце (рис.1).

Возникновение зубцов обусловлено возбуждением различных отделов сердца. Зубец Р – возбуждением предсердий, Q – межжелудочковой перегородки, R – верхушки сердца, S – основания желудочков, Т – процессами реполяризации в сердечной мышце. U – непостоянен, связан с остаточной реполяризацией.

Схематическое изображение электрического поля сердца (схема Уоллера).

Сердце представляет собой генератор электрического поля. Параметры этого поля меняются в зависимости от того, какие отделы сердца охвачены процессом возбуждения. В результате меняется разность потенциалов на поверхности тела человека, поскольку точки, между которыми регистрируется разность потенциалов, будут находиться в электрическом поле сердца. В соответствии с современными представлениями, модель электрического генератора сердца – это совокупность большого количества элементарных токовых диполей, которыми являются волокна сердечной мышцы, т.е. генератор электрического поля сердца, представляет собой мультиполь, суммарный электрический вектор которого меняется в зависимости от распространения процесса возбуждения по сердечной мышце. На рис.2 представлена схема электрического поля сердца по Уоллеру.

Электрокардиографические отведения

Для регистрации электрической активности сердечной мышцы необходимо отвести разность потенциалов с поверхности тела человека. Для этой цели используются электроды – металлические пластинки, накладываемые определённым образом на поверхность тела человека. Способ наложения электродов называется электрокардиографическим отведением.

Существует несколько видов электрокардиографических отведений:

Стандартные отведения (предложил голландский физиолог (W.Einthoven). Это биполярные отведения, поскольку оба электрода являются активными. Их электрические потенциалы изменяются относительно потенциала земли во время распространения процесса возбуждения по сердечной мышце. Обозначаются цифрами I, II, III и накладываются следующим образом:

На правую ногу накладывают электрод, который всегда заземляется.

Усиленные отведения (E.Goldberger – 1942г.) – это униполярные отведения, поскольку активным является один электрод, потенциал которого меняется относительно потенциала земли. Существует три усиленных отведения:

где буква “a” – сокращение от “augmented” – усиленный,

“V” – “Voltage”, “R” – “Right”, “L” – “Left”, “F” – “Foot”.

Один электрод, накладываемый на правую или левую руку или левую ногу, является активным. Его потенциал меняется в процессе возбуждения сердечной мышцы относительно индифферентного электрода. Остальные электроды объединяют в одной точке и заземляют. Они и образуют индифферентный электрод.

Грудные отведения (F.Wilson – 1930г.) – униполярные.

В основном используют шесть грудных отведений – V1-V6, где активный электрод располагают на поверхности грудной клетки, а электроды, расположенные на конечностях, образуют индифферентный электрод:

V1 – четвёртое межреберье справа от грудины;

V2 – четвёртое межреберье слева от грудины;

V3 – на половине расстояния между электродами V2,V4;

V4 – в пятом межреберье по среднеключичной линии;

V5 – по той же горизонтали, что и V4, но по передней подмышечной линии;

V6 – по той же горизонтали, что V4, V5, но по задней подмышечной линии. На рис.4 показано расположение электродов при грудных отведениях.

Блок – схема электрокардиографа с микропроцессором

1 – электроды;

2 – коммутатор электрокардиографических отведений, который позволяет подключать на вход усилителя биопотенциалов электроды, соединённые по схемам различных электрокардиографических отведений;

3 – дифференциальный усилитель биопотенциалов (коэффициент режекции Н  1000);

4 – блок калибровочного сигнала (генерирует прямоугольные импульсы с амплитудой 1мВ);

5 – регистрирующее устройство;

АЦП – аналогоцифровой преобразователь;

МП – микропроцессор;

Д – дисплей.

В современных приборах для обработки биоэлектрической активности сердечной мышцы используются микропроцессоры. По сути дела, это электрокардиограф и микроЭВМ.

Для обработки информации с помощью МП необходимо преобразовать аналоговую информацию, представленную колебаниями электрического тока или напряжения (усиленные потенциалы сердечной мышцы) в цифровой двоичный код. Двоичный код вводится непосредственно в микропроцессор. Обычные МП оснащаются программным обеспечением, позволяющим провести рутинную обработку ЭКГ – расчёт длительности интервалов, амплитуды зубцов, ширину различных комплексов, стандартных показателей по данным ЭКГ. Значительные трудности составляет машинная обработка информации по распознаванию нарушений формы ЭКГ, что требует создания высокотехнологичных программ, использующих основы современной булевой логики и математические модели распознавания образцов.

Блок – схема электрокардиографа без микропроцессора

– электроды;

– коммутатор электрокардиографических отведений, который позволяет подключать на вход дифференциального усилителя электроды, соединённые по схемам различных ЭКГ - отведений;

– дифференциальный усилитель биопотенциалов (коэффициент режекции Н  1000);

– блок калибровочного сигнала (генерирует прямоугольные импульсы с амплитудой 1мВ);

– регистрирующее устройство;

Дифференциальный усилитель биопотенциалов электрокардиографе

В приборах для регистрации биопотенциалов используются дифференциальные усилители электрических сигналов, поскольку на входную цепь усилителя воздействует не только полезный (биопотенциалы), но и паразитный сигнал. Возникновение паразитного сигнала во многом обусловлено наведением электрических токов в теле пациента и в проводниках, соединяющих электроды с входом регистрирующего прибора. Поэтому тело пациента и электрические проводники находятся в переменном электромагнитном поле, возникновение которого обусловлено переменным электрическим током промышленной частоты 50 Гц.

В ряде случаев амплитуда паразитных сигналов может составлять несколько вольт (В), а амплитуда биопотенциалов составляет несколько милливольт (мВ), что приводит к значительным искажениям выходного сигнала или невозможности регистрации биопотенциалов. Использование дифференциальных усилителей электрических сигналов позволяет решить эту проблему. На рис.7 представлена блок-схема дифференциального усилителя биопотенциалов.

Рис.7. Блок-схема дифференциального усилителя.

Дифференциальный усилитель состоит из двух усилителей 1 (А) и 2 (В), у которых один из входов заземлён, а на второй вход подаётся регистрируемая разность потенциалов U_x.

Полезный сигнал U_x называют противофазным сигналом, поскольку при его воздействии потенциалы незаземлённых входов усилителей А и В меняются в противофазе. Одновременно на входы усилителей воздействует паразитный сигнал U_s, который называют синфазным, т.к. он меняет потенциалы незаземлённых входов усилителей А и В синфазно.

Следовательно, при действии на вход усилителя противофазного сигнала на входе получаем усиленный сигнал (рис.8, а). При воздействии синфазного сигнала разность потенциалов на выходе равна 0 (рис.8, б). Таким образом, дифференциальный усилитель позволяет выделять и усиливать полезный сигнал и подавлять сигнал помехи.

Для качественной работы дифференциального усилителя усилители 1(А) и 2(В) должны быть идентичны по своим параметрам.

Рис.8 Изменение потенциала на входах и выходе дифференциального усилителя:

а) при воздействии противофазного сигнала.

б) при воздействии синфазного сигнала.

Параметры дифференциальных усилителей:

Коэффициент режекции:

А – коэффициент передачи (усиления) противофазного сигнала

В – коэффициент показывающий, какая часть входного синфазного сигнала преобразовалась на выходе в противофазный сигнал.

Коэффициент дискриминации:

С – коэффициент передачи (усиления) синфазного сигнала.

В случае идеального усилителя: В0, Н.

Для дифференциальных усилителей электрокардиографов минимальный Н1000, для усилителей электроэнцефалографов Н10000 (так как амплитуда биопотенциалов головного мозга меньше амплитуды потенциалов сердечной мышцы). F обычно 1.

Регистрирующие устройства электрокардиографов

Усиленный сигнал с выхода усилителя поступает на регистрирующее устройство, которое представляет собой электромеханический преобразователь, преобразующий колебания электрического тока в перемещение механического пера. Различают несколько типов регистрирующих устройств:

Магнитоэлектрический вибратор (рис.9) имеет мощный постоянный магнит - 1, в поле которого находится механически связанная с пишущим пером (3) катушка - 2. При пропускании через катушку тока с выхода усилителя создаётся переменное магнитное поле, которое, взаимодействуя с магнитным полем постоянного магнита, заставляет катушку отклоняться от первоначального положения. Регистраторы, построенные по такому принципу, позволяют регистрировать частоты в полосе до 100 Гц.

Более широкое распространение в клинике получили электромагнитные вибраторы. Подвижная часть таких вибраторов выполняется не в виде катушки, а в виде полоски магнитного материала, которая вращается вокруг своей оси под влиянием суммарного действия двух магнитных полей: постоянного, создаваемого постоянными магнитами, и переменного, создаваемого неподвижными катушками.

Электромагнитные вибраторы отличаются относительно малыми габаритами, потребляют небольшой ток и позволяют регистрировать сигналы с частотой до 150 Гц. Они используются в чернилопишущих перьевых регистраторах и в регистраторах с тепловой записью.

Перьевые регистраторы. Запись осуществляется с помощью чернил. Наивысшая частота регистрируемых колебаний при помощи таких регистраторов составляет 120-150 Гц, но обычно не превышает 100 Гц. Основным недостатком перьевых регистраторов являются радиальные искажения, т.к. перо совершает не возвратно-поступательное, а вращательное движение.

Тепловая запись осуществляется путём снятия слоя вещества с ленты-носителя. В этом случае лента представляет собой чёрную рулонную бумагу, покрытую с одной стороны слоем легкоплавкого вещества белого цвета. Запись осуществляется с помощью электромагнитного вибратора, на оси которого укреплена подогреваемая электрическим током игла. Тот факт, что игла касается ленты в месте её перегиба, позволяет производить запись без радиальных искажений. Качество тепловой записи получается довольно высоким. Одним из недостатков тепловой записи является чувствительность теплочувствительной бумаги к внешним механическим и температурным воздействиям.

Струйная запись позволяет намного расширить возможности видимой записи в части регистрации высокочастотных сигналов. При помощи струйных регистраторов можно записывать сигналы, частотный спектр которых достигает частот до 700 Гц. Это позволяет в клинике производить синхронную запись на одной ленте таких взаимосвязанных сигналов, как электрокардиограмма и фонокардиограмма.

На рис.8 приведено схематическое изображение струйного гальванометра. Это электромагнитный вибратор, через подвижный якорь которого вдоль оси проходит стеклянный капилляр - 2. Капилляр и якорь жёстко связаны между собой. При прохождении тока с выхода усилителя через обмотки электромагнита создаётся магнитное поле, которое поворачивает якорь и вместе с ним капилляр.

Как видно из рис.10, капилляр на конце изогнут под углом 90. Этот конец капилляра оканчивается соплом - 3 диаметром 0,01 мм. Другой конец капилляра соединён с резервуаром чернил, в котором поддерживается давление около 15 атм. Вылетая из сопла, чернила вычерчивают на движущейся бумажной ленте изменения силы тока, протекающего через обмотки электромагнита. При помощи струйных гальванометров получаются высококачественные электрокардиограммы без радиальных искажений. При помощи струйных регистраторов возможна запись процессов с наложением одной кривой на другую, что даёт дополнительные возможности при анализе и обработке записанных материалов.

Ход работы

Подготовка к работе:

Проверить, заземлён ли электрокардиограф.

Наложить на испытуемого электроды, подкладывая под них салфетки, смоченные 3 раствором NaCl. Испытуемый должен находиться на кушетке в горизонтальном положении в расслабленном состоянии. Обратить внимание на его неподвижность.

Записать калибровочный сигнал, выбрав усиление электрокардиографа, чтобы высота калибровочного сигнала была равна 10 мм (для удобства последующих расчётов).

Записать ЭКГ в трёх стандартных отведениях.

Наклеить полученную запись в лабораторную тетрадь, обозначить зубцы электрокардиограммы.

- зубец Р ,

- интервал PQ,

- комплекс QRS

- сегмент ST

- зубец Т

- зубец U (непостоянный)

1 – длительность  0,1 с

2 – длительность  0,12 с

3 – интервал PQ  0,2 с

4 – интервал QT зависит от частоты; при 70/мин 0,32 – 0,39 с.

Упражнение 1. Определение амплитуды зубцов.

Для определения амплитуды зубцов необходимо:

Найти высоту в мм калибровочного сигнала, амплитуда которого

равна 1мВ, и рассчитать цену 1мм по высоте в мВ.

, где A - амплитуда калибровочного сигнала; h - высота зубца в мм.

Рассчитать амплитуду зубцов Q, R, S в I, II и III стандартных отведениях по формуле:

,

где U- амплитуда в мВ.

Это выполнить легко, т.к. регистрация ЭКГ осуществляется на миллиметровой бумаге.

Найти алгебраическую сумму зубцов Q, R, S для каждого стандартного отведения: I, II и III

Результаты вычислений занести в таблицу №1.

Таблица №1

Упражнение 2. Построение треугольника Эйнтховена.

Согласно примеру, представленному на рис.12 постройте в тетради треугольник Эйнтховена, стороны которого, соответствуют I, II и III стандартным отведениям. (Стороны треугольника должны быть равны, например 6 см)

Начертить положение электрической оси сердца.

За начало электрической оси берётся точка нулевого потенциала, которая находится в месте пересечения высот равностороннего треугольника Эйнтховена, т.е. в центре треугольника. Каждая ось отведения делится пополам и выбирается масштаб построения (например, 1см соответствует 1мВ).

На стороны треугольника откладывается алгебраическая сумма зубцов Q, R, S. Если алгебраическая сумма амплитуд зубцов Q, R, S имеет положительное значение, тогда она откладывается на той половине оси отведения, которая соответствует положительному потенциалу. В случае отрицательного значения алгебраической суммы – построения выполняются на той части оси отведения, которая соответствует отрицательному потенциалу. Из конца отрезков, полученных при откладывании алгебраической суммы зубцов Q, R, S на стороны треугольника Эйнтховена восстанавливают перпендикуляры. В месте пересечения этих перпендикуляров находят положение конца вектора электрической оси сердца. Соединив точки начала и конца вектора, получают электрическую ось сердца.

Найти угол , который составляет электрическая ось сердца с осью

первого отведения:

,

где _II -алгебраическая сумма зубцов Q, R, S во втором отведении, _III- алгебраическая сумма зубцов Q, R, S в третьем отведении.

Расчёты:

Сделайте заключение о положении электрической оси сердца:

Упражнение 3. Определение частоты сердечных сокращений.

Рассчитать длительность интервала R-R в секундах по формуле:

,

где L - длина интервала в мм;

υ - скорость движения ленты в мм/с (25 мм/с или 50 мм/с).

Рассчитать частоту сердечных сокращений (ЧСС):

,

где Т - длительность интервала в секундах; 60- число секунд в 1 минуте.

Результаты вычислений занести в таблицу №2.

Таблица №2

По результатам выполненной работы записать вывод.

Литература:

Ремизов, А.Н. Медицинская и биологическая физика: учебник / А.Н. Ремизов. – М.: Дрофа, 2010

Ремизов, А. Н. Сборник задач по медицинской и биологической физике: учебное пособие / А.Н. Ремизов, А.Г. Максина. – М.: Дрофа, 2010.

Физика и биофизика. Практикум: учебное пособие для вузов / В.Ф. Антонов и др. – М. ГЭОТАР-Медиа, 2008

Фёдорова, В.Н., Фаустов, Е.В. Медицинская и биологическая физика: учебное пособие для вузов. Курс лекций с задачами. - М.ГЭОТАР-Медиа, 2009.

Водолазский "Основы техники клинической электрографии",1966.

Орлов "Руководство по электрокардиографии", 1984.

Мурашко, Струтынский “Электрокардиография”, 1991.

ЗАНЯТИЕ 2.2

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

ТЕМА: ФИЗИОТЕРАПИЯ. УВЧ-ТЕРАПИЯ

Цель занятия: Ознакомление с принципом действия аппарата для УВЧ-терапии; исследование пространственного распределения электрического поля УВЧ, а так же исследование теплового воздействия переменного электрического поля УВЧ на диэлектрики и электролиты.

Студент должен знать:

Понятие о физиотерапии. Разделы физиотерапии. Методы электролечения

Воздействие на органы и ткани организма человека переменным электромагнитным полем высокой частоты (индуктотермия).

Воздействие на органы и ткани организма человека переменным электромагнитным полем ультравысокой частоты (УВЧ-терапия).

Конструктивные особенности аппаратов для УВЧ-терапии и индуктотермии. Принцип работы двухтактного лампового генератора, применяемого в аппарате для УВЧ-терапии и индуктотермии.

Общие понятия медицинской электроники.

Основные группы электронных медицинских приборов и аппаратов.

Способы обеспечения безопасности при работе с электронной медицинской аппаратурой.

Студент должен уметь:

Обеспечивать условия для безопасности пациента при проведении УВЧ-терапии.

Объяснять принцип работы двухтактного лампового генератора, применяемого в аппарате для УВЧ-терапии.

С помощью дипольной антенны исследовать пространственное распределение электрического поля между электродами пациента.

Исследовать тепловое воздействие поля УВЧ на электролиты и диэлектрики.

Краткая теория

Физиотерапия

Воздействие переменным электромагнитным полем на организм человека для достижения лечебного эффекта следует отнести к методам физиотерапии (греческое physics–природа + therapy–лечение).

Физиотерапия - область медицины, изучающая действие на организм человека природных и искусственно создаваемых физических факторов и использующая эти факторы с лечебной и профилактической целями.

В физиотерапии выделяют разделы – электролечения, светолечения, механолечения, водолечения и теплового лечения.

Наибольшее число методов объединяет электролечение, они основываются на применение различных видов электрического тока: