БИОЛОГИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ И МЕХАНИЗМЫ ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРО-

МАГНИТНЫХ ФАКТОРОВ НА ОРГАНИЗМ

(Биофизические основы электро- и магнитотерапии)

В биосфере постоянно существуют и воздействуют на все живые организмы электромагнитные факторы: электрические, магнитные и электромагнитные поля, электрические токи и электрически заряженные частицы - аэроионы. В зависимости от частоты (длины волны) все электромагнитные поля подразделяются на следующие диапазоны:

длина волны

1. Радиоволны 10^-3 м <  < ,

2. Инфракрасное излучение 810^-7 м <  < 10^-3 м,

3. Оптическое излучение 410^-7 м <  < 810^-7 м,

4. Ультрафиолетовое излучение 510^-8 м <  < 410^-7 м,

5. Рентгеновское излучение 10^-12 м <  < 510^-8 м,

6. Гамма-излучение  < 10^-12 м,

Источником электромагнитных факторов служат физические процессы в атмосфере, в недрах Солнца, и Земли. В ходе эволюции живые организмы приспособились к электромагнитным воздействиям, а некоторые из них используются для биологических процессов. К примеру, оптическое излучение служит источником энергии для образования органических веществ в результате фотосинтеза, для получения информации из окружающей среды; инфракрасное излучение обеспечивает теплопотерю организма. Установлено, что для нормальной жизнедеятельности человека необходимо воздействие электрического и магнитного поля Земли, отрицательно заряженных аэроионов. Поэтому принято различать физиологическое воздействие электромагнитных факторов, которое необходимо живым организмам для нормальной жизнедеятельности.

Наряду с природными физическими полями в процессе развития техногенной цивилизации в биосфере появились электромагнитные поля антропогенного происхождения, созданные человеком в результате технологической деятельности. Источником этих полей являются антенны телевизионных и радиовещательных станций, технические установки на производстве, бытовая и медицинская радиоэлектронная техника. Интенсивность полей, генерируемых этими устройствами, на много порядков выше природных и при воздействии на организм человека они вызывают неблагоприятные изменения, а при некоторых условиях и развитие заболеваний. Поэтому принято говорить о патогенетическом воздействии электромагнитных факторов. К примеру, облучение человека коротковолновым электромагнитным полем (рентгеновским или гамма-излучением) приводит к развитию лучевой болезни.

Не следует полагать, что патогенным воздействием обладают только искусственно созданные поля. При резком изменении интенсивности природных электромагнитных факторов (повышении солнечной активности, развитии магнитных бурь в атмосфере) наблюдается целый ряд патологических реакций, особенно в ослабленных организмах. Как показали проведенные исследования, в такие периоды увеличивается число инфарктов миокарда, кровотечений при заболеваниях легких, повышается число аварий на транспорте (что свидетельствует о нарушении деятельности центральной нервной системы) и др.

Патогенные реакции наблюдаются не только в случае возрастания, но и при снижении интенсивности электромагнитного воздействия. Например, длительное нахождение человека в условиях экранирования от внешних электромагнитных факторов приводит к нарушению деятельности нервной системы.

Обнаруженные факты ставят перед медициной важную проблему разработать способы эффективной профилактики и лечения подобных патологических состояний.

Электромагнитные факторы широко применяются в медицине для лечения многих патологических состояний. На основании использования электрических и магнитных полей разработаны электро- и магнитотерапия, как часть общей физиотерапии (физического лечения). Кроме того, электрические воздействия (электрические токи и поля) применяются для управления реакциями органов и тканей в процессе электростимуляции. С помощью биотехнических систем - имплантируемых (вживляемых в организм) электрокардиостимуляторов, восстанавливают нарушенную ритмическую деятельность сердца.

В основе физиологических, патогенетических и терапевтических эффектов лежат физические закономерности, описывающие взаимодействие электрических магнитных и электромагнитных полей с биологическими системами. Понимание физиологического проявления электромагнитных полей, разработка надежных способов профилактики от их патогенетического действия, повышение эффективности электро- и магнитотерапии, обоснование доз физического воздействия, разработка новых способов физиотерапии требуют биофизического анализа механизмов взаимодействия с биологическими системами.

В зависимости от характера биологических эффектов принято различить специфическое и неспецифическое воздействие электрических полей и токов. Под неспецифическим воздействием понимают такое, которое наблюдается не только в биологических системах, но и в материальных телах неживой природы, обладающих такими же электрическими свойствами, как и ткани организма. Специфическое воздействием характеризуется тем, что оно вызывает биологические реакции, свойственные только живому организму. Например, при электрическом раздражении возникает сокращение мышц, генерация электрических импульсов в нервной ткани и др. Отметим, что специфическое воздействие используется для создания биотехнических систем, управляющих состоянием и реакциями живого организма.

НЕСПЕЦИФИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ПРИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

При неспецифическом воздействии электромагнитных факторов на организм в тканях происходит выделением тепла, количество которого описывается законом Джоуля - Ленца:

Q = I U t = U² t/R

(I - сила тока, U - приложенное напряжение, R - сопротивление проводника, t -время действия). Преобразуем последнее выражение, для чего выразим сопротивление R через его геометрические размеры (длину L, площадь сечения S) и удельное электрическое сопротивление :

R = L / S

Подставляя это выражение в закон Джоуля - Ленца и домножив на отношение L/L, получаем:

Q = (U² St/ L) L/L

Поскольку произведение SL представляет собой объем проводника V, отношение напряжения U к длине L напряженность электрического поля E = U/L, а величина, обратная удельному электрическому сопротивлению, удельную электропроводность  =1/, окончательно получаем: Q = E² Vt. Если поделить обе части уравнения на объем проводника V, получаем закон Джоуля - Ленца, описывающий количество тепла, выделяющегося в единице объема проводника:

q = E²t

Из этого соотношения видно, что нагрев электропроводящих сред пропорционален удельной электропроводности и квадрату напряженности электрического поля. При одинаковой напряженности наибольшее количества тепла выделяется в электропроводящих тканях (крови, мышцах и др.). Следует однако отметить, что электрический ток обладает раздражающим воздействием на организм, зависящим от силы и частоты изменения. Наиболее сильно проявляется раздражающее (специфическое) действие постоянного тока. Поэтому на постоянном токе невозможно получить тепловой эффект - человек не выдерживает воздействия раздражителя, когда освобождается ощутимое количество тепла. Для термотерапии применяются только переменные электрические поля с достаточно большой частотой.

При воздействии переменного электрического поля в электропропроводящих тканях протекают переменные электрические токи, которые обеспечивают колебательное движение ионов под действие кулоновских сил. Столкновение ионов с молекулами среды (воды) способствует повышению кинетической энергии хаотического беспорядоченного движения. Поскольку средняя энергия частиц при таком движении связана с температурой соотношением Ек = 3kT/2, увеличение энергии вызывает повышение температуры, т.е. нагрев ткани.

Выделение тепла происходит и в диэлектриках, помещенных в высокочастотное электрическое поле. В основе этого эффекта лежит дипольная и деформационная поляризация связанных зарядов. Если на диэлектрик, в котором электрические заряды образуют диполи, воздействует переменное электрическое поле, подчиняющееся синусоидальному закону E = E_m sin wt, то мгновенное значение напряженности изменяется по величине и по направлению. В один из полупериодов Т/2 вектор напряженности ориентирован в одном направлении Е₁, а в другой полупериод - в противоположном направлении Е₂. Поэтому кулоновские силы F = qE, действующие на связанные заряды, также будут изменяться по величине и направлению, обеспечивая враще-

Рис. 114 ние диполя в пространстве (см. рис. 114).

В процессе движения диполи сталкиваются с молекулами среды и отдают часть своей механической энергии. Увеличение при этом кинетической энергии беспорядоченного движения приводит к нагреву материала. Выраженность нагрева зависит от частоты переменного электрического поля, его напряженности и характера ориентации диполей в электрическом поле, т.е. поляризуемости или относительной диэлектрической проницаемости. Как показывает тщательный физический анализ, количество этого тепла может быть описано следующей зависимостью:

q = k₁ E² t,

где q - количество тепла, выделяющееся в единице объема диэлектрика, 7e 0- относительная диэлектрическая проницаемость среды, - частота переменного электрического поля, Е - его напряженность, k₁ - коэффициент пропорциональности. Повышение температуры диэлектрика называется диэлектрическим нагревом.

В случае деформационной поляризации в диэлектрике также выделяется тепло, количество которого описывается выше приведенным соотношением.

При воздействии переменного магнитного поля в проводнике выделяется тепло, количество которого зависит от параметров физического фактора и электрических свойств проводника. Из физики известно, что в пространстве, где изменяется переменное магнитное поле, в результате электромагнитной индукции возникает вихревое (с замкнутыми силовыми линиями) переменное электрическое поле. В результате силового воздействия электрического поля свободные электрические заряды совершают упорядоченное движение, создавая переменный электрический ток (вихревые токи Фуко). Количество выделенного тепла в данном случае зависит от силы вихревых токов (ЭДС индукции, электрического сопротивления среды). Как показывает более детальный анализ, индукционный нагрев единицы объема материала может быть представлен зависимостью:

q = k_2^В² t

здесь обозначено:  - удельная электропроводность материала,  - частота изменения магнитного поля, В - его индукция, k₂ - коэффициент пропорциональности , t - время действия.

Рассмотренные физические механизмы лежат в основе физиотерапевтического использования электрических и магнитных полей для прогревания тканей организма. В отличии от поверхностного воздействия нагретыми материальными телами в данном случае тепло выделяется по всему объему тканей. Среди наиболее важных способов термотерапии с помощью переменных электрических и магнитных полей следует отметить: диатермию, УВЧ-терапию, СВЧ-терапию, и индуктотермию.

МЕТОДЫ НЕСПЕЦИФИЧЕСКОГО ЭЛЕКТРОЛЕЧЕНИЯ

При диатермии используют переменное электрическое поле с частотой порядка f = 0,5 - 2 МГц. Этот физический фактор вызывает выделение Джоулева тепла, преимущественно в электропроводящих тканях организма. В зависимости от напряженности электрического поля различат терапевтическую и хирургическую диатермию. В первом случае используется относительно невысокая напряженность и поэтому наблюдается сравнительно слабый нагрев тканей, способствующий увеличению скоростей химических реакций и, следовательно, биологических процессов. При хирургической диатермии напряженность электрического поля Е_м достаточно высока, выделяется значительное количество тепла, которое вызывает термокоагуляцию мягких тканей - их термическое разрушение. Активный электрод, с помощью которого подводят высокочастотное поле к мягким тканям, имеет малые размеры по сравнению с пассивным, и поэтому в месте контакта создает высокую напряженность. Достоинство хирургической диатермии проявляется в том, что термокоагуляция белков способствует свертыванию кро-

Рис. 115 ви и уменьшению кровопотери из сосудов. Активный электрод в месте контакта разрушает ткань аналогично скальпелю (см. рис. 115).

При УВЧ-терапии используют более высокие частоты переменного электрического поля (40 - 50 МГц). Лечебный эффект, в зависимости от вида ткани обусловлен выделением как Джоулева тепла, так и диэлектрическим нагревом. Из приведенных формул видно, что количество диэлектрического тепла прямо пропорционально частоте переменного электрического поля. Наоборот, с увеличением частоты поля нагревание электролитов уменьшается. Это объясняется тем, что с повышением частоты уменьшается амплитуда колебаний ионов в жидкой среде, и они отдают часть своей механической энергии меньшему количеству молекул окружающей среды. При частотах, которые используются в УВЧ-терапии, величина выделенного тепла оптимальна как в проводниках, так и в диэлектриках.

При СВЧ-терапии используются очень высокие частоты f > 3000 МГц. Для такого электромагнитного поля обычно указывается длина волны  = C/f (C -скорость распространения, f - частота электромагнитного поля). Поэтому для СВЧ-терапии применяют электромагнитное излучения с  < 10см. За последние годы обнаружено лечебное действие КВЧ-терапии (терапия электромагнитным полем крайне высокой частоты). В данном случае используется излучение в миллиметровом диапазоне 3 - 9 мм. СВЧ - излучение сильно поглощается биологическими тканями, и поэтому оно проникает на глубину порядка длине волны. Такое физиотерапевтическое воздействие вызывает лишь поверхностный нагрев тканей организма.

Индуктотермию осуществляют с помощью переменного магнитного поля с частотами 10-15 МГц.

МЕХАНИЗМЫ СПЕЦИФИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

ФАКТОРОВ

При рассмотрении механизмов электрогенеза обращалось внимание на то, что возбуждение клеток возбудимых тканей зависит от трансмембранной разности потенциалов. При снижении потенциала покоя до определенной величины наблюдается развитие специфической ответной реакции (сокращение мышц, генерация нервных импульсов в нейронах). Поскольку электрические поля подчиняются принципу суперпозиции (результирующее поле представляет сумму всех действующих полей), теоретически представляется возможным изменять трансмембранное электрическое поле с помощью внешних электрических полей. Если в результате их сложения разность потенциалов на мембране достигает критического значения, происходит возбуждение клеток и развивается специфическая ответная реакция. Этот механизм лежит в основе электростимуляции тканей - их возбуждении при электрическом раздражении.

Специфический биологический эффект зависит от временных параметров раздражителя. При воздействии постоянного электрического поля в клетках наблюдается ионная поляризация - накопление ионов на мембранах, возникновение внутреннего поля, направленного противоположно внешнему. Поэтому возбудить ткань постоянным электрическим полем не представляется возможным. Для возбуждения необходимо применять импульсные поля, вызывающие кратковременное снижение мембранного потенциала. В случае ионной поляризации при прохождении значительных постоянных токов накопление ионов на мембранах существенно изменяет состояние клеток и вызывает сильное раздражающее действие, которое проявляется в болевом феномене.

Поэтому, как уже отмечалось, с помощью постоянного тока не удается получить тепловой эффект. На высоких частотах частоты  приложенного электрического поля Е = E_m sin t поляризационные явления уменьшаются (рис. 116). Этот феномен объясняется следующим механизмом. При повышении частоты уменьшается период T =

2 /  и соответственно полупериод, в течение которого сохраняется направление вектора напряженности Е, обеспечивающей направленное дви-

Рис. 116 жение ионов в клетке. При малых частотах (больших полупериодах) путь, проходимый ионами в клетке, такой, что заряды успевают накапливаться на мембранах и изменять трансмембранный потенциал (см.рис. 116b). При высоких частотах (малых полупериодах Т₂ /2) перемещение ионов происходит на малые расстояния L, недостаточные для концентрации в области мембран. В данном случае под действием переменного электрического поля ионы совершают колебания около своих положений равновесия и не оказывают влияние на электрическое поле мембраны. Теоретическое обоснование рассмотренных механизмов обобщено в законе Нернста, который утверждает: сила порогового тока I_п прямо пропорциональна корню квадратному из частоты приложенного раздражителя: I_п = k , где k - коэффициент пропорциональности. Из приведенного соотношения следует, что с повышением частоты раздражителя  увеличивается величина порогового тока, который способен вызвать субъективное ощущение. Чем больше частота, тем менее восприимчивы ткани организма к раздражающему воздействию электрического тока. Для получения термического эффекта в соответствии с законом Нернста необходимо использовать высокочастотные электрические поля.

МЕТОДЫ СПЕЦИФИЧЕСКОГО ЭЛЕКТРОЛЕЧЕНИЯ

31. Гальванизация и электрофорез

При гальванизации ткани организма подвергаются воздействию постоянного электрического тока (до 50 ма) от внешнего источника напряжения. Как следует из рассмотренных теоретических положений, при этой физиотерапии основными механизмами, определяющими лечебный эффект, являются ионная поляризация, накопление ионов на клеточных мембранах и изменение функционального состояния тканей. Для проведения гальванизации используется выпрямитель постоянного тока, напряжение с которого при помощи металлических электродов, пропускают через организм. Между электродами и тканями устанавливается матерчатая прокладка, смоченная электропроводящим раствором (обычно раствором NaCl). Необходимость в такой прокладке объясняется тем, что электрическое сопротивление на границе между электродом и биологическим объектом достаточно велико. Как следует из закона Джоуля количество выделившегося тепла при пропускании тока I равно Q = I²Rt. Наибольшее сопротивления будет на границе раздела ткань - металлический электрод, и поэтому в этом месте выделяется большое количество тепла и возможен ожег ткани. Во-вторых, при пропускании электрических токов через электролит в результате электрохимических реакций могут образовываться токсические вещества, которые вызывают химическое раздражение кожи. Для предотвращения этих неблагоприятных эффектов и применяются дополнительные прокладки.

Наряду с гальванизацией в последние годы достаточно широкое распространение получил лекарственный ионофорез (электрофорез). В процессе осуществления этой физиотерапевтической процедуры в ткани организма через неповрежденные покровы вводят лекарственные вещества, обладающие электрическим зарядом, с помощью постоянного электрического тока i (см.рис.117). Для проведения ионофореза на поверхность организма устанавливают матерчатую прокладку (1), смоченную раствором лекарственного вещества и устанавливают активный электрод (2). Полярность этого электрода должна быть противоположной знаку заряда вводимого иона: с катода вводятся отрицательно, а с анода - положительно заряженные ионы. Пассивный электрод 3, который обычно имеет большую площадь поверхности, устанавли-

Рис. 117 вается на поверхности организма с помощью матерчатой прокладки 4, смоченной раствором электролита. Различие в площади поверхности активного и пассивного электрода обусловлено тем, что скорость электрофореза W зависит от плотности тока, проходящего через ткань:

j = qCW,

где q - заряд иона, С - их концентрация в растворе. Плотность тока, как известно, представляет собой величину, равную отношению силы тока I к площади электрода S: j = I/S. Поэтому W = I/(qCS) - чем меньше поверхность электрода, тем будет больше скорость введения ионов при прочих равных условиях.

К числу достоинств лечебного электрофореза следует отнести: отсутствие повреждений покровных тканей организма, одновременно с введением лекарственного препарата осуществляется физиопроцедура - гальванизация. Поэтому лечебный электрофорез следует рассматривать как комбинированный физико-фармакологический метод лечения.

32. Электродефибрилляция и электростимуляция сердца

При различных заболеваниях нарушение ритмического сокращения сердца способствует развитию состояний, опасных для жизни. К примеру, при фибрилляции миокарда наблюдается не координированное, хаотическое сокращение отдельных мышечных волокон сердечной мышцы и сердце теряет способность выполнять функцию биологического насоса. Подобное состояние представляет смертельную опасность для пациента. С целью устранения такого патологического состояния в клинической практике применяют электродефибрилляцию. В основе этой лечебной процедуры лежит воздействие на сердце электрического импульса высокого напряжения. Длительность импульса составляет единицы миллисекунд, величина напряжения достигает тысяч вольт. При подведении такого электрического раздражителя к грудной клетке импульсный ток проходит через сердце и вызывает синхронизацию сокращений мышечных волокон.

При некоторых патологических состояниях нарушается проведение электрического возбуждения от синусного узла к атриовентрикулярному, где начинается проводящая система сердца (см. электрогенез сердца). В этом случае периодическими сокращениями желудочков управляет атриовентрикулярный узел, частота возбуждения которого составляет всего 40-60 1/мин. Поскольку частота возбуждения синусного узла выше, происходит сокращение мышцы предсердий и желудочков с различной частотой. При возникновении аритмических сокращений сердца у

Рис. 118 пациентов развиваются очень тяжелые состояния. Для восстановления ритмической деятельности используются электрокардиостимуляторы - генераторы электрических импульсов, которые хирургическим путем устанавливаются внутри организма (обычно в брюшной полости). Кардиостимулятор вырабатывает прямоугольные импульсы, имеющие следующие параметры (см.рис.118): длительность t₁ = 0,8 - 3 мс, амплитуду U_m = 1-3 В, период Т = 0,8 - 1 с, который обеспечивает частоту сокращения f = 1/T = 60-75 1/мин. От генератора напряжение с помощью электродов подводится к миокарду и навязывает сердцу установленную частоту сокращения. В этом случае удается полностью устранить аритмию. Длительность работы кардиостимулятора определяется емкостью источника питания и обычно составляет от 3 до 5 лет, затем требуется оперативное вмешательство для замены кардиостимулятора.

Однако, подобный подход имеет некоторые недостатки. При выполнении физической работы требуется соответствующее изменение частоты сокращения сердца. В нормальных условиях это обеспечивает нейрогуморальная регуляция частоты возбуждения синусного узла и последующего сокращения всего миокарда.

Рассмотренный кардиостимулятор обеспечивает стабильную частоту сокращения сердца и поэтому при физической нагрузке, когда требуется повышение частоты, организм будет испытывать дефицит кислорода. Более совершенные кардиостимуляторы позволяют обеспечить соответствие между физической нагрузкой и интенсивностью кровоснабжения. Это достигается следующим образом.

С помощью электродов напряжение U₁ снимается с мышцы предсердия (в области расположения синусного узла), усиливается, а затем с помощью других электродов подводится к мышце сердца U₂ (рис.119). В данном случае обеспечивается проведение электрического раздражителя в обход блокированного участка. При использовании описанного кардиостимулятора ритм со-

Рис. 119 кращения сердца задается синусным узлом. Поэтому при изменении функционального состояния организма регуляторные воздействия на частоту сокращения сердца сохраняются. Такие биотехнические системы имеют большие перспективы в хирургической кардиологии.

3.3. Элктросон, электронаркоз и электрошоковая терапия

Способность электрических полей изменять состояние возбудимых тканей нашло довольно широкое использование в медицине для управления состоянием и реакциями нервной системой. Установлено, что если раздражать головной мозг электрическими импульсами с относительно невысокой частотой (5-120 Гц и длительность 3-5 мс),

происходит его утомление и развивается состояние близкое к естественному сну. Подобное использование электрической стимуляции называется электросном.

С увеличении силы используемого тока происходит такое торможение нервной системы, при котором пациент теряет чувствительность к внешним достаточно сильным раздражителям. В этом случае развивается состояние наркоза, позволяющего проводит оперативные вмешательства.

Наконец, в клинике психических заболеваний успешно применяется электрошоковая терапия. Предполагается, что воздействие электрическим импульсом высокого напряжения способствует синхронизации нервных процессов, ответственных за психическую деятельность человека. В клинических условиях отмечены положительные эффекты при использовании этой лечебной процедуры.

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ СЕРДЦА

Сердце как биологический насос обеспечивает непрерывное кровоснабжение тканей организма на протяжении всей жизни. Выполнение этой задачи достигается в результате автоматического, периодического сокращения мышцы сердца (миокарда). При этом наблюдается последовательное сокращение миокарда предсердий (объем их полостей начинает уменьшаться в первую очередь) и желудочков. Характер сокращения (автоматизм, периодичность, последовательность работы камер) зависит от особенностей строения сердца, свойств мышечных клеток и закономерностей распространения возбуждения по миокарду.

Сердце - мышечный полый орган, имеет форму, напоминающий овоид (от слова ovum - яйцо), и располагается в левой части грудной полости так, что его длинная ось составляет некоторый угол с вертикальной осью организма. Основание сердца, где находятся предсердия, располагается несколько выше, чем верхушка. В области правого предсердия локализован синусный узел 1(см. рис. 96) - совокупность клеток, способных к автоматическому, периодическому возбуждению. В основе этого процесса лежит спонтанное уменьшение величины мембранного потенциала. Когда это изменение достигает предельного значения (порога возбуждения),

Рис. 96 возникает потенциал действия, и происходит сокращение мышечной клетки (миокардиоцита). От синусного узла при помощи локальных токов волна возбуждения 5 распространяется сначала по миокарду правого, а затем и левого предсердия. В дальнейшем возбуждение переходит на мышцу желудочков. Для обеспечения сокращения желудочков в ходе эволюции сформировалась специальная проводящая система из модифицированных клеток миокарда. Проводящая система располагается в межжелудочковой перегородке, включает в себя атриовентрикулярный узел 2, пучок Гиса 3, ножки пучка Гиса 4 (см. рис. 96). Следует отметить, что клетки, входящие в состав, атривентрикулярного узла также способны автоматически возбуждаться, как и клетки синусного узла. Однако частота их спонтанного автоматического возбуждения (40-60 1/мин) меньше, чем в синусном узле. Именно поэтому в нормальных условиях частота сокращения сердца задается автоматией синусного узла. Особенностью клеток проводящей системы заключается в том, что скорость распространения возбуждения здесь существенно больше, чем по обычным клеткам миокарда. Так если по мышце сердца возбуждение распространяется в среднем со скоростью 0,2 - 1 м/с, то по проводящей системе со скоростью 3 - 4 м/с. Характер распространения возбуждения (от основания к верхушке) обеспечивает оптимальную координацию работы камер сердца - первоначально сокращаются предсердия, выталкивая кровь в желудочки, а затем сокращение миокарда желудочков обеспечивает поступление крови в большой и малый круги кровообращения.

Из сказанного можно сделать вывод, что в основе возникновения и распространения возбуждения в миокарде лежат механизмы электрогенеза - генерации потенциала действия миокардиоцитами. Именно поэтому регистрация и последующий анализ биопотенциалов сердца (электрокардиограммы) позволяет получить объективную информацию о развитии и сопряжении биологических процессов, обеспечивающих насосную функцию сердца.

Исходя из положений дипольной теории электричекого генератора, распространение возбуждения в миокарде можно описать с помощью вектора возбуждения. Поскольку возбуждение начинается с основания сердца и распространяется в сторону желудочков, вектор возбуждения практически совпадает с длинной осью сердца, указывая направление распространения возбуждения. Основываясь на положениях дипольной теории, Эйтховен предложил способ отведения электрической активности сердца с поверхности организма. Впоследствии этот способ регистрации

Рис. 97 (установки электродов регистрирующего прибора электрокардиографа) получил название стандартного (классического) отведения. По Эйнтховену выделяют три отведения - I (первое) - когда электроды устанавливают на правой и левой руке человека, II (второе) - электроды располагают на правой руке и левой ноге, III (третье) - электроды крепятся на левой ноге и левой руке (см. рис. 97). Если соединить точки установки электродов, образуется треугольник ABC Эйнтховена. Как следует из теории дипольного электрического генератора, разность тканевых биопотенциалов пропорциональна величине (модулю) вектора возбуждения и косинусу угла между его направлением и прямой, проходящей через точки установки электродов (или проекцией вектора возбуждения на эту прямую). Отсюда понятно, что величина биопотенциалов сердца в каждом стандартном отведении должна быть пропорциональна проекции вектора возбуждения на соответствующую сторону треугольника Эйнтховена. Особенность расположения сердца (вектора возбуждения) в этом треугольнике позволяет сделать вывод, что в нормальных условиях наибольшая разность потенциалов должна регистрироваться во II-м стандартном отведении, поскольку вектор возбуждения практически параллелен стороне треугольника, проходящего через точки установки электродов. Несколько меньшее по амплитуде напряжение регистрируется в первом и ми-

нимальное в третьем стандартном отведениях, т.е. UII > UI > UIII.

Нарушение соотношения амплитуд биопотенциалов в классических отведениях свидетельствует об изменении положения в пространстве (в треугольнике Эйнтховена) вектора возбуждения. К примеру, если выполняется соотношение UI > UII > UIII, то вектор возбуждения составляет минимальный угол со стороной треугольника, проходящей через точки установки электродов в первом стандартном отведении.

Среди причин, обеспечивающих изменение положения вектора возбуждения, практический интерес представляет механическое изменение положения сердца в грудной полости и нарушение характера распространения возбуждения по миокарду.

При фиксированном положении треугольника Эйнтховена по отношению к организму изменение расположения сердца в грудной полости способствует соответствующему смещению вектора возбуждения. Диагностическая ценность подобного заключения (механическое изменение положения сердца) по электрокардиограмме невелика, поскольку для этого существуют более надежные методы исследования, например, рентгенодиагностика.

Нарушение соотношения амплитуд напряжений в трех стандартных отведениях имеет особую диагностическую ценность в том случае, когда сердце сохраняет свое геометрическое расположение. В данном случае, как следует из теории дипольного электрического генератора, наблюдаемые факты могут быть объяснены лишь нарушением процесса распространения возбуждения по миокарду. Как известно, вектор возбуждения представляет собой векторную сумму электрических моментов, перпендикулярных к элементам поверхности, разделяющей возбужденные и невозбужденные области мышцы. Если в результате патологического процесса изменяется скорость проведения возбуждения, то происходит деформация поверхности волны возбуждения, изменение положения соответствующих электрических моментов и суммарного вектора возбуждения. Поэтому оценка положения вектора возбуждения в треугольнике Эйнтховена в данном случае позволяет диагносцировать нарушение процесса распространения возбуждения в сердце.

Возбуждение миокарду сопровождается изменением не только направления но и величины вектора возбуждения. Именно поэтому электрическая активность сердца, как и у других тканей, представляет собой совокупность электрических импульсов различной полярности. График, иллюстрирующий электрокардиограмму приведен на рисунке 98. Электрические импульсы - зубцы электрокардиограммы, получили буквенные обозначения: Р, Q, R, S, T. Доказано, что зубец Р характеризует процесс сокращения предсердий;

Рис. 98 комплекс зубцов QRS (желудоч-ковый комплекс) - сокращение желудочков; зубец Т - их расслабление. Анализ электрокардиограммы заключается в измерении и оценке амплитудных значений электрических импульсов, их формы и временных интервалов. Очевидно, временной интервал То между соответствующими импульсами (например, между зубцами R) - период сердечных сокращений, характеризует частоту сокращения f: f = 1/To. Длительность комплекса QRS описывает распространение возбуждения по миокарду желудочков. Сопоставление выявленных показателей электрокардиограммы у конкретных пациентов с теми, которые приняты за норму, позволяет сделать диагностическое заключение о нарушении автоматии, периодичности сокращения сердца, распространении возбуждения по миокарду и восстановлении исходного состояния органа. Детальные сведения о методах выявления конкретных патологических состояниях сердца по данным электрокардиографического исследования приводятся в специальных частных курсах.

Электрокардиография

Электрокардиография (ЭКГ) - является неинвазивным тестом, проведение которого позволяет получать ценную информацию о состоянии сердца. Суть данного метода состоит в регистрации электрических потенциалов, возникающих во время работы сердца и в их графическом отображении на дисплее или бумаге.

История электрокардиографии

Наличие электрических явлений в сокращающейся сердечной мышце впервые обнаружили два немецких ученых: Р. Келликер и И. Мюллер в 1856 году. Они провели исследования на различных животных, работая на открытом сердце. Однако возможность изучения электрических импульсов сердца отсутствовала до 1873 г., когда был сконструирован электрометр, прибор позволивший регистрировать электрические потенциалы. В результате совершенствования этого устройства появилась возможность записывать сигналы с поверхности тела, что позволило английскому физиологу А. Уоллеру впервые получить запись электрической активности миокарда человека. Он же впервые сформулировал основные положения электрофизиологических понятий ЭКГ, предположив, что сердце представляет собой диполь, т. е. совокупность двух электрических зарядов, равных по величине, но противоположных по знаку, находящихся на некотором расстоянии друг от друга. Уоллеру принадлежит и такое понятие, как электрическая ось сердца, о которой будет сказано ниже.

Первым, кто вывел ЭКГ из стен лабораторий в широкую врачебную практику, был голландский физиолог, профессор Утрехтского университета Виллем Эйнтховен. После семи лет упорных трудов, на основе изобретенного Д. Швейггером струнного гальванометра, Эйнтховен создал первый электрокардиограф. В этом приборе электрический ток от электродов, расположенных на поверхности тела, проходил через кварцевую нить. Нить была расположена в поле электромагнита и вибрировала, когда проходящий по ней ток взаимодействовал с электромагнитным полем. Оптическая система фокусировала тень от нити на светочувствительный экран, на котором фиксировались ее отклонения. Первый электрокардиограф был весьма громоздким сооружением и весил около 270 кг. Его обслуживанием были заняты пять сотрудников. Тем не менее, результаты, полученные Эйтховеном, были революционными. Впервые в руках врача оказался прибор столь много говорящий о состоянии сердца. Эйтховен предложил располагать электроды на руках и ногах, что используется и по сегодняшний день. Он ввел понятие отведения, предложив три так называемых стандартных отведения от конечностей, т. е. измерение разницы потенциалов между левой и правой рукой I отведение), между правой рукой и левой ногой II отведение) и между левой рукой и левой ногой III отведение). Заслуги Эйнтховена были оценены по достоинству и в 1924 г. ему была присуждена Нобелевская премия.

В двадцатых годах прошедшего века, Гольдбергер предложил еще три отведения, назвав их усиленными. При регистрации этих отведений одним из электродов служит одна из конечностей, а другим – объединенный электрод от двух других (индифферентный электрод). Разница потенциалов, измеренная между правой рукой и объединенными левой рукой и левой ногой, называется отведением aVR, между левой рукой объединенными правой рукой и левой ногой – отведением aVL и между левой ногой и объединенными руками – отведением aVF.

В дальнейшем, Вильсоном были предложены грудные отведения ЭКГ, в которых одним из электродов является точка на поверхности грудной клетки, а другим – объединенный электрод от всех конечностей. Электрод отведения V 1 располагается в IV межреберье по правому краю грудины, V2 – во IV межреберье по левому краю грудины, V 3 – на уровне IV ребра по левой окологрудинной (парастернальной) линии, V4 – в V межреберье по левой среднеключичной линии, V5 – в V межреберье по левой передней подмышечной линии и V6 – в V межреберье по левой средней подмышечной линии.

Таким образом, сформировалась привычная для нас система электрокардиографических отведений. Однако иногда используются и дополнительные отведения, когда общепринятые отведения оказываются недостаточными. Необходимость в этом возникает, например, при аномальном расположении сердца, при регистрации некоторых нарушений сердечного ритма и т. п. В этом случае используются правые грудные отведения (симметричные по отношению к левым), высокие грудные отведения (расположенные на одно межреберье выше стандартных) и отведения V7-9, являющиеся как бы продолжением основных отведений. Для оценки электрической активности предсердий используют пищеводное отведение, когда один из электродов располагают в пищеводе. Кроме общепринятой системы отведений, используются также отведения по Небу, обозначаемые буквами D (dorsalis – спинальное), А (anterior – переднее) и (I inferior – нижнее). Другие системы отведений (Лиана, Франка) в современной клинической практике практически не используются.

в начало страницы

Как проводится ЭКГ

ЭКГ является очень информативным недорогим и доступным тестом, позволяющим получить много информации о сердечной деятельности. ЭКГ является записью электрической активности сердца. Запись производится с поверхности тела пациента (верхние и нижние конечности и грудная клетка). Наклеиваются электроды (10 штук) или используются специальные присоски и манжеты. Снятие ЭКГ занимает 5-10 минут. ЭКГ регистрируют на различной скорости. Обычно скорость движения бумаги составляет 25 мм/сек. При этом 1 мм кривой равен 0, 04 сек. Иногда для более детальной записи используют скорость 50 и даже 100 мм/сек. При длительной регистрации ЭКГ для экономии бумаги используют меньшую скорость – от 2,5 до 10 мм/сек.

в начало страницы

Как интерпретируется ЭКГ

Каждая клетка миокарда представляет собой маленький электрический генератор, который разряжается и заряжается при прохождении волны возбуждения. ЭКГ является отражением суммарной работы этих генераторов и показывает процессы распространения электрического импульса в сердце. В норме электрические импульсы автоматически генерируются в небольшой группе клеток, расположенных в предсердиях и называемых синоатриальным узлом. Поэтому нормальный ритм сердца называется синусовым. Когда электрический импульс, возникая в синусовом узле, проходит по предсердиям на электрокардиограмме появляется зубец P. Дальше импульс через атриовентрикулярный (АВ) узел распространяется на желудочки по пучку Гиса. Клетки АВ-узла обладают более медленной скоростью проведения и поэтому между зубцом P и комплексом, отражающим возбуждение желудочков, имеется промежуток. Расстояние от начала зубца Р до начала зубца Q называется интервал PQ. Он отражает проведение между предсердиями и желудочками и в норме составляет 0,12-0,20 сек. Потом электрический импульс распространяется по проводящей системе сердца, состоящей из правой и левой ножек пучка Гиса и волокон Пуркинье, на ткани правого и левого желудочка. На ЭКГ это отражается несколькими отрицательными и положительными зубцами, которые называются комплексом QRS. В норме длительность его составляет до 0, 09 сек. Далее кривая вновь становится ровной, или как говорят врачи, находится на изолинии. Затем в сердце происходит процесс восстановления исходной электрической активности, называемый реполяризацией, что находит отражение на ЭКГ в виде зубца T и иногда следующего за ним небольшого зубца U. Расстояние от начала зубца Q до конца зубца Т называется интервалом QT. Он отражает так называемую электрическую систолу желудочков. По нему врач может судить о продолжительности фазы возбуждения, сокращения и реполяризации желудочков.

в начало страницы

Диагностические возможности

ЭКГ является ценным диагностическим инструментом. По ней можно оценить источник (так называемый водитель) ритма, регулярность сердечных сокращений, их частоту. Все это имеет большое значение для диагностики различных аритмий. По продолжительности различных интервалов и зубцов ЭКГ можно судить об изменениях сердечной проводимости. Изменения конечной части желудочкового комплекса (интервал ST и зубец Т) позволяют врачу определить наличие или отсутствие ишемических изменений в сердце (нарушение кровоснабжения). Важным показателем ЭКГ является амплитуда зубцов. Увеличение ее говорит о гипертрофии соответствующих отделов сердца, которая наблюдается при некоторых заболеваниях сердца и при гипертонической болезни. ЭКГ, вне всякого сомнения, весьма мощный и доступный диагностический инструмент, однако стоит помнить о том, что и у этого метода есть слабые места. Одним из них является кратковременность записи – около 20 секунд. Даже если человек страдает, например, аритмией, в момент записи она может отсутствовать, кроме того запись, обычно производится в покое, а не во время привычной деятельности. Для того чтобы расширить диагностические возможности ЭКГ прибегают к длительной ее записи, так называемому мониторированию ЭКГ по Холтеру в течение 24-48 часов. Иногда бывает необходимо оценить, возникают ли на ЭКГ у пациента изменения, характерные для ишемической болезни сердца. Для этого проводят ЭКГ-тест с физической нагрузкой. Для оценки переносимости (толерантности) и соответственно, функционального состояния сердца нагрузку осуществляют дозировано, с помощью велоэргометра или бегущей дорожки.

в начало страницы

Показания к проведению ЭКГ

1. Подозрение на заболевание сердца и высокий риск в отношении этих заболеваний. Основными факторами риска являются:

• Гипертоническая болезнь

• Для мужчин – возраст после 40 лет

• Курение

• Гиперхолестеринемия

• Перенесенные инфекции

• Беременность

2. Ухудшение состояния больных с заболеваниями сердца, появление болей в области сердца, развитие или усиление одышки, возникновение аритмии.

3. Перед любыми оперативными вмешательствами.

4. Заболевания внутренних органов, эндокринных желез, нервной системы, болезней уха, горла, носа, кожные заболевания и т.д. при подозрении на вовлечение сердца в патологический процесс.

5. Экспертная оценка шоферов, пилотов, моряков и т.д.

6. Наличие профессионального риска.

По рекомендации терапевта (кардиолога) для дифференциальной диагностики органических и функциональных изменений сердца проводится электрокардиография с лекарственными пробами (с нитроглицерином, с обзиданом, с калием), а также ЭКГ с гипервентиляцией и ортостатической нагрузкой.