Лекція №6 Тема: Поняття про електрокардіографію органів і тканин. Фізичні та біофізичні основи реографії

Мета: знати

- характеризувати поле, створене електричним диполем;

- механізм електричної активності органів і тканин під час їх функціонування (на прикладі серцевого м'яза);

- на яких фізичних засадах грунтується електрокардіографія;

- визначення електрокардіограми,її елементи та основні ознаки, за якими здійснюють діагностику;

- основні критерії, які визначають нормальний синусів ритм, тривалість внутрішнього відхилення;

- стандартні відведення та їх графічне зображення;

- суть реографії.

План лекції

1. Фізичні та біофізичні основи електрокардіографії.

2. Перша концепція Ейнтговена про генез (серце - електричний диполь, потенціал електричного поля, система відведень).

3. Закон Ома в диференційній формі, електропровідність біологічних тканин.

4. Друга концепція ЕКГ (серце - електродиполь, потенціал струмового диполя).

5. Ланцюги змінного струму, що містять активний, ємнісний та індуктивний опори. Векторні діаграми та імпеданс.

6. Коефіцієнт дисперсії імпедансу.

Завдання для самостійної роботи

1. Фізичні та біофізичні основи електрокардіографії.

2. Електропровідність біологічних тканин.

3. Фізичні та біофізичні основи реографії.

4. Зв'язок деформації кровоносних судин із зміною їх електичного опору.

5. Ємнісні властивості та еквівалентні електричні схеми біологічних тканин.

Запитання для самоконтролю

1. Що називається електрограмою?

2. У чому суть теорії Ейнтговена?

3. Що називається електрокардіограмою?

4. Що називають відведенням? Назвати стандартні відведення та полярність.

5. Яку інформацію можна отримати за допомогою реограми?

Література

1. Л.Ф.Ємчик, Я.М.Кміт «Медична та біологічна фізика», Л. «Світ»,2003, розділ IX §9.1 -§9.7, розділ VIII ст..232-233

2. А.Ф. Шевченко «Основи біологічної фізики», К, «Медицина», 2008, §59

Зміст лекції

ЕЛЕКТРИЧНЕ ПОЛЕ. СИЛОВА ТА ЕНЕРГЕТИЧНА ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЛЯ

Простір, у якому перебуває електричний заряд, має певні фізичні властивості. Заряд, розміщений у цьому просторі, зазнає дії електростатичних сил (кулонівських). Поля, створені нерухомими зарядами, називаються електростатичними.

Результати експериментів свідчать, що сила, яка діє на пробний заряд, розміщений у певній точці електростатичного поля, за інших однакових умов пропорційна величині заряду.

Для характеристики електричного поля вводять фізичну величину, чисельно рівну силі, з якою поле діє на одиничний додатний заряд, розміщений у певній точці. Її напрям збігається з напрямом сили. Ця величина називається напруженістю поля і визначається так:

Е = .

Одиницею напруженості є [Е] = Н/кл = В/м. Якщо поле створене точковим зарядом, то його напруженість визначають так:

Е =

Завдання електростатики полягає у визначенні за заданим розподілом у просторі та величиною джерел поля величини і напряму напруженості в кожній точці поля.

Якщо поле створене системою нерухомих точкових зарядів, то напруженість електричного поля дорівнює векторній сумі напруженостей полів, створених кожним із цих зарядів зокрема, тобто результуюче поле є результатом накладання (суперпозиції) полів окремих зарядів: Е - Е₁ + Е₂ +... + Е_п. Отриманий результат називають принципом суперпозиції полів.

Графічно електричне поле можна зобразити силовими лініями (лініями напруженості). Силовими лініями називають криві, дотичні до яких у кожній точці збігаються з напрямом вектора напруженості поля. Прийнято вважати, що силові лінії починаються на позитивних зарядах, а закінчуються на негативних (рис. 1)

Рис.1. Зрізи електростатичних полів різно­йменних (а) та однойменних (б) зарядів

Сила, що діє на заряд в електростатичному полі, спричиняє його рух. Робота, яку виконують сили електричного поля, переміщаючи заряд, залежить від його величини і від початкового та кінцевого положень у полі. Отже, вона дорівнює зменшенню потенціальної енергії цього заряду:

Потенціальна енергія заряду д у полі системи точкових зарядів q₁,q₂,...,q_п дорівнює сумі потенціальних енергій у полях кожного із зарядів:

Потенціалом електростатичного поля називають енергетичну характеристику поля, що дорівнює відношенню потенціальної енергіїW_п заряду q до його величини:

ϕ =

Робота, виконана електричними силами при переміщенні заряду з однієї точки електро­статичного поля в іншу, дорівнює:

А = q(ϕ₁-ϕ₂) =q∆ϕ

Між напруженістю поля і його потенціалом існує зв'язок, який можна виразити так:

E=-

Напруженість у будь-якій точці електроста­тичного поля дорівнює градієнтові потенціалу в цій точці, взятому з протилежним знаком:

E=-grad ϕ

Геометричне місце точок з однаковим потенціалом називається еквіпотенціальною поверхнею. Оскільки потенціал сталий лише вздовж кривих, перпендикулярних до силових ліній поля, то й еквіпотенціальні поверхні мають бути всюди перпендикулярними до силових ліній. Вочевидь, робота,, яка виконується під час переміщення електричного заряду по еквіпотенціальній поверхні, дорівнює нулеві. Графічно електростатичне поле можна зобразити не лише силовими лініями, а й еквіпотенціальними поверхнями.

Навколо кожної системи зарядів можна провести необмежену кількість еквіпотенціальних поверхонь (рис. 2).

Рис.2. Еквіпотенціальні поверхні поля точкового заряду (а) та зарядженого тіла довільної форми (б)

Зазвичай їх поводять так, щоб різниці потенціалів між будь-якими двома сусідніми еквіпотенціальними поверхнями були однаковими. За відомим розташуванням силових ліній можна побудувати еквіпотенціальні поверхні, та навпаки.

Потенціал поля, створеного системою зарядів у будь-якій точці поля, дорівнює алгебраїчній сумі потенціалів полів. Створених у цій точці кожним із зарядів.

ϕ = ϕ₁+ϕ₂+ϕ₃+…+ ϕ_n.

ЕЛЕКТРИЧНИЙ ДИПОЛЬ. ПОЛЕ диполя

Електричний диполь — це система з двох рівних за модулем, але протилежних за знаком точкових зарядів, розміщених на відстані І один від одного.

Характерстикою електричного диполя є дипольний момент: р=ql, де l – вектор, спрямований від від’ємного до додатного заряду.

Диполь створює своє поле. У вакуумі диполь зберігається як завгодно довго, а у провідному середовищі він або екранується або нейтралізується. При під'єднанні до диполя джерела постійного струму він буде зберігатися. Така двополюсна система називається дипольним електричним генератором або струмовим диполем.

Дипольний момент струмового диполя дорівнює:

р = І∙l,

де І — сила струму; l — відстань між електродами.

Тепер ці фізичні поняття використаємо для пояснення виникнення та реєстрації біопотен­ціалів, що генеруються в серцевому м'язі.

ЕЛЕКТРИЧНІ ЯВИЩА В СЕРЦЕВОМУ М'ЯЗІ

У спокої зовнішній бік мембрани міокардіальної клітини має позитивний заряд

Рис. 9.7. Електричні явища на поверхні мембрани клітини

Якщо під'єднати до різних ділянок зовнішньої поверхні мембрани міокардіоцита мікроелектроди, що з'єднані з гальванометром, то стрілка гальванометра не відхилиться від позначки нуля —різниця потенціалів відсутня. Записуючий пристрій зареєструє горизонтальну лінію, яку називають ізоелектричною. На початку періоду деполяризації клітини (рис. 9.7, б) від'ємний заряд з'являється на невеликій ділянці поверхні мембрани, внаслідок чого між збудженою і незбудженою ділянками мембрани виникає різниця потенціалів. Перезарядження клітинної мембрани відбувається послідовно за короткий час. Водночас відбувається зростання, а потім різке зниження різниці потенціалів до нуля, оскільки мембрана всієї клітини набуває негативного заряду (рис. 9.7, в). Через це крива, зареєстрована на папері, опускається до ізоелектричної лінії.

У фазі реполяризації перезарядження клітинної мембрани відбувається в тій самій послідовності, що й у фазі деполяризації, але з протилежним знаком електричного заряду і повільним його поширенням (рис. 9.7, г). На смужці реєструється сегмент, зміщений вниз від ізоелектричної лінії. У третій фазі реполяризації різниця потенціалів сягає максимального значення. Після цього вона починає зменшуватись через відновлення початкової концентрації іонного складу клітини і міжклітинної рідини. Зареєстрований зубець спрямований вістрям униз (рис. 9.7, д). При цілковитому згасанні збудження мембрана повертається у початковий стан поляризації спокою (рис. 9.7, е). Пристрій знову реєструє ізоелектричну лінію.

Отже, за період збудження клітина міокарда має два протилежно заряджені полюси і є ніби малим генератором електричного струму. Збуджену клітину умовно називають диполем. Міокард складається з клітин, кожна з яких у період збудження є електричним диполем.

Значення електричного потенціалу серця є алгебраїчною сумою електричних потенціалів усіх клітин міокарда. Серце з точки зору формування в ньому електричного потенціалу є ніби одним сумарним диполем. Поверхню серця можна розглядати як велику поляризовану мембрану, що охоплює єдину велику клітину. Електричні потенціали серця можна реєструвати також на поверхні тіла людини.

Під час збудження електричний вектор серця (електричний вектор диполя) спрямований уліво вниз від (-) до (+) (рис. 9.8).

Серце функціонує, як диполь, утворюючи навколо себе силове поле (фронтальний зріз)

Із рисунка бачимо,що на поверхні тіла завжди можна зареєструвати різницю потенціалів иіж різними точками електричного поля серця.

Біопотенціали. Які виникають в органах і тканинах живого організму. Надзвичайно чутливо відображають їхній функціональний стан. Тому аналіз зареєстрованих біопотенціалів широко використовіїується в медико- біологічних дослідженнях і діагностиці захворювань.

Особливого поширення в медичній практиці набула електрокардіографія (ЕКГ) — дослідження функціонального стану різних відділів серця, його автоматизму, збудливості й провідності графічною реєстрацією зміни електричних потенціалів, які виникають у серцевому м'язі під час його збудження і проведення збудження.

Спонтанне збудження (автоматизм) серця здійснюється спеціальними м'язовими клітинами, які становлять його провідну систему. У цих м'язових утвореннях, які виконують функцію нервових волокон, формуються імпульси, що зумовлюють збудження і скорочення серцевого м'яза.

Функція провідності полягає в поширенні збудження провідною системою до міокарда.

Основу функціональної активності серця становить скорочення міокарда, зумовлене зміною фізико-хімічних властивостей внутрішньо­клітинної і позаклітинної рідини в м'язовому волокні.

РЕЄСТРАЦІЯ БІОПОТЕНЦІАЛІВ СЕРЦЯ

Електрокардіограма — це графічне зображення зміни сумарного електричного потенціалу, який виникає під час збудження і його проведення в сукупності міокардіальних клітин, за кардіоцикл.

Для запису електрокардіограми використовують електрокардіограф. Він складається із вхідного пристрою, блоку підсилення та реєструючого пристрою.

Змінний сигнал передається на реєструючий пристрій і фіксується на паперовій смужці, що рухається зі швидкістю 10... 100 мм/с (частіше — 25...50 мм/с). Необхідно стежити за правильністю накладання електродів та їх контактом зі шкірою, за заземленням апарата, амплітудою контрольного мілівольтметра (1 мВ відповідає 1 см) та за іншими чинниками, які можуть спотворити електрокардіограму.

Для здійснення ЕКГ звичайно використовують 12 загальноприйнятих відведень: 6 від кінцівок і 6 грудних. Відведення — це різниця потенціалів між двома точками на тілі людини. Перші три стандартні відведення були запропоновані Ейнтговеном. Електроди при цьому накладають так:

1. відведення, ліва рука (+) і права рука (-);

2. відведення: ліва нога (+) і права рука (-);

3. відведення: ліва нога (+) і ліва рука (-)..

Осі цих відведень утворюють у фронтальній площині грудної клітки так званий трикутник Ейнтговена (рис. 9.9, а).

З огляду на це, запропоновано: 1) розглядати електричну активність серця у вигляді точкового джерела струму (диполя), розміщеного в центрі трикутника; 2) опір органів і тканин на шляху від серця до кожної точки відведення вважати однаковим; 3) вважати, що серце і кінцівки розміщені в одній площині, яка майже збігається з фронтальною площиною тіла. Електричний момент серця (диполя) можна назвати "вектором серця”, який відображає напрям поширення хвилі деполяризації і реполяризації міокарда в кожний момент серцевого циклу.

Електричний вектор серця виходить з електричного центра серця. Потенціал електричного центра серця дорівнює нулю. Вважається, що електричний та анатомічний центри не збігаються. Електричний центр серця зміщений відносно анатомічного дещо вище від основи серця. Електричні процеси, які виникають безпосередньо в шлуночках серця, вдається реєструвати з поверхні тіла людини завдяки тому, що кожний диполь створює навколо себе електричне поле, силові лінії якого поширюються в тілі людини, як у провіднику II роду, і виходять на його поверхню.

а)

б)

Рис. 9.9. Електрокардіографія (стандартні відведення): а — трикутник Ейнтговена; б — електрокардіограми у трьох відведеннях

Через те, що збудження поширюється на різні ділянки серця з певною послідовністю, ре­зультуюча різниця потенціалів за цикл роботи серця змінюється за значенням. Окрім цього, змінюється розташування точок, між якими вона є найбільшою.

Дані досліджень свідчать, що теорія диполя не вичерпує усіх особливостей біоелектрич-них явищ, які відбуваються в серці. Вважається, що тіло людини неправильної форми, а розміри серця завеликі, щоб можна було його розглядати як точковий дипольний генератор струму.

Створена мультипольна теорія виникнення електрорушійної сили серця, проте дипольна

концепція є першим наближенням до більш складної реальності і поки що є єдино можливою теорією, яка відображає основний зміст електрокардіографії.

КОМПОНЕНТИ НОРМАЛЬНОЇ ЕЛЕКТРОКАРДІОГРАМИ

Форма електрокардіограми під час синхронного запису з різних ділянок тіла різна. Зубці та хвилі електрокардіограми характеризують значення, знак і локалізацію потенціалів серця.

Відрізки на електрокардіограмі, розміщені між зубцями, називають сегментами, а відрізки, що складаються зі сегмента і зубця, — інтервалами.

Горизонтальні ділянки сегментів свідчать про відсутність різниці потенціалів на поверхні тіла; вони зображені ізоелектричною лінією. Зубці і хвилі, спрямовані вершиною вгору від ізоелектричної лінії, вважаються додатними, вниз — від'ємними (рис. 9.10).

Рис. 9.10. Нормальна електрокардіограма: Р, Q, R, S, Т, U — назви зубців

Діагностичними показниками електрокардіо грам є форма, висота зубців та інтервали між ними.

Висоту (амплітуду) зубців вимірюють в мм (мВ). Тривалість сегментів та інтервалів кривої по горизонталі — у частках секунди.

Тривалість одного кардіоциклу у нормі ~ 0,8 - 0,9 с. Зубець Р записується під час поширення збудження в міокарді передсердь. У нормі його тривалість — 0,06...0,11 с. Комплекс QRS утворюється внаслідок поширення хвилі збудження в міокарді шлуночків у напрямі від ендокарда до епікарда. Його тривалість у нормі — 0,08...0,1 с. Процес згасання збудження в шлуночках складний і відбувається повільно. Прийнято вважати сегмент S-Т відображенням фази реполяризації міокарда шлуночків, його називають електричною систолою шлуночків. Зубець U формується внаслідок сповільнення реполяризації на окремих ділянках шлуночків серця. Цілий серцевий цикл електричної актив­ності реєструється інтервалом R - R. Тривалість інтервалу R - R визначається за декількома циклами. Якщо амплітуда коливань тривалості серцевих циклів перевищує 10%. То ці коливання слід розглядати як аритмію.

Контрольні запитання та завдання

1. Що називається електричним диполем? Яка величина характеризує електричне поле диполя з енергетичної точки зору?

2. Яке співвідношення різниці потенціалів між двома точками поля диполя і проекцією його електричного моменту на цей напрям?

З■ Що називається електрограмою?