Презентація на тему:
Фізичні основи електрографії тканин і органів людини

Фізичні основи електрографії тканин і органів

Функціонування органів і тканин, як і окремих клітин, супроводжується їх електричною активністю; в організмі створюються електричні поля. Якщо два електроди прикласти до різних ділянок тіла , то можна зареєструвати різницю потенціалів. Зміна в часі різниці потенціалів, що виникає під час функціонування певного органу або тканини, називають електрограмою. Назва електрограми вказує на орган або тканину, функціонування яких призводить до появи різниці потенціалів: електрокардіограма, електроенцефалограма, електроміограма і т.д. Електрична активність органів і тканин зводиться до дії певної сукупності струмових електричних генераторів, що знаходяться в електропровідному середовищі(модель).

1. Електричний диполь. Поле диполя. - вектор, спрямований від від’ємного до додатнього заряду. Диполь створює своє поле. Знайдемо потенціал поля в деякій точці А, віддаленій від зарядів диполя на відстані r1 i r2(рис.4.10). Потенціал поля в точці А дорівнює алгебраїчній сумі потенціалів полів, створених позитивним і негативним зарядами: один від одного (рис.4.9). Характеристикою електричного диполя є дипольний момент: Електричний диполь - це система з двох рівних за модулем, але протилежних за знаком точкових електричних зарядів, розміщених на відстані (4.14) де

Мал. 4.9 Мал. 4.10

де ε - відносна діелектрична проникність середовища, e0 - електрична стала. Нехай (4.15) , а r1r2=r2, Підставивши ці значення в формулу (4.15), отримаємо: (4.16) Використавши це співвідношення, знайдемо різницю потенціалів між двома точками А і В, рівновіддаленими від точкового диполя О (рис.4.11).

Мал. 4.11

(4.17) З цього рівняння видно, що різниця потенціалів між двома точками поля диполя залежить від синуса кута, під яким видно ці точки від диполя, і проекції електричного моменту диполя на пряму, що з'єднує точки. Розглянемо випадок, коли точковий диполь знаходиться у центрі рівностороннього трикутника(рис.4.12).

Мал. 4.12

). Тому відношення різниць потенціалів між вершинами трикутника будуть визначатись як відношення проекцій вектора р на відповідні сторони трикутника: Кути під якими видно кожну пару точок від диполя, рівні( .

- відстань між електродами, І - сила струму. де α - кут між диполем і відповідною стороною трикутника. У вакуумі електричний диполь зберігається як завгодно довго, а у провідному середовищі він або екранується, або нейтралізується. У разі підключення до диполя джерела постійного струму диполь буде зберігатись. Така двополюсна система називається дипольним електричним генератором або струмовим диполем. Дипольний момент струмового диполя: або (4.19) (4.20) де

Потенціал поля струмового диполя в середовищі визначається за формулою: (4.21) де γ - питома електропровідність середовища. А тепер ці фізичні поняття використаємо для пояснення виникнення та реєстрації біопотенціалів, що генеруються в серцевому м'язі.

2. Електричні явища в серцевому м'язі. У спокої зовнішня сторона мембрани міокардіальної клітини має позитивний заряд(рис.4.13, а). Мал. 4.13

Якщо підключити до різних ділянок зовнішньої поверхні мембрани міокардіоцита мікроелектроди, що з’єднані з гальванометром, то стрілка гальванометра не відхилиться від нуля - різниця потенціалів відсутня. Записуючий пристрій зареєструє горизонтальну лінію, яку називають ізоелектричною. На початку періоду деполяризації клітини (рис.4.13, б) від’ємний заряд з’являється на невеликій ділянці поверхні мембран, в результаті чого між збудженою і незбудженою ділянками мембрани виникає різниця потенціалів. Перезарядка клітинної мембрани відбувається послідовно за короткий час. У цей же час відбувається наростання, а потім різке зниження різниці потенціалів до нуля, оскільки мембрана всієї клітини набуває негативного заряду(рис.4.13, в). у результаті крива, зареєстрована на папері, опускається до ізоелектричної лінії.

У фазі реполяризації процес перезарадки клітинної мембрани відбувається в тій самій послідовності, як і фазі деполяризації, але з протилежним знаком електричного заряду і повільним його поширенням(рис.4.13, г). На стрічці реєструється сегмент, зміщений вниз від ізоелектричної лінії. У третій фазі реполяризації різниця потенціалів досягає максимального значення. Після цього вона починає зменшуватись у зв’язку з відновленням початкової концентрації(вихідної) іонного складу клітини і міжклітинної рідини. Зареєстрований зубець спрямований вістрям вниз(рис. 4.13, д) . При повному згасанні збудження мембрана повертається в вихідний стан поляризації спокою(рис. 4.13, е). Пристрій реєструє знову ізоелектричну лінію.

Отже, за період збудження клітина міокарда має два протилежно заряджені полюси і є ніби маленьким генератором електричного струму. Збуджену клітину умовно називають диполем. Міокард складається з сукупності клітин, кожна з яких в 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 і на поверхні тіла людини.

У процесі збудження електричний вектор серця(електричний вектор диполя) напрямлений вліво вниз(рис. 4.14) від (-) до (+). З рисунка видно, з поверхні тіла завжди можна зареєструвати різницю потенціалів від різних точок електричного поля серця. Біоопотенціали, які виникають в органах і тканинах живого організму, надзвичайно чутливо відображають їх функціональний стан. Тому аналіз зареєстрованих біопотенціалів набув широкого використання в медико-біологічних дослідженнях і діагностиці захворювань. Особливого поширення в медичній практиці набув метод електрокардіографії – дослідження функціонального стану різних відділів серця, його автоматизму, збудливості і провідності шляхом графічної реєстрації зміни електричних потенціалів, які виникають у серцевому м’язі під час його збудження і проведення збудження.

Мал.4.14

Спонтанне збудження (автоматизм) серця здійснюється системою спеціальних м’язових клітин, які становлять його провідну систему. У цих м’язових утвореннях, які виконують функцію нервових волокон, формується імпульси, що зумовлюють збудження і скорочення серцевого м’яза. Функція провідності характеризується поширенням збудження провідною системою до міокарда. Основу функціональної активності серця становить процес скорочення міокарда, зумовлений зміною фізико-хімічних властивостей внутрішньо-клітинної і позаклітинної рідини в м’язовому волокні.

3. Реєстрація біопотенціалів серця Електрокардіограма – графічне зображення зміни сумарного електричного потенціалу, який виникає під час збудження і проведення збудження в сукупності міокардіальних клітин за кардіоцикл. Для запису електрокардіограми використовується електрокардіограф структурно складається з вхідного пристрою, блоку підсилення та реєструючого пристрою (рис.4.15). Рис.4.15

Змінний сигнал передається на реєструючий пристрій і фіксується на паперовій стрічці, що рухається з швидкістю 10 – 100мм/с(частіше 25-50мм/с). Необхідно слідкувати за правильністю накладання електродів та їх контактом зі шкірою, заземленням апарата, амплітудою контрольного мілівольтметра(1мВ відповідає 1 см) та іншими факторами, які можуть спотворити електрокардіограму. Вимірювання різниці потенціалів на поверхні тіла, виникаючої під час роботи серця, записується за допомогою різних відведень ЕКГ. Кожне відведення реєструє різницю потенціалів, існуючу між двома певними точками електричного поля серця, де встановлені електроди.

Електроди, встановлені в кожній із вибраних точок на поверхні тіла, підключаються до гальванометра електрокардіографа. Один з електродів приєднується до позитивного полюса гальванометра (це позитивний або активний електрод), другий електрод – до його негативного полюса (негативний електрод). У даний час у клінічній практиці найбільш широко використовується 12 відведень: 3 стандартних, 3 підсилених і 6 грудних. Стандартні відведення. Їх запропонував у 1913 році Ейнтховен. Стандартні відведення фіксують різницю потенціалів між двома точками поля у фронтальній площині. Для запису ціх відведень електроди накладають на праву руку (червоне маркування), на ліву руку (жовте маркування) і на ліву ногу (зелене маркування). Ці електроди попарно підключаються до електрокардіографа четвертий електрод встановлюється на праву ногу для підключення заземлення (чорне маркування).

Так от: І відведення – ліва рука – права рука ІІ відведення – ліва нога – права рука І відведення – ліва нога – ліва рука Недоліком при реєстрації стандартних відведень є те, що різниця потенціалів між двома кінцівками залежить від величини потенціалу кожної кінцівки, що впливає на величину зубців ЕКГ.

Осі цих відведень утворюють у фронтальній площині грудної клітки так званий трикутник Ейтховена. Ейтховен запропонував двополюсну систему відведень від кінцівок на основі концепції рівностороннього трикутника. Виходячи з цього запропоновано: Розглядати електричну активність серця в вигляді точкового джерела струму(диполя), розміщеного в центрі трикутника; Опір органів і тканин на шляху від серця до кожної точки відведення вважати однаковими; Вважати, що серце і кінцівки знаходяться 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 кожен момент серцевого циклу. Електричний вектор серця виходить з електричного центра серця. Потенціал електричного центру серця рівний нулю. Вважається, що електричний і анатомічний центри серця не збігаються. Електричний центр серця зміщений відносно анатомічного дещо вище від основи серця. Електричні процеси, що виникають беспосередньо в шлуночках серця, вдається реєструвати з поверхні тіла людини завдяки тому, що кожен диполь утворює навколо себе електричне поле, силові лінії якого поширюються в тілі людини як провіднику другого роду і виходить на його поверхню.

У зв’язку з тим, що збудження поширюється в різні ділянки серця з певною послідовністю, результуюча різниця потенціалів за цикл роботи серця змінюється як за значенням так і за розташуванням точок, між якими вона має найбільше значення. Підсилені відведення. Їх запропонував Гольдбергер у 1942 році. Підсилені відведення реєструють різницю потенціалів між однією з кінцівок, де встановлений активний позитивний електрод і середнім потенціалом двох інших кінцівок. Таким чином, в якості негативного електрода в цих відведеннях використовують так званий об’єднаний електрод Гольдбергера з однаковою величиною потенціалу – середнім потенціалом двох кінцівок.

Позначення підсилених відведень від кінцівок походять від перших букв англійських слів: “а” – augmented (підсилений); “V” – voltage (потенціал); “R” – right (правий); “L” – left (лівий); “F” – foot (нога). Так, от є такі підсилені однополюсні відведення: AVR – підсилене відведення від правої руки; AVL – підсилене відведення від лівої руки; AVF -- підсилене відведення від лівої ноги;

Підсилені однополюсні відведення, так як і стандартні відведення дають можливість зареєструвати зміни електрорушійної сили серця у фронтальній площині. Грудні відведення. Грудні однополюсні відведення, запропоновані в 1934 році Wilson, реєструють різницю потенціалів між активними позитивними електродами, встановленими у певних точках на поверхні грудної клітки і негативними об’єднаними електродами Вільсона, величина його потенціалу практично дорівнює нулю. Грудні відведення позначаються буквою V (voltage – анг.потенціал, напруження) з додаванням номера позиції активного позитивного електрода, позначеної арабськими цифрами.

На відміну від стандартних і підсилених відведень грудні відведення реєструють зміни електрорушійної сили серця в горизонтальній площині. На рис 4.16 приведені ЕКГ зняті у 12 відведених в лікувально – профілактичному центрі Тернопільської державної медичної академії і комп’ютерна розшифровка цих електрокардіограм. Деякі фактори свідчать, що теорія диполя не вичерпує усіх особливостей біоелектричний явищ, які відбуваються в серці. Вважається , що тіло людини неправильної форми, а розмір серця великий, щоб можна було вважати його точковим дипольним генератором струму. Створена мультидипольна теорія електрорушійної сили серця, проте дипольна концепція є першим наближенням більш складної реальності і поки що є єдиноможливою теорією, яка відображає основний зміст ЕКГ.

Мал. 4.16

4. Компоненти нормальної електродіаграми Форма кривої ЕКГ під час синхронного запису з різних ділянок тіла буде різною. Зубці та хвилі електрокардіограми характеризують значення, знак і локалізацію потенціалів серця. Відрізки на ЕКГ, розміщені між зубцями, називають сегментами, а відрізки, що складаються з сегмента і зубця - інтервалами. Горизонтальні ділянки сегментів вказують на відсутність різниці потенціалів на поверхні тіла; вони зображені ізоелектричною лінією. Зубці і хвилі спрямовані вершиною вгору від ізоелектричної лінії, вважаються додатніми, вниз - від’ємними. Нормальна кардіограма має наступний вигляд (рис.4.17)

Мал.4.17

Діагностичними показниками електрокардіограм є форма, висота зубців й інтервали між ними. Висота (амплітуда) зубців вимірюється в мм(мВ). Тривалість сегментів й інтервалів кривої по горизонталі вимірюється в частках секунди. Тривалість одного кардіоциклу - 0,8 - 0,9с. Зубець P записується під час поширення збудження в міокарді передсердь; у нормі його тривалість - 0,06- 0,11с. комплекс QRS утворюється в результаті поширення хвилі збудження в міокарді шлуночків у напрямі від ендокарда до епікарда; його тривалість в нормі 0,08-0,1с. Процес згасання збудження складний і перебігає повільно. Прийнято вважати сегмент S-T відображенням фази реполяризації міокарда шлуночків, його називають електричною систолою шлуночків. Зубець U формується в результаті сповільнення процесу реполяризації на окремих ділянках шлуночків серця. Весь серцевий цикл електричної активності реєструється інтервалом R - R тривалість інтервала R - R визначається за великим числом циклів. Якщо розмах коливань тривалості серцевий циклів перевищує 10%, то ці коливання слід розглядати як аритмію.

5. Векторелектрокардіографія Векторелектрокардіографія - метод динамічного просторового відображення біоелектричної активності серця. Теоретичною основою методу векторелектрокардіографії є: Електричну активність міокарда в кожен певний момент можна подати як значення і напрям вектора серця., що є сумою елементарних векторів, які виникають в результаті активності окремих м’язових волокон або їх груп. Результуючий вектор починається в електричному центрі серця, який упродовж серцевого циклу не змінює свого положення в просторі. У результаті зміни напряму і значення результуючого вектора утворюється поверхня обертання.

Миттєве значення електричного вектора серця за цикл його роботи змінюється за значенням, так і напрямом. Ці зміни зумовлені послідовним поширенням збуджень поверхнево-м’язовим апаратом серця. На рис. 4.18,а наведено електричні вектори серця, які відповідають окремим моментам поширення хвилі збудження по шлуночках серця, суміщені між собою. Точка прикладання початку інтегрального електричного вектора серця постійна і називається електричним центром серця. Вона розташована у вузлі міжпередсердно-шлункової перетинки. Кінці векторів описують петлю в площині, яка певною мірою суміщається з площиною трикутника Ейнтговена.

Мал. 4.18а

Мал. 4.18б

Динамічна реєстрація значення і напрямку електричного вектора серця в просторі за серцевий цикл утворює векторну діаграму (рис. 4.18,б). За повний цикл роботи серця кінець електричного вектора серця описує три петлі, що відповідають зубцям електрокардіограми Р, Т, комплексу QRS. Векторелектрокардіограми можна отримати в результаті додавання двох відведень. Відведення вибирають так, щоб лінії, що сполучають точки накладання електродів, були взаємно перпендикулярними. Якщо подати на відхиляючі пластинки електронно-променевої трубки(ЕПТ) напругу від двох відведень, то на екрані отримаємо їх суму - векторкардіограму, яка дасть додаткову інформацію про роботу серця. Прилад для візуального спостереження векторкардіограми називають векторкардіоскопом.

6. Електрична вісь серця У той час, коли дипольний момент серця набуває максимального значення (зубець R на ЕКГ), напрям дипольного моменту(електрична вісь серця) збігається з анатомічною віссю серця. Положення осі серця в фронтальній площині визначають за співвідношенням розмірів зубців R і S у стандартних відведеннях. Положення електричної осі дає уяву щодо положення серця в грудній клітці. Зміна положення електричної осі серця є діагностичною ознакою ряду патологічних станів.

Електричну вісь серця виражають в градусах кута , утвореного в шести осьній системі координат цією віссю і віссю першого відведення, яка відповідає 00. Для визначення цього кута беруть співвідношення між амплітудами додатніх і від’ємних зубців комплексу QRS у двох відведеннях від кінцівок, найчастіше у відведеннях І і ІІІ (рис.4.19). У здорових людей електрична вісь серця розташована в межах від 00 до +900. Положення електричної осі в межах від +300 до +690називають нормальним.

Мал. 4.19