Електрографічний метод
1. Передмова.
Електрографічний метод - метод реєстрації та аналізу біоелектричних процесів людини і тварин - знайшов досить широке застосування в клінічній практиці, фізіологічному експерименті, авіаційній і космічній медицині, дослідженнях з фізіології праці і спорту. Настільки широке застосування електрографічний методу пояснюється тим, що він дозволяє отримати цінну інформацію про нормальної або патологічної діяльності тканин, органів і систем. У медицині електрографічний метод зарекомендував себе як важливий діагностичний метод. Так, жодне кардіологічне дослідження не проводиться тепер без ретельного аналізу електричної активності серця хворого. Цінні діагностичні дані дають дослідження електричної активності мозку і м'язів та ін ..
Великим достоїнством електрографічний методу при використанні в клініці є його безболісність. Широкому застосуванню електрографічний методу сприяло використання в техніці електрографія останніх досягнень електроніки.
Сучасні електрографічні установки, що забезпечують багатоканальну реєстрацію біоелектричних процесів і автоматичний аналіз електрограму, являють собою досить досконалі, але досить складні пристрої.
Якими ж знаннями електрографічний техніки повинні мати електрофізіології і лікар, що використовують електрографічний апаратуру в своїй повсякденній роботі? Чи слід їм знати цю апаратуру так само добре, як і інженерів і техніків, які займаються її розробкою та експлуатацією, чи можна цілком покластися на інженерів і техніків і зовсім не знати характеристик і можливостей апаратури?
Неважко показати, що перше неможливо, а другий неприпустимо. Справді, якщо б електрофізіології і лікар, що користуються електрографічний методом, спробували глибоко вивчити електрографічний техніку, то у них не вистачило б часу на свою основну роботу. Незнання ж ними основних даних електрографічний установки і її характеристик не дозволяє свідомо і повністю її використовувати.
Електрофізіології і лікар повинні чітко уявляти собі принцип дії електрографічний установки, детально знати її характеристики, вміти усувати найпростіші несправності.
Крім того, їм необхідно вміти відрізняти досліджувану біоелектричну активність від артефактів, знаходити на електрограму результати впливу перешкод, знати і вміти застосовувати способи, що усувають артефакти і перешкоди електрографія. Вони повинні також бути знайомі з новими напрямками в застосуванні електрографічний техніки, з перспективами її розвитку.
1.1. Введення.
Електрофізіологічні методи дозволяють вивчати фізіологічні процеси, що відбуваються в органах і тканинах у нормі та патології, шляхом дослідження що протікають в них біоелектричних процесів і шляхом їх стимуляції електричним струмом. Електрографічний метод є одним з найбільш ефективних способів дослідження фізіологічних процесів.
Відомо, що функція органу виявляється, по-перше, специфічним робочим ефектом (скорочення, секреція і т. п.) і, по-друге, поруч загальних для тканин неспецифічних фізико-хімічних змін (інтенсивність обмінних процесів, теплоутворення, біоелектрична активність і др .).
Таким чином, у ряді випадків стан і робочі можливості органу можна оцінювати як за специфічним, робочого ефекту, так і за що супроводжує його біоелектричної активності. Наприклад, про робочі можливості серця можна судити не тільки за його продуктивності, але також і за його електричної активності.
Н. Е. Введенським була встановлена закономірність, яка свідчить про кореляцію між функціональними (тим більше патологічними) змінами в тканинах і органах та змінами їх біоелектричної активності. Підтверджена неодноразово, ця закономірність лягла в основу електрографічний методу. Однак електрографічний метод дозволяє отримувати інформацію не тільки в тих випадках, коли біоелектрична активність супроводжує специфічний ефект органу (скорочення м'яза і серця, секреторна і моторна активність шлунка та ін), але й у тих випадках, коли отримати дані про це специфічному ефекті іншими методами не вдається.
Електрографічний метод дозволяє отримати інформацію про проходження хвилі збудження по нерву, інформацію про життєдіяльність мозку без дослідження характеру та особливостей здійснюваних ним рефлексів і, нарешті, дані про підготовку м'язи до виконання скорочувального процесу та ін
Нерідко уявлення про стан органу або системи може бути встановлено щодо зміни порядку проходження імпульсів електричної активності.
Електрографічний метод дозволяє реєструвати спонтанну або фонову електричну активність і биопотенциалы, що є відповіддю на функціональне навантаження, наприклад стимуляцію.
Дуже важливим для медичного застосування електрографічний методу є той факт, що біоелектрична активність органу може бути зареєстрована не тільки при накладенні електродів безпосередньо на нього, але і з шкіри досліджуваного.
Таким чином, предметом електрографія охоплюються питання індикації, реєстрації та аналізу біоелектричної активності тканин, органів і систем, що проводяться з метою вивчення як власне біоелектричних процесів, так і фізіологічних процесів, які вони супроводжують і відображають. Успіхи в розвитку техніки електрографія багато в чому визначають розвиток самого електрографічний методу.
2.1 Схема реєстрації біоелектричних процесів людини
Перш ніж описувати окремі елементи електрографічний установки, необхідно уявити собі загальну схему реєстрації біоелектричних процесів хворого в умовах клініки, усвідомити призначення кожного елемента цієї схеми та їх взаємозв'язок. З цією метою розглянемо схему реєстрації біоелектричних процесів людини, показану на рис. 1.
Електрографічний установка включає електроди 5, електродні проводи 6, блок перемикачів (комутатор) електродів 7, калібратор напруги 8, пристрій для вимірювання опору междуелектродного 9, підсилювачі 10, реєстратори 11, що входять до складу осцилографа 12, аналізатор електричної активності 13 і стимулятор 14. < p>
Орган 1, електрична активність якого досліджується, як і органи 2, наявність електричної активності яких заважає аналізу перших, являють собою своєрідні електричні генератори, які, як і фізичні електричні генератори, характеризуються що розвивається ними електрорушійної силою (ЕРС) і внутрішнім опором. ЕРС в свою чергу характеризується амплітудою, формою і діапазоном частот.
Продукуються органами ЕРС низькоамплітудних (тисячні частки вольта і менше). Форма ЕРС досить різноманітна. Діапазон частот біоелектричних активностей простягається від постійних напруг до десятків кілогерців. ЕРС , продукуються органом 1, викликає в сполучних тканинах 8 і в шкірі 4 біострумів, які створюють різницю потенціалів на поверхні шкіри 4, що відображає всі зміни ЕРС самого органу 1. Ця різниця потенціалів і реєструється за допомогою електрографічний установки на електрограму, яка, як відомо, представляє собою графічне зображення змін різниці потенціалів в часі в точках накладення електродів на тіло досліджуваного хворого.
За допомогою електрографічний установки реєструються різниця потенціалів між електродами, накладеними на тканину, а не біострумів; тут і далі застосовуються терміни "біонапряженіе" і "підсилювач біонапряженій", а не "біострумів" і "підсилювач біострумів".
Отримати електрограму записану при накладенні електродів на шкіру 4, тотожну ЕРС, що продукується електрично активним органам, вдається лише в тому випадку, коли враховуються електричні характеристики органу 1, електричний опір тканин 3 і шкіри 4 і характеристики самої електрографічний установки .
Електрична активність досліджуваного органу 1 і електричні активності органів 2, що заважають виявити перше, створюють у точках накладення електродів сумарну різницю потенціалів. Тому досліджуючи биопотенциалы органу 1, вдаються до прийомів, що дозволяє виключити або послабити на електрограму артефакти, які викликаються активністю органів 2.
Електроди 5 електрографічний установки призначаються для зняття досліджуваної різниці потенціалів. У залежності від призначення електроди бувають різної форми і площі.
Стан контакту електрод - тіло досліджуваного людини грає вирішальну роль в отриманні високоякісної електрограму без електродних артефактів.
Для отримання доброго електричного контакту між електродом і тілом досліджуваного людини вживаються заходи для зменшення перехідного опору електрод - тіло. Фіксація електродів проводиться дуже ретельно.
Електродні проводи 6 з'єднують електроди 5 з електрографічний установкою. При дослідженні електричної активності органів і тканин людини часто буває необхідно записати кількість процесів, що перевищує кількість каналів реєстрації електрографічний установки. У таких випадках на тіло людини накладається необхідну кількість електродів 5, які за допомогою блоку перемикачів (комутатора) електродів 7 послідовно підключають до електрографічний установці. Перемикачі (комутатор) електродів забезпечують підключення будь-якого електроду до будь-якого каналу реєстрації, частини електродів - до своєї групи каналів або можуть здійснювати певну, заздалегідь обрану комбінацію підключення електродів до каналів реєстрації за допомогою повороту однієї ручки.
Невід'ємною частиною електрографічний установки є також калібратор напруги 8, за допомогою якого на електрограму наноситься масштаб напруги для того, щоб, порівнюючи з ним, можна було б оцінити амплітуду біонапряженій.
Масштаб напруги ( "калібрування") наносять на електрограму на початку або в кінці дослідження, а в деяких випадках в процесі запису.
Вимірювання междуелектродного опору проводять за допомогою пристрою. Реєстратори і малочутливі і вимагають посилення біонапряженій, що здійснюється за допомогою підсилювачів 10.
Осцилограф 12 складається: з 1) реєстраторів 11, 2) стрічки, на яку з їх допомогою наноситься графічне зображення досліджуваних процесів, 3) стрічкопротяжного механізму, що забезпечує рівномірний рух стрічки, 4) отметчіка часу, що завдає позначки на стрічку, і 5) влаштування візуального спостереження за досліджуваними процесами перед записом їх на стрічці.
Для того щоб встановити реакцію біоелектричних відповідей на стимули різної фізичної природи, необхідно на стрічку осцилографа 12, крім досліджуваних процесів і відміток часу, наносити також відмітки про подання подразнень від стимулятора 14.
Електрографічний установка може бути виконана з окремих блоків (блок перемикачів електродів 7, підсилювачі біонапряженій 10 і осцилограф 12) або представляти собою єдину конструкцію, що складається з перерахованих блоків.
Крива електричної активності будь-якого органу не завжди відображає патологічні зміни, які можуть бути виявлені при візуальному аналізі. Часто для їх виявлення потрібно провести більш детальний аналіз електрограму.
Детальний аналіз однієї кривої електрограму, що проводиться шляхом вимірювання амплітуд і тривалостей її зубців вручну, забирає багато часу, а такий аналіз декількох кривих настільки трудомісткий, що є практично нездійсненним. Це й зумовило необхідність створення автоматичних аналізаторів біоелектричних процесів, які виробляють запис результатів аналізу на тій же електрограму, на якій записується і аналізована біоелектрична активність.
Автоматичні аналізатори 13 стають неодмінною частиною електроенцефалографічні і Електроміографічні установок. браза, можна зробити висновок, що амплітуди коливань біонапряженій дуже малі і становлять тисячні і стотисячні частки вольта.
Деякі види біоелектричної активності тканин і органів є аперіодічнимі процесами складної форми (наприклад, електрична активність м'язів). Для того щоб зареєструвати ці процеси неперекручено, необхідно, щоб електрографічний установка забезпечувала запис зовсім певної смуги частот. Саме в цьому сенсі говорять, що, наприклад, сумарна біоелектрична активність м'язи займає діапазон частот від 1 до 1000 Гц.
Якщо врахувати, що деякі Біоелектричні процеси змінюються дуже повільно (шкірні потенціали), а для неспотвореного відтворення інших (електрична активність одиночного м'язового волокна) потрібна реєстрація коливань в десятки тисяч герц, то можна вважати, що Біоелектричні процеси людини займають діапазон від постійних напруг і інфранизьких до низьких частот включно.
При реєстрації біоелектричних процесів людини, внутрішнім опором еквівалентного електричного генератора, наприклад, м'язи, є междуелектродное опір, що включає в себе опір шкіри, ряду інших тканин і опір органу, електрична активність якого реєструється. Воно залежить від ряду чинників (сила і форма струму, площа електродів, якість обробки шкіри, температура повітря та ін) і досягає великої величини.
На вимоги до електрографічний установок, природно, впливають характеристики органів та тканин як електричних генераторів. Так, низька амплітуда біоелектричних процесів органів і тканин людини призводить до того, що електрографічні установки повинні мати дуже високу чутливість, а їх підсилювачі - високим коефіцієнтом посилення.
Ці установки повинні також забезпечувати неспотворену реєстрацію постійних і повільно мінливих різниць потенціалів, інфранизьких і низькочастотних коливань потенціалів.
І, нарешті, для того щоб електрограму, записана за допомогою електродів, накладених на шкіру людини, була тотожна електричної активності досліджуваного органу, вхідний опір установки повинно бути в багато разів більше, ніж междуелектродное опір.
Електрично активний орган оточений тканинами, які є об'ємним провідником. Різниця потенціалів, що продукуються органом, викликає в оточуючих його тканинах біострумів, і, отже, в останніх створюються різниці потенціалів, що повторюють всі зміни ЕРС електрично активного органу.
Для того, щоб скласти собі уявлення, які різниці потенціалів і потенціали продукують електрично активний орган в оточуючих його тканинах, необхідно розглянути спрощену модель.
Електроди А і Б - два протилежних за знаком, але рівних за величиною електричних заряду - утворюють так званий диполь. Так як буває необхідно врахувати як величину різниці потенціалів між полюсами диполя (у нашому випадку між електродами А і Б), так і положення диполя в просторі, то символічно диполь характеризується вектором - стрілкою, спрямованої від негативного полюса (електрода) до позитивного, величина якої пропорційна різниці потенціалів між полюсами диполя. Якщо полюса диполя нерухомі, а різниця потенціалів між ними незмінна, то величина і напрям вектора мало що дають для характеристики диполя.
Але в тому випадку, коли змінюється в часі величина різниці потенціалів диполя і полюса диполя зміщуються в просторі, тільки вектором можна охарактеризувати ці зміни.
Розглянута модель відрізняється від електрично активного органу, що знаходиться в оточуючих його тканинах в наступному:
Електрично активний орган продукують зазвичай не постійні, а змінні різниці потенціалів.
Середа, якою оточений орган, не може бути названа однорідною, а тому спотворює картину електричного поля навколо органу.
У ряді випадків електрично активні органи не є нерухомими (наприклад, серце), т. з. осі Х-Х і У-У зміщуються в просторі.
Незважаючи на перераховані відмінності, розглянута спрощена модель дозволяє скласти уявлення про характер розподілу потенціалів навколо електрично активного органу.
Здійснити уніполярні (однополюсне) відведення на тілі людини не вдається:
Неможливо знайти лінію нульового потенціалу електричної активності досліджуваного органу через зсув осі У - У в просторі (серце), а також через те, що в деяких випадках електрично активний орган (наприклад, м'язи) має замість двох полюсів, еквівалентних електродів А і Б, безліч таких полюсів.
На тілі людини можна знайти точку, досить віддалену від електрично активного органу, щоб можна було вважати потенціал, створюваний ним в цій точці, що дорівнює нулю.
Тому було запропоновано створення штучної точки нульового потенціалу - "усередненого" загального електрода, що отримується шляхом з'єднання разом (через опору) великої кількості електродів, поміщених на тілі досліджуваного.
При цьому виходили з припущення, що чим більше число цих електродів, тим ближче до нуля наближається їх сумарний потенціал. Для того щоб підключення електродів разом (коротке замикання) не впливало впливу на розподіл електричного поля, електроди приєднуються до обший точці через великі опору.
Прикладом такого "усередненого" загального електрода може служити підключення електродів при однополюсному грудному відведенні у електрокардіографії: грудної електрод з'єднується з одними вхідними клемою, а електроди, укріплені на кінцівках, через опору з'єднуються з іншого клемою електрокардіографа, утворюючи "усереднений" електрод.
Такий же спосіб отримання "усередненого" загального електрода застосовується і в електроенцефалографії. Інша ж клема сполучена з "усередненим" електродом, тобто з усіма іншими електродами через опору, які беруться багато більше междуелектродних опорів (наприклад, рівними 1 Мом).
Різниця потенціалів Е між обраним нами електродом і рештою викликає, струм I в опорі R даного електрода і в інших опорах, з'єднаних паралельно, число яких буде п - 1:
I = E/R + R/n-1 = (n-1/n) (E/R) (2)
На вхід електроенцефалограф подається падіння напруги Евх з опору R, сполученого з обраним електродом (у нашому випадку крайній праворуч):
Eвх = IR = (n-1/n) E (3)
Потенціал усередненого електрода Eо (верхня клема електроенцефалограф), природно, не дорівнює нулю, а може бути обчислений за такою формулою:
Eo = E - Eвх = E - (n-1/n) E = E/n (4)
Наприклад, при Е = 100 мкв і n = 10, Ео = 10 мкв, а Евх = 90 мкв. З формули (4) видно, що потенціал загальної клеми буде близьким нуля лише при великій кількості електродів, рівномірно розміщених навколо області над електрично активним органом.
При двополюсної відведення обидва електроди є активними (діфферентнимі). Місце розташування кожного електрода дуже сильно впливає на картину реєструється різниці потенціалів.
Коли електроди розташовані на відносно великій відстані від електрично активного органу і відстань між електродами мало, різниця потенціалів між ними практично буде дорівнювати нулю, тому що зміни потенціалів будуть приходити під електроди з однаковими амплітудами і фазами.
Приклади реєстрації різниць потенціалів, проведені на моделі і що ілюструють особливості однополюсного і двополюсного відведень, були здійснені Д. І. Меніцкім (1959).
Детальний аналіз дозволяє встановити розташування полюсів електрично активного органу, а також в якійсь мірі судити про місце його локалізації.
3. Електричний опір живих тканин.
Електричний опір тканин відіграє суттєву роль при реєстрації біоелектричних процесів. У деяких випадках велике междуелектродное опір може виявитися причиною, спотворює справжній вигляд досліджуваної біоелектричної активності.
Вимірювання междуелектродного опору за допомогою зовнішнього фізичного генератора електричних синусоїдальних коливань і встановлення залежності його величини від різних чинників (сила струму, його швидкість та ін) неважко здійснити для амплітуд струму, що складають десяток мікроампер і більше. Визначення величини междуелектродного опору для струмів перешкод, що? междуелектродного опору в часі (у перші 30 хвилин) після накладення електродів на шкіру досліджуваного.
Як правило, опір входу підсилювача біонапряженій буває одно 0,5-1 Мом, тому необхідно, щоб междуелектродное (в основному шкірне) опір було б у багато разів менше вхідного опору підсилювача. За цієї умови можна знехтувати падінням напруги біострумів на шкіряному опорі і читати, що електрографічний установка повністю реєструє досліджувану біоелектричну активність.
Для зменшення междуелектродного опору шкіру перед реєстрацією біоелектричних процесів для знежирення обробляють спиртом або ефіром ... Однак це не можна вважати достатнім, оскільки знежирення шкіри мало знижує опір рогового шару епідермісу. У електрографічний практиці знайшла застосування також обробка шкіри пастами, які містять абразиви (наприклад, дрібно мелена пемза), які знімають роговий шар і значно знижують междуелектродное опір.
Технічні методи дослідження електричної активності серця хворого.
1. Електрична активність серця
Діяльність серця, як відомо, супроводжується електричної активністю. Порушення охоплює серцевий м'яз у певній послідовності як в просторі, так і в часі, і цей процес періодично повторюється. Серце правомірно розглядати як сумарний диполь, що є результатом взаємодії великої кількості елементарних диполей, які створюють поодинокі волокна міокарда.
Електричні поля серця в момент часу, відповідний зубця R. Це поле дещо відрізняється від електричного поля диполя, який міститься в однорідну провідну середу, але володіє всіма характерними рисами останнього. При зміні положення полюсів диполя серця в моменти серцевого циклу, відмінні від моменту, коли зубець R максимальний, напрям електричної осі серця змінюється, що відповідає зміні напрямку вектора, який характеризує величину і напрямок сумарного диполя серця, інтегрального диполя. ЕРС, що виникає при порушенні одиночного м'язового волокна, може бути охарактеризована елементарним вектором. При реєстрації ЕРС всього міокарда записується рівнодіюча всіх елементарних векторів, що носить назву інтегрального вектора.
На поверхні тіла людини проектуються інтегральний вектор і всі зміни його величини і напрямку. Ці зміни реєструються при накладенні двох електродів на тіло досліджуваного в вило електрокардіограми, що є відображенням змін у часі проекції інтегрального вектора на площину, що проходить через електроди.
Електрична активність серця є майже періодичним процесом змін біопотенціалів в часі. Електрокардіограма має ряд чітко виражених зубців, величина амплітуди яких залежить від відведень. Діапазон амплітуд електричної активності серця лежить в межах від 0,05 до 2,5
