Физические основы электрографии органов и тканей

На каждом участке клеточной мембраны возбудимой ткани существует разность электрических потенциалов, значит, существует электрическое поле, напряженность которого весьма значительна и в состоянии покоя клетки составляет сотни киловольт на сантиметр. Эти поля локализованы прежде всего в мембране клетки, но могут существовать и вне самой мембраны. Электрические поля, создаваемые отдельными элементами клетки, создают электрическое поле этой клетки, а сумма электрических полей клеток, образующих орган или ткань, формирует электрическое поле этого органа или ткани. Поскольку в создание общего электрического поля вносит свой вклад каждая клетка ткани, то изменение функционального, значит, и электрического состояния отдельных клеток отражается на электрическом поле всего органа или ткани. Поэтому регистрация электрических полей органов и тканей позволяет оценивать их функциональное состояние, определять изменения этого состояния под действием различных внешних факторов, выявлять патологические изменения в этих структурах организма. Все это определяет то большое значение, которое имеет в клинической медицине регистрация электрограмм тканей и органов в целях диагностики их функционального состояния.

Точное описание электрических полей тканей и органов — сложная математическая и физическая задача. Поэтому используются способы приближенного описания, дающие достаточно хорошую точность.

Поскольку биоткани и органы в целом электрически нейтральны, то создаваемое ими электрическое поле, можно приближенно рассматривать как формируемое некоторым диполем[1].

Этот результирующий диполь, моделирующий электрическое поле органа, часто называют интегральным (т. е. суммарным) электрическим вектором этого органа или . Если известны величина и направление дипольного момента, то фактически известно все об этом поле, т. к. по формулам (2.2) или (2.7) нетрудно вычислить потенциал электрического поля в любой точке пространства вокруг диполя и затем определить другие характеристики поля.

Если состояние отдельных клеток ткани изменяется (например, часть мышечных волокон сокращается), то меняется и их электрическое поле, значит, несколько модифицируется и суммарное электрическое поле этой ткани и как следствие изменяются параметры дипольного момента (его величина и направление), описывающего это поле. Поэтому, регистрируя изменения величины и направления дипольного момента, можно определить, как и в какой последовательности изменялось во времени состояние отдельных структурных частей ткани, оценить ее функциональное состояние в целом.

Регистрация электрических полей органов и тканей человека, животных получила общее название электрографии. При этом как отдельные диагностические методы выделяют электрокардиографию (ЭКГ) — регистрацию электрических полей, создаваемых сердечной мышцей,электромиографию (ЭМГ)— регистрацию электрических полей скелетных мышц,электроэнцефалографию (ЭЭГ)— регистрацию электрической активности головного мозга и др.

Рассмотрим более подробно метод регистрации электрических полей на примере электрокардиографии (ЭКГ). Электрическое поле, создаваемое сердечной мышцей, можно приближенно рассматривать как поле, формируемое некоторым токовым диполем, который часто представляют интегральным электрическим вектором или электрическим генератором сердца. Согласно вышесказанному, для корректной регистрации параметров диполя необходимо регистрировать напряжения между точками, расположенными в вершинах правильного многоугольника, в центре которого находится исследуемый диполь.

Впервые подобную систему отведений предложил голландский врач Эйнтховен. Он предложил рассматривать сердце как электрический диполь, расположенный в центре равностороннего треугольника (известного теперь как «треугольник Эйнтховена»), вершинами которого являются правое R и левое L плечи, основание торса F (рис. 6). Однако, в целях удобства пациентов и персонала, для наложения электродов используют не эти точки, а запястья рук и голень левой ноги, при этом сами конечности играют лишь роль естественных проводников равной длины.

D

Отведения, предложенные Эйнтховеном, принято называть стандартными. Электрограммы в этих отведениях определяют проекции интегрального вектора сердца ( или ) на три стороны треугольника Эйнтховена, расположенного во фронтальной плоскости тела.

Разность потенциалов U_I между правой и левой руками называют
I отведением, между правой рукой и левой ногой — II отведением U_II и между левой рукой и левой ногой — III отведением U_III Эйнтховена. При этом выполняется закон Эйнтховена — в любой момент времени алгебраическая сумма напряжений в I и III отведениях должна быть равна напряжению во II отведении:

U_I + U_III = U_II. (2.9)

Но на практике кроме этих трех стандартных отведений регистрируют еще девять: три усиленных униполярных и шесть грудных.

В униполярных усиленных отведениях, обозначаемых как αVR, αVL и αVF, регистрируют разность потенциалов между одной из вершин треугольника Эйнтховена (R, L или F) и усредненным потенциалом двух других его вершин (рис. 7), для чего последние соединяют между собой двумя равными сопротивлениями. Униполярные отведения определяют проекции электрического вектора сердца на биссектрисы соответствующих углов R, L или F треугольника Эйнтховена.

Рис.7. Схема регистрации Рис. 8. Схема регистрации грудных отведений

униполярного усиленного

отведения αVR

Три стандартных и три усиленных отведения определяют поведение электрического вектора сердца лишь в плоскости треугольника Эйнховена, т. е. во фронтальной плоскости тела и не дают никакой информации о проекциях этого вектора на направление, перпендикулярное этой плоскости. Поэтому, чтобы получить полное представление об электрическом поле сердца, регистрируют еще шесть грудных отведений. Они представляют собой разность потенциалов между общей точкой треугольника, электрически соединенной тремя равными сопротивлениями с вершинами треугольника Эйнтховена, и одной из 6 фиксированных точек на грудной клетке пациента (рис. 8).

Таким образом, при стандартной регистрации ЭКГ записывают двенадцать отведений: три стандартных отведения I, II, III, три усиленных отведения aVR, aVL, aVF и шесть грудных отведений V1–V6, показанных на рисунке 8.

Типичный вид электрокардиограммы (ЭКГ) приведен на рисунке 9, где латинскими буквами обозначены ее основные зубцы. Каким процессам в сердечной мышце они соответствуют?

Рис. 9. Вид 2 последовательных кардиоциклов стандартной ЭКГ.
Показаны основные зубцы и основные временные интервалы

Электрическое поле сердца неразрывно связано с физиологическими процессами, происходящими в сердечной мышце. Поэтому, чтобы правильно понимать, как формируется электрокардиограмма, и о чем свидетельствуют те или иные ее параметры, нужно иметь общие представления о физиологических процессах, происходящих в миокарде в течение сердечного цикла.

Cardiac (нервы, ускоряющие деятельность сердца

Синусный узел (стимулятор пульса)

Атриовентрикулярный узел

Пучок Гиса

Правый пучок

Левый пучок

Волокна Пуркинье

Vagus nerve (нервы, подавляющие сердечную деятельность

Рис. 10. Схематическое изображение сердца и его проводящей системы

Сердце представляет собой орган величиной с кулак (рис. 10), имеющий несколько заостренную верхушку, обращенную вниз и влево. В верхней части сердца расположены два тонкостенных насоса — правое и левое предсердия, которые наполняют кровью основные насосы сердца — правый и левый желудочки. Желудочки разделены внутри сердца толстой мышечной стенкой, которая называется перегородкой. Из правого желудочка кровь поступает в легкие, а из левого желудочка — в остальные части тела по большому кругу кровообращения.

При рассмотрении работы сердца в нем выделяют центр автоматии, расположенный в синусовом узле на правом предсердии, систему специализированных проводящих волокон, по которым возбуждение распространяется по миокарду, и мышечный сократительный аппаратсердца.

На рисунке 9 показана типичная электрокардиограмма, регистрируемая электродами в одном из стандартных отведений. Центр автоматии (пейсмейкер), состоящий из специальных клеток, вырабатывает электрические импульсы, запускающие каждый цикл сокращения сердца. Электрический импульс запускает волну возбуждения, которая распространяется по проводящей системе предсердий со скоростью около 1 м/с, охватывая мышцу предсердия примерно за 0,08 с (т. е. 80 мс) и вызывая ее сокращение. Этому процессу соответствует первый, небольшой по амплитуде зубец Р кардиограммы.

Затем волна возбуждения достигает атриовентрикулярного узла, где скорость распространения электрического импульса резко падает (до 0,05 м/с) и происходит задержка передачи возбуждения на желудочки примерно на 0,05 с (сегмент PQ на рисунке 9), что необходимо, по-видимому, для заполнения желудочков кровью. После окончания атриовентрикулярной задержки электрический импульс быстро распространяется по правой и левой ножкам пучка Гиса проводящей системы, которые у вершины сердца разветвляются на сеть мелких проводящих волокон Пуркинье, уже непосредственно передающих возбуждение мышечным волокнам правого и левого желудочков, вызывая их сокращение (зубцы Q, R и S). Длительность комплекса зубцов QRS в норме составляет около 80 м/с. Затем, примерно через 0,2 с (200 мс), начинается восстановление (реполяризация) электрического состояния покоя желудочков, чему соответствует зубец Т и расслабление мышцы желудочков. Вся систола желудочков (интервал QT) длится 0,3–0,4 с. После паузы (диастолы), длящейся около 0,4 с, синусовый узел запускает новую волну возбуждения сердца.

Одновременная регистрация электрокардиограммы в нескольких отведениях позволяет определить поведение интегрального вектора сердца во времени. Оказалось, что в течение сердечного цикла, этот вектор непрерывно изменяет свою длину и направление, а за один кардиоцикл описывает в пространстве3 петли разной амплитуды (рис. 11). Первая петля P имеет наименьший размах и соответствует возбуждению предсердий. Вторая петля QRSимеет наибольшую амплитуду и соответствует возбуждению желудочков, а третья петля Т соответствует реполяризации желудочков. Проекции этих трех петель на линии отведений и определяют вид электрокардиограмм в этих отведениях.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие виды электрических зарядов вы знаете, укажите единицы их измерения в СИ и величину элементарного заряда. Сформулируйте закон сохранения электрического заряда.

2. Что определяет закон Кулона и в каких случаях его можно применять?

3. Укажите основную силовую характеристику электрического поля и запишете формулу для ее вычисления, когда поле создается точечным зарядом. В чем заключается принцип суперпозиции электрических полей?

4. Укажите основную энергетическую характеристику электрического поля и запишете формулу для ее вычисления, если поле создается
точечным зарядом. Как найти потенциал поля, создаваемого системой
зарядов?

5. Как связаны напряженность и потенциал электрического поля?

6. Что такое электрический диполь? Как рассчитать потенциал поля, создаваемого диполем? Приведите соответствующую формулу.

7. Как связано напряжение между двумя точками электрического поля с параметрами диполя? Приведите формулу.

8. Что такое «мультиполи», охарактеризуйте их. Создают ли они электрические поля и чем различаются? В чем суть теоремы о мультипольном разложении электрических полей? Что такое дипольное приближение?

9. Почему определенные ткани и органы создают собственные электрические поля, от чего они зависят? Что такое интегральный электрический вектор поля? Что такое электрограмма органа и какие их виды вы знаете?

10. В чем состоит теория Эйнтховена? Что такое стандартные отведения Эйнтховена и усиленные униполярные отведения? Как они связаны с интегральным электрическим вектором (диполем) сердца? Что представляют грудные отведения и почему их надо регистрировать?

11. Нарисуйте примерный вид ЭКГ и укажите, каким физиологическим процессам соответствуют ее основные зубцы и временные интервалы?

ЛИТЕРАТУРА

1. Ремизов, А. Н. Медицинская и биологическая физика / А. Н. Ремизов. М.: Высшая школа. 1996.

2. Физиология человека / под ред. Р. Шмидта, Г. Тевса. В 4 т. М.: Мир. 1985.

3. Биофизика / В. Ф. Антонов [и др.]. М.: Владос. 2003.

Оглавление

1. Электрическое поле и его основные характеристики.......................... 3

2. Электрический диполь и его поле......................................................... 6

3. Физические основы электрографии органов и тканей......................... 11

4. Контрольные вопросы........................................................................... 16

Литература................................................................................................. 17

Учебное издание

Лещенко Вячеслав Григорьевич