Биоэлектричество и медицинская электроника: Учебное пособие, страница 22

Из всех видов электрограмм наибольшее распространение и применение в медицинской практике нашла электрокардиография. Это объясняется тем, что, во-первых, проблемы, связанные с работой сердца и диагностикой его заболеваний, занимают в клинической практике гораздо больше места, чем проблемы, связанные с нарушением деятельности головного мозга, мышечной ткани или других органов; во-вторых, исследования электрических проявлений деятельности сердца относительно более просты и определенны, чем аналогичные исследования, например, скелетно-мышечной или нейронной активности. Разности электрических потенциалов, создаваемые на поверхности тела в результате сердечной деятельности, примерно на порядок превышают аналогичные, связанные с активностью тканей скелетных мышц, и на два порядка – разности потенциалов, возникающие при функционировании нейронов головного мозга. Малый уровень сигналов в двух последних случаях обусловлен некоррелированностью актов возбуждения отдельных клеток. В результате этого происходят взаимные компенсации сигналов и уменьшение вследствие этого средних значений электрических потенциалов, фиксируемых на кожных поверхностях тела. В других случаях к последнему обстоятельству могут добавиться малость самих сигналов, генерируемых соответствующими клетками, либо их удаленность от внешних поверхностей организма.

4. ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАФИЯ

Сердце представляет собой орган, состоящий в основном из мышечной ткани. Клетки этой ткани, кардиомиоциты, соединены между собой высокопроницаемыми переходами – коннексонами, через которые может осуществляться межклеточный обмен, в частности ионами. При анализе процессов распространения электрического сигнала сердце может рассматриваться как целостное образование в виде клеточной информационной сети (синцития). Вследствие этого возбуждение, возникшее в одной из клеток, распространяется по сердечной мышце – миокарду – подобно тому, как это происходит в нервном волокне. Электрический импульс сердечной мышцы из-за коррелированного характера возбуждения имеет значительную амплитуду и создает на поверхности тела человека разности потенциалов, доходящие до пяти и более милливольт.

4.1. Особенности возбуждения кардиомиоцита

В отличие от нервных клеток и клеток скелетных мышц, длительность возбужденного состояния которых составляет единицы миллисекунд, миокардиальные клетки находятся в возбужденном состоянии гораздо большее время (около 250-300 мс). Соотношение концентраций ионов Na⁺, К⁺ и Cl^– в клетке сердечной мышцы и окружающей ее среде имеют тот же порядок, что и в нервных и мышечных волокнах. Основное влияние на длительность возбужденного состояния кардиомиоцита оказывают ионы кальция (Са⁺⁺), концентрация которых в межклеточной жидкости (2 ммоль/л) значительно превосходит концентрацию в цитоплазме кардиомиоцита (10^-4 ммоль/л). Процесс возбуждения клетки мышцы сердца может быть разбит на несколько стадий (рис. 35).

1 стадия. В этой стадии, как и в нервных клетках и клетках скелетных мышц, происходит быстрая деполяризация мембраны, обусловленная самосогласованным регенеративным процессом роста потенциала мембраны и проницаемости натриевых каналов. Максимальное значение напряжения на мембране близко к стационарному потенциалу натрия и составляет (+20–+30) мВ. Длительность этого процесса определяется временем пребыванием натриевых каналов в активном состоянии и составляет единицы миллисекунд.

2 стадия. В этом интервале времени, называемом фазой быстрой начальной реполяризации, происходит активация каналов хлора, а также кальциевых и калиевых каналов, проводимость которых изменяется во времени значительно медленнее, чем проводимость натриевых. Однако длительность их активного состояния значительно превосходит длительность возбужденного состояния натриевых каналов. В результате переноса упомянутых типов ионов потенциал мембраны понижается и достигает значения, близкого к нулевому. Длительность этой стадии 10-30 мс.

3 стадия. Это состояние характеризуется приблизительным постоянством уровня мембранного потенциала клетки. Относительная неизменность уровня связана с приблизительным равенством входящего кальциевого и выходящего калиевого токов. Продолжительность этого интервала времени практически совпадает со временем пребывания кальциевых каналов в активном состоянии и составляет примерно 200 мс.

4 стадия. Стадия быстрой реполяризации. В процессе ее инактивируются кальциевые каналы и увеличивается проводимость калиевых. Вследствие увеличения переноса положительных ионов калия в межклеточную жидкость потенциал мембраны вновь приобретает отрицательное значение и в конце интервала становится практически равным потенциалу покоя. Длительность стадии около 50 мс.

5 стадия. В этот промежуток времени в результате действия ионных насосов происходит восстановление исходных концентраций носителей зарядов, т.е. осуществляется работа против сил концентрационных градиентов. Эта работа требует затрат энергии внешнего источника (энергии АТФ).

Стадии 1, 2, 3 составляют абсолютный рефрактерный период, т.е. в эти интервалы времени никакой внешний стимул не может привести к возникновению регенеративного процесса. Стадия 4 и часть стадии 5 – относительный рефрактерный период. В этих интервалах для возбуждения клетки необходимо прикладывать внешнее воздействие, превышающее уровень возбуждения покоящейся клетки.

Электрограмма кардиомиоцита. Под электрограммой кардиомиоцита будем понимать разность потенциалов в межклеточной среде между двумя точками вблизи клетки. Изменение напряжения на мембране приводит к изменению заряда на ней, и, следовательно, появлению тока в окружающей среде, из которой этот заряд и поставляется. Таким образом, в окружающей среде ток пропорционален производной напряжения на мембране: . Из-за резистивного характера электрического сопротивления межклеточной среды форма напряжения, фиксируемого между различными точками, определится как производная функции, представленной на рис. 35. Это и будет электрограмма кардиомиоцита (рис. 36).