Биоэлектричество и медицинская электроника: Учебное пособие, страница 25

.

Подстановка в последнюю формулу значений U_I, U_II, U_III, соответствующих пику R, дает возможность определить направление среднего за период электрического вектора сердца (в этот момент направление электрического вектора приближенно совпадает с направлением среднего за период вектора).

Следующие три активно использующихся отведения именуются «усиленными». Точки съема потенциалов в этом случае поясняются эквивалентной схемой (рис. 43). Напряжение в каждом из усиленных отведений определяется как разность между потенциалом соответствующей конечности и средним потенциалом двух других конечностей:

Учитывая, что сердце представляется электрическим диполем, а также идеализацию о равностороннем треугольнике, можно установить связь между потенциалами . Потенциал диполя дается выражением:

,

где q – величина заряда,  - расстояние между зарядами, e - диэлектрическая проницаемость, r – расстояние от центра диполя до точки, в которой измеряется потенциал, Q - угол, определяющий направление вектора .

Для точек, находящихся на вершинах равностороннего треугольника, в центре которого помещен диполь, выражения для потенциалов будут отличаться лишь значениями угла Q:

.

Сложив эти потенциалы, получим:

.

Применительно к потенциалам  это означает

.

Последняя сумма тем ближе к нулю, чем более справедливы дипольная модель электрического поля сердца и предложение Эйнтховена.

Используя связь между потенциалами в формулах для напряжений «усиленных» отведений, можно прийти к выводу, что

,

т.е. разности потенциалов равны полутора потенциалам точек R, L и F. Это и определило термин «усиленное отведение», происходящий от английского «augmented voltage».

Еще шесть последующих отведений называются «грудными». Разность потенциалов в этом случае в каждом отведении измеряется между точкой, расположенной на поверхности грудной клетки в области сердца, и искусственной точкой, соединенной через одинаковые резисторы с областями съема потенциалов конечностей (R, L, F). Рис. 44 поясняет этот способ снятия кардиограммы. Потенциал искусственной точки близок к нулю вследствие  и равенства нулю суммы токов в узле  (). На практике  отличен от нуля и составляет десятые доли милливольт. Таким образом, разность потенциалов в грудных отведениях близка к потенциалам точек съема на поверхности тела.

Кроме рассмотренных отведений, в практике кардиографии используется и множество других, уточняющих при необходимости результаты, полученные при измерениях в основных отведениях.

4.5. Устройства для измерений и регистрации кардиосигналов

Существуют разнообразные системы контроля и фиксации электрических сигналов мышцы сердца. Они отличаются:

а) методами измерения и обработки сигналов (аналоговые или цифровые);

б) методами их визуализации (на «твердых» носителях с запоминанием или на экране электроннолучевой трубки, жидкокристаллического или других индикаторов);

в) ограничениями по длительности наблюдения.

Независимо от указанных отличий все приборы содержат три основных структурных единицы: электроды, усилитель, блок индикации. При съеме кардиосигнала со многих отведений в состав структурной схемы необходимо также ввести их переключатели. Реализации на основе цифровых методов требуют блоков обработки цифровой интерпретации кардиосигнала.

Электроды должны обеспечивать устойчивый контакт с кожным покровом и неискаженную передачу биопотенциалов. Переход электрод-кожа – это область перехода типа проводимости с ионной на электронную. Контакт металла с электролитом приводит к возникновению разности потенциалов. Эта разность может достигать весьма значительных величин (до 1В). Она оказывается включенной в измерительную цепь последовательно с источником кардиосигнала, и, таким образом, является мешающим фоном. Вследствие этого одним из основным требований при разработке и выборе электродов является минимальный уровень контактного потенциала. В практике электрокардиографии используются и чисто металлические электроды, и металлические электроды, контактирующие с электролитом через труднорастворимые соли материала электрода, например хлор-серебряные электроды (Ag-AgCl). Последние обеспечивают значение постоянной разности потенциалов между поверхностью тела и электродом в пределах единиц милливольт и являются одними из наиболее предпочтительных. Несмотря на чрезвычайно низкие частоты, содержащиеся в информационном спектре кардиосигнала, измерение биопотенциалов возможно и емкостными методами, имеющими определенное преимущество перед гальваническими, основным из которых является исключение поляризационного потенциала. В качестве диэлектриков в таких электродах используются окислы металлов. Толщина пленок окислов составляет десятые доли миллиметра. При этом значения удельной емкости оказываются равными приблизительно 0,1 мкФ/см². Для неискаженной передачи низких частот спектра постоянная времени переходной цепи должна быть более двух секунд, что может быть достигнуто в случае, если входное сопротивление усилителя превышает 20 МОм. В некоторых случаях емкостные методы съема кардиосигнала оказываются более предпочтительными, чем контактные.

Усилители. Сигнал, снимаемый с отведений, представляет собой сумму постоянной и переменной составляющих. Причем уровень переменной составляющей, несущей информацию о работе сердца, может быть на 2-3 порядка меньше уровня постоянной составляющей. Выделить переменный сигнал в таких условиях возможно двумя способами:

а) включением разделительных конденсаторов в цепи электродов отведений;

б) применением дифференциальных усилителей (при этом электроды сохраняют гальваническую связь с входными цепями усилительного каскада).

Первый способ реализуется в крайне ограниченных случаях из-за существенного информационного веса весьма низких частот (0,1 и менее Гц) в спектре кардиосигнала и сложности их передачи  при емкостной связи. Наиболее широкое распространение получил второй способ. При этом входные каскады выполняются либо на специально подобранной паре полевых транзисторов (как правило, расположенных в одном корпусе), либо на основе операционного усилителя (ОУ), собранного по схеме вычитающего (рис. 45).