ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАФИЯ
а) Физические основы электрокардиографии.
Электрокардиография - это метод исследования биоэлектрической активности сердца, заключающийся в записи изменений во времени разности потенциалов, создаваемых электрическим полем сердца во время его возбуждения. Электрокардиограмма была впервые записана Уоллером в 1887 г., но широкое распространение электрокардиография получила после того, как Эйнтховен в 1903 г. использовал для регистрации биотоков сердца струнный гальванометр. Электрокардиограмма дает информацию о ритме сердца, локализации патологического очага в миокарде, гипертрофиях и перегрузках тех или иных камер сердца и т.п.
Схематично электрокардиограмма изображена на рис.
Правая половина зубца Р до амплитудного значения соответствует возбуждению левого предсердия, левая часть зубца Р - возбуждению правого предсердия. Комплекс зубцов Q,R,S характеризует возбуждение желудочков, Т - реполяризацию желудочков (переход в невозбужденное состояние).
В состоянии покоя внутренние и внешние стороны мембран клеток миокарда представляют собой эквипотенциальные поверхности. Наружная поверхность имеет положительный потенциал, а внутренняя отрицательный. При возбуждении происходит деполяризация мембраны, т.е. на участке возбуждения меняются знаки потенциалов. Это происходит из-за того, что открываются ионные каналы мембран и изменяется концентрация ионов Ca, Na, K внутри и снаружи мембран.
Электрокардиограмма представляет собой запись двухфазного потенциала, т.е. наблюдаются отклонения вверх и вниз от изолинии. Рассмотрим модель получения двухфазного потенциал (рис).
на ленте самописца.
На поверхности электровозбудимой ткани на достаточном расстоянии расположим два электрода, расстояние между ними должно быть больше возбужденного участка.
Потенциал действия распространяется по мембранам от клетки к клетке, деполяризацию сменяет реполяризация, и по волокну распространяется автоволна. Изображенная форма возбуждения редко встречается в практике. Обычно длина возбужденного участка больше расстояния между электродами. В этом случае отрицательная фаза становится меньше по амплитуде. Изменение концентрации ионов на поверхности клеток можно представить как ток, у которого есть участок, где он начинается (исток), и место, где он заканчивается (сток). Это дает возможность моделировать электрическую активность сердца в виде токового диполя. Токовым диполем является участок среды длиной L, по которой течет ток I. Основной характеристикой токового диполя является его дипольный момент - вектор Р, численно равный произведению I на L, направленный от отрицательного потенциала к положительному: Р = IL.
Сердце можно моделировать одним токовым диполем, если рассматривать электрическое поле сердца на довольно большом расстоянии от него. При ближайшем рассмотрении сердце нужно считать мультиполем, так как это объемный орган, по которому сложным образом распространяются много участков возбуждения.
[Дипольное представление о сердце лежит в основе теории отведений Эйнтховена. Согласно ей, сердце есть диполь с дипольным моментом Рс3, который поворачивается, изменяет свое положение и точку приложения (изменением точки приложения этого вектора часто пренебрегают) за время сердечного цикла.
На рис показаны положения вектора Рс и эквипотенциальных линий для момента времени, когда дипольный момент максимален; это соответствует зубцу R на электрокардиограмме.]
б) Усилитель электрокардиографа
Усилитель электрокардиографа должен иметь частотную характеристику, приведенную на рис.:
Такие усилители называются усилителями "постоянного" тока. Трудности усиления биопотенциалов при снятии ЭКГ состоят в том, что на вход усилителя вместе с полезным сигналом поступают и низкочастотные помехи (в основном это наводки частотой 50 Гц от электросети), причем величина помех может во много раз превышать величину сигнала (R зубец в норме составляет 6,5 мВ) Для того, чтобы понять принцип борьбы с помехами, сравним их с полезным сигналом. Предварительно рассмотрим стандартные отведения, предложенные Эйнтховеном.
[В. Эйнтховен предложил снимать разности биопотенциалов сердца между вершинами равностороннего треугольника, которые приближенно расположены в правой ПР и левой ЛР руке и левой ноге ЛН (рис., а).
На рис. б схематически изображен этот треугольник.]
По терминологии физиологов отведением называется разность биопотенциалов, регистрируемая между двумя точками тела В кардиологии, согласно традиции, идущей от В.Эйнтховена, приняты стандартные точки, между которыми регистрируются разности потенциалов. Различают:
I отведение (правая рука - левая рука) или R-L.
II отведение (правая рука - левая нога) или R-F.
Ш отведение (левая рука - левая нога) или L-F.
Электрокардиограмма может регистрироваться и с других точек тела, но её форма при этом будет отличаться от стандартной.
Электроды накладываются на четыре точки, причем правая нога (ПН) пациента соединяется с корпусом прибора и заземляется. Нужно понимать, что это вынужденная мера, позволяющая различать полезный (диагностический) сигнал и наводки. Полезный сигнал возникает в тот момент, когда между двумя электродами (R-L, L-F, R-F) возникает разность потенциалов.
На рис. изображено расположение электрических полей сердца в некоторый момент времени (эквипотенциальные поверхности +φ, -φ ). Видно, что между точками F и L есть разность потенциалов, а между R и L ее нет. Отсюда следует вывод: полезный сигнал - противофазный (потенциалы имеют разный знак).
Эквивалентная схема пациента представлена на рис.
Сопротивление на участках ПН-R, ПН-L, ПН- F примерно одинаковые и на них наводятся одинаковые ЭДС наводок, причем, в каждый момент времени потенциалы точек R, L, F относительно Земли оказываются одинакового знака. Вывод: сигнал наводок - синфазный и примерно одинаковый по величине.
Треугольник Эйнтховена используется для получения некой диагностической величины - угла наклона средней электрической оси сердца. Положение оси определяется из алгебраических сумм величин Q, R, S зубцов двух отведений и сложения двух получившихся величин по определенным (довольно искусственным) правилам. Тем не менее угол наклона электрической оси сердца к горизонтали связывается с определенными патологиями.
Рассмотрим входной каскад усилителя электрокардиографа.
Входной каскад (рис) представляет собой дифференциальный или разностный усилитель и похож на мост Уитсона. Вместо переменных сопротивлений, разумеется, стоят лампы или транзисторы. В отсутствии сигнала их сопротивления одинаковые, мост сбалансирован и на Rвых нет напряжения.
Синфазный сигнал от помех (наводок) изменяет сопротивления усилительных элементов одинаковым образом и мост не разбалансируется. Противофазный полезный сигнал разбалансирует мост, на Rвых появится напряжение, которое усиливается следующим каскадом.
Усилитель электрокардиографа производит "вычитание" двух сигналов для подавления наводок, так как имеет фактически два входа, т.е. сигнал снимается с трех точек, две из которых принадлежат отведению, например, правая рука - левая рука, а третья точка находится на правой ноге. На один вход подается напряжение между правой рукой и правой ногой, на другой напряжение, имеющееся между левой рукой и правой ногой. Точка, находящаяся на правой ноге, является общей для входов усилителя. На правой ноге закрепляется электрод, который заземляется, т.е. имеет потенциал равный нулю.
Так как диагностический сигнал противофазный, то при вычитании он не исчезает, а увеличивается.
Если один из контактов электрод-кожа окажется плохим, а сопротивление заземления большим, то эквивалентная схема пациента изменится (рис.).
В этом случае сигналы от наводок в точках регистрации отличаются по величине и не исчезают полностью при "вычитании".
Схема регистрации биопотенциалов с использованием дифференциального усилителя приведена на рис. Усилитель обычно обозначается треугольником.
Отметим, что иногда в медицинской литературе впускается необходимость заземления, более того, электрод, прикрепляемый к правой ноге (заземляемый электрод) иногда называется "защитым электродом"! Это неверно.
Рассмотрим некоторые другие отведения, используемые в медицинской практике.
Среди отведений, регистрируемых вблизи сердца, часто используется система Вильсона (униполярная). В этой системе соединяют через большие сопротивления точки R,L,F. Эту точку соединяют с одним из входов усилителя электрокардиографа и называют индифферентным электродом (СТ).
Способ регистрации сигналов показан на схеме (рис.).
Сигнал на входе дифференциального усилителя равен в этом случае:
где φгр - потенциал в определенной точке на грудной клетке, а φR, φL, φF - потенциалы точек на конечностях. Эти потенциалы, включающие диагностический сигнал и помехи, меняются достаточно "случайно", и их сумма в среднем близка к нулю. Это означает, что потенциалы в точках на теле пациента регистрируются относительно точки с нулевым потенциалом. Электроды в этом случае располагаются ближе друг к другу, сопротивление тканей между ними меньше и, следовательно, меньше величина наводок.
Часто применяется система отведений от конечностей Гольдберга:
Сигнал в этой системе снимается с точек L-L*, R-R* и F-F*.
Отведения обозначаются aVL, aVR, aVF и часто называются усиленными:
Можно показать, что в этих отведениях амплитуда сигнала в 1,5 раза больше, чем в отведениях Вильсона:
В этом случае отведение Вильсона регистрируется между левой рукой (φL) и индифферентным электродом.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.