Методическая разработка
для студентов медико-профилактического факультета
к лабораторной работе
«Электрокардиография: физические основы теории отведений Эйнтховена, регистрация и анализ ЭКГ. Определение электрической оси сердца»
1. Научно-методическое обоснование темы:
Функционирование живых клеток сопровождается возникновением биопотенциалов. Клетки, образуя целостный орган, формируют сложную картину его электрической активности. Биопотенциалы, возникая и распространяясь в отдельных органах, создают в них переменные электрические поля и переменные разности потенциалов между различными точками поверхности органа. Регистрация изменения разности потенциалов различных органов и интерпретация этих изменений являются важнейшей задачей теоретической и клинической медицины, так как позволяют проводить биофизические и медико-биологические исследования с целью изучения работы органов и проведения клинической диагностики.
2. Краткая теория:
Метод исследования работы органов или тканей, основанный на регистрации во времени потенциалов электрического поля на поверхности тела, называется электрографией. Два электрода, приложенные к разным точкам на поверхности тела, регистрируют меняющуюся во времени разность потенциалов. Временная зависимость изменения этой разности потенциалов называется электрограммой.
Название электрограммы указывает на органы (или ткани), функционирование которых приводит к появлению регистрируемых изменений разности потенциалов: сердца - ЭКГ (электрокардиограмма), сетчатки глаза — ЭРГ (электроретинограмма), головного мозга — ЭЭГ (электроэнцефалограмма), мышц — ЭМГ (электромиограмма), кожи - КГР (кожно-гальваническая реакция) и др.
В электрографии существуют две фундаментальные задачи:
· прямая задача - расчет распределения электрического потенциала на поверхности тела по заданным характеристикам электрической активности изучаемого органа;
· обратная задача — определение характеристик электрической активности изучаемого органа по измеренным потенциалам на поверхности тела.
Обратная задача — это задача клинической диагностики: измеряя и регистрируя, например ЭКГ (или ЭЭГ), определять функционально состояние сердца (или мозга).
При переходе от клеточного уровня на органный (следующий уровень организации живых систем) возникает задача описания распределения электрических потенциалов на поверхности этого органа в результате последовательного возбуждения отдельных его клеток. В процессе жизнедеятельности состояние органа, а следовательно, и его электрическая активность, меняются с течением времени. Это вызвано, прежде всего, распространением волн возбуждения по нервным и мышечным волокнам. В исследовательских целях можно измерять разность потенциалов непосредственно на поверхности или на внутренних структурах изучаемого органа (сердца, мозга и др.). Однако в клинической практике такое прямое измерение разности потенциалов на органе трудно осуществимо. Но даже в случаях, когда удается измерить разности потенциалов непосредственно на внутренних органах, то их картирование и описание изменений во времени представляет собой трудно разрешимую задачу.
Поэтому для оценки функционального состояния органа по его электрической активности используется принцип эквивалентного генератора. Он состоит в том, что изучаемый орган, состоящий из множества клеток, возбуждающихся в различные моменты времени, представляется моделью единого эквивалентного генератора. Считается, что этот эквивалентный генератор находится внутри организма и создает на поверхности тела электрическое поле, которое изменяется в соответствии с изменением электрической активности изучаемого органа.
Термин «эквивалентный» означает, что распределение потенциалов на поверхности тела и их изменение во времени, порождаемое органом, должны быть близки таковым, порождаемым гипотетическим (воображаемым) генератором. Так например, в теории Эйнтховена сердце, клетки которого возбуждаются в сложной последовательности, представляется токовым диполем (эквивалентный генератор). При этом считается, что изменение потенциалов электрического поля на поверхности грудной клетки, вызываемое изменением электрического момента диполя, такое же, как и от работающего сердца.
Наибольшее распространение в медицинской практике в настоящее время получило изучение электрической активности сердца — электрокардиография. Регистрация ЭКГ и последующая ее интерпретация являются одним из наиболее эффективных и широко применяемых в медицине методов диагностики сердечной деятельности.
Источником электрического поля сердца являются электрические заряды - ионы, распределенные сложным образом в клетках и межклеточном пространстве миокарда. Картина эквипотенциальных линий электрического поля изображена на рис. 1 (в момент сокращения желудочков). Вид этих линий напоминает поле, создаваемое электрическим диполем (рис.2). Электрический диполь - это два близко расположенных заряда разного знака, равных по абсолютной величине (- q и + q). Основной физической величиной для диполя является вектор электрического (дипольного) момента диполя равный по величине произведению
, (1)
где l - расстояние между зарядами. При этом вектор направлен вдоль оси диполя АА от отрицательного заряда (- q) к положительному (+ q) (рис. 3).
Электрическое поле диполя (рис. 4) в любой удаленной точке полностью определяется вектором . Так, значение потенциала j в некоторой точке М, удаленной на большое расстояние r от диполя,
, (2)
зависит от проекции вектора на направление радиус-вектора точки М (рис. 4); k - коэффициент пропорциональности, зависящий от диэлектрической проницаемости среды, окружающей диполь, и от выбора системы единиц.
Из формулы (2) можно получить следующее важное для дальнейшего свойство электрического поля диполя: напряжение (разность потенциалов) U АВ между двумя равноудаленными от диполя точками (А и В, рис. 5) прямо пропорционально проекции e АВ вектора на направление АВ:
U АВ~ eАВ, (3)
Полное описание электрического состояния сердца, математическое описание распределения мембранных потенциалов по всему объему сердца в каждой клетке и описание изменения этих потенциалов во времени невозможно из-за сложности поставленных задач.
Экспериментальные данные показывают, что процесс распространения возбуждения по различным частям сердца сложен. Скорости распространения возбуждения варьируются в сердце по направлению и величине. В стенках предсердий возбуждение распространяется со скоростью 30—80 см/с, в атриовентрикулярном узле оно задерживается до 2—5 см/с, в пучке Гиса скорость максимальна — 100—140 см/с.
Сложна и последовательность распространения волн возбуждения в сердце. Волна возбуждения начинается в правом предсердии, в синусовом узле. Затем, распространяясь по миокарду предсердий, она достигает атриовентрикулярного узла и там задерживается. После этого волна стремительно опускается по ножкам пучка Гиса в апикальный отдел и только потом по волокнам Пуркинье попадает в структуры сократительного миокарда желудочков.
В результате столь выраженных неоднородностей возбуждение отдельных участков сердечной мышцы происходит по сложным временным закономерностям. Сердечные патологии, как правило, изменяют и пути проведения волны и временную закономерность возбуждения. Это является причиной изменения модуля и направления интегрального электрического вектора за один цикл сердечного сокращения (см. ниже). Именно эти процессы самым кардинальным образом скажутся на форме и параметрах электрокардиограммы. И именно поэтому ЭКГ и является одним из наиболее информативных диагностических методов в кардиологии.
На рис.6 представлена временная последовательность процессов возбуждения в сердце в норме.
В соответствии с принципом эквивалентного генератора, электрическую активность сердца представляют эквивалентным генератором тока, электрическое поле которого близко по свойствам электрическому полю, созданному сердцем.
Для расчетов потенциалов электрического поля, созданного генератором тока в однородной проводящей среде, генератор представляют в виде токового электрического диполя.
Рис.6. Распространение волны возбуждения в сердце. Стрелки указывают направления и времена прихода возбуждения в локальный участок мышцы. Pd — правое предсердие, Ps — левое предсердие.
Исследуя изменения разности потенциалов на поверхности человеческого тела, можно судить о проекциях дипольного момента сердца, следовательно, о биопотенциалах сердца. Эта идея положена в основу модели профессора физиологии Лейденского университета Эйнтховена, нидерландского ученого, создателя электрокардиографии. В 1906 г. он впервые в мире использовал свой метод для диагностики работы сердца.
В 1924 г. Эйнтховену (W.Einthoven) была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине «за изобретение электрокардиографа и расшифровку кардиограмм».
Основные положения теории Эйнтховена:
1. Электрическое поле сердца представляется как электрическое поле точечного токового диполя с дипольным моментом Е, называемым интегральным электрическим вектором сердца (ИЭВС) (складывается из дипольных моментов разных частей сердца).
2. ИЭВС находится в однородной проводящей среде, которой являются ткани организма.
3. Интегральный электрический вектор сердца Е меняется по величине и направлению в соответствии с фазами возбуждения отделов сердца (рис.6). Его начало неподвижно и находится в атриовентрикулярном узле, а конец описывает сложную пространственную кривую, проекция которой на фронтальную плоскость образует за цикл сокращения сердца три петли Р, QRS и Т.
Очевидно, в этом случае в разных точках поверхности грудной клетки человека в некоторый момент времени будут возникать различные по величине и знаку электрические потенциалы. В следующий момент времени распределение этих потенциалов на поверхности тела изменится.
Как обсуждалось выше, изменение величины и направления вектора Е за один цикл сокращения сердца объясняется различными характеристиками волн возбуждения и последовательностью их распространения по сердцу. Волна начинает распространяться от синусового узла по предсердиям (петля Р), атриовентрикулярному узлу, по ножкам пучка Гиса к верхушке сердца и далее охватывает сократительные структуры к базальным отделам (комплекс QRS). Петле Т соответствует фаза реполяризации кардиомиоцитов.
Эйнтховен предложил измерять разности потенциалов между двумя из трех точек, представляющих вершины равностороннего треугольника, в центре которого находится начало ИЭВС (рис.7).
Рис. 7. Схема регистрации комплекса QRS ЭКГ в трех стандартных отведениях
В практике электрокардиографии разности потенциалов измерялись между левой рукой (JIP) и правой рукой (ПР) - I отведение, между левой ногой (JIH) и правой рукой (ПР) - II отведение, между левой ногой (JIH) и левой рукой (JIP) — III отведение. Эти отведения называются стандартными. Руки и ноги рассматривались как проводники, отводящие потенциалы от вершин треугольника Эйнтховена, располагающихся у мест прикрепления конечностей к туловищу.
Расстояния от центра треугольника Эйнтховена до вершин одинаково и поэтому для расчета разности потенциалов каждого отведения можно воспользоваться формулой (3):
I отведение: UI = φЛР – φПР ~ЕI,
II отведение: UII = φЛН – φПР ~ЕП
III отведение:UIII = φЛН – φЛР ~ЕП1
Разность потенциалов i-oro отведения прямо пропорциональна проекции Еi интегрального электрического вектора сердца Е на линию этого отведения:
Ui ~ Еi .
Электрокардиограмма — это график временной зависимости разности потенциалов в соответствующем отведении, а значит и временной зависимости проекции ИЭВС на линию отведения.
Электрокардиограмма (рис.8) представляет собой сложную кривую с зубцами Р, Q, R, S, Т и тремя интервалами нулевого потенциала.
Рис.8
Для любого выбранного момента времени направление и модуль интегрального электрического вектора сердца имеют определенную величину, но проекции этого вектора на три отведения различны. Поэтому ЭКГ в I, во II и в III отведениях имеют разные амплитуды и конфигурации одноименных зубцов.
Основными характеристиками ЭКГ являются форма, высота зубцов и длительность интервалов. При патологических изменениях в сердце происходит изменение этих характеристик.
Зная высоту зубцов ЭКГ, можно определить углы, образованные вектором дипольного момента сердца с линиями отведений. Так, угол α, образованный диполем с линией I отведения, вычисляется по формуле
, (4)
где UI, UII, UIII – высоты зубца R электрокардиограммы соответственно в отведениях
I, II, III.
Гармонический спектр электрокардиограммы (набор простых синусоидальных колебаний, на которые, согласно теореме Фурье, можно разложить сложное колебание), в основном содержит частоты от 1 до 100 Гц с постоянной составляющей.
Три отведения не дают полной информации о работе сердца. Поэтому современная кардиология использует 12 стандартных отведений и ряд специальных.
Модель Эйнтховена имеет ряд допущений:
1) организм не является однородной электропроводной средой: кровь, лимфа, сосуды, мышцы и другие ткани имеют различные удельные проводимости. Кроме того, проводимость меняется со временем, например при вдохе и выдохе;
2) вектор Е, вращаясь, создает сложную объемную фигуру, а не проекцию лишь на одну плоскость, и начало его может смещаться;
3) не представляется возможным точно описать изменения Е сердца только изменением момента одного точечного диполя.
Однако медицинская практика показывает, что эти допущения не столь существенны.
Метод Эйнтховена успешно используется в электрокардиографии во всех клинических учреждениях мира уже более 100 лет.
В научных исследованиях разработана более подробная мультипольная модель электрической активности сердца, учитывающая то, что сердце имеет конечные размеры. В этой модели сердце представляется не одним, а многими диполями.
Векторэлектрокардиография (ВЭКГ) - методика, позволяющая судить об изменении ИЭВС в пространстве. Регистрируются проекции сложной пространственной кривой, описываемой концом вектора Е, на фронтальную, саггитальную и горизонтальную плоскости.
Для регистрации векторэлектрокардиограммы используют современную электронная техника и компьютерные технологии.
Дата добавления: 2015-09-27 | Просмотры: 1161 | Нарушение авторских прав
|