1. Предисловие.
Электрографический метод - метод регистрации и анализа биоэлектрических процессов человека и животных--нашел весьма широкое применение в клинической практике, физиологическом эксперименте, авиационной и космической медицине, исследованиях по физиологии труда и спорта. Столь широкое применение электрограф ического метода объясняется тем, что он позволяет получить ценную информацию о нормальной или патологической деятельности тканей, органов и систем. В медицине электрографический метод зарекомендовал себя как важный диагностический метод. Так, ни одно кардиологическое исследование не проводится теперь без тщательного анализа электрической активности сердца больного. Ценные диагностические данные дают исследования электрической активности мозга и мышц и др...
Большим достоинством электрографического метода при использовании в клинике является его безболезненность. Широкому применению электрографического метода содействовало использование в технике электрографии последних достижений электроники.
Современные электрографические установки, обеспечивающие многоканальную регистрацию биоэлектрических процессов и автоматический анализ электрограмм, представляют собой весьма совершенные, но довольно сложные устройства.
Какими же знаниями электрографической техники должны обладать электрофи зиолог и врач, использую щие электрографическую аппаратуру в своей повседневной работе? Следует ли им знать эту аппаратуру так же хорошо, как и инженерам и техникам, занимающимся ее разработкой и эксплуатацией, или можно целиком положиться на инженеров и техников и вовсе не знать характеристик и возможностей аппаратуры?
Нетрудно показать, что первое невозможно, а второе недопустимо. В самом деле, если бы электрофизиолог и врач, пользующиеся электрографическим методом, попытались глубоко изучить электрографическую технику , то у них не хватило бы времени на свою основную работу. Незнание же ими основных данных электрографической установки и ее характеристик не позволяет сознательно и полностью ее использовать.
Электроф из иолог и врач должны четко представлять себе принцип действия электрографической установки , детально знать ее характеристики, уметь устранять простейшие неисправности.
Кроме того, им необходимо уметь отличать исследуемую биоэлектрическую активность от артефактов, находить на электрограмме результаты воздействия помех, знать и уметь применять способы, устраняющие артефакты и помехи электрографии. Они должны также быть знакомы с новыми направлениями в применении электрографической техники, с перспективами ее развития.
1.1. Введение.
Электрофизиологические методы позволяют изучать физиологические процессы, происходящие в органах и тканях в норме и патологии, путем исследования протекающих в них биоэлектрических процессов и путем их стимуляции электрическим током. Электрографический метод является одним из наиболее эффективных способов исследования физиологических процессов.
Известно, что функция органа проявляется, во-первых, специфическим рабочим эффектом (сокращение , секреция и т. п.) и, во-вторых, рядом общих для тканей неспецифических физико-химических изменений (интенсивность обменных процессов, теплообразование, биоэлектрическая активность и др.).
Таким образом, в ряде случаев состояние и рабочие возможности органа можно оценивать как по специфическому, рабочему эффекту, так и по сопровождающей его биоэлектрической активности. Например, о рабочих возможностях сердца можно судить не только по его производительности, но также и по его электрической активности.
Н. Е. Введенским была установлена закономерность , свидетельствующая о корреляции между функциональными (тем более патологическими) изменениями в тканях и органах и изменениями их биоэлектрической активности. Подтвержденная неоднократно, эта закономерность легла в основу электрографического метода. Однако электрографический метод позволяет получать информацию не только в тех случаях, когда биоэлектрическая активность сопровождает специфический эффект органа (сокращение мышцы и сердца, секреторная и моторная активность желудка и др.),но и в тех случаях , когда получить данные об этом специфическом эффекте другими методами не удается.
Электрографический метод позволяет получить сведения о прохождении волны возбуждения по нерву, информацию о жизнедеятельности мозга без исследования характера и особенностей осуществляемых им рефлексов и, наконец, данные о подготовке мышцы к выполнению сократительного процесса и др.
Нередко представление о состоянии органа или системы может быть установлено по изменению порядка следования импульсов электрической активности.
Электрографический метод позволяет регистрировать спонтанную или фоновую электрическую активность и биопотенциалы, являющиеся ответом на функциональную нагрузку, например стимуляцию.
Весьма важным для медицинского применения электрографического метода является тот факт, что биоэлектрическая активность органа может быть зарегистрирована не только при наложении электродов непосредственно на него, но и с кожи исследуемого.
Таким образом, предметом электрографии охватываются вопросы индикации, регистрации и анализа биоэлектрической активности тканей, органов и систем,проводимые с целью изучения как собственно биоэлектрических процессов, так и физиологических процессов , которые они сопровождают и отражают. Успехи в развитии техники электрографии во многом определяют развитие самого электрографического метода.
2.1 Схема регистрации биоэлектрических процессов человека
Прежде чем описывать отдельные элементы электрографической установки, необходимо представить себе общую схему регистрации биоэлектрических процессов больного в условиях клиники, уяснить назначение каждого элемента этой схемы и их взаимосвязь. С этой целью рассмотрим схему регистрации биоэлектрических процессов человека, показанную на рис. 1.
Электрографическая установка включает электроды 5, электродные провода 6, блок переключателей (коммутатор) электродов 7, калибратор напряжения 8, устройство для измерений междуэлектродного сопротивления 9, усилители 10, регистраторы 11, входящие в состав осциллографа 12, анализатор электрической активности 13 и стимулятор 14.
Орган 1, электрическая активность которого исследуется, как и органы 2, наличие электрической активности которых мешает анализу первой, представляют собой своеобразные электрические генераторы, которые , как и физические электрические генераторы, характеризуются развиваемой ими электродвижущей силой (ЭДС) и внутренним сопротивлением. ЭДС в свою очередь характеризуется амплитудой, формой и диапазоном частот.
Продуцируемая органами ЭДС низкоамплитудна (тысячные доли вольта и меньше). Форма ЭДС весьма разнообразна. Диапазон частот биоэлектрических активностей простирается от постоянных напряжений до десятков килогерц. ЭДС, продуцируемая органом 1, вызывает в соединительных тканях 8 и в коже 4 биотоки, которые созда ют разность потенциалов на поверхности кожи 4, отражающую все изменения ЭДС самого органа 1. Эта разность потенциалов и регистрируется с помощью электрографической установки на электрограмме, которая, как известно , представляет собой графическое изображение изменений разности потенциалов во времени в точках наложения электродов на тело исследуемого больного.
С помощью электрографической установки регистрируются разность потенциалов между электродами , наложенными на ткань , а не биотоки; здесь и далее применяются термины “бионапряжение” и “усилитель бионапряжений”, а не “биотоки” и “усилитель биотоков”.
Получить электрограмму записанную при наложении электродов на кожу 4, тождественную ЭДС, продуцируемой электрически активным органам, удается лишь в том случае, когда учитываются электрические характеристики органа 1, электрическое сопротивление тканей 3 и кожи4 и характеристики самой электрографической установки.
Электрическая активность исследуемого органа 1 и электрические активности органов 2, мешающие выявить первую, создают в точках наложения электродов суммарную разность потенциалов. Поэтому исследуя биопотенциалы органа 1 , прибегают к приемам, позволяющим исключить или ослабить на электрограмме артефакты, вызываемые активностью органов 2.
Электроды 5электрографической установки предназначаются для снятия исследуемой разности потенциалов. В зависимости от назначения электроды бывают различной формы и площади.
Состоян ие контакта электрод - тело исследуем ого человека играет решающую роль в получении высококачественной электрограммы без электродных артефактов.
Для получения хорошего электрического контакта между электродом и телом исследуемого человека принимаются меры для уменьшения переходного сопротивлен ия электр од - тело. Ф ик саци я электр одов производится весьма тщательно.
Электродные провода 6 соединяют электроды 5 с электрографической установкой. При исследовании электрической активности органов и тканей человека часто бывает необходимо записать количество процессов, превышающее число каналов регистрации электрографической установки. В таких случаях на тело человека накладывается необходимое число электродов 5, которые с помощью блока переключателей (коммутатора) электродов 7 последовательно подключают к электрографической установке. Переключатели (коммутатор) электродов обеспечивают подключение любого электрода к любому каналу регистрации , части электродов - к своей группе каналов или могут осуществлять определенную, заранее выбранную комбинацию подключения электродов к каналам регистрации с помощью поворота одной ручки.
Неотъемлемой частью электрографической установки является также калибратор напряжения 8,с помощью которого на электрограмму наносится масштаб напряжения для того, чтобы, сравнивая с ним, можно было бы оценить амплитуду бионапряжений.
Масштаб напряжения (“калибровка”) наносят на электрограмму в начале или в конце исследования, а в некоторых случаях в процессе записи.
Измерение междуэле ктродного сопротивления производят с помощью устройства. Регистраторы и малочувствительны и требуют усиления бионапряжений, осуществляемого с помощью усилителей 10.
Осциллограф 12 состоит: из 1) регистраторов 11, 2) ленты, на которую с их помощью наносится графическое изображение исследуемых процессов, 3) л ентопротяжного механизма, обеспечивающего равномерное движение ленты, 4) отметчика времени , наносящего отметки на ленту, и 5) устройства визуального наблюдения за исследуемыми процессами перед записью их на ленте.
Для того чтобы установить реакцию биоэлектрических ответов на стимулы различной физической природы, необходимо на ленту осциллографа 12, кроме исследуемых процессов и отметок времени, наносить также отметки о подаче раздражений от стимулятора 14.
Электрографическая установка может быть выполнена из отдельных блоков (блок переключателей электродов 7, усилители бионапряжений 10 и осциллограф 12) либо представлять собой единую конструкцию, состоящую из перечисленных блоков.
Кривая электрической активности какого-либо органа не всегда отражает патологические изменения, которые могут быть выявлены при визуальном анализе. Часто для их выявления требуется произвести более детальный анализ электрограммы.
Детальный анализ одной кривой электрограммы , проводимый путем измерения амплитуд и длительностей ее зубцов вручную, отнимает много времени, а такой анализ нескольких кривых настолько трудоемок, что является практически неосуществимым. Это и обусловило необходимость создания автоматических анализаторов биоэлектрических процессов, производящих запись результатов анализа на той же электрограмме, на кото рой записывается и анализируемая биоэлектрическая активность.
Автоматические анализаторы 13 становятся непременной частью электроэнцефалографических и электромиографических установок. Информация, получаемая от электрограмм, в которых зарегистрированы биоэлектрические ответы на дозированные стимулы, оказалась значительно богаче таковой, получаемой от электрограмм , отражающих “спонтанную” активность... Поэтому в комплект электроэнцефалографов и электромиографических установок входят соответствующие стимуляторы 14.
На электрограмме, кроме исследуемой биоэлектрической активности, регистрируются также напряжения , вызванные источниками помех электрографии 15, имеющимися в любом лечебном учреждении.
Одним из источников помех является электрическая сеть переменного тока (осветительная или силовая). Создаваемое ею электрическое переменное поле воздействует на тело исследуемого. На электрограмме записывается переменное напряжение помехи, которая, накладываясь на кривую биоэлектрической активности, искажает ее.
Помехи электрогр афии создаются также переменными магнитными полями, высокочастотными полями и др.
Если в прошлом регистрация биоэлектрических процессов человека производилась только в экранирующей камере (в комнате, обитой металлическими листами или сеткой), исключающей влияние многих видов помех, то теперь такая регистрация производится даже в операционной без применения экранировки.
2.2 Внутренние органы, ткани и кожа как электрические генераторы.
Электрическая активность органов и тканей обладает важной информацией о происходящих в них физиологических и патологических процессах. Для получения этой информации следует зарегистрировать электрическую активность.
Необходимо знать электрические характеристики “генераторов” (органов и тканей), так как без учета этих характеристик невозможно неискаженно зарегистрировать биоэлектрические процессы.
Всякий электрический генератор, в том числе электрически активный орган или ткань, характеризуется следующими параметрами: а) характером изменения ЭДС во времени (диапазоном изменения амплитуд ЭДС , частотным диапазоном и формой); б) внутренним сопротивлением.
Прежде чем рассмотреть эти параметры применительно к органам и тканям, необходимо остановиться на некоторых терминах.
При изучении незатухающих синусоидальных колебаний под их амплитудой понимают наибольшее отклонение колеблющейся величины от среднего значения.
Кривые биоэлектрической активности органов и тканей значительно отличаются от синусоиды и поэтому под амплитудой в электрографии условно понимают либо размах колебаний между пиками, либо величину отклонения кривой от средней линии, что, как правило , оговаривают.
Под периодом незатухающих синусоидальных колебаний - Т понимают время, в течение которого совершается одно полное колебание; частотой - fназывается число периодов за одну секунду
f = 1/Т (1)
Биоэлектрические процессы можно условно разделить на две группы - квазипериодические (электрическая активность сердца, a=ритм электрической активности мозга) и апериодические (электрическая активность мышц и др.). Но даже в квазипериодических биоэлектрических процессах период не остается неизменным и поэтому под частотой колебаний нужно понимать их среднюю частоту за какое-то определенное время.
Какими же характеристиками обладают ткани и органы человека и животных, если их рассматривать как электрические генераторы? При возбуждении клетки - элементарного электрического генератора - ее возбужденная часть становится электроотрицательной относительно невозбужденной части и разность потенциалов достигает 50 мв.
Клетки в органах и тканях человека и животных соединены параллельно, поэтому суммарная ЭДС возбужденного органа должна была быть того же порядка, что и ЭДС клетки. Однако суммарная электрическая активность клеток, регистрируемая с органа, всегда бывает ниже электрической активности отдельной клетки. Это объясняется тем, что в органе элементарные электрические генераторы - клетки, имеющие относительно большое внутреннее сопротивление, шунтируются сравнительно малым сопротивлением межклеточной жидкости , что приводит к ощутимому снижению разности потенциалов, развиваемой возбужденным органом.
При регистрации биоэлектрической активности мышц и сердца человека с помощью электродов, наложенных на кожу, амплитуда колебаний не превышает единиц милливольт, а амплитуда электрической активности мозга - сотом микровольт.
Таким образом, можно сделать вывод, что амплитуды колебаний бионапряжений весьма малы и составляют тысячные и стотысячные доли вольта.
Некоторые виды биоэлектрической активности тканей и органов являются апериодичными процессами сложной формы (например, электрическая активность мышц). Для того чтобы зарегистрировать эти процессы неискаженно, необходимо, чтобы электрог рафи ческая установка обеспечивала запись совершенно определенной полосы частот. Именно в этом смысле говорят, что , например, суммарная биоэлектрическая активность мышцы занимает диапазон частот от 1 до 1000 Гц.
Если учесть, что некоторые биоэлектрические процессы изменяются весьма медленно (кожные потенциалы), а для неискаженного воспроизведения других (электрическая активность одиночного мышечного волокна) требуется регистрация колебаний в десятки тысяч герц, то можно считать, что биоэлектрические процессы человека занимают диапазон от постоянных напряжений и инфранизких до низких частот включительно.
При регистрации биоэлектрических процессов человека, внутренним сопротивлением эквивалентного электрического генератора, например, мышцы, является междуэлектродное сопротивление, включающее в себя сопротивление кожи, ряда других тканей и сопротивление органа, электрическая активность которого регистрируется. Оно зависит от ряда факторов (сила и форма тока, площадь электродов, качество обработки кожи , температура воздуха и др.) и достигает большой величины.
На требования к электрографическим установкам, естественно, влияют характеристики органов и тканей как электрических генераторов. Так, низкая амплитуда биоэлектрических процессов органов и тканей человека ведет к тому, что электрографические установки должны обладать весьма высокой чувствительностью, а их усилители - высоким коэффициентом усиления.
Эти установки должны также обеспечивать неискаженную регистрацию постоянных и медленно меняющихся разностей потенциалов, инфранизких и низкочастотных колебаний потенциалов.
И, наконец, для того чтобы электрограмма, записанная с помощью электродов, наложенных на кожу человека, была тождественна электрической активности исследуемого органа, входное сопротивление установки должно быть во много раз больше, чем междуэлектродное сопротивление.
Электрически активный орган окружен тканями, являющимися объемным проводником. Разность потенциалов, продуцируемая органом, вызывает в окружающих его тканях биотоки, и, следовательно, в последних создаются разности потенциалов, повторяющие все изменения ЭДС электрически активного органа.
Для того чтобы составить себе представление , какие разности потенциалов и потенциалы продуцируют электрически активный орган в окружающих его тканях , необходимо рассмотреть упрощенную модель.
Электроды А и Б - два противоположных по знаку , но равных по величине электрических заряда - образуют так называемый диполь. Так как необходимо бывает учесть как величину разности потенциалов между полюсами диполя (в нашем случае между электродами А и Б) , так и положение диполя в пространстве , то символически диполь характеризуется вектором - стрелкой , направленной от отрицательного полюса (электрода) к положительному , величина которой пропорциональна разности потенциалов между полюсами диполя. Если полюса диполя неподвижны , а разность потенциалов между ними неизменна , то величина и направление вектора мало что дают для характеристики диполя.
Но в том случае , когда меняется во времени величина разности потенциалов диполя и полюса диполя смещаются в пространстве , только вектором можно охарактеризовать эти изменения.
Рассмотренная модель отличается от электрически активного органа, находящегося в окружающих его тканях в следующем:
Электрически активный орган продуцируют обычно не постоянные, а переменные разности потенциалов.
Среда, которой окружен орган, не может быть названа однородной, а поэтому искажает картину электрического поля вокруг органа.
В ряде случаев электрически активные органы не являются неподвижными (например, сердце), т. с. оси Х-Х и У -У смещаются в пространстве.
Несмотря на перечисленные отличия, рассмотренная упрощенная модель позволяет составить представление о характере распределения потенциалов вокруг электрически активного органа.
Осуществить униполярное (однополюсное) отведение на теле человека не удается:
Невозможно найти линию нулевого потенциала электрической активности исследуемого органа из-за смещения оси У--У в пространстве (сердце), а также из-за того, что в некоторых случаях электрически активный орган (например, мышцы) имеет вместо двух полюсов, эквивалентных электродам А и Б, множество таких полюсов.
На теле человека нельзя найти точку, достаточно удаленную от электрически активного органа, чтобы можно было считать потенциал, создаваемый им в этой точке, равным нулю.
Поэтому было предложено создание искусственной точки нулевого потенциала - “усредненного” общего электрода, получаемого путем соединения вместе (через сопротивления) большого числа электродов, помещенных на теле исследуемого.
При этом исходили из предположения, что чем больше число этих электродов, тем ближе к
8-09-2015, 21:40