Помехи, возникающие при измерении биопотенциалов, и способы их уменьшения

Помехи, возникающие при любых измерениях, искажают результат и увеличивают погрешность. Поэтому анализ причин появления помех, нахождение способов их устранения является основной задачей любого измерения. Помехи, возникающие при съѐме биопотенциалов и их усилении, подразделяются на аддитивные и муль-типликативные.

Аддитивные помехи

Наибольшее влияние на результат измерения оказывают аддитивные помехи. Они проявляют себя независимо от наличия сигнала. Основными источниками аддитивных помех являются: артефакты и внешние наводки.

Артефакты – это случайные помехи, вызываемые некоторыми процессами в диагностируемом организме. Их причинами может быть биоэлектрическая активность органов, не имеющих непосредственного отношения к работе диагностируемого органа, а также кожно-гальванические рефлексы, непостоянство поляризационных эффектов на электродах и др. Например, в электрокардиографии артефактами могут быть сигналы, связанные с активностью различных групп мышц, которые при миографических исследованиях являются полезными. Артефакты имеют широкую полосу частот.

Внешними помехами, являются наводки от электрических полей силовой, осветительной сети (50 Гц) и электрических установок; от магнитных полей, создаваемых трансформаторами и другими магнитными приборами; а также от электромагнитных полей, сопровождающих работу высокочастотных физиотерапевтических и хирургических аппаратов. Провода отведений образуют виток, в котором электромагнитное поле наводит помеху, величина которой пропорциональна площади витка.

К аддитивным помехам также относятся собственные шумы активных и пассивных элементов входных цепей и усилителей биопотенциалов и преобразователей сигналов в цифровую форму.

Рассмотрим некоторые способы уменьшения сетевых помех. Для ослабления влияния сетевой помехи обычно используется дополнительный нейтральный (индифферентный) электрод, с помощью которого биообъект соединяют с заземляющим проводом. При этом уровень сетевых наводок уменьшится, но при большинстве видов электрофизиологических измерений он всѐ ещѐ может быть выше уровня полезных сигналов. Поэтому усилители, используемые при регистрации биопотенциалов, должны иметь режекторный2 фильтр, обеспечивающий подавление в усиливаемых сигналах узкой полосы частот (47–53 Гц).

2 Режекторный (заграждающий) фильтр – электрический фильтр, не пропускающий колебания определѐнной полосы частот.

В качестве усилителей биоэлектрических сигналов используются дифференциальные усилители, которые имеют большое входное сопротивление не менее 10 Мом, обеспечивают увеличение биопо-тенциалов до 1000 раз и имеют чувствительность не менее 10 мкВ. Таким образом, биоэлектрические источники, которые являются очень слабыми и имеют высокое собственное сопротивление, мож-но измерить с использованием такого усилителя.

Диапазон частот используемых усилителей в различных режи-мах:

ЭКГ, ЭРГ 0,5–74 Гц,

ЭЭГ, ЭНГ, ЭОГ 1–25 Гц,

ЭМГ, червь 0,08–5 кГц.

Рабочий диапазон измеряемого напряжения 10 мкВ  100 мВ, верхний предел напряжения – 1 В.

Снижение влияния биологических и физических помех достигается применением усилителей с достаточно большим коэффициен-том подавления этих помех. Устранение влияния помех и наводок, связанных с проводами отведений, достигается уменьшением площади замкнутого контура, образованного этими проводами и при-менением методов экранирования.

Современные дифференциальные усилители могут быть малошумящими. Шум, возникающий при аналого-цифровом преобразовании, можно минимизировать при согласовании цифровых и аналоговых цепей.

Мультипликативные помехи

Мультипликативная помеха возникает только при наличии сигнала. Еѐ действие проявляется в нерегулярном изменении уровня сигнала вследствие изменения сопротивления электрод-кожа, вызванного внешними раздражителями, высыханием электропроводного крема или физиологического раствора, электрохимическими процессами на переходах контакта. Мультипликативные помехи являются инфранизкочастотными и возникают в основном при длительных исследованиях. Для уменьшения их влияния на результат ограничивают время диагностики. Сердечно-сосудистая система человека

Сердечно-сосудистая система человека – сложный и чувстви-тельный механизм, обеспечивающий снабжение кровью всех орга-нов и тканей организма. В состав сердечно-сосудистой системы вхо-дят сердце и сосуды – кровеносные и лимфатические.

Строение сердца

Сердце представляет собой биологический насос, благодаря работе которого кровь движется по замкнутой системе сосудов. Сердце состоит из левого и правого предсердия и желудочка, которые действуют как самостоятельные насосы, разделенные толстой и прочной мышечной перегородкой (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Строение сердца (URL: http://www.fiziolog.isu.ru)

Мышечную основу четырѐх камер сердца составляют стенки и перегородки. Мышечные волокна камер расположены по спирали, поэтому при их сокращении кровь буквально выбрасывается из сердца.

Правая половина сердца "прокачивает" венозную, богатую углекислым газом кровь, в лѐгкие по коротким легочным артериям. В лѐгких кровь насыщается кислородом, после чего возвращается по коротким лѐгочным венам в другую часть сердца – левое предсердие и, пройдя через двухстворчатый (митральный) клапан, попадает в левый желудочек (малыйкруг кровообращения). Левый желудочек больше по размеру и мускулистее правого. Его задача – перекачивать обогащѐнную кислородом кровь по аорте и другим главным артериям во все части тела (большойкруг кровообращения) [2].

Между желудочками и отходящими от них аортой и лѐгочным стволом находятся полулунные клапаны, которые обеспечивают течение крови через сердце только в одном направлении. Клапаны состоят из двух или трѐх створок, которые смыкаются, закрывая проход, как только кровь пройдѐт через клапан. Трѐхстворчатый клапан и клапан лѐгочной артерии контролируют прохождение лишенной кислорода крови с правой стороны; а митральный и аортальный клапаны управляют потоком насыщенной кислородом крови слева.

Работа сердца состоит из циклически сменяющихся сокращений (систолы) и расслаблений (диастолы). Во время сокращения (систолы) объѐм полостей сердца уменьшается и кровь выбрасывается из сердца в систему кровеносных сосудов. Во время расслабления (диастолы) камеры расширяются и сердце наполняется кровью. Сердце имеет строго определѐнную последовательность сокращения и рас-слабления, называемую сердечным циклом. Поскольку длительность систолы и диастолы одинакова, то половину времени сердце находится в расслабленном состоянии. Непрерывно перекачиваемая кровь циркулирует по телу, разнося по нему кислород и питательные вещества и удаляя из тканей двуокись углерода и продукты обмена.

Сердце имеет собственное кровоснабжение; особые ветви аорты – коронарные артерии, которые снабжают его насыщенной кислородом кровью.

Сердце покрыто плотной фиброзной оболочкой (перикардом), заполненной небольшим количеством жидкости, что предотвращает трение при его сокращении. Кровеносные сосуды представляют собой систему полых эластичных трубок различного строения, диаметра и механических свойств, заполненных кровью. В организме человека имеется несколько разновидностей кровеносных сосудов: артерии, вены и капилляры.

Артерии похожи на трубочки разного диаметра с толстыми стенками (рис. 3.2). Характерной особенностью артериальных сосудов является то, что их стенки снабжены большим количеством мышечных волокон, благодаря чему эти сосуды могут сокращаться и расслабляться, а значит, уменьшать и увеличивать свой диаметр (просвет). По артериям от сердца течѐт артериальная (насыщенная ки-слородом) кровь. Скорость циркуляции крови по артериям очень большая (несколько метров в секунду).

Вены – это кровеносные сосуды, по которым течѐт венозная (с низким содержанием кислорода) кровь (рис. 3.3). Как и артерии, вены бывают разного диаметра. Диаметр вен меняется в зависимости от объема накопившейся в них крови – чем больше объѐм крови, тем шире просвет вены. По венам кровь течѐт медленно (несколько сантиметров в секунду). Вены, по которым кровь течѐт против силы тяжести (вены голени), имеют клапаны для предотвращения обратного тока крови.

Капилляры – это мельчайшие кровеносные сосуды нашего тела. Диаметр капилляров измеряется несколькими микронами, что сравнимо с диаметром клеток крови человека. Стенки капилляров чрезвычайно тонкие и через них происходит обмен газами и питательными веществами между кровью и тканями нашего тела. Скорость течения крови по капиллярам минимальна. Из капилляров кровь поступает в венулы и вены, по которым возвращается в сердце.

Таким образом, сердечнососудистая система организма представляет собой замкнутый круг, по которому циркулирует кровь от сердца к органам и обратно – это так называемый большой круг кровообращения. Кроме большого круга кровообращения существует ещѐ малый круг кровообращения, по которому кровь циркулирует между лѐгкими и сердцем. В лѐгких кровь избавляется от избытка углекислого газа и обогащается кислородом.

 

Рис. 3.2. Артериальная система (URL: http://www.fiziolog.isu.ru)

Рис. 3.3. Венозная система (URL: http://www.fiziolog.isu.ru)

 

Лабораторная работа 1

Электрокардиография

Ключевые слова: электрокардиограмма по Эйнтховену, сердечный ритм, сердце в состоянии покоя и при нагрузке, фрагменты ЭКГ, предсердие, желудочки.

Цель работы: знакомство с работой установки для получения электрокардиограммы (ЭКГ); запись ЭКГ человека, находящегося в спокойном состоянии и после физической нагрузки, анализ полученных электрокардиограмм.