Методы электрофизиологической диагностики

Методы электрофизиологической диагностики

Существующие методы электрофизиологической диагностики основаны на регистрации биоэлектрических сигналов, генерируемых различными органами и системами человеческого организма.

В зависимости от органа, биоэлектрическая активность которого изучается, различают следующие основные методы электрофизиологической диагностики человека [3]:

– электрокардиографию – исследование электрической активности сердца;

– электроэнцефалографию – исследование электрической активности головного мозга;

– электромиографию – исследование электрической активности мышц;

– электроокулографию – исследование изменения потенциалов, обусловленных движением глазного яблока;

– электрогастрографию – анализ электрических сигналов, вызванных деятельностью желудка и кишечника;

– электрокохлеографию – исследование биопотенциалов, вызванных активностью структур наружного, среднего и внутреннего уха.

В биологии дополнительно применяются:

– электроретинография – изучение глаза насекомого;

– электронистагмограммия – регистрация биопотенциалов мускул земляного червя.

Большинство методов электрофизиологических исследований предназначены для изучения биопотенциалов не только одной клетки. Например, в электрокардиографии изучаются электрические процессы, протекающие в сердце. При этом регистрируются суммарные потенциалы действия сердечной мышцы. Отведение этих потенциалов осуществляется с поверхности тела на значительном расстоянии от генератора/сердца. Распространение волны возбуждения по сердцу отображается в форме электрокардиограммы – зависимости изменения потенциала от времени. Каждому положению отводящих электродов на поверхности тела соответствуют опреде-лѐнные форма и амплитуда сигналов электрокардиограммы.

Также достаточно сложная ситуация возникает в электроэнцефалографии, так как головной мозг характеризуется большим разнообразием клеточных структур и сложным характером взаимодействия между ними. Различие причин появления активности клеток порож-дает разнообразие методов регистрации биопотенциалов, способов их интерпретации и диагностического использования.

Биопотенциалы, регистрируемые при различных видах электро-физиологических исследований, являются малыми по амплитуде и находятся в области низких и инфранизких частот. Значения параметров биопотенциалов тканей и органов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Значения параметров биопотенциалов тканей и органов

 

 

Сложность и многообразие форм биоэлектрических сигналов, за-дач исследования и методов регистрации, а также неоднозначная зависимость параметров сигналов от внешних условий затрудняют использование электрофизиологических методов диагностики. Поэтому при регистрации биоэлектрических процессов в организме необходимо тщательно контролировать как способ отведения биопотенциалов, подбирая соответствующую систему отведений и тип электрода, так и способ обработки сигналов с целью наиболее полного получения информации.

Органы, ткани	Диапазон час-тот, Гц	Диапазон ампли-туд, мВ
Сердце Головной мозг: на поверхности скальпа, на открытом мозге Желудок Мышечные ткани Глазные мышцы Костные ткани Спинной мозг: медленные колебания, быстрые колебания	0,05–2000   3,5–4 0,1–120 0,02–0,5 5–5000 0,5–50 менее 1   2–10 8–30	0,03–5   0,002–0,2 0,05–5 0,01–10 0,1–10 0,002–0,2 до 10   0,01–0,02 0,04–0,06

 

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.

Экспериментальная часть

Цель – научиться:

1)находить зону контакта электрода с биообъектом и правильно накладывать электроды на выбранные зоны в соответствии с I стандартным отведением;

2) устанавливать режимы работы используемой аппаратуры;

3) проводить регистрацию электрокардиограмм в спокойном состоянии, после физической нагрузки и их анализ;

4) определять различные виды помех.

Аппаратура: электроды, резиновые бинты, кабель для присое-динения электродов к усилителю, биоусилитель Bio-Amplifier, соединительные провода, универсальная установка Кобра 3 (Basic-Unit), источник питания 12 В, персональный компьютер (РС), элек-тродный крем.

В используемой нами установке (см. рис. 3.6) биопотенциал с электродов подается на вход дифференциального усилителя(Bio-Amplifier), с выхода которого поступает на аналоговый вход уни-версальной установки Кобра 3 (Basic-Unit), вкоторойаналоговый сигнал переводится в цифровую форму.

 

Рис. 3.6. Подготовка к эксперименту

Работа базовой установки управляется персональным компьютером.

Подготовка к регистрации ЭКГ

Соедините выходной порт биоусилителя с аналоговым входом 2 (Analog in 2/52) базовой установки (Basic-Unit). При этом необходимособлюдать полярность соединения: красный провод на" + "гнездо, синий – на " – "гнездо.

1. Включите РС. Раскройте имя пользователя – Student.

2. Смажьте электроды небольшим количеством электродного крема и плотно прикрепите их резиновым бинтом: на внутреннюю сторону левого и правого запястий и к левой лодыжке.

3. Подключите электродный кабель по схеме: красный вывод – к электроду на правой руке, желтый – к электроду на левой руке, зе-лѐный – к электроду на левойноге.

4. Переключатель режима работы усилителя переведите в положение EKG (ЭКГ), коэффициент усиления – х 100 и включите сетевой тумблер (расположен на задней панели).

Проведение эксперимента

Во время записи кардиограммы человек должен сидеть в расслаб-ленном состоянии, положив руки на стол (см. рис. 3.6).

1. Раскройте пиктограмму (иконку) m:

– кнопкой откройте " Новое измерение ";

– установите параметры измерения в соответствии с рис. 3.7;

 

Рис. 3.7. Параметры измерения

– по окончании установки параметров измерения нажмите мышкой кнопку " Далее ", затем" Начать измерения ".

2. Проведите запись электрокардиограмм для человека, находящегося:

– в состоянии максимального расслаблении (состояние покоя);

– после кардионагрузки (например, после 10 полных приседаний).

Конец измерения автоматический по истечении установленного Вами времени/количества отсчѐтов.

3. По окончании записи ЭКГ сохраните данные в файл под своим именем, который будет находиться в папке " Мои документы ".При необходимости повторите эксперимент.

4. Для определения регулярности сердечных сокращений проведите запись ЭКГ за большее время, например за 1020 сек.

5. Изучите влияние возможных помех на ЭКГ. Для этого проведите регистрацию ЭКГ:

– во время записи ЭКГ пациент слегка сжимает и разжимает пальцы руки. Назовите причину возникновения помехи и определите амплитуду смещения ЭКГ от изолинии;

– в процессе записи ЭКГ смоделируйте обрыв активного (жѐлтого) провода, отсоединив его от электрода;

– снимите электродную пасту с электрода правой руки, положите под электрод сухой бинт, запишите ЭКГ.

Сравните электрокардиограммы, записанные в п. 5, с полученными ранее ЭКГ (п. 2). Определите амплитуду, частоту помехи и назовите еѐ источник.

Предварительный анализ электрокардиограмм и обсуждение результатов

Анализ электрокардиограммы заключается визмерении и сравнении высоты отдельных зубцов, а также в определении длительности зубцов, формы и интервалов между ними.

Для просмотра и анализа электрокардиограммы в меню программы выберите Файл => Открыть измерения изагрузите соответствующий файл. Далее в верхнем ряду панели инструментов активизируйте значок # "обзор".

После этого на экране появится рамка с параметрами данных по оси Х (времени) и Y (напряжения), которые соответствуют положению точек 1 и 2, а также разнице между ними (рис. 3.8). Для измерения интервала времени между выбранными импульсами необходимо подвести маркер к точке 1 и переместить еѐ в требуемое положение, затем повторить действия для точки 2. Компьютерная система авто-матически проведѐт расчет разности по времени и напряжению.

 

 

Рис. 3.8. Примерный вид электрокардиограмм

Если необходимо изменить масштаб электрокардиограммы по оси X или Y, то поместите курсор мышки чуть ниже соответствующей оси координат, при этом курсор превратится в двунаправленную стрелку. Вращение колѐсика мышки от себя увеличит размер изображения, вращение колѐсика к себе – уменьшит. Нажав левую кнопку мышки, можно перемещать изображение по горизонтали/вертикали в любую сторону, производя механические смещения мышки.

Расшифровку ЭКГ обычно производят в следующей последовательности.

1. Анализ сердечного ритма и проводимости:

– оценка регулярности сердечных сокращений,

– подсчѐт числа сердечных сокращений,

– определение источника возбуждения (при одном отведении определить невозможно),

– оценка функции проводимости.

2. Анализ предсердного зубца Р.

3. Анализ желудочкового комплекса QRST:

– анализ комплекса QRS,

– анализ сегмента RS–Т,

– анализ зубца Т,

– анализ интервала Q–Т.

Примечание. При расшифровке электрокардиограммы учитывайте усиление биосигналов в 100 раз!

В отчѐте по работе необходимо представить:

1. Описание процедуры получения электромиограммы.

2. Электрокардиограммы в состоянии покоя, после кардионагрузки и с различными видами помех.

3. Таблицы с результатами анализа полученных Вами электрокардиограмм.

Вопросы

1. Что называется электрокардиограммой?

2. Объясните метод еѐ получения.

3. Чем определяется амплитуда зубцов и длительность интервалов?

4. Назовите возможные помехи, искажающие ЭКГ, и причины их возникновения. Приложение к работе 3

Список литературы

1.

Блохина М. Е., Эссаулова И. А., Мансурова Г. В. Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике. М.: Дрофа, 2001.

2. Большая медицинская энциклопедия, М.: Советская энциклопедия, 1984. т. 23.

3. Зайченко К. В., Жариков О. О., Кулин А. Н., Кулыгина Л. А., Орлов А. П. Съѐм и обработка биоэлектрических сигналов. СПб.: СПбГУАП, 2001.

4. Золтан К. Электроника в медицине. М.: 1980.

 

Зубец	P	Q	R	S	T
Aмплитуда, мВ	0,05–0,25	0–0,2	0,3–1,6	0–0,03	0,25–0,6
Длитель-ность, с	0–0,1	max 0,03	max 0,03	max 0,03	max 0,25

 

Методы электрофизиологической диагностики

Существующие методы электрофизиологической диагностики основаны на регистрации биоэлектрических сигналов, генерируемых различными органами и системами человеческого организма.

В зависимости от органа, биоэлектрическая активность которого изучается, различают следующие основные методы электрофизиологической диагностики человека [3]:

– электрокардиографию – исследование электрической активности сердца;

– электроэнцефалографию – исследование электрической активности головного мозга;

– электромиографию – исследование электрической активности мышц;

– электроокулографию – исследование изменения потенциалов, обусловленных движением глазного яблока;

– электрогастрографию – анализ электрических сигналов, вызванных деятельностью желудка и кишечника;

– электрокохлеографию – исследование биопотенциалов, вызванных активностью структур наружного, среднего и внутреннего уха.

В биологии дополнительно применяются:

– электроретинография – изучение глаза насекомого;

– электронистагмограммия – регистрация биопотенциалов мускул земляного червя.

Большинство методов электрофизиологических исследований предназначены для изучения биопотенциалов не только одной клетки. Например, в электрокардиографии изучаются электрические процессы, протекающие в сердце. При этом регистрируются суммарные потенциалы действия сердечной мышцы. Отведение этих потенциалов осуществляется с поверхности тела на значительном расстоянии от генератора/сердца. Распространение волны возбуждения по сердцу отображается в форме электрокардиограммы – зависимости изменения потенциала от времени. Каждому положению отводящих электродов на поверхности тела соответствуют опреде-лѐнные форма и амплитуда сигналов электрокардиограммы.

Также достаточно сложная ситуация возникает в электроэнцефалографии, так как головной мозг характеризуется большим разнообразием клеточных структур и сложным характером взаимодействия между ними. Различие причин появления активности клеток порож-дает разнообразие методов регистрации биопотенциалов, способов их интерпретации и диагностического использования.

Биопотенциалы, регистрируемые при различных видах электро-физиологических исследований, являются малыми по амплитуде и находятся в области низких и инфранизких частот. Значения параметров биопотенциалов тканей и органов приведены в табл. 1.

Таблица 1