книги / Экспериментальные методы в биомеханике

Глава 3 МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ

Сердечно-сосудистая система представляет собой замкнутую систему, обеспечивающую все ткани организма кислородом и питательными веществами. Как видно из названия, основными ее элементами являются сердце и сосуды [4, 8-10].

3.1. Строение и функционирование сердца

Сердце – мышечный полый четырехкамерный орган с достаточно мощными стенками, сокращение которого способствует продвижению крови к органам и тканям. Движение крови в основном осуществляется по двум главным замкнутым кругам кровообращения – малому и большому, сообщающимся между собой через сердце – центральный орган, выполняющий функцию нагнетательного

насоса.
	Четыре камеры		сердца
образуются поперечной и про-
дольной перегородками. Глу-
хая	продольная перегородка
делит сердце на правый и ле-
вый отделы; поперечная име-
ет	отверстия,	снабженные
клапанами, и делит каждый
отдел на две полости: левое
предсердие и левый желудо-
чек, правое предсердие и пра-
вый желудочек (рис. 3.1.).
	Основная	масса сердца
представлена миокардом, ко-
торый состоит из особых по-
перечнополосатых			волокон,	Рис. 3.1. Строение сердца: 1 – левое пред-
образующих		своеобразную		сердие; 2 – правое предсердие; 3 – левый
сеть. Полость сердца выстла-				желудочек; 4 – правый желудочек; S-A –
				синоатриальный узел (водитель ритма 1-го
на тонкой оболочкой – эндо-				порядка); A-V – атриовентрикулярный узел
						(водитель ритма 2-го порядка).

81

кардом, которая образует сердечные клапаны с сухожильными нитями, закрывающими отверстия. Наружная оболочка – перикард заключает сердце в околосердечную сумку.

Стенки левого желудочка более развиты по сравнению с правым, благодаря чему кровь из него проталкивается с большой силой в самый крупный сосуд – аорту. Отсюда начинается большой круг кровообращения. Началом малого круга кровообращения является легочная артерия, отходящая от правого желудочка.

Таким образом, путь крови от левого желудочка до правого предсердия называется большим кругом кровообращения, а путь от правого желудочка до левого предсердия – малым кругом кровообращения.

Клапаны сердца обеспечивают определенное направление движения крови, открываются и закрываются за сутки свыше 100 000 раз. Ритмические сокращения мышцы сердца (систола), чередующиеся с ее расслаблением (диастола), поддерживают нормальный ток крови по сосудам. Необычайная выносливость сердца иллюстрируется фантастической цифрой его сокращений, составляющей 36 миллионов в год.

Функциональная способность сердца характеризуется в определенной мере количеством перемещаемой по сосудистой системе крови. Минутный объем сердца, иначе говоря, количество крови, перекачиваемое сердцем за минуту, составляет 4,5–5,0 литров. Количество крови, выбрасываемое желудочком сердца за каждую систолу, именуют систолическим (или ударным) объемом сердца. В норме оно составляет 60–80 миллилитров. За сутки сердце изгоняет из своих полостей 7 тысяч литров крови только в состоянии покоя, а при физической нагрузке эта цифра заметно возрастает. Минутный объем крови увеличивается иногда до 30–35 литров (например, при повышенной затрате энергии организмом).

Тренированное сердце по сравнению с нетренированным, «непривыкшим» выполнять повышенные нагрузки, обладает более мощными мышечными волокнами и лучше снабжается разветвленной сетью капилляров необходимыми питательными веществами и кислородом. Эти преимущества создают оптимальные условия для более экономичного режима работы сердца. У тренированных людей минутный объем сердца увеличивается при заметном нарастании систолического объема, в то время как у нетренированных это происходит за счет учащения ритма сердца.

82

В состоянии покоя человеческое сердце сокращается и расслабляется в среднем 60–70 раз в минуту. Спортсменам свойственны даже в покое высокие цифры систолического объема сердца (до 90–110 миллилитров) при относительном редком пульсе, а при значительных физических нагрузках ударный объем может у них достигать 150–180 миллилитров. При ослаблении мышцы сердца иногда возникает временное несоответствие между количеством притекающей к сердцу крови и оттекающей от него. Равновесие может восстанавливаться особыми регуляторными механизмами организма путем усиления и учащения сердечных сокращений.

Фазы сердечного цикла

Сокращение сердца сопровождается изменениями давления в его полостях и артериальных сосудах, возникновением тонов сердца, появлением пульсовых волн и т. д. При одновременной графической регистрации этих явлений можно определить длительность фаз сердечного цикла.

Под сердечным циклом понимают период, охватывающий одно сокращение (систола предсердий и желудочков) и одно расслабление (диастола предсердий и желудочков). При частоте сердечных сокращений 75 в минуту общая длительность сердечного цикла равна 0,8 с. Сокращение сердца начинается с систолы предсердий, длящейся 0,1 с. Давление в предсердиях при этом поднимается до 5–8 мм рт. ст. Систола предсердия сменяется систолой желудочков продолжительностью 0,33 с. Систола желудочков разделяется на несколько периодов и фаз.

Период напряжения длится 0,08 с. и состоит из двух фаз. Фаза асинхронного сокращения миокарда желудочков длится

0,05 с. Точкой отсчета начала этой фазы служит зубец Q ЭКГ, свидетельствующий о начале возбуждения желудочков. В течение этой фазы процесс возбуждения и следующий за ним процесс сокращения распространяются по миокарду желудочков. Давление в желудочках еще близко к нулю. К концу фазы сокращение охватывает все волокна миокарда, а давление в желудочках начинает быстро нарастать.

Фаза изометрического сокращения (0,03 с) начинается с захлопывания створок предсердно-желудочковых (атриовентрикуляр-

83

ных) клапанов. При этом возникает I, или систолический, тон сердца. Смещение створок и крови в сторону предсердий вызывает подъем давления в предсердиях. Давление в желудочках быстро нарастает: до 70–80 мм рт. ст. в левом и до 15–20 мм рт. ст. в правом.

Створчатые и полулунные клапаны («вход» и «выход» из желудочков) еще закрыты, объем крови в желудочках остается постоянным. Вследствие того, что жидкость практически несжимаема, длина волокон миокарда не изменяется, увеличивается только их напряжение. Стремительно растет давление крови в желудочках. Левый желудочек быстро приобретает круглую форму и с силой ударяется о внутреннюю поверхность грудной стенки. В пятом межреберье на 1 см левее среднеключичной линии в этот момент определяется верхушечный толчок.

Кконцу периода напряжения быстро нарастающее давление

влевом и правом желудочках становится выше давления в аорте и легочной артерии. Кровь из желудочков устремляется в эти сосуды.

Период изгнания крови из желудочков длится 0,25 с и состоит из фазы быстрого (0,12 с) и фазы медленного изгнания (0,13 с). Давление в желудочках при этом нарастает: в левом до 120–130 мм рт. ст., а в правом до 25 мм рт. ст. В конце фазы медленного изгнания миокард желудочков начинает расслабляться, наступает его диастола (0,47 с). Давление в желудочках падает, кровь из аорты

илегочной артерии устремляется обратно в полости желудочков

изахлопывает полулунные клапаны, при этом возникает II, или диастолический, тон сердца.

Время от начала расслабления желудочков до захлопывания полулунных клапанов называется протодиастолическим периодом (0,04 с). После захлопывания полулунных клапанов давление в желудочках падает. Створчатые клапаны в это время еще закрыты, объем крови, оставшейся в желудочках, а следовательно, и длина волокон миокарда не изменяются, поэтому данный период назван периодом изометрического расслабления (0,08 с). К концу его давление в желудочках становится ниже, чем в предсердиях, открываются предсердно-желудочковые клапаны и кровь из предсердий поступает в желудочки. Начинается период наполнения желудочков

84

кровью, который длится 0,25 с и делится на фазы быстрого (0,08 с) и медленного (0,17 с) наполнения.

Колебания стенок желудочков вследствие быстрого притока крови к ним вызывают появление III тона сердца. К концу фазы медленного наполнения возникает систола предсердий. Предсердия нагнетают в желудочки дополнительное количество крови (пресистолический период, равный 0,1 с), после чего начинается новый цикл деятельности желудочков.

Колебание стенок сердца, вызванное сокращением предсердий и дополнительным поступлением крови в желудочки, ведет к появлению IV тона сердца.

При обычном прослушивании сердца хорошо слышны громкие I и II тоны, а тихие III и IV тоны выявляются лишь при графической регистрации тонов сердца.

При изучении нагнетательной функции сердца исследуют:

–электрические проявления (оцениваются по ЭКГ);

–звуковые явления (оцениваются методом аускультации – выслушивание тонов сердца ухом, методом фонокардиографии);

–механические проявления – движение тела при перемещении массы крови по сосудам во время систолы и диастолы. Определяются методом баллистокардиографии, методом динамокардиографии, наиболее современный метод – ультразвуковой.

3.2. Электрокардиография.

Электрокардиография (ЭКГ) – метод графической регистрации электрических процессов, протекающих в сердце при его возбуждении [1-10].

3.2.1. История изучения биотоков сердца.

Первую попытку изучения электрофизиологии сердца предприняли Келликера и Мюллер в 1855 году. Они доказали наличие электрических явлений в сокращающемся сердце лягушки. Эти наблюдения были подтверждены в 1872 году Дондерсом и в 1873–1874 годах Энгельманом. Исследования на других животных они не проводили.

85

Вильгельм Эйнтховен

А.Ф.Самойлов

Наличие биопотенциалов в сердце теплокровных животных впервые обнаружил в России в 1862 году И.М. Сеченов («О животном электричестве»), кроме того, он указывая на существенную разницу потенциалов между верхушкой и основанием сердца. Возникла необходимость в применении физических инструментальных и графических методов регистрации биоэлектрических явлений в сердце.

Первую попытку регистрации электрической активности сердца гальванометром предприняли в 1862 году Мейснер и Кон. Они останавливали пульсацию сердца и возбуждали желудочек, нанося одиночные раздражения в атриовентрикулярную область. Принципиально новых сведений об электрической активности сердца они не получили, хотя гальванометр и давал четкие отклонения.

Следующим этапом стала осуществленная Мареем в 1876 году первая инструментальная запись электрической активности сердца у черепахи и лягушки при помощи капиллярного электрометра Липпмана.

Впервые электрокардиограмма человека при помощи капиллярного электрометра была записана Уоллером в 1887 году. В 1888 году в своей работе этот же ученый приводит методику регистрации ЭКГ от конечностей у собаки, свободно стоящей в сосудах с водой. В 1889 году им же зарегистрированы ЭКГ у кошки и лошади.

86

Рис. 3.2. Струнный гальванометр	Рис. 3.3. Электрокардиограмма, за-
	регистрированная струнным галь-
	ванометром

Клиническое значение электрокардиография приобрела благодаря применению В. Эйнтховеном (1903) и А.Ф. Самойловым (1908) малоинерционного струнного гальванометра, с помощью которого были записаны ЭКГ современного вида (рис. 3.2, 3.3).

В. Эйнтховен предложил также систему отведений, названных по его имени, разработал обозначение элементов регистрируемой кривой, стандартную систему регистрации и основные критерии оценки.

В 1908 году в терапевтической клинике Казанского университета, руководимой профессором А.Н. Казем-Беком, была записана первая в России электрокардиограмма больного. Почти двадцать лет научная деятельность лаборатории была посвящена разработке теории и практики электрокардиографии. В дальнейшем электро-

кардиография	блестяще развивается и занимает ведущее место
в практической	диагностике сердечно-сосудистой патологии как

у людей, так и у животных. Высокая информативность и относительная техническая простота метода, его безопасность и отсутствие каких-либо неудобств для больного обеспечили широкое распространение электрокардиографии в медицине и физиологии.

87

3.2.2. Электрофизиологические процессы в миокарде

Возникновение электрических потенциалов в сердечной мышце связано с движением ионов через клеточные мембраны ее мышечных волокон и объясняется мембранно-ионной теорией (см. «Биоэлектрические процессы в возбудимых тканях»). Основную роль при этом играют катионы натрия, калия, кальция и хлора. Миокард в течение сердечного цикла претерпевает три электрофизиологических состояния: исходную поляризацию (состояние покоя), деполяризацию (возбуждение) и реполяризацию (возвращение

всостояние покоя).

Всостоянии покоя наружная поверхность клеток миокарда заряжена положительно, а внутренняя – отрицательно. Если с помощью микроэлектродов измерить разность потенциалов между наружной и внутренней сторонами клеточной мембраны, то зарегистрируем так называемый трансмембранный потенциал покоя (ТМПП), имеющий отрицательную величину, в норме составляющую около 90 мВ. Таким образом, клетка поляризована, но разность потенциалов между электродами, установленными на различных участках поверхности, не выявляется. Другими словами, если электроды подсоединить к измерительному прибору или регистрирующему устройству, то прибор покажет нулевую разность потенциалов, а при записи регистрируется ровная линия (изолиния).

Сокращению кардиомиоцита предшествует его возбуждение, во время которого увеличивается проницаемость клеточной мембраны для Na+ и Са2+. Ионы устремляются внутрь мышечного волокна, происходит деполяризация мембраны. В результате наружная поверхность деполяризованного участка кардиомиоцита заряжается отрицательно по отношению к поверхности участка, находящегося еще в состоянии покоя. Между ними появляется разность потенциалов, которая может быть зарегистрирована на электрограмме в виде положительного отклонения, направленного вверх от изолинии. Когда все волокно окажется в состоянии возбуждения и вся его поверхность будет заряжена отрицательно, раз-

ность потенциалов между электродами окажется равной	нулю,
на электрограмме будет записываться изолиния. Процесс	восста-

88

новления заряда мышечного волокна (реполяризация) начинается в том же участке, что и волна деполяризации. При этом поверхность реполяризованного участка заряжается положительно, и между двумя электродами, расположенными на реполяризованной и еще возбужденной поверхности миоцита вновь возникает разность потенциалов, но противоположного направления. При этом на записи регистрируется отрицательный зубец (направлен вниз от изолинии). Затем процесс реполяризации охватывает все мышечное волокно, возбуждение закончено, исчезает разность потенциалов между электродами, а на записи вновь изолиния. Полученная кривая очень похожа на ЭКГ.

3.2.3. Теоретические основы электрокардиографии

Таким образом, одиночное мышечное волокно в период возбуждения представляет собой систему, состоящую из двух противоположных зарядов, поэтому является элементарным источником электрического тока. Возбужденная клетка получила название диполя. На положительных и отрицательных полюсах диполя формируется соответствующий потенциал. Между полюсами возникает разность потенциалов, характеризующая электродвижущую силу (ЭДС) диполя. ЭДС – векторная величина, направленная от отрицательного полюса к положительному.

При одновременном возбуждении множества клеток вокруг них образуется суммарное электрическое поле как бы единого источника тока, суммарная ЭДС которого формируется по правилу сложения векторов. Если два вектора расположены параллельно и направлены в одну сторону, то результирующий вектор представляет собой сумму векторов и направлен в ту же сторону. Если два вектора направлены в противоположные стороны, то результирующий вектор направлен в сторону большего, но уменьшается на величину противоположного вектора. Если два вектора направлены под углом друг к другу, то результирующий вектор является диагональю параллелограмма, построенного из двух векторов. Если два вектора равны по величине, но противоположно направлены, то их сумма равна нулю.

89

Электродвижущую силу (ЭДС) любого источника тока (одиночного мышечного волокна или целого сердца) можно зарегистрировать, устанавливая электроды не только на поверхности возбудимой ткани, но и в проводящей среде, окружающей источник. Это возможно благодаря существованию вокруг каждого источника тока электрического поля. Диполь создает в окружающей его среде силовые линии, идущие от положительного к отрицательному заряду диполя. По нормали к ним располагаются изопотенциальные линии с одинаковым положительным или отрицательным потенциалом. Линия нулевого потенциала располагается на границе между положительной и отрицательной половинами электрического поля

Помещая электроды в любые точки электрического поля, можно зарегистрировать разность потенциалов, несущую определенную информацию об ЭДС источника тока. Следует подчеркнуть, что основные закономерности формирования электрограммы, присущие одиночному мышечному волокну, остаются справедливыми и для электрического поля источника тока в целом и для формирования ЭКГ. Это означает, что конфигурация ЭКГ прежде всего будет зависеть от направления вектора диполя по отношению к электродам отведения, точнее по отношению к направлению оси электрокардиографического отведения.

В связи с тем, что разные отделы сердца (предсердия и желудочки) сокращаются и расслабляются последовательно в разное время, биоэлектрические явления, обусловленные их деятельностью, также регистрируются последовательно.

3.2.4. Электрокардиографическая аппаратура

Для регистрации изменений разности потенциалов между двумя точками в электрическом поле сердца во время его возбуждения используют специальные приборы – электрокардиографы. Существуют одноканальные электрокардиографы, осуществляющие запись каждого ЭКГ-отведения поочередно, и многоканальные, регистрирующие несколько различных отведений одновременно.

Электрокардиографы состоят из входного устройства, усилителя биопотенциалов и регистрирующего устройства. Электрический сигнал снимают с помощью электродов (иголок или зажимов), ук-

90