Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

"ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ

им. Н.Н. БУРДЕНКО"

КАФЕДРА МЕДИЦИНСКОЙ ФИЗИКИ

Методические указания

студентам по теме лабораторного занятия

ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ОСНОВ МЕТОДА ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАФИИ

Воронеж 2009

РАЗДЕЛ: МЕДИЦИНСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА.

ТЕМА: Изучение физических основ метода электрокардиографии.

ЦЕЛЬ: Рассмотреть основные понятия электродинамики, относящиеся к электрическому полю (понятия напряженности и потенциала электрического диполя, мультиполя, дипольного электрического генератора – токового диполя); физические основы электрокардиографии и векторкардиографии. Проанализировать структурную схему съема, передачи и регистрации медико-биологической информации; электроды для съема биоэлектрического сигнала; принцип работы медицинского прибора, регистрирующего электрокардиограмму и векторкардиограмму.

ПРАКТИЧЕСКИЕ НАВЫКИ: В ходе занятия студенты должны приобрести практические навыки регистрации электрической активности сердца (электрокардиограммы) и определения частоты сердечных сокращений (ЧСС) из электрокардиографической кривой. Знать электробезопасность при использовании электрокардиографа, формулу для определения направления электрической оси сердца. Уметь определять частоту пульса, используя длительность интервала R-R.

МОТИВАЦИЯ ТЕМЫ: Электрокардиография и векторкардиография являются наиболее распространенными методами диагностики в клинической и поликлинической практике. Навыки полученные студентами необходимы для прохождения специальных дисциплин на клинических кафедрах.

I. Самостоятельная работа студентов во внеурочное время.

Задание 0.

Повторить теоретический материал школьного курса физики, раздел "Электричество" по следующей схеме:

1. Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции полей.

2. Потенциал электростатического поля и разность потенциалов. Измерение разности потенциалов.

Задание 1.

Изучить теоретический материал занятия, используя рекомендованную литературу и настоящую методическую разработку, по следующей логической структуре учебного материала:

1. Электрическое поле, его источники и основные характеристики:

а) понятие электрического поля;

б) напряженность и потенциал как основные характеристики электрического поля;

в) источники электрического поля:

– диполь;

– дипольный электрический генератор (токовый диполь);

г) понятие о мультиполе.

2. Физические основы и методы исследования процессов электрического возбуждения и электрической проводимости сердца:

а) происхождение электрического потенциала в миокарде;

б) дипольная теория электровозбуждения клетки;

в) формирование биопотенциала сердца – электрокардиограмма (ЭКГ);

г) получение векторкардиограммы (ВКГ);

д) электрокардиографические отведения;

е) особенности электрокардиографии у детей.

3. Структурная схема приборов для регистрации электрокардиограммы (ЭКГ) и векторкардиограммы (ВКГ):

а) блок-схема электрокардиографа:

– электроды;

– биологический усилитель;

– переключатель отведений;

– регистрирующее устройство(самописец);

– блок питания;

б) блок-схема электрокардиоскопа и вектор электрокардиоскопа:

– электроды;

– переключатель отведений;

– усилитель биосигналов;

– электронная осциллографическая трубка.

4. Математический анализ нормальной электрокардиограммы:

а) определение длительности зубцов в мс;

б) нахождение временного интервала R-R;

в) определение амплитудных значений зубцов ЭКГ в мВ;

г) расчет пульса пациента по временному интервалу R-R;

д) определение направления электрической оси сердца.

Средства для самоподготовки студентов во внеурочное время

1. Учебная и методическая литература:

а) основная

– Гончаров Э.В., Бельчинский В.В. Изучение методики регистрации и обработки электрофизиологических показателей. Воронеж: Изд-во ВГМА, 1989. – С. 4-14, 40.

– Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика / А.Н. Ремизов, А.Г. Максина, А.Я. Потапенко. – М.: Дрофа, 2007. – С. 234-237.

– Физика и биофизика / Под ред. В.Ф. Антонова. – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2008. – С. 274-282.

– Лекционный материал по разделам " Биоэлектрогенез. Электрические и магнитные свойства тканей и окружающей среды", "Медицинская электроника".

б) дополнительная

– Мурашко В.В. Электрокардиография.– М.: Медицина, 1991. – 287 с.

– Орлов В.Н. Руководство по электрокардиографии. – Ташкент: Медицина Уз.ССР, 1989. – 215с.

– Осколкова М.К. Электрокардиография у детей / АМН СССР–Медицина, 1986. – 288 с. (для студентов педиатрического факультета).

2. Консультации преподавателей (еженедельно по индивидуальному графику).

Теоретический материал по теме занятия

Биопотенциалы являются результатом электрохимической активности специально возбудимых клеток организма и по своей природе являются ионными напряжениями на мембранах клеток. Когда возбудимая клетка находится в состоянии покоя (без стимуляции), ее мембрана легко пропускает ионы К⁺ в обе стороны. С другой стороны, мембрана задерживает движение Nа⁺ внутрь клетки. Возникает разность потенциалов на мембране: плюс снаружи, минус изнутри вследствие разницы в концентрациях ионов Nа⁺ и К⁺.Устанавливается равновесное состояние, когда на каждый ион Nа⁺ внутри клетки приходится примерно на порядок больше ионов Nа⁺ вне ее. Для ионов К⁺ картина обратная. Возникающее мембранное напряжение называют потенциалом покоя. Измерение значения мембранных потенциалов различных клеток в состоянии покоя дают значения в пределах от –60 до –100 мВ. В частности, потенциал покоя клеток желудочка равен примерно –75 мВ, клеток предсердия –90 мВ.

Когда участок клетки возбуждается электрически или внешней энергией в какой либо другой форме, мембрана сразу становится проницаемой для ионов Nа⁺. В результате Nа⁺ устремляется внутрь клетки, пытаясь достичь баланса с наружными ионами. Так как потенциал при этом уменьшается, ионы К⁺, которые удерживались в избытке этим потенциалом, устремляются наружу. Однако они не могут перемещаться так быстро, как ионы Nа⁺. В результате внутреннее пространство клетки становится слабо положительным по отношению внешнему окружению из-за дисбаланса ионов. Результирующий положительный потенциал, возникающий при этом, составляет примерно +20 мВ. Клетка в этом случае называется деполяризованной, а процесс перехода – деполяризацией. Далее клетка постепенно возвращается к исходному потенциалу покоя. Этот процесс носит название реполяризации.

Время процесса зависит в основном от концентрации ионов в жидкости, окружающей клетки.

Аналогичным образом возникает потенциал в клетках сердечной мышцы (миокарде), происходит процесс деполяризации и потенциал внутри мышечного волокна меняет знак с отрицательного на положительный. Этот процесс еще называют в медицинской литературе реверсией потенциала. Так как клетки миокарда имеют продолговатую форму, то реверсия происходит не сразу по всему объему клетки, а частично, постепенно и последовательно захватывая всю поверхность клетки, что можно зафиксировать микроэлектродами с измерительным прибором. В составе миокарда отдельные мышечные волокна связаны между собой и образуют единую сеть (синцитий). Поэтому при возбуждении одной из клеток электрический импульс не остается локализованным в пространстве, а охватывает все мышечные волокна с определенным запозданием по времени. Скорость этого распространения составляет 0,2-0,4 м/с в сердечной мышце и может уменьшаться в замедляющих волокнах. Частичная реверсия трансмембранного потенциала клетки при ее возбуждении позволяет рассматривать клетку в таком состоянии как электрический диполь, а распространение электрического возбуждения как распространение электрического поля диполя (дипольная теория). Дипольная теория позволяет довольно легко объяснить генезис (процесс образования) кривой зависимости биопотенциалов мышечного волокна от времени (электрокардиограмма). В состоянии покоя вычерчивается прямая горизонтальная (изоэлектрическая) линия, так как нет разности потенциалов между двумя любыми точками поверхности волокна. Затем, с началом периода деполяризации, регистрируется возрастающая волна, направленная вверх от изоэлектрической линии, и с исчезновением разности потенциалов волна опускается вновь до изоэлектрической линии. Так формируется зубец R. Затем регистрируется сегмент SТ, что обусловлено определенной экспозицией полностью происшедшего процесса деполяризации и ранней реполяризацией. Следующий этап – формирование волны Т – связан с процессом реполяризации, который в миокарде имеет противоположное процессу деполяризации направление.

В сердечной мышце направление зарядов диполя по отношению к оболочкам сердца стационарно и всегда к эндокардиальной поверхности обращены отрицательные, а к эпикардиальной – положительные знаки (рис. 1).

Сердце с точки зрения дипольной теории можно рассматривать как суммарный единый диполь Рс, а электрическое возбуждение сердечной мышцы характеризовать суммарным электрическим вектором (интегральным электрическим вектором сердца – ИВС). Распространение электрического возбуждения по миокарду обеспечивается проводящей системой сердца, в дальнейшем оно обеспечивает последовательное сокращение мышечных волокон отделов сердца в соответствии с заданной биологической программой. Поэтому биоэлектрические явления в сердце предшествуют его механической активности и тесным образом связаны с нею. Изучая электрическую активность сердца, можно косвенным образом составить представление о его механической (сократительной деятельности).

В процессе электрической активности сердечной мышцы электрический вектор сердца меняет свою величину и направление, а конец вектора описывает сложную замкнутую кривую.

Так как тело человека состоит из способных электрически возбуждаться клеток, то электрические потенциалы сердечной мышцы распространяются по всему телу.

Электрические потенциалы связаны с электрической деятельностью сердца, зависят по величине и направлению от величины и направления ИВС (рис. 2). Для проекций Рс справедливо соотношение:

U_I : U_II : U_III = P_UI : Р_UII : Р_UIII.

Рис. 1. Положение электрической оси сердца и эквипотенциальных линий при максимальном дипольном моменте	Рис. 2. Схематическое изображение треугольника В. Эйнтховена

Согласно теории Эйнтховена сердце располагается в центре равностороннего треугольника (рис. 2). Разность потенциалов зарегистрированная между любыми двумя вершинами треугольника, пропорциональна проекции ИВС на соответствующую сторону треугольника. Регистрация биопотенциалов из соображения удобства проводится не в вершинах треугольника, а в эквипотенциальных им точках на конечностях: поверхность правой руки (электрод R), поверхность левой руки (электрод L), поверхность левой ноги (электрод F). Каждая пара электродов, между которыми регистрируются разности потенциалов между соответствующими точками, называется "отведением". В образовании отведения могут участвовать и большее количество электродов.

Поскольку электрический вектор сердца за цикл работы сердца описывает тройную петлю, то каждая из проекций вектора на соответствующую сторону треугольника АВС, регистрируемая как функция времени, образует кривую с соответствующими зубцами (рис. 3).

Рис. 3. Форма калибровочного сигнала и электрокардиограммы

Эта кривая и называется электрокардиограммой в соответствующем отведении. Здесь  – разность потенциалов, t – время.

Сопоставляя кривые, полученные в разных отведениях, можно получить представление о соответствующих изменениях электрического вектора сердца за цикл его работы. Отведения, образуемые каждой парой из предложенных Эйнтховеном электродов, называются стандартными и обозначаются как I, II и III (рис. 4).

Рис. 4. Стандартные отведения ЭКГ

Для облегчения борьбы с помехами при регистрации биопотенциалов к стандартным электродам добавляется четвертый, вспомогательный, называемый нейтральным, который накладывается на правую голень (электрод N) и обычно заземляется.

Стандартные отведения являются биполярными. Применяются также монополярные (однополюсные) отведения, одна из разновидностей которых называется усиленными. Усиленные однополюсные отведения состоят из стандартного электрода и точки усредненного потенциала. Эта точка образуется соединением между собой через одинаковые резисторы двух других стандартных электродов.

Применяют и грудные однополюсные отведения, включающие в себя грудной электрод (обозначается С), накладываемый в определенные точки на поверхности грудной клетки (обычно используется 6 точек). Точка усредненного потенциала образуется в этом случае соединением между собой через одинаковые резисторы трех стандартных электродов.

Грудные отведения обозначаются V1- V6. На типичной электрокардиограмме здорового человека в I отведении имеются три направленных вверх зубца: P, R, T и два зубца, направленных вниз: Q, S.

Р-зубец – отражает возбуждение предсердий, его продолжительность 0,06-0,10 с, амплитуда 0,25 мВ.

PQ-интервал отсчитывается от начала зубца Р до начала зубца Q. Он отражает время необходимое для деполяризации предсердий и проведения импульса через атриовентрикулярный узел, пучок Гиса и его ветви. Продолжительность 0,12-0,20 с.

Q-зубец – отражает начальный момент деполяризации межжелудочковой перегородки. Продолжительность 0,03 с, амплитуда  ¼ амплитуды R-зубца.

R-зубец – отражает деполяризацию верхушки, задней и боковой стенок желудочков сердца, амплитуда составляет от 0,5 до 2,5 мВ.

S-зубец – отражает процесс распространения волны возбуждения в базальных отделах межжелудочковой перегородки, амплитуда 0,2 мВ.

QRS-комплекс – отражает процесс деполяризации желудочков, продолжительность 0,06-0,10 с.

ST-сегмент – отрезок от конца комплекса QRS до начала зубца Т. Соответствует периоду угасания возбуждения желудочков и началу медленной реполяризации. Обычно расположен на изолинии. У здорового человека смещение вверх не превышает 1 мм, вниз – 0,5 мм.

Т-зубец – отражает процесс быстрой реполяризации желудочков, продолжительность 0,25 с, амплитуда 0,6 мВ.

QT-интервал – соответствует электрической систоле желудочков. Обычно его продолжительность равна: , гдеk – коэффициент (0,37 для мужчин и 0,4 для женщин).

Иногда у детей наблюдается зубец U, генез которого пока до конца не выяснен. Установлено, что он появляется при лекарственных отравлениях, электролитном дисбалансе, брадикардии и др.

Особенности ЭКГ у детей: во втором отведении вольтаж комплекса QRS примерно в 2 раза выше, поэтому при калибровке сигнала усиление надо ставить в 2 раза меньше. У грудных детей частота сердечных сокращений очень высокая, поэтому записывать ЭКГ надо на больших скоростях 50 или 100 мм/с.

Правильно записанная ЭКГ дает ценные данные для оценки локализации и степени поражения сердечной мышцы, а также для диагностики других нарушений деятельности сердца (вероятность около 30%, в 40% случаев ЭКГ недостаточно для постановки правильного диагноза и в 30% случаях электрокардиограмма не отражает патологии сердца).

Следует перечислить "помехи", которые могут возникать при записи ЭКГ: обрыв в подводящих электроды отведениях, плохое заземление, мышечное дрожание, наводка сети, движение пациента (особенно ребенка), малое усиление, искажение прибором формы калибровочного импульса и др. Для детей следует использовать уменьшенные электроды.

Детальный анализ ЭКГ будет рассмотрен на специальных кафедрах.

При записи электрокардиограммы следует строго выполнять требования техники безопасности:

– нельзя работать на непроверенных приборах;

– использовать нестандартное заземление;

– нарушать целостность включенного прибора и т.п.

Векторкардиография – метод регистрации электрического поля сердца с помощью прибора – векторкардиографа. На экране ЭЛТ получают проекции замкнутых кривых, описываемых ИВС на ортогональные плоскости (рис. 5). Далее анализируют: форму петель, пространственное расположение петель, площадь петель по проекциям и др. Имеет значение при диагностике таких заболеваний как гипертрофия отделов сердца, электрических блокад и т.п.

Рис. 5. Проекция вектор-кардиограммы