Fizika_l_r_Chast_2
.pdfСодержание |
|
Лабораторная работа №10 ........................................................... |
2 |
Электрокардиография2 |
|
Лабораторная работа №11 ......................................................... |
18 |
Определение импеданса биологического объекта |
|
Лабораторная работа №12 ......................................................... |
32 |
Изучение воздействий электромагнитных полей на |
|
биологические ткани |
|
Лабораторная работа № 13 ........................................................ |
41 |
Рефрактометрия |
|
Лабораторная работа №14 ......................................................... |
52 |
Использование дифракции и лазерного излучения для |
|
определения его длины волны и размеров мелких частиц |
|
Лабораторная работа № 15 ........................................................ |
68 |
Определение концентрации раствора сахара с помощью |
|
поляриметра (сахариметра) |
|
Лабораторная работа № 16 ........................................................ |
84 |
Определение активности радиоактивного препарата и |
|
коэффициента поглощения β - лучей в веществе |
|
Лабораторная работа №17 ......................................................... |
93 |
Определение оптической плотности и концентрации |
|
окрашенных растворов с помощью фотоэлектроколориметра |
|
Лабораторная работа №18 ....................................................... |
107 |
Исследование оптического микроскопа |
|
Дополнительная литература................................................ |
114 |
1
Лабораторная работа №10
Электрокардиография
Основные понятия и определения: электрическое поле, диполь,
биопотенциалы действия, электрокардиографии, векторкардиоскопия и векторкардиография.
Цель работы: Подготовить ЭКГ к работе. Выполнять некоторые проверки правильности функционирования ЭКГ, накладывать электроды и производить запись ЭКГ. Определять амплитуду и длительность зубцов ЭКГ, частоту сердечных сокращений по записанной электрокардиограме.
Краткая теория
Электрокардиография – это метод регистрации электрических процессов, протекающей в сердечной мышце при еѐ возбуждении. Запись этих процессов – электрокардиограмма, в зависимости от вида регистрирующего прибора может быть получена на экране электроннолучевой трубки или на бумажной диаграммной ленте.
Задача электрокардиографии заключается в том, чтобы оценить работу сердца (электрические процессы в сердце) по биопотенциалам, регистрируемым с поверхности тела человека.
Теория, касающаяся вопросов происхождения зубцов и интервалов при электрокардиографическом методе исследования основывается на двух концепциях: мембранной теории биоэлектрических явлений и концепции сердечного диполя.
В настоящее время установлено, что основные биоэлектрические процессы в различных возбудимых тканях протекают по одним и тем же законам, т. е. в нервной клетке центральной нервной системы и в мышечном волокне, в том числе и в сердечной мышце, возникновение биотоков в покое и при возбуждении обусловлено одними и теми же механизмами.
Между внутренней и наружной поверхностями клеточной мембраны всегда существует разность электрических потенциалов, которая обусловлена неравномерным распределением различных ионов. В состоянии физиологического покоя эта разность потенциалов называется мембранным потенциалом покоя ( мп). Экспериментально было установлено, что для различных клеток в состоянии покоя мп лежит в пределах 50 – 100 мВ, причѐм цитоплазма имеет отрицательный потенциал
2
по отношению к потенциалу межклеточной жидкости (рис.1).
Рис. 1. Трансмембранный потенциал изолированной мышечной клетки: а) стадия поляризации клетки в состоянии покоя; б) стадия деполяризации при возбуждении клетки; в) стадия полной деполяризации; г) стадия реполяризации клетки; д) стадия поляризации клетки.
В состоянии физиологического покоя соотношение зарядов, обусловливающих мембранный потенциал покоя, сохраняется достаточно постоянным. Это является результатом динамического равновесия между клеткой и межклеточной средой при двух противоположных процессах – диффузии через мембрану, главным образом, таких ионов, как Na+, K+ и Cl-, и переноса их в противоположном направлении при активном транспорте, например, при работе калий-натриевого насоса.
Мембрана клеток возбудимых тканей в отличие от всех остальных клеток, обладает свойством под действием раздражителя менять свою проницаемость по отношению к ионам Na+ и К+ в сотни раз.
Это приводит к резкому увеличению скорости перемещения ионов Na+ из внеклеточного пространства внутрь клетки, а ионов К+ – из цитоплазмы наружу, т.е. идет перемещение ионов из области большей концентрации в область с меньшей концентрацией. Так как разность концентраций ионов натрия Na+ в пятьдесят раз выше, чем для ионов калия К+, то начальный поток через раскрытую мембрану представлен ионами Na+. Попадая внутрь клетки Na+ нейтрализует отрицательный заряд цитоплазмы (деполяризует мембранный потенциал покоя), и меняет
3
его на положительный. Этот процесс длится около 0,5 миллисекунды, после чего поры мембраны уменьшаются в диаметре так, что более крупные ионы Na+ уже не могут проникать свободно, в отличие от ионов К+, которые имеют меньший диаметр. Поэтому в следующие 1 – 1,5 миллисекунды ионы калия К+ устремляются изнутри наружу, тем самым реполяризуя (восстанавливая) исходный уровень мембранного потенциала. Разность потенциалов между внешней и внутренней поверхностями мембраны, записанная в момент возбуждения, называют мембранным потенциалом возбуждения мв.
Как в отдельной клетке, где возбуждение сопровождается отрицательным зарядом на поверхности мембраны, так и в любой возбудимой ткани (в макромасштабах) возбужденный участок становится электроотрицательным по отношению к невозбужденному. В этом случае между возбужденным и невозбужденным участками возникает разность потенциалов, которая может быть зарегистрирована. Величина разности потенциалов нервной ткани равна десяткам и сотням микровольт; в мышечной, в том числе и сердце, достигает одного-двух милливольт.
Таким образом, при распространении возбуждения между возбуждѐнными и невозбуждѐнными участками ткани возникает динамическая система из отрицательного и положительного объѐмных зарядов, которую можно рассматривать как токовый диполь с изменяющимся во времени и пространстве дипольным моментом.
Это положение является одним из основных в теории Эйнтховена, предложившего современную систему отведений для снятия ЭКГ.
Сердце, в отличие от скелетной мышцы, обладает свойством автоматии, т.е. будучи вырезанным из организма, оно продолжает сокращаться под действием импульсов, возникающих в нем самом. Эти импульсы возникают в проводящей системе сердца, которая состоит из синусного узла, атриовентрикулярного узла и пучка Гиса.
Водителем ритма сердца в нормальных условиях является синусный узел. Импульс, возникающий в нем, проводится через мышечные волокна на предсердия, затем возбуждение через атриовентрикулярный узел распространяется по пучку Гиса и переходит на желудочки. Вместе с распространением возбуждения по сердечной мышце перемещается и отрицательный потенциал возбужденных участков от основания до верхушки сердца, как в объемном проводнике.
Поскольку тело человека является электропроводящей средой, внутри которой расположен источник биопотенциалов – сердечная мышца,
4
то разность потенциалов будет возникать не только непосредственно на сердце, но и на поверхности тела.
Измеряя потенциалы различных точек тела, можно определить линии одинакового потенциала – эквипотенциальные линии (рис.2).
Рис. 2. Эквипотенциальные поверхности. О-О – линия нулевого потенциала; А-А – электрическая ось сердца.
Это дает возможность регистрировать биопотенциалы не только при непосредственном расположении отводящих электродов на сердце, но и в том случае, когда они находятся на поверхности тела.
Разность потенциалов, регистрируемая между двумя точками на поверхности тела, в физиологии называется отведением.
Рис. 3. Система стандартных отведений Эйнтховена.
5
В настоящее время приняты три основные стандартные отведения, предложенные в начале ХХ века Эйнтховеном (рис. 3). 1 отведение – правая рука – левая рука; 2 отведение – правая рука – левая нога и 3 отведение – левая рука – левая нога. Вдоль этих отведений регистрируются наибольшие разности потенциалов.
При дальнейшем развитии электрокардиографии стали применять грудные, пищеводное и другие отведения.
При регистрации биопотенциалов сердца записывается кривая, получившая название электрокардиограммы, которая состоит из пяти основных зубцов P, Q, R, S и Т (рис. 4), где Р – предсердный зубец и QRS – желудочковый комплекс. Зубец Р отражает возбуждение предсердий: восходящая часть зубца соответствует распространению возбуждения из синусного узла на правое предсердие, нисходящая часть зубца – распространению возбуждения по левому предсердию. Зубец Q обусловлен возбуждением внутренней поверхности желудочков, правой сосочковой мышцы и верхушки сердца, а зубец R – возбуждением поверхности и основания обоих желудочков. К окончанию зубца S оба желудочка охвачены возбуждением, т.е. в этом случае отсутствуют разности потенциалов между различными участками желудочков сердца, что соответствует прямолинейному ST. Зубец Т связывают с биохимическими процессами, протекающими после возбуждения желудочков.
Кроме указанных основных пяти зубцов P, Q, R, S и Т, может быть шестой зубец U (положительный или отрицательный), который встречается сравнительно редко. Происхождение его окончательно не выяснено. Предполагают, что он связан с ионными процессами в миокарде. Зубец U располагается после зубца Т, чаще всего без предварительного интервала, имеет форму, приближающуюся к треугольнику с закругленной вершиной. Наиболее отчетливо зубец U наблюдается во втором отведении. Полагают, что начало волны U совпадает с концом систолы желудочков и захлопыванием полулунных клапанов.
6
Рис. 4. Нормальная электрокардиограмма.
калибровка – отметка напряжения (контрольный милливольт);
зубец Р – деполяризация предсердий;
зубец Q – реполяризация предсердий и деполяризация межжелудочной перегородки (может отсутствовать);
зубец R – деполяризация боковых стенок и верхушки желудочков;
зубец S – деполяризация оснований желудочков;
зубец Т – реполяризация желудочков;
интервал P-Q отражает время, необходимое для деполяризации предсердий;
интервал QRS – время деполяризации желудочков;
интервал QRST – время, проходящее от начала деполяризации до конца реполяризации желудочков (в переносе на механическую работу сердца соответствует систоле);
интервал Т-Р – состояние покоя;
интервал R-R – время одного сердечного цикла.
Горизонтальные участки линий между отдельными зубцами
соответствуют нулевой разности потенциалов между точками.
Форма, высота и длительность зубцов являются основными характеристиками ЭКГ и деятельности сердца. Так как электрические процессы в сердечной мышце происходят циклически, то группы зубцов при записи ЭКГ повторяются. По расстоянию между группами зубцов (зубцовыми комплексами) можно судить о частоте сердечных сокращений (ЧСС) и ритмичности сердечной деятельности.
Амплитуду зубцов при анализе ЭКГ измеряют в милливольтах, а ширину зубцов и продолжительность интервалов в секундах.
7
При записи ЭКГ в трех стандартных отведениях отмечается, что амплитуды зубцов электрокардиограммы различны. Наибольшими они регистрируются во втором отведении, наименьшими – в третьем отведении. Это важное положение легко объясняется с точки зрения дипольной или векторной теории.
Согласно теории Эйнтховена сердце представляет собой токовый диполь, который расположен в однородной проводящей среде. С физической точки зрения диполь – это система, которая состоит из двух зарядов равных по величине и противоположных по знаку, расположенных друг от друга на расстоянии l. Расстояние l называют плечом диполя (рис. 5)
Рис 5. Схематическое изображение диполя.
Основной характеристикой диполя является электрический момент
|
|
|
|
|
|
диполя р , который определяется как произведение заряда q |
на плечо |
||||
|
|
|
|
|
|
диполя l , т.е: |
р q l . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вектор |
р направлен |
по оси диполя |
от отрицательного |
заряда к |
|
положительному (рис.5). |
|
|
|
||
Диполь, |
как |
система |
зарядов, создает |
вокруг себя электрическое |
|
|
|
|
|
|
|
поле, которое характеризуется вектором напряженности Е и потенциалом φ. Потенциал точечного заряда определяется формулой:
|
1 |
|
q |
|
|
4 0 |
r |
. |
|||
|
|
||||
|
|
|
|
Знак потенциала определяется знаком заряда. Найдем уравнение для электрического потенциала, созданного диполем в точке А, удаленной от зарядов соответственно на расстоянии r и r1 (рис. 6).
Потенциал в точке А (φА) складывается из потенциалов, созданных отрицательным и положительным зарядов соответственно, т.е.
|
q |
|
|
1 |
А |
|
|
||
4 |
|
|
||
|
0 |
r |
||
|
|
|
1 |
r
q |
|
|
r r1 |
|
|
|
|
|
|
||
4 |
|
r r |
|
||
0 |
|
|
|
||
|
|
1 |
|
. |
|
|
|
|
|
|
8
Рис. 6. Определение потенциала в точке А.
При условии, что l<<r и l<<r1, тогда r≈r1, а их произведение r∙r1 Из рисунка 6 видно, что r–r1 ≈ l∙cosα,где α – угол между вектором направлением от диполя на точку А.
При этих условиях получаем:
≈ r2.
р и
q l cos
А4 0r2 .
Так как р q l , то:
А |
|
р |
|
|
cos . |
|
|
|
|||
4 |
0 r |
2 |
|||
|
|
|
|
||
Вывод: потенциал в |
точке |
А пропорционален электрическому |
моменту диполя, т.е. А ~ р .
Аналогично можно записать потенциал и для точки В равноотстоящей от диполя:
В |
|
р |
|
|
cos |
|
|
|
|
||||
4 |
0 |
r2 |
||||
|
|
. |
||||
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
Разность потенциалов для двух точек поля А и В запишется в виде:
А В |
|
р |
|
|
cos cos . |
|
|
|
|||
4 |
0 r |
2 |
|||
|
|
|
|
Т.е. разность потенциалов А В ~ р .
При возбуждении миокарда, когда не все участки одновременно охватываются возбуждением, между возбужденным и невозбужденным участками возникает разность потенциалов, имеющая определенную
9
величину и направление. Эту разность потенциалов и изображают в виде вектора в направлении от минуса к плюсу по ходу распространения возбуждения. Так как само сердце объемный орган, то в нем имеется множество возбуждающихся участков, и в каждый момент существует множество векторов различных по величине и с различной ориентацией. Все векторы, возникающие в определенный момент сердечного цикла, есть моментные векторы. Их можно суммировать в один результирующий вектор. Обычно суммируют моментные векторы в какой-либо определенный промежуток времени, например, в период формирования на электрокардиограмме зубца Р или R. Эти векторы выражают величину и направление вектора дипольного момента сердца при возникновении того или иного зубца.
|
Если напряжение измерять |
||
|
попарно между тремя точками |
||
|
А, В и С, расположенными в |
||
|
вершинах |
равностороннего |
|
|
треугольника (рис. 7) таким |
||
|
образом, что диполь, создающий |
||
|
поле, будет находиться в центре |
||
|
этого треугольника, то эти |
||
|
напряжения |
будут |
относиться |
|
друг к другу, как проекции |
||
|
вектора дипольного момента на |
||
|
соответствующие |
стороны |
|
|
треугольника: |
|
|
Рис. 7. |
U AB :U BC :UCA PAB : PBC : PCA . |
В. Эйнтховен в 1912 году, рассматривая сердце как источник биотоков в объемном проводнике, предложил концепцию равностороннего треугольника (рис. 8), углы которого образуют три конечности: правая рука, левая рука и левая нога.
10