Методы исследования электрической активности различных органов

    f = 1/Т (1)

    Биоэлектрические  процессы можно условно разделить  на две группы - квазипериодические (электрическая активность сердца, a=ритм электрической активности мозга) и апериодические (электрическая активность мышц и др.). Но даже в квазипериодических биоэлектрических процессах период не остается неизменным и поэтому под частотой колебаний нужно понимать их среднюю частоту за какое-то определенное время.

    Какими  же характеристиками обладают ткани  и органы человека и животных, если их рассматривать как электрические  генераторы? При возбуждении клетки - элементарного электрического генератора - ее возбужденная часть становится электроотрицательной относительно невозбужденной части и разность потенциалов достигает 50 мв.

    Клетки  в органах и тканях человека и  животных соединены параллельно, поэтому  суммарная ЭДС возбужденного  органа должна была быть того же порядка, что и ЭДС клетки. Однако суммарная электрическая активность клеток, регистрируемая с органа, всегда бывает ниже электрической активности отдельной клетки. Это объясняется тем, что в органе элементарные электрические генераторы - клетки, имеющие относительно большое внутреннее сопротивление, шунтируются сравнительно малым сопротивлением межклеточной жидкости , что приводит к ощутимому снижению разности потенциалов, развиваемой возбужденным органом.

    При регистрации биоэлектрической активности мышц и сердца человека с помощью электродов, наложенных на кожу, амплитуда колебаний не превышает единиц милливольт, а амплитуда электрической активности мозга - сотом микровольт.

    Таким образом, можно сделать вывод, что  амплитуды колебаний бионапряжений  весьма малы и составляют тысячные и стотысячные доли вольта.

    Некоторые виды биоэлектрической активности тканей и органов являются апериодичными  процессами сложной формы (например, электрическая активность мышц). Для  того чтобы зарегистрировать эти  процессы неискаженно, необходимо, чтобы электрографическая установка обеспечивала запись совершенно определенной полосы частот. Именно в этом смысле говорят, что , например, суммарная биоэлектрическая активность мышцы занимает диапазон частот от 1 до 1000 Гц.

    Если  учесть, что некоторые биоэлектрические процессы изменяются весьма медленно (кожные потенциалы), а для неискаженного воспроизведения других (электрическая активность одиночного мышечного волокна) требуется регистрация колебаний в десятки тысяч герц, то можно считать, что биоэлектрические процессы человека занимают диапазон от постоянных напряжений и инфранизких до низких частот включительно.

    При регистрации биоэлектрических процессов  человека, внутренним сопротивлением эквивалентного электрического генератора, например, мышцы, является междуэлектродное сопротивление, включающее в себя сопротивление кожи, ряда других тканей и сопротивление органа, электрическая активность которого регистрируется. Оно зависит от ряда факторов (сила и форма тока, площадь электродов, качество обработки кожи , температура воздуха и др.) и достигает большой величины.

    На  требования к электрографическим установкам, естественно, влияют характеристики органов  и тканей как электрических генераторов. Так, низкая амплитуда биоэлектрических процессов органов и тканей человека ведет к тому, что электрографические установки должны обладать весьма высокой чувствительностью, а их усилители - высоким коэффициентом усиления.

    Эти установки должны также обеспечивать неискаженную регистрацию постоянных и медленно меняющихся разностей потенциалов, инфранизких и низкочастотных колебаний потенциалов.

    И, наконец, для того чтобы электрограмма, записанная с помощью электродов, наложенных на кожу человека, была тождественна электрической активности исследуемого органа, входное сопротивление установки должно быть во много раз больше, чем междуэлектродное сопротивление.

    Электрически  активный орган окружен тканями, являющимися объемным проводником. Разность потенциалов, продуцируемая  органом, вызывает в окружающих его  тканях биотоки, и, следовательно, в последних создаются разности потенциалов, повторяющие все изменения ЭДС электрически активного органа.

    Для того чтобы составить себе представление , какие разности потенциалов и  потенциалы продуцируют электрически активный орган в окружающих его тканях , необходимо рассмотреть упрощенную модель.

    Электроды А и Б - два противоположных  по знаку , но равных по величине электрических  заряда - образуют так называемый диполь. Так как необходимо бывает учесть как величину разности потенциалов между полюсами диполя (в нашем случае между электродами А и Б) , так и положение диполя в пространстве , то символически диполь характеризуется вектором - стрелкой , направленной от отрицательного полюса (электрода) к положительному , величина которой пропорциональна разности потенциалов между полюсами диполя. Если полюса диполя неподвижны , а разность потенциалов между ними неизменна , то величина и направление вектора мало что дают для характеристики диполя.

    Но  в том случае , когда меняется во времени величина разности потенциалов диполя и полюса диполя смещаются в пространстве , только вектором можно охарактеризовать эти изменения.

    Рассмотренная модель отличается от электрически активного  органа, находящегося в окружающих его тканях в следующем:

    Электрически  активный орган продуцируют обычно не постоянные, а переменные разности потенциалов.

    Среда, которой окружен орган, не может  быть названа однородной, а поэтому  искажает картину электрического поля вокруг органа.

    В ряде случаев электрически активные органы не являются неподвижными (например, сердце), т. с. оси Х-Х и У -У смещаются в пространстве.

    Несмотря  на перечисленные отличия, рассмотренная  упрощенная модель позволяет составить  представление о характере распределения  потенциалов вокруг электрически активного органа.

    Осуществить униполярное (однополюсное) отведение  на теле человека не удается:

    Невозможно  найти линию нулевого потенциала электрической активности исследуемого органа из-за смещения оси У--У в  пространстве (сердце), а также из-за того, что в некоторых случаях электрически активный орган (например, мышцы) имеет вместо двух полюсов, эквивалентных электродам А и Б, множество таких полюсов.

    На  теле человека нельзя найти точку, достаточно удаленную от электрически активного  органа, чтобы можно было считать потенциал, создаваемый им в этой точке, равным нулю.

    Поэтому было предложено создание искусственной  точки нулевого потенциала - "усредненного" общего электрода, получаемого путем  соединения вместе (через сопротивления) большого числа электродов, помещенных на теле исследуемого.

    При этом исходили из предположения, что  чем больше число этих электродов, тем ближе к нулю приближается их суммарный потенциал. Для того чтобы соединение электродов вместе (короткое замыкание) не оказывало влияния на распределение электрического поля, электроды присоединяются к обшей точке через большие сопротивления.

    Примером  такого "усредненного" общего электрода  может служить соединение электродов при однополюсном грудном отведении  в электрокардиографии : грудной электрод соединяется с одной входной клеммой, а электроды, укрепленные на конечностях, через сопротивления соединяются с другой клеммой электрокардиографа, образуя "усредненный" электрод.

    Такой же способ получения "усредненного" общего электрода применяется и в электроэнцефалографии. Другая же клемма соединена с "усредненным" электродом, т. е. со всеми остальными электродами через сопротивления , которые берутся много больше междуэлектродных сопротивлений (например, равными 1 Мом).

    Разность  потенциалов Е между избранным нами электродом и остальными вызывает, ток I в сопротивлении R данного электрода и в остальных сопротивлениях, соединенных параллельно, число которых будет п-- 1 :

    I = E / R + R/n-1 = (n-1/n) (E/R) (2)

    На  вход электроэнцефалографа подается падение напряжения Евх с сопротивления R, соединенного с выбранным электродом (в нашем случае крайний справа):

    Eвх= IR = (n-1/n)E (3)

    Потенциал усредненного электрода Eо (верхняя  клемма электроэнцефалографа), естественно, не равен нулю, а может быть вычислен по следующей формуле:

    Eo= E - Eвх= E - (n-1/n)E = E/n (4)

    Например , при Е=100 мкв и n=10 , Ео=10 мкв , а  Евх=90 мкв. Из формулы (4) видно , что потенциал  общей клеммы будет близким нулю лишь при большом числе электродов , равномерно размещенных вокруг области над электрически активным органом.

    При двухполюсном отведении оба электрода  являются активными (дифферентными). Место  расположения каждого электрода  весьма сильно влияет на картину регистрируемой разности потенциалов.

    Когда электроды расположены на относительно большом расстоянии от электрически активного органа и расстояние между электродами мало, разность потенциалов между ними практически будет равна нулю, так как изменения потенциалов будут приходить под электроды с одинаковыми амплитудами и фазами. 
 

    3. Электрическое сопротивление  живых тканей.

    Электрическое сопротивление тканей играет существенную роль при регистрации биоэлектрических процессов. В некоторых случаях  большое междуэлектродное сопротивление  может оказаться причиной, искажающей истинный вид исследуемой биоэлектрической активности.

    Измерение междуэлектродного сопротивления  с помощью внешнего физического  генератора электрических синусоидальных колебаний и установление зависимости  его величины от различных факторов (сила тока, его частота и др.) нетрудно осуществить для амплитуд тока, составляющих десяток микроампер и больше. Определение величины междуэлектродного сопротивления для токов помех, создаваемых электрическим полем сети переменного тока и составляющих доли микроампера, представляет некоторые трудности.

    Измерение же сопротивления междуэлектродной цепи для биотоков прямым путем невозможно, так как нет способа произвольно  плавно менять величину амплитуды биотоков и их частоту. Приходится задачу решать следующим способом: а) установить основные закономерности изменения междуэлектродного сопротивления от различных факторов с помощью физического генератора,б) проверить эти закономерности для частных случаев с помощью биотоков. в) перенести все закономерности, выведенные с помощью физического генератора, на зависимость междуэлектродного сопротивления от различных факторов для биотоков.

    Такое перенесение закономерностей оказалось  возможным, во-первых, потому, что токи физического генератора и биотоки  имеют одну и ту же природу, отличаясь  только по амплитуде. Во-вторых, оно  возможно вследствие того, что закономерности, полученные с помощью физического генератора, были выведены при силе тока, не превышающей порога ощущения, т. е. не сильно изменяющей функциональное состояние тканей. Электрическое сопротивление живых тканей определяется в первую очередь сопротивлением входящих в нее жидкостей, слабо проводящих электрический ток, поэтому прежде чем говорить о сопротивлении живых тканей, необходимо кратко остановиться на сопротивлении электролитов.

    Если  в электролит поместить электроды  и присоединить их к источнику  постоянного тока, то ионы, находящиеся ранее в беспорядочном молекулярном движении, как известно, начнут свое организованное движение между электродами, т. е. появится ток через электролит. При подключении источника тока к электродам движение ионов начинается сразу же в объеме междуэлектродного пространства, но скорость движения самих ионов невелика и зависит от природы ионов, температуры раствора, а также от приложенной к электродам разности потенциалов.

    Во  время протекания электрического тока через электролит ионы из раствора выделяются на электродах. Эта убыль конов пополняется за счет выделения новых ионов при распаде молекул, имеющихся в растворе. Такое явление наблюдается тогда, когда используется неполяризующаяся пара электрод - электролит.

    В этом случае сопротивление электролита  остается неизмененным во времени и если увеличить силу тока, протекающую через электролит, увеличивая приложенное к электродам напряжение, то сопротивление электролита останется неизменным.

    Для неполяризующейся пары электрическое  сопротивление электролита может быть определено по формуле: