ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 17.12.2021
Просмотров: 1000
Скачиваний: 3
Основи біофізики і біомеханіки
199
термін використовується дуже рідко, більш розповсюджено конкретні
назви відповідних діагностичних методів:
–
електрокардіографія
(ЕКГ) – реєстрація біопотенціалів, які
виникають у серцевому м’язі при його збудженні;
–
електроміографія
– метод реєстрації біоелектричної активності
м’язів;
–
електроенцефалографія
(ЕЕГ) – метод реєстрації біоелектричної
активності головного мозку,
–
електроретинографія
– метод реєстрації біоелектричної
активності сітчатки ока та інші.
Для вимірювання різниці потенціалів між будь-якими двома
точками органа потрібно прикласти електроди. Однак такий «прямий»
метод електрографії практично не використовується. В більшості
випадків біопотенціали знімаються електродами не безпосередньо з
органу (серце, головний мозок), а з інших, сусідніх тканин, в яких
електричні поля цим органом створюються. В клінічному відношенні
це істотно спрощує саму процедуру реєстрації, роблячи її безпечною і
не складною.
Фізичний підхід до електрографії заключається в створенні (виборі)
моделі електричного генератора, яка відповідає картині потенціалів,
що знімаються. У зв’язку з цим тут виникають дві фундаментальні
теоретичні задачі:
–
визначення потенціалу в районі вимірювання за заданими
характеристиками електричного генератора (моделі) – п р я м а з а д а ч а ;
–
визначення характеристик електричного генератора за виміряним
потенціалом – з в о р о т н я задача.
Розв’язок другої задачі відіграє важливу роль у діагностиці ряда
захворювань. Розглянемо фізичну сутність електрографії на прикладі
електрокардіографії, одна з основних задач якої полягає у встановленні
розподілу трансмембранного потенціалу клітин серцевого м’язу за
потенціалами, що виміряні ззовні серця. Усе серце в електричному
відношенні представляється як деякий еквівалентний електричний
генератор, тобто як сукупність електричних джерел у провіднику, що
має форму тіла людини. На поверхні провідника, при функціонуванні
еквівалентного електричного генератора, буде електрична напруга, яка
в процесі серцевої діяльності виникає на поверхні тіла людини.
Сьогодні визнано, що в мультипольному еквівалентному генераторі
серця основну частину до потенціалу на поверхні тіла людини вносить
його дипольна складова. Іншими словами, при моделюванні електричної
Л. І. Григор’єва, Ю. А. Томілін
200
діяльності серця потрібно використовувати дипольний еквівалентний
електричний генератор.
Еквівалентний генератор серця представляють у вигляді електричного
диполя (джерела електрорушійної сили
Е
) з внутрішнім опором
r
, який
замкнений на зовнішній опір
R
, причому
r>>R.
Доведено, що різниця
потенціалів між деякими точками є тим більшою, чим більшим є
питомий опір середовища, відстань між цими точками і чим меншою є
відстань цих точок до диполя.
Дипольна уява про серце лежить в основі запропонованої
В. Ейнтховеном теорії, згідно з якою:
1)
серце представляють у вигляді дипольного генератора з
дипольним поментом
D
;
2)
напрямок і величина вектора
D
в процесі серцевої діяльності
періодично змінюється у часі (відповідно з таким же періодом
змінюється і різниця потенціалів між деякими двома точками тіла, до
яких прикладено електроди);
3)
початок вектора
D
не змінює свого положення у просторі,
4)
оточуючі серце тканини являють собою однорідне ізотропне
середовище.
За В. Ейнтховеном серце розташоване в центрі трикутника, а різниця
потенціалів (
в і д в е д е н н я
) знімаються між вершинами рівнобічного
трикутника (
рис. 8.1.3.,а
). Розрізняють
І відведення:
між правою рукою
і лівою рукою (ПР-ЛР),
ІІ відведення:
між правою рукою і лівою ногою
(ПР-ЛН) і
III відведення:
між лівою рукою і лівою ногою (ЛР-ЛН), які
відповідають різницям потенціалів
U
1
,
U
2
, U
3.
Практично різниця потенціалів вимірюється між точками, в яких
кінцівки з’єднуються з тулубом, бо кінцівки виступають як провідники.
Через це дипольний момент
D
виявляється у центрі трикутника, який
приблизно вважається рівнобічним.
Можна знайти співвідношення між проекціями електричного
моменту серця на сторони трикутника і використовуючи той факт, що
різниці потенціалів на боках цього трикутника відносяться як проекції
вектора
D
на його боки (
рис. 8.1.3.,б
), визначити їх:
CA
BC
AB
CA
ВС
AB
D
D
D
U
U
U
(8.1.1.)
Через те, що електричний момент діполя – серце – змінюється з
часом, то у відведеннях будуть отримуватись часові залежності напруги,
які і називають
електрокардіограмами.
На практиці іноді використовують
інші відведення, наприклад, за Гольдбергером або Вільсоном.
Основи біофізики і біомеханіки
201
а)
б)
Рис. 8.1.3.
Схема Ейнтховена вимірювання дипольного моменту серця
Крім електрокардіографії існує
магнітокардіографія
. Цей метод
засновано на магнітних властивостях біологічних об’єктів (у даному
випадку, серця), шляхом реєстрації часової залежності індукції магнітного
поля серця.
Через те, що магнітна індукція пропорційна силі струму, а сила струму
(біострум), згідно із законом Ома, є пропорційною напрузі біопотенціалу,
то в цілому магнітокардіограма аналогічна електрокардіограмі. Проте
магнітокардіографія, на різницю від останньої, є безконтактним методом,
тому що магнітне поле може реєструватися і на деякій відстані від
біологічного об’єкта – джерела поля. Розвиток магнітокардіографії
залежить від технічних можливостей виміру достатньо слабких магнітних
полів.
Магнетизм біологічних об’єктів, тобто їх магнітні властивості і
магнітні поля, які створюються ними, отримали назву,
біомагнетизму
.
Магнітне поле здійснює вплив на біологічні системи, які знаходяться в
ньому. Цей вплив вивчає розділ біофізики, який називається
магніто-
біологія
.
На сьогодні фізична природа впливу магнітного поля на біологічні
об’єкти ще не встановлена. Це важливе питання знаходиться на стадії
дослідження. Є інформація про загибель дрозофіли у неоднорідному
магнітному полі, про морфологічні зміни у тварин і у рослин після
перебування у постійному магнітному полі, про орієнтацію рослин в
магнітному полі, вплив магнітного поля на нервову систему, вплив на
зміну характеристик крові та інше. Природно, що первинними у всіх
випадках є фізичні і фізико-хімічні процеси. Такими процесами можуть
Л. І. Григор’єва, Ю. А. Томілін
202
бути орієнтація молекул, зміна композиції
молекул або іонів в
неоднорідному магнітному полі, силовий вплив (сила Лоренца) на
іони, які переміщуються разом з біологічною рідиною, ефект Хола,
який виникає в магнітному полі при розповсюдженні електричного
імпульсу збудження тіл тощо.
§ 8.2. БІОЛОГІЧНА ДІЯ ПОСТІЙНОГО І ЗМІННОГО
ЕЛЕКТРИЧНОГО СТРУМУ ТА ВИКОРИСТАННЯ В
МЕДИЦИНІ
Дія електричного струму може призводити до неблагоприємних
наслідків для людини, в тому числі і до летальних. Разом із цим струми
володіють цілим рядом властивостей, завдяки яким вони знайшли
широке застосування у медичних цілях.
Біоефекти при дії постійного електричного струму.
Первинна дія
п о с т і й н о г о
струму на тканини організму зумовлена переміщенням
(вздовж силових ліній полів) заряджених часток, головним чином, іонів
електролітів тканин. Під впливом електричного струму іони рухаються
з різною швидкістю і скопичуються поблизу клітинних мембран,
утворюючи електричне поле, яке має назву
поляризаційного
. При
цьому, внаслідок різної рухомості іонів і затримання та накопичення їх
поблизу напівроникнених мембран у тканинних елементах і, поперед
усього, всередині клітини і в оточуючій рідині (див.
рис. 8.1.1
),
відбувається зміна звичайної концентрації іонів тієї чи іншої природи.
Зміна іонного середовища може викликати зміну функціонального
стану клітин у бік збудження або гальмування їхньої діяльності. В
цьому відношенні істотне значення мають інші поляризаційні явища,
котрі відбуваються у тканинах орагінізму внаслідок їх неоднорідної
будови, а також наявності в їхньому середовищі перетинів, які погано
проводять струм. Місцеві зміни концентрації іонів можуть впливати на
кислотно-лужну рівновагу, вміст води та інші фізико-хімічні
властивості тканин.
Таким чином,
в основі первинної дії струму на тканини організму
лежать
поляризаційні явища.
Зміни функціонального стану клітин і,
особливо, нервових рецепторів, які знаходяться безпосередньо у зоні дії
струму, нервово-гуморальним або рефлекторним шляхом викликають
інші реакції організму, котрі розповсюджуються на певні органи і системи
і, наприкінці, в тій чи іншій мірі, на організм в цілому. Це складає
підставу використання електричного струму у терапевтичних цілях.
Основи біофізики і біомеханіки
203
Вплив постійного струму на організм залежить від сили струму,
тому при цьому істотним є електричний опір тканин людини. Будь-яка
біологічна система є гетерогенною, її опір електричному струму
визначається величинами опору її складових частин (табл. 8.1.2.).
Опір
тіла людини між двома торканнями (електродами) складається з опору
внутрішніх тканин та органів і опору шкіри, при чому останній
, у свою
чергу, залежить від стану шкіри: товщини, вологості. Всередині організму
струм розповсюджується, в основному, за кровоносними та лімфатичними
судинами, м’язами і оболонками нервових волокон.
Опір внутрішніх частин організму слабко залежить від загального
стану людини, в середньому дорівнює 1 кОм
(для ланцюгу «долоня –
ступня»). Опір шкіри
при проходженні струму від її поверхні до
внутрішніх тканин у десятки разів більше
.
Тому для постійного і
низькочастотного струмів (50-60 Гц) опір шкіри при точковому контакті
є головним обмежуючим струм чинником (при високих частотах
більш істотним фактором є внутрішній опір тіла). Отже, в більшості
ситуацій дія струму, який протікає крізь тіло, в основному залежить
від стану тіла у місці контакту. Суха шкіра має високий опір, а
волога шкіра має низький опір, бо іони, котрі перебувають у волозі,
забезпечать проходження струму у тіло. При сухій шкірі опір між
крайніми точками тіла «долоня – ступня» може дорівнювати 10
5
Ом, а
при вологій шкірі може скласти 1 % цього значення. Повний опір
тіла між вологими руками приймають рівним 1 500 Ом.
Максимальні струми, які виникають при контакті з побутовою електро-
мережею з напругою 220 В, будуть дорівнювати:
I
= 220 В/10
5
Ом =
2,2 мА (для сухої шкіри);
I
= 220 В/1500 Ом = 146 мА (для вологої шкіри).
Струм 1 мА при проходженні через тіло буде ледь помітний, але струм
146 мА буде смертельним, навіть при короткочасному впливі.
Безпечною вважається сила струму нижче за 0,01 А (хоча, навіть,
слабкі струми відображуються на функціонуванні нервової системи);
струм вище за 0,1 А є загрозливим для життя.
Найбільш чутливими до електричного струму частинами організму
є мозок, грудні м’язи й нервові центри, які контролюють дихання і
серце. Тому наслідки електротравми залежать від того, яка частина
тіла виявилася включеною в електричний ланцюг. Дуже небезпечно,
якщо електричний струм проходить через серце. Як відомо, електричний
струм, який проходить крізь м’яз, викликає його скорочення. При цьому
реакція м’язу залежить як від сили струму, що подається, так і від
тривалості його впливу. Сила струму нижче деякої граничної величини
не викликає скорочення, таким самим чином, як і дуже короткочасний