Лекція 3 тема: Основи електродинаміки, її медичне застосування

Постійний та змінний електричний струми. Електричні властивості біологічних систем. Електропровідність клітин і тканин при постійному струмі. Види поляризації. Ємнісні властивості та еквівалентні електричні схеми біологічних тканин. Коефіцієнт дисперсії імпедансу. Дія постійного і змінного електричного струму на біооб’єкти. Дія атмосферного електричного поля на біооб’єкти. Дія магнітного поля на біологічну тканину.

Фізичні та біофізичні основи електрокардіографії. Теорія Ейнтховена про генез ЕКГ (серце—електричний диполь, потенціал електричного поля, система підведень). Вектор-кардіографія.

Електричним струмом називається будь-який впорядкований рух електричних зарядів у просторі. Струм називається постійним, якщо сила струму та його напрямок не змінюються з плином часу. Змінний струм – струм, що змінюється за напрямком протягом періоду і змінюється за величиною за законом синуса або косинуса. Біологічні тканини та органи є достатньо різнорідними утвореннями з різноманітними електричними опорами. Це обумовлює труднощі у вимірюванні електричного опору біологічних систем. Електропровідність окремих ділянок організму, що знаходяться між електродами, накладеними безпосередньо на поверхню тіла, суттєво залежить від опору шкіри та підшкірних шарів. Всередині організму струм поширюється в основному по кровоносних та лімфатичних судинах, м’язах, оболонках нервових волокон. Опір шкіри визначається її станом: товщиною, віком, вологістю. Електропровідність клітин, тканин та органів залежить від їх функціонального стану, та може бути використана як діагностичний показник. Н-ад, при запаленні, коли клітини набрякають, зменшується переріз міжклітинних з’єднань та збільшується електричний опір; фізіологічні явища, що викликають пітливість, супроводжуються зростанням електропровідності шкіри.

Електропровідність та питомий опір деяких тканин та рідин організму.

№зп	Тканини та рідини організму	Питомий опір, Ом ∙ м	Електропровідність, (Ом ∙ см)-1
1	Спинномозкова рідина	0,55	0,018
2	Кров	1,66	0,006
3	М’язи	2	0,005
4	Мозкова і нервова тканини	14,3	0,0007
5	Жирова тканина	33,3	0,0003
6	Шкіра суха	105	10-7
7	Кістка без окістя	107	10-9

Зменшення струму в часі обумовлене явищами поляризації – процес руху зв’язаних зарядів під дією електричного поля та утворення внаслідок цього ЕРС, що напрямлена проти зовнішнього поля. Види поляризації: 1) електронна поляризація; 2) іонна поляризація; 3) дипольна (орієнтаційна); 4) макроструктурна; 5) поверхнева електролітична.

Електричній струм діє на людину тоді, коли вона стає частиною електричного кола, тобто коли зовнішнє джерело має хоча б дві точки дотику на тілі людини. Смерть під дією струму настає тоді, коли виникає параліч органів дихання і серця. Уражуючи дія струму на організм людини визначається наступними параметрами: сила струму(головний фактор), вид струму, частота, тривалість дії, шлях, по якому струм проходить всередині організму.

Впливаючи на серце, струм може викликати фібриляцію шлуночків, яка приводить до загибелі людини. При частотах приблизно більших 500 кГц струм або електромагнітна хвиля не викликатиме дратівливої дії. Основним первинним ефектом є теплова дія. Лікувальне прогрівання високочастотним струмом володіє рядом переваг. Високочастотне прогрівання відбувається за рахунок утворення теплоти у внутрішніх частинах організму, тобто його можна створити там, де воно потрібне. Теплота, що виділяється, залежить від діелектричної проникності тканин, їх питомого опору і частоти електромагнітних коливань. Підбираючи відповідну частоти, можна здійснювати „термоселективну дію”, тобто переважне утворення тепла в потрібних тканинах і органах. Прогрівання високочастотним коливанням зручно тим, що, регулюючи потужність генератора, можна керувати потужністю тепловиділення у внутрішніх органах, а при деяких процедурах – і дозування нагріву. Окрім теплового ефекту, електромагнітні коливання і хвилі при великій частоті викликають і внутрішньо молекулярні процеси, які приводять до специфічних дій. Щоб нагрівати тканини, необхідно пропускати великий струм. В цих випадках постійний струм або струм низької, звукової і навіть ультразвукової частоти може призвести до електролізу і руйнування тканин. Тому для нагрівання струмами використовується струм високої частоти.

Живі тканини є джерелом електричних потенціалів(біопотенціалів). Реєстрація біопотенціалів тканин та органів називається електрографія. Розрізняють:

1.електрокардіографію(ЕКГ) – реєстрація біопотенціалів, що виникають в серцевому м’язі під час збудження;

2 .електроміографія(ЕМГ) – метод реєстрації біоелектричної активності м’язів;

3.електроенцефалографія(ЕЕГ) – реєстрація біопотенціалів, що виникають в головному мозку,

4.електрогастрографія(ЕГГ) - реєстрація біопотенціалів, що супроводжують роботу шлунка.

Вигляд нормальної електрокардіограми людини

Зазвичай на ЕКГ можна виділити 5 зубців: P, Q, R, S, T. Іноді можна побачити малопомітну хвилю U. Зубець P відображає роботу передсердь, комплекс QRS - систолу шлуночків, а сегмент ST і зубець T - процес реполяризації міокарда (рис.).

Живі тканини є джерелом електричних потенціалів (біопотенціалів).

Реєстрація біопотенціалів тканин та органів називається електрографія.

Розрізняють:

1. електрокардіографію (ЕКГ) – реєстрація біопотенціалів, що виникають в серцевому м’язі під час збудження;

2. електроміографія (ЕМГ) – метод реєстрації біоелектричної активності м’язів;

3.електроенцефалографія (ЕЕГ) – реєстрація біопотенціалів, що виникають в головному мозку,

4.електрогастрографія (ЕГГ) - реєстрація біопотенціалів, що супроводжують роботу шлунка.

Природа електрокардіограми.

І концепція – серце як електричний диполь(теорія Ейнтховена).

Основні положення теорії Ейнтховена. Вільям Ейнтховен(1860 – 1927 рр.) – нідерландський фізіолог, основоположник ЕКГ. В 1903 р. сконструював прилад для реєстрації електричних змін в серці, вперше в 1906 році використав ЕКГ в діагностичних цілях. Отримав Нобелівську премію в 1924 році.

1) серце–електричний диполь. Збуджена ділянка міокарду заряджена негативно відносно не збудженої.

2) диполь розміщений в однорідному діелектрику, тобто струми відсутні і поле розглядається як статичне. Потенціал в такому полі:

φ=Ρ∙cosα/4∙π∙ε₀∙ε∙r²; де Ρ=q∙l – електричний вектор серця.

3) стандартна система відведень. Ейнтховен запропонував знімати різницю потенціалів між вершинами рівностороннього трикутника, кожна зі сторін якого відповідає одному із стандартних відведень, прийнятих в електрокардіографії: І–права рука, ІІ–ліва рука, ІІІ–ліва нога. Використання інших електродів – нейтрального на правій нозі і грудного у відповідній точці грудної клітини – дозволяє використовувати інші типи

відведень(їх понад два десятки).

ІІ концепція – серце, як сукупність струмових електричних генераторів, які знаходяться в електропровідному середовищі.

Струмовий дипольний момент D=I∙L, де I – сила струму, L – вектор, який з’єднує полюси диполя.

Потенціал струмового поля. Користуючись законом Ома в диференційній формі, означенням густини струму: j=I/S, де S =4∙π∙r² – площа поверхні, радіусом r, знаходимо j=σ∙E=E/ρ, де σ – питома електрична провідність, ρ=1/σ – питомий опір. Потенціал електричного поля серця матиме вигляд:

φ=ρ∙I/4∙π∙R=ρ∙D∙cos α/4∙π∙r²,

D – дипольний момент серця; α – кут між вектором D і напрямком I.

Реографія(імпеданс – плетизмографія) – діагностичний метод оцінки стану кровообігу в органах людини (легенях, печінці, кінцівках) шляхом пропускання змінного електричного струму через ці органи, заснований на реєстрації зміни імпедансу тканин в процесі серцевої діяльності(протягом кардіоциклу). Чим більший приплив крові до тканин, тим менший їх опір. Для одержання реограми через тіло пацієнта пропускають змінний струм, частотою 50 – 100 кГц, малої сили – не більше 10 мкА, який створюється спеціальним генератором. В залежності від конкретної клінічної задачі міняється зона дослідження, і, відповідно, місце накладання електродів. Розрізняють реографію легень, реографію судин мозку (реоенцефалографія – дослідження гемодинаміки головного мозку в нормі і при патології), судин кінцівок (реовазографія), інтегральна реографія (вимірюють імпеданс на довжині всього тіла чи в будь-якій області).

Принциповою основою методу реографії є залежність змін опору від змін кровонаповнення в досліджуваній ділянці тіла людини. Реєстрація реограм здійснюється за допомогою реографів. Одержані результати дозволяють дати кількісну оцінку гемодинамічним показникам. Запис реограм проводиться в теплому приміщенні через 1,2–2 год після прийому їжі або натще, у положенні лежачи на спині після 15–20хв відпочинку. Проводиться на затримці подиху. Реограма – крива, що відбиває пульсові коливання електричного опору. При збільшенні кровонаповнення зростає амплітуда кривої і навпаки, тобто реєструється динаміка імпедансу. На реограмі розрізняють систолічну та діастолічну частини. Перша обумовлена припливом крові, друга – з венозним відтоком. Якісна і кількісна оцінки зводиться до виміру і опису амплітудних і часових відрізків кривої, що відбивають стан тонусу судин, їх еластичність, величину ударного обсягу, а також обчислюються спеціальні географічні показники. При якісному аналізі враховується форма кривої, характер, рельєф вершин(заокруглена, загострена, платоподібна, сідлоподібна), виразність і кількість додаткових хвиль, їх розташування, наявність перед систолічної хвилі.

Повний опір кола називають імпедансом.

Z=

R² – омічний(активний опір); (Х_L – Х_C) – реактивний опір, причому Х_L= L∙ω – індуктивний опір, Х_C=1/C∙ω – ємнісний опір.

Розглянемо імпеданс тканин організму. Тканини складаються з клітин. У клітинах немає систем чи структур, які б мали індуктивний опір. Тому індуктивний опір у тканинах відсутній(Х_L,тк=0) біологічні мембрани мають ємнісні властивості. Електроліти: кров, лімфа, спинномозкова рідина та інші тканини мають омічні опори. Тому імпеданс тканин організму визначається тільки омічним(активним) та ємнісним опором.

Залежність імпедансу від частоти дозволяє оцінити життєздатність тканин організму, що враховується при трансплантації тканин і органів у хірургії.

ВЕКТОР-КАРДІОГРАФІЯ – метод вивчення біоелектричної активності серця шляхом реєстрації величини та напрямку електрорушійної сили, що виникає внаслідок деполяризації та реполяризації міокарда в процесі серцевого циклу.