Биологическое электричество.

Страница 1
БИОМЕХАНИКА
Биологическое электричество. Итальянский врач Луиджи Гальвани (1737–
1798) обнаружил, что если к обезглавленному телу лягушки подвести электрическое
напряжение, то будут наблюдаться сокращения ее лапок. Так он показал воздействие
электрического тока на мышцы. Поэтому его по праву называют отцом
электрофизиологии. Гальвани предположил существование между нервом и лапкой
разности потенциалов – «животного электричества».
Дальнейшие исследования показали, что электрический ток возникает в тех
случаях, когда нерв набрасывали на поврежденную мышцу. Так были открыты
электрические токи, возникающие между здоровой и поврежденной тканью. Они были
названы токами повреждения. Позднее было доказано, что деятельность нервов,
мышц и других тканей сопровождается генерацией электрических токов.
Давайте рассмотрим следующий опыт:
1. Подвесим препарированное мышечное волокно лягушки на штатив, к разным
концам мышечного волокна подключим электроды противоположных полюсов.
Создадим одиночную краткосрочную разность потенциалов на концах этих электродов.
Результат: произошло сокращение мышцы.
Вывод: для сокращения мышечного волокна необходим электрический ток.
2. Проведем аналогичные приготовления, однако, теперь будем фиксировать
изменения разности потенциалов на концах электродов. После сокращения,
искусственно растягиваем мышечное волокно. Результат: датчик показывает
изменение разности потенциалов на концах электродов.
Вывод: при механическом растяжении мышечного волокна вырабатывается
электрический ток.
Результаты эксперимента свидетельствуют о том, что механическое
растяжение мышечного волокна способствует генерации электрического тока.
Биопотенциалами
называют
разности
электрических
потенциалов,
возникающих в клетках, тканях и органах живого организма. Биопотенциалы отдельных
клеток, входящих в состав определенной ткани или организма, суммируясь, образуют
результирующую разность потенциалов, изменение которой во времени характерно
для ткани или органа. Эту разность потенциалов можно измерить или
зарегистрировать с помощью чувствительных приборов – осциллографов.
Потенциалы, возникающие при работе сердца, регистрируются при помощи
электродов, накладываемых в определенных местах на поверхности тела, – там, где
при работе сердца образуется наибольшая разность биопотенциалов, разность
потенциалов от электродов подводится к усилителю и затем записывается на
движущейся ленте регистрирующего устройства (рис. 1-2).
Рис. 1. Электрокардиограмма
Рис. 2. Измерение ЭКГ в отведении ДГ5
ЭКГ может быть записана непосредственно чернильным писчиком или
подогреваемым пером на теплочувствительной бумаге. Полоса пропускания частот
для приборов с механическим писчиком ограничена (около 80-100 Гц) вследствие его
Страница 2
БИОМЕХАНИКА
инерционности, однако для регистрации ЭКГ человека этого достаточно. Можно также
зарегистрировать ЭКГ при помощи высокочастотного (до 500 Гц) прибора с
фотографической или электронной записью. В этом случае более точно
воспроизводятся форма и крутизна зубцов ЭКГ у животных с большой частотой
сокращений сердца (свыше 300 ударов в 1 мин) – у крыс, птиц и других мелких
животных.
Поскольку биопотенциалы очень тонко отражают функциональное состояние
органов и тканей, то регистрация их с последующим изучением является весьма
распространенным приемом при физиологических исследованиях. ЭКГ также способна
объяснить деятельность сердца.
Деятельность сердца с позиции ЭКГ. Вся механическая деятельность сердца
сопровождается изменением его биопотенциалов, эти изменения обязательно
отражаются на электрокардиограмме.
Итак, в двухполюсном грудном отведении ДГ5 6 зубцов – 4 положительных (P, R,
T, U) и 2 отрицательных (Q, S). Совокупность этих зубцов составляет сердечный цикл.
Отсутствие отклонения кривой от изолинии означает, что в этот момент никакой
механической работы не совершается.
Сердце как любой насос работает по следующему принципу: наполнение–
выброс. Это означает, что часть зубцов отражает фазу сокращения или систолы, а
другая часть фазу наполнения или диастолу.
Еще Уильям Гарвей в свое время заметил: «Эти два движения – движение
предсердий и движение желудочков – возникают последовательно одно за другим, но
настолько гармонично и ритмично, словно они происходят в одно и то же время, и глаз
может различить только одно единственное движение».
Однако если замедлить движение сердца, то можно обнаружить характерные
различия в его движении. Давайте рассмотрим зубцы на электрокардиограмме.
Зубец P отражает сокращение или систолу предсердий, при этом предсердножелудочковая перегородка уходит вверх, клапаны открываются под действием
давления, и кровь через клапаны движется в желудочки.
Далее
происходит
напряжение
миокарда
и
это
отражается
на
электрокардиограмме комплексом зубцов QRS. Одновременно с этим предсердножелудочковая перегородка перемещается вниз, механически растягивая предсердия.
Механическое растяжение предсердий приводит к понижению в них давления, в
результате чего кровь из полых вен перемещается в предсердия.
Столь сложный рисунок комплекса QRS обусловлен, как раз тем, что является суммой
биопотенциалов при распространении импульса атриовентрикулярного узла, напряжении
миокарда и растяжении предсердий.
Страница 3
БИОМЕХАНИКА
Когда все эти процессы закончились мы наблюдаем сокращение желудочков в виде
стандартной волны – зубца T – в несколько раз большей по силе, чем зубец P.
Сокращение желудочков привело к тому, что в перикардиальной полости резко
уменьшилось давление – герметичное пространство резко увеличилось. Это естественно
приводит к тому, что как только миокард, т.е. сердечная мышца, расслабился, он под действием
отрицательного давления резко возвращается в исходное состояние. Его возврат является
механическим растяжением мышцы, поэтому на электрокардиограмме вновь появляется еще
один зубец U.
Зубец U электрокардиограммы и аппроксимация тонов сердца. В США, странах
Европы, России и Китае болезни сердца уносят больше жизней, чем все болезни вместе
взятые. Это в большой степени связано с недостаточными знаниями теории деятельности
одного из главных органов организма человека – сердца.
Для характеристики сердечной деятельности одинаково важны как фазы систолы, т.е.
выброса крови из сердца, так и диастолы, т.е. его кровенаполнения. Между этими фазами
существует прямая зависимость: выброс должен соответствовать наполнению – это
своеобразное отражение закона сохранения энергии. Нарушение одного из этих процессов
непременно повлечет за собой нарушение другого.
Несмотря на разнообразие подходов, положенных в основу изучения деятельности
сердца, нет единого мнения о фазовой структуре сердечного цикла и соответствия элементов
ЭКГ фазам сердечной деятельности.
В силу того, что на ЭКГ наиболее ярко отражены зубцы Р, Q, R, S, и Т (рис. 1), в
исследованиях динамики сердечного сокращения и при диагностике состояния сердца
наибольшее отражение получили процессы систолы, а диастолическая часть сердечного цикла
и, в частности, зубец U оказались малоизученными, и ни одна из имеющихся в литературе
точек зрения о генезисе зубца U не может считаться общепризнанной.
Профессором А.И. Завьяловым были проведены следующие исследования. Сначала
испытуемого исследовали в покое лежа на специальной платформе с регистрацией ее
колебаний,
одновременно
регистрировалась
ЭКГ,
фонокардиограмма
(ФКГ)
и
сейсмокардиограмма (СКГ). Затем испытуемый выполнял ступенчатую нагрузку для
постепенного увеличения ЧСС: приседания за 30 с от 10 до 30 раз. После каждого задания
исследования повторялись.
Колебания платформы, ФКГ и СКГ в блоке аналогового выделения анализировались,
фильтровались, с целью устранения помех, и усиливались по совпадающим амплитудным и
временным параметрам ФКГ и СКГ. Таким образом, удалось выделить чистые
аппроксимированные сигналы колебания клапанов при работе сердца в условиях тахикардии.
На рис. 3 представлены результаты таких исследований. Вверху ЭКГ покоя с ЧСС 70
уд./мин. Отчетливо видны аппроксимированные тоны сердца. При ЧСС 100 уд./мин.,
продолжительность сердечного цикла, естественно сокращается. Наблюдается небольшое
укорочение систолы всего на сотую секунды и значительное укорочение диастолы (зубца U, II-III
тон) в 1,5 раза.
С тахикардией (рис. 3) при ЧСС 170 уд./мин., продолжительность сердечного цикла —
0,35 с, зубца U, II-III тонов (диастолы) — 0,08 с, QRST (систолы) — 0,22 с. Наблюдается явное
по сравнению с исходной в 1,6 раза укорочение систолы и значительное укорочение диастолы в
2,5 раза.
Страница 4
БИОМЕХАНИКА
В процессе укорочения сердечных циклов при тахикардии постепенно происходит
сближение различных фаз деятельности сердца. Систола желудочков (зубец Т) заканчивается
при тахикардии раньше в связи с наложением на диастолическую фазу (зубец U). В свою
очередь начало диастолической фазы, как бы поглощается окончанием систолического
процесса, укорачивая во времени диастолу желудочков.
Таким образом, при тахикардии
постепенно исчезает интервал U-P, потому
что увеличивается динамика, и сигналы на
сокращение приходят без предоставления
сердцу отдыха, заставляя сокращаться
предсердия при незавершенной диастоле
желудочков.
Это не вредит работе сердца, а
наоборот способствует эффективности
диастолической
фазы.
Во
время
диастолы при мощном потоке венозной
крови в желудочки через предсердия,
сокращения
последних
значительно
ускоряет поток, способствуя быстрому и
полному наполнению желудочков при
даже очень высокой тахикардии до 200
уд./мин.
Интересно отметить, что сегмент
Р-Q сохраняет свою продолжительность
(0,02 с) несмотря на укорочение
сердечных
комплексов.
Скорость
сокращения
предсердий
и
время,
затраченное на прохождение импульса
из
синусового
узла
к
атриовентрикулярному, не изменяется
при любой тахикардии.
Сохранение
сегмента
P-Q
гарантированно защищает сердце от
одновременного сокращения предсердий
и
желудочков.
Одновременное
сокращение предсердий и желудочков в
силу того, что желудочки гораздо более
мощные, чем предсердия приводит к
нарушению
гемодинамики,
перенапряжению сердца и повреждениям
с летальным исходом.
Рис. 3. Аппроксимация тонов сердца