Антонов В.Ф. Практикум по биофизике

Подождите немного. Документ загружается.

Литература:

Антонов В.Ф.,

Черныш

А.М., Пасечник В.И.,

Вознесенский

А.,

Козлова

Е.К. Биофизика.

— М.:

Владос,

2000 г.

Чернов

А. 3.,

Кечнер

М.И. Электрокардиографический атлас.

— М.:

Медицина,

1985.

3. Данный практикум.

4. Конспект лекций.

Подготовка

работе

Повторить

следующие

вопросы:

1. Понятие "электрическое поле" и единицы измерения ос-

новных характеристик электрического поля в СИ.

2. Понятие "электрический диполь".

Изучить по рекомендованной

литературе

и данному посо-

бию

следующие

вопросы:

1. Что называется потенциалом действия, каковы его функ-

ции

в организме?

2. Изобразите графически потенциал действия и назовите

его основные характеристики.

3. Что такое интегральный электрический вектор сердца и

как

он изменяется в течение цикла работы сердца?

4. Каковы основные положения теории Эйнтховена?

5. Как регистрируется разность потенциалов на поверхнос-

ти

тела

и чем определяется ее величина?

6. Что такое электрокардиограмма? Что такое стандартные

отведения ЭКГ?

7. Нарисуйте

блок-схему

регистрации ЭКГ и объясните на-

значение каждого блока.

8. Что такое векторкардиография, в чем ее особенности?

Теоретические

сведения

Биопотенциалы,

методы

их

измерения.

Биопотенциалами

называется разность потенциалов

между

внутриклеточной и

внешней средой, разделенных биологической мембраной. Био-

потенциалы подразделяются на стационарные — потенциалы

покоя

и быстро меняющиеся — потенциалы действия.

Потенциал покоя — это стационарная разность электри-

ческих потенциалов, определяемая трансмембранной диф-

фузией ионов. Ее регистрируют с помощью внутриклеточ-

ных микроэлектродов у

всех

живых клеток. Основными но-

сителями тока при генерации потенциала покоя являются

неорганические ионы, из которых важнейшую роль играют

К+,

Na+, С/".

Потенциал

действия. Потенциалом действия кардиомио-

цита называют электрический импульс, обусловленный

диффузией неорганических ионов через возбужденную мы-

шечную мембрану: К

, Na

, Ca

и С1~. Длительность

импульса - 250 мс.

Важнейшей функцией потенциала действия в организме

является генерация сокращения в мышечных клетках.

Характеристики потенциала

действия.

Амплитуда

потенциала действия равна:

фД

= |

пок

| +

фР

ев

Дф,мВ

мс

-80

Рис.

1. Потенциал действия

кардиомиоцита,

фД

Потенциал

действия распространяется по проводящим пу-

тям (нервные волокна предсердий, ножки пучка Гиса, волокна

Пуркинье) от источника импульсов — синусового

узла

в пра-

вом предсердии ко всем сократительным клеткам сердечной

мышцы.

Экспериментальные данные показывают, что процесс рас-

пространения

возбуждения по различным частям сердца сло-

жен. Скорости распространения возбуждения варьируются в

сердце по направлению и по величине: так, в стенках предсер-

дий возбуждение распространяется со скоростью

30—80

см/с,

0,03

>~0,06

0,05

0,03

Рис.

Распространение

возбуждения

по

миокарду

(время

секундах)

атриовентрикулярном

узле

— 2—5 см/с, в

пучке Гиса

—

100-140

см/с (рис.

2).

Полное

описание электрического состояния сердца, мате-

матическое описание распределения мембранных потенциа-

лов

по

всему объему сердца

каждой клетке

описание изме-

нения

этих потенциалов

во

времени невозможно.

Поэтому

соответствии

принципом эквивалентного гене-

ратора, сердце заменяют эквивалентным генератором тока,

электрическое поле которого близко

по

свойствам

электриче-

скому полю, созданному сердцем.

Генез

ЭКГ. Основные

положения

теории

Эйнтховена

за-

ключаются

следующем:

1. Сердце рассматривается

как

электрический токовый

ди-

поль,

имеющий момент

Е .

Вектор

является векторной

сум-

мой

дипольных моментов различных микроучастков сердца.

Этот результирующий вектор называется интегральным элек-

трическим вектором сердца

(Е = S Dj).

2. Диполь помещен

однородную электропроводящую

сре-

ду, которой являются ткани организма.

3. Вектор

меняется

при

работе сердца

по

величине

и на-

правлению,

как

показано

на

рис.

2. Это

обусловлено последо-

вательностью распространения возбуждения

различных

от-

делах

сердца

от

верхушки сердца

по

стенкам правого

левого

желудочков

к его

основанию.

4. Разность потенциалов

между

точками на поверхности

тела (например:

между

правой и левой рукой) пропорцио-

нальна

проекции вектора Е на линию, соединяющую точки

съема.

5. Левая рука, правая рука и левая нога образуют, так назы-

ваемый треугольник Эйнтховена и являются стандартными

точками съема ЭКГ в I, II и III отведениях.

Выполнение

работы

Краткое

описание макета лабораторной работы. Макет ла-

бораторной работы (аналоговая модель) представляет собой

плоскую однородную электропроводящую резину, укреплен-

ную на корпусе. На поверхности проводящей среды (резины)

установлены контакты: ЛР — левая рука, ПР — правая рука,

ЛН

— левая нога, являющиеся вершинами треугольника

Эйнтховена. В центре этого треугольника установлен контакт

"О",

имитирующий начало интегрального вектора сердца, а по

его поверхности установлены 22 контакта по линиям петель Р,

QRS и Т, которые имитируют конец интегрального вектора

(рис.

3).

Задание

1. Снять разности потенциалов с электропроводя-

щей

поверхности лабораторного макета для положений интег-

рального электрического вектора соответствующих петлям Р,

QRS,

Т.

Порядок

выполнения работы:

Проверить комплектность оборудования.

На

установке должны быть: 1) макет, подключенный к бло-

ку питания с помощью специального разъема; 2) измеритель-

ный

прибор; 3) комплект проводов.

II.

Нажать следующие

кнопки

измерительного прибора:

((

» "ТТ"

III.

С помощью соединительных проводов объединить клем-

мы измерительного прибора с клеммами макета

ПР—ЛР.

IV. Точку "1" на петле Р соединить клеммой "1" макета, за-

писать значение напряжения на вольтметре в таблицу; точку

"2"

на петле Р соединить с клеммой "2" и т.д. для каждой из 22

точек.

Данные занести в таблицу:

зубец

номер

контакта

Дф1,

мв

ДфИ,

мв

ЛфШ,

мв

12 3 4 5

Q.R.S

6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

18 19 20 21 22

Рис.

3. Схема вращения вектора Е: 0 — начало вектора В; 1—22 — концы век-

тора

В и последовательные моменты цикла работы сердца

V. Аналогично провести измерения во II и III отведениях,

включив измерительный прибор на клеммы макета 2) ПР-ЛН

3) ЛР-ЛН соответственно.

VI. Построить график зависимости напряжений

Acpj;

Афд;

Афщ от времени. Длительности интервалов на оси времени вы-

брать следующим образом:

нулевой потенциал

зубец

нулевой потенциал

зубец

QRS

нулевой потенциал

зубец

нулевой потенциал

— 0,12 сек. — 4 дел.

— 0,09 сек. — Здел.

— 0,09 сек. — 3 дел.

— 0,12 сек. — 4 дел.

— 0,09 сек. — Здел.

— 0,17 сек. — 6 дел.

— 0,21 сек. — 7 дел.

Задание

2. Решите задачи и ответьте на вопросы:

1. Рассчитать амплитуду потенциала действия мышцы чело-

века при ЗО°С, если известно, что потенциал покоя Е

определя-

ется равновесным калиевым потенциалом, а потенциал ревер-

сии

Ер определяется равновесным натриевым потенциалом и

[К

]

нар

= 5,9 ммоль/л;

[К

]

вн

= 147 ммоль/л;

[Na

]

Hap

= 164 ммоль/л;

[Na

]

= 17 ммоль/л.

Ответ: потенциал действия мышцы человека Е

= 0,143 В.

2. Какова последовательность распространения волны воз-

буждения по

структуре

сердца?

3. В какую сторону вращается интегральный электричес-

кий

вектор сердца за цикл его работы и меняется ли при этом

его абсолютная величина?

4. Сколько раз за цикл работы сердца обращается в 0 вектор

Е и проекции этого вектора на линию отведения ЭКГ?

2.5.

Современные методы

регистрации

анализа

ЭЭГ

В данной работе изучаются методы регистрации интеграль-

ной

электрической активности головного мозга человека на

поверхности головы, а также методы анализа полученной ин-

формации

для диагностических целей.

Регистрация и анализ временных зависимостей разностей

потенциалов электрических полей, созданных мозгом, исполь-

зуется для диагностики различных видов патологии нервной

системы: травм, эпилепсии, психических расстройств, нару-

шений

сна. Электроэнцефалография применяется для оценки

функционального

состояния мозга до и после введения лекар-

ственного препарата.

Цель

работы:

1. Научиться объяснять неинвазивный метод съема инфор-

мации

при исследовании электрической активности головного

мозга.

2. Научиться объяснять, как, используя теорему Фурье,

можно выделить на электроэнцефалограмме диагностические

ритмы — а, р, 9, 8.

3. Научиться объяснять, каким образом можно получить

сжатую

информативную картину исследуемых ЭЭГ.

4. Научиться объяснять метод картирования с помощью со-

временных компьютеров.

Литература:

Антонов В.Ф.,

Черныш

А.М., Пасечник В.И., Вознесенский

А.,

Козлова

Е.К. Биофизика.

— М.:

Владос,

2000.

2. Данное пособие.

3. Конспект лекций.

Подготовка

работе

Повторить следующие вопросы из курса физики средней

школы:

1. Что такое электрическое поле, его основные характерис-

тики,

единицы их измерений?

2. Что такое колебания, основные характеристики колеба-

ний,

единицы измерений?

Изучить по рекомендованной литературе и данному посо-

бию следующие вопросы:

1. Что такое электроэнцефалограмма (ЭЭГ), каков метод ее

регистрации?

2. Как устанавливаются электроды на поверхность головы

при

регистрации ЭЭГ?

3. В чем состоит основная трудность визуальной оценки

ЭЭГ? Почему для ее анализа необходимы частотные фильтры?

4. В чем смысл разложения сложных колебаний по теореме

Фурье? Что такое спектр сложного колебания?

5. Каким образом выделяют альфа-, бета-,

тета-,

дельта-рит-

мы при клиническом исследовании электрической активности

головного мозга?

6. Что такое карты мощности, как их можно получить с по-

мощью ЭВМ?

Данная

работа выполняется на персональных компьюте-

рах, имеющих систему

"Windows-95".

Теоретические

сведения

выполнение

работы

Электроэнцефалограмма — это кривая, отражающая ин-

тегральную активность огромного числа нейронов коры го-

ловного мозга и распространение волн возбуждения в ней-

ронных сетях. По своим биофизическим свойствам нейроны

коры

сходны с другими нервными клетками. Потенциал по-

коя

пирамидных клеток составляет от -50 до -80 мВ, а амп-

литуда

их потенциала действия —*

60-100

мВ при длитель-

ности

0,5-2 мс. Потенциалы действия в нейронах коры воз-

никают в области аксонного холмика и распространяются не

только по аксону, но также по

телу

и дендритам клетки (по

крайней

мере, по проксимальным). Поскольку вслед за по-

тенциалом действия в этих нейронах не возникает заметного

следового потенциала, частота их импульсации достигает

100 Гц.

Колебания

электрического потенциала во времени регист-

рируются с кожного покрова головы человека. Для этого на го-

лову устанавливаются п электродов в различных ее точках.

Пример

установки электродов представлен на кадре 1. Количе-

ство электродов определяется целью данного исследования и

может варьировать в широких пределах (от 2 до нескольких

десятков).

Электроэнцефалограммы имеют вид сложных регулярных

колебаний

с различными частотами и амплитудами как в зави-

симости от времени, так и от положения электрода на поверх-

ности

головы. Частотный диапазон ЭЭГ лежит в пределах от

1-100 Гц. Пример записи 16-ти ЭЭГ и точек их съема приведен

на

кадре 2. Регистрация велась в течение 7 секунд. Очевидно,

что визуальный анализ такого количества сложных записей

представляет собой весьма

трудную

задачу.

Для исследования электрической активности мозга при раз-

личных функциональных состояниях обычно рассматриваются

спектральные составляющие (простые синусоидальные колеба-

ния

различных частот и амплитуд, на которые, согласно теоре-

ме Фурье, можно разложить сложное колебание — электроэнце-

фалограмму). У взрослого бодрствующего человека доминирует

сс-ритм — колебания с частотой 8—13 Гц. Кроме того, при иссле-

довании электрической активности головного мозга наблюдает-

со

ЗАДАНИЕ СХЕМЫ РАСПОЛОЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОДОВ

Кадр 1

ся

(3-ритм с частотой

14—35

Гц, у-ритм —

35—70

Гц. Выделяют

еще

8-ритм

—

0,5—3

Гц, 9-ритм — 4—7 Гц и др. На рисунке

представлены фрагменты различных типов сигналов здорового

человека после прохождения электрического сигнала ЭЭГ через

соответствующие частотные полосовые фильтры. По виду элек-

троэнцефалограмм, по появлению или исчезновению опреде-

ленных ритмов можно судить о характере и степени сдвигов

функционального

состояния нервных

структур

головного моз-

га, о динамике изменений, обнаруживать область коры головно-

го мозга, где эти изменения наиболее выражены. Так, при пере-

ходе

от бодрствования ко сну а- и (3-ритмы замещаются сущест-

венно

более медленными (8- и 9-ритмами). Существенно меняет-

ся

спектральный состав ЭЭГ при наркозе различной глубины,

физической

нагрузке. В неврологической клинике анализ спек-

трального состава электрической активности мозга широко ис-

пользуется для оценки патологических состояний. Основные

ритмы ЭЭГ

отсутствуют

или меньше проявляются при тяжелых

формах эпилепсии, опухолях коры больших полушарий и др.

Эти фрагменты получены только с одного отведения ЭЭГ.

Провести анализ с 16-ти электродов таких фрагментов можно

используя возможности современных компьютеров.

Частота

Альфа

Рис.

Фрагменты

различных

типов

электрических

сигналов