Багато органів повністю або частково складаються з збудливих клітин. Порушення цих клітин є причиною виникнення електричного поля в організмі. Дослідження цього поля має велике значення в клінічній і теоретичної медицини. Електричні поля різних органів досить докладно вивчені, і існує ряд методів дослідження, заснованих на реєстрації електричних полів певних органів: електрокардіографія (серце), електроміографія (м'язи), електроенцефалографія (мозок), електронейрографія (нервові волокна), електрогастрографія (шлунок) і т. п. Основою електрографія органів і тканин є деякі поняття електростатики та електродинаміки.
Провідники й ізолятори
Більшість речовин в природі по електропровідності можна розділити на провідники й ізолятори. Провідник - це речовина, в якому є певна кількість порівняно вільних зарядів, здатних переміщатися під дією електричного поля (метали, розчини електролітів). В ізоляторі (папір, скло) всі заряди порівняно нерухомі.
Провідники мають важливу особливість - відсутність різниці потенціалів в об'єкті, якщо заряд не рухаються. Отже, електричний потенціал при цьому однаковий у всіх точках.
Біологічні тканини досить різнорідні за електропровідності. Електричний опір мембран клітини досить велике. Вони подібні до ізоляторів. Навпаки, внутрішньоклітинна рідина є провідником 2 роду, завдяки наявності в ній позитивних і негативних іонів.
Електричне поле, що утворюється системами з декількох позитивних і негативних зарядів, має певні специфічні особливості. Найпростіша з таких систем - електричний диполь - два рівних по величині і протилежних за знаком електричних заряду, розташовані на деякій відстані один від одного, званому плечем диполя.
Багато атоми і молекули являють собою електричні диполі. Наприклад, молекула. У неї надлишок негативного заряду близько кисневого атома і позитивного - близько водневих атомів. Молекула, в якій центри негативного і позитивного заряду ядер не збігаються, є електричним диполем.
Характеристики диполя. Дипольний момент P →. якщо l → - векторне відстань з - q, щоб + q, тоді дипольний момент P → визначається за формулою:
Дипольний момент є векторною величиною, оскільки він має напрямок.
1) Якщо диполь поміщений в однорідне електричне поле напруженістю. то на позитивний заряд буде діяти сила q · E →. а на негативний заряд сила - (-q · E →). Їх сума дорівнює нулю, тому загальна сила, що діє на електричний диполь в однорідному електричному полі, теж дорівнює нулю. Проте, загальний крутний момент на диполь не буде рівних нулю, оскільки ці сили протилежно спрямовані (Рис.1). Вони прагнуть повернути диполь так, щоб електрична вісь диполя вказували напрямок силових ліній поля.
Величина крутного моменту M → залежить від напруженості поля E →, дипольного моменту і кута P → між їх векторами:
Мал. 1. Момент, що обертає диполя в електричному полі
2) Електричне поле, створене диполем, відрізняється від того, яке створюється одиночним зарядом. Якщо електричне поле створене позитивним зарядом, силові лінії починаються на заряді і спрямовані в нескінченність. Силові лінії диполя починаються на позитивному заряді і завершуються на негативному заряді (Рис. 2A).
де φ- потенціал в точці О, ε0 - діелектрична постійна, ε - діелектрична проникність середовища, в якій створюється поле, P → - дипольний момент; α - кут між вектором радіуса O і вектором диполя.
Таким чином, електричний потенціал в даній точці поля залежить не тільки від відстані від цієї точки до диполя, але також орієнтації щодо напрямку вектора диполя.
Розглянемо дві точки, розташовані на певній відстані один одного. Різниця потенціалів між ними буде максимальною, якщо вони розташовані на лінії, яка збігається з вектором диполя. Ця різниця потенціалів дорівнює нулю, якщо точки розташовані на лінії, перпендикулярній вектору диполя.
Різниця потенціалів між двома точками в електричному полі, створеному диполем, пропорційна в результаті P → · cos α (Рис. 3):
Мал. 3. Різниця потенціалів між двома точками в електричному полі, створеному диполем.
Кожна клітина серцевого м'яза створює електричне поле, яке має характеристики, подібні в загальних рисах характеристикам електричного поля інших типів м'язових клітин. Але потенціал дії (ПД) серцевих клітин відрізняється від ПД клітин поперечносмугастих м'язів своєю формою і тривалістю. Електричне поле серця в цілому утворюється накладанням електричних полів окремих клітин. Зміни електричного поля серця відбуваються при деполяризації і реполяризації мембрани клітин серця (Рис.4). Ці зміни є достатніми, щоб створити зміни різниці потенціалів між різними точками поверхні тіла і щоб виявити зазначені зміни на великій відстані від їх джерела.
Мал. 4. Потенціал дії серцевого клітини і відповідні зміни електричного поля серця
Графічна запис електричного потенціалу, створеного збудженням клітин серця, називається електрокардіограмою (ЕКГ). Таким чином, ЕКГ характеризує збудження серця, але не його скорочення.
Вперше електрокардіограма була записана голландським фізіологом Ейнтховеном за допомогою порівняно простого інструменту струнного гальванометра. В даний час для запису ЕКГ використовують спеціальні електронні прилади, які називаються електрокардіографами. Амплітуда електричного потенціалу записаного з поверхні тіла може бути менш 1мВ. Отже, перед записом потенціал повинен бути посилений за допомогою пристрою, званого підсилювачем. Електрокардіограф включає також високочастотне сито, що не пропускає повільні зміни електричного потенціалу, і калібратор, який генерує електричні імпульси 1мВ, що необхідно для розрахунку амплітуди зубців електрокардіограми.
Форма нормальної електрокардіограми
На рис. 5 показана нормальна електрокардіограма, записана протягом одного циклу збудження серця. Видно кілька відхилень від нульової лінії, які називаються зубцями ЕКГ і позначаються латинськими літерами P, Q, R, S, T. Зубці можуть бути позитивними (спрямованими вгору) або негативними. Позитивне відхилення комплексу QRS називають R-зубцем. Негативні відхилення, попереднє R-зубця і наступне за ним, названі відповідно Q і S - зубцями. Відхилення P і T в нормі позитивні, але можуть бути негативними при патологічних станах. Відстань між двома відхиленнями називається сегментом. Наприклад, сегмент PQ-є відстанню між кінцем P-зубця і початком Q-зубця.
Мал. 5. Форма нормальної електрокардіограми
Причинами зубців і сегментів ЕКГ є деполяризація і реполяризация серцевих клітин. Зубець Р відображає деполяризацію передсердь серця. Їх реполяризация збігається з комплексом QRS і не видно на ЕКГ.
Комплекс QRS - T-зубець являє поступове поширення деполяризації по шлуночках серця і їх реполяризацию. Сегмент S - T відповідає порушенню лівих і правих шлуночків.
Форма і розмір зубців електрокардіограми залежить від положення електродів на поверхні тіла. Існує біполярний і уніполярні відведення.
Ейнтховен запропонував використовувати стандартні біполярні відведення: відведення 1 - між правою і лівою руками; відведення II - між правою рукою і лівою ногою; відведення III - між лівою рукою і лівою ногою.
При записи ЕКГ в стандартних відведеннях кінцівки розглядаються як провідники електричного струму. Отже, можна сказати, що потенціали записуються в точках прикріплення кінцівок. Ці точки формують вершини рівностороннього трикутника (треугольнікЕйнтховена), сторони якого є осями відповідних відведень (рис.6).
Мал. 7. Трикутник Ейнтховена і ЕКГ, записані у відповідних відведеннях
Мал. 8. Діаграма збудженої серцевої клітини.
У будь-який момент порушення, дипольні моменти окремих клітин підсумовуються, формуючи сумарний дипольний момент щирого серця. Сумарний дипольний момент серця є результатом накладення дипольних моментів клітин. Ось чому серце можна розглядати як дипольний електричний генератор.
Напрямок сумарного дипольного моменту серця часто називають електричною віссю серця. Цей дипольний момент визначає величину різниці електричних потенціалів, записану на поверхні тіла. Електричний потенціал, який вимірюється в будь-якій точці, віддаленій від джерела, залежить головним чином від величини сумарного дипольного моменту серця і кута між її оприлюдненням і віссю відведення ЕКГ (Рис. 7).
Однією із значущих проблем в електрокардіографії є визначення напрямку електричної осі серця. Його визначають, вимірюючи амплітуду (напруга) відхилень ЕКГ в стандартних відведеннях Ейнтховена. Стандартні відведення дають можливість вивчати проекції електричної осі серця на фронтальну площину.
Щоб визначити напрямок електричної осі серця необхідно ввести деякі спрощення:
- знехтувати електричним опором кінцівок;
- розглядати трикутник Ейнтховена як рівносторонній;
- вважати, що серце розташоване в центрі рівностороннього трикутника.
Амплітуда (напруга) кожного відхилення ЕКГ дорівнює сумарному дипольному моменту серця, помноженому на косинус кута між електричної віссю серця і віссю відповідного відведення (3). Ці амплітуди можна також визначити як проекції сумарного дипольного моменту серця на відповідні осі відведень, які є сторонами трикутника Ейнтховена.
Мал. 9. Електрична вісь серця
Напрямок електричної осі серця не є постійним, але змінюється в кожен момент часу. Його зручно визначати для комплексу QRS. Для цього необхідно виміряти амплітуду відхилень Q, R і S в I і III стандартних відведеннях і обчислити алгебраїчну суму величин позитивного і негативного відхилень. Отримані різниці відкласти в довільному масштабі на відповідних сторонах трикутника Ейтховена, починаючи від центру (в позитивному або негативному напрямі, в залежності від того, позитивна чи негативна різниця). З отриманих таким чином точок на осях відведень опустити перпендикуляри. Точка їх перетину вкаже кінець вектора електричної осі серця (початок - в центрі трикутника).
Щоб визначити напрямок електричної осі, необхідно виміряти кут між отриманим вектором і горизонтальною лінією. У нормі він становить від 0 до +90 градусів. Існують такі варіанти спрямування електричної осі серця: нормограми (від 00 до +900): горизонтальне положення (від 00 до 400), нормальне (від 400 до 700) ти вертикальне (від 700 до 900); правограмма (від 900 до 1800), левограмма (від 00 до - 900).