Электронная медицинская аппаратура для исследования сердечно-сосудистой системы (ССС).

Методы исследования ССС.

 

Заболевания ССС является одной из основных причин смертности (первой по %-ту). Поэтому выявление как можно на более ранней стадии возникшего заболевания является одной из основных задач медицинской диагностики.

Для диагностики ССС используются ряд физиологических показателей, характеризующих функции ССС в норме (т.е. для здорового человека) и патологии (т.е. отклонения от нормы для больного человека). К числу основных методов, измерения физиологических показателей ССС относятся:

1. Электрокардиография и векторэлектрокардиография, регистрирующие биоэлектрическую активность ССС.

2. Фонокардиография, регистрирующая звуковые явления, сопровождающих работу сердца.

3. Механокардиография, регистрирующих механические функции сердца, частота пульса, артериальное и венозное давление, скорость кровотока и др.

4. Плетизмография, регистрирующие характеристики сосудов ССС (плетизмо – увеличение, наполнение).

Наибольшее распространение и применение в медицине как источник диагностической информации о состоянии органов и тканей получили методы, основанные на регистрации биоэлектрических потенциалов в организме.

 

Физические обоснования метода регистрации биопотенциалов.

 

При выполнении различных свойственных им функций некоторые органы и системы человека генерируют соответствующие сигналы, которые переносят полезную информацию. Этими сигналами являются биоэлектрические потенциалы:

1) сокращение сердца – электрокардиограмма (векторэлектрокардиограмма),

2) активность мозга – энцефаллограмма,

3) мышечной активности – электромиограмма,

4) активности желудка – электрогастрограмма;

Появление биопотенциалов является следствием процессов, происходящих на клеточных полупроницаемых мембранах живой ткани, в частности, нервы и мышцы. Клетки организма представляют собой электролитический раствор (по существу, в форме соленой воды), который содержит заряженные атомы – ионы.

Основными ионами в растворе, окружающими клетку, являются ионы натрия (Na⁺), калия (K⁺)и хлора (Cl ^-). Протоплазма внутри клетки содержит те же ионы Na⁺, K⁺,Cl ^-.

 

Когда возбудимая клетка находится в состоянии покоя (т.е. без стимуляции) ее мембрана легко пропускает ионы K⁺ иCl ^-. Однако для ионов Na⁺ мембрана является слабопроницаемой. В состоянии покоя из-за существования разных концентраций ионов внутри и вне клетки и невозможности легкой диффузии ионов Na⁺ во внутрь клетки на внешней стороне мембраны создается более высокая концентрация Na⁺, а внутри – K⁺.

В процессе ионной диффузии ионы K⁺ могут свободно проникать из внутри во внешнюю сторону мембраны. Создается более высокая концентрация положительных ионов Na⁺ и K⁺ снаружи клетки. Внутреннее пространство клетки таким образом будет заряжено “-“, а внешнее “+” из-за различной концентрации Na⁺ и K⁺. Возникающее мембранное напряжение называется потенциалом покоя.

Т.е., в состоянии покоя клетки заряжены или поляризованы. Мембранный потенциал различных клеток лежит в диапазоне -60÷ -100 мВ (в среднем –70 мВ).

Когда участок мембраны клетки возбуждается электрическим током или внешней энергией в какой-либо другой форме мембрана изменяет свою проницаемость для Na⁺.

 

 

В результате ионы Na⁺ стремительно проникают через мембрану, и клетка деполяризуется, приобретая положительный потенциал действия (~ +20 мВ).

Как только поток ионов Na⁺ через мембрану клетки прекратится (в новом состоянии равновесия) ионные потоки исчезнут и мембрана снова становится селективно непроницаемой (для Na⁺). Этот процесс называется реполяризацией. После ее завершения клетка снова становится поляризованной и приобретает покой.

Последовательные процессы деполяризации и реполяризации стимулированной возбудимой клетки образуют потенциал действия.

напряжение

внутри клетки, мВ РП

потенциал

Д П действия

110 мВ

Стимулир.

напр.

 

 

Рис.10 Потенциал действия клетки сердечной мышцы.

 

Когда потенциал действия создан и текут ионные токи, тогда могут возбудиться соседние клетки, т.е. происходит распространение биопотенциалов. В сердечной мышце распространение происходит от одного волокна к другому, в нервных клетках (нейронах) – вдоль аксона – от тела клетки к оконечности аксона.

Средняя скорость распространения потенциала действия вдоль волокна или от клетки к клетки составляет:

– 0,2÷0,4 м/с в сердечных мышцах,

– 20÷140 м/с в нервных волокнах;

Время, в течение которого потенциал действия из головного мозга дошел до мышцы ноги составляет для взрослого человека в среднем ~ 15 мс.

Электрические поля отдельных клеток, суммируясь, создают электрическое поле вокруг участков ткани или органа. В результате возникают определенным образом распределенные потенциалы во всем теле, в т. ч. и на его поверхности.

 

Принципы построения медицинского прибора для регистрации биопотенциалов.

Структурная схема.

Медицинский прибор для диагностики ССС путем регистрации биопотенциалов сердца (электрокардиограммы) включает в себя следующие основные узлы:

1. электроды, накладываемые на определенные участки тела,

2. соединительные приборы,

3. входное устройство,

4. усилители,

5. регистратор,

6.
блок питания;

 

Рис.11 Структурная схема прибора.

Электроды для снятия биопотенциалов с поверхности тела представляют собой обычно металлические круглые или прямоугольные пластинки небольшой площади 0,3÷30 см². Они крепятся на теле с помощью:

- резиновых присосок,

- резиновых бинтов,

- специальных головных шлемов;

Электроды накладываются на обезжиренную кожу, как правило, через специальную пасту, втираемую в кожу.

 

P.S. Иногда это просто гидрофильная прокладка (губка), смоченная электропроводящей жидкостью (физраствор, водный раствор пищевой соды.

 

Для повышения качества регистрации, снижения шумов и внешних помех с частотой сети (~ 5 пГц) необходимо обеспечить возможно низкое x и, особенно важно, стабильное значение электродно- кожного сопротивления (импеданса).

Е

Подкожная

ткань

кожа

электролит

Е

электрод

Е₀ 10 ¸15 мкл/см²

j_доп j

 

Электрические свойства контакта “электрод-кожа” определяются в основном поляризационными свойствами поверхностей раздела с разными типами проводимостей:

- переход “ткань кожа тела – электролит”,

- переход “электролит – электрод”;

При плотностях тока j до 10÷15 мкА/см² характеристика E=f(j) практически линейна. При отсутствии тока через контакт электрод поляризован, т.е. на нем есть потенциал E₀, величина которого зависит от материала электрода, свойств электролита, температуры и др и находится в приделах 0,1÷50 мкВ.

Поляризация электродов может сильно искажать форму регистрируемого сигнала, поэтому она нежелательна.

Используются для снижения помеха от Е₀ два пути:

- специальные меры стабилизации Е₀,

- применение неполяризующихся электродов;

Так как регистрация биосигналов осуществляется усилителем переменного тока, нижняя граничная частота которых составляет доли Гц, поэтому при стабильных и постоянных значениях Е₀ им можно пренебречь.

Контакт “кожа-электрод” можно представить в виде эквивалентной схемы:

где h – толщина высокоомного слоя кожи,

S – эффективная площадь электрода,

ρ – удельное сопротивление,

Ɛ – диэлектрическая проницаемость.

Среди плоских электродов можно выделить следующие группы электродов:

1) металлические ,

 

 

2) емкостные ,

 

3) резистивно-емкостные

(при ),

 

 

4) резистивные .

Z, МОм

емкостные

10 электр.

резист.

1 резист.-

- емкостн.

0,1

 

10^-2 10^-1 10⁰ 10¹ 10² 10³ f, Гц

Применение резистивных электродов позволяет получить более широкий частотный диапазон от инфранизких частот до 1000 Гц и более.

Входное устройство медицинского прибора для регистрации биопотенциалов.

 

Входное устройство обеспечивает создание определенной системы отведений биопотенциалов, определяемой следующими особенностями:

- место наложения электродов на организм,

- число электродов,

- способ соединения электродов;

Существует весьма значительное число различных способов отведения.

Все используемые отведения можно разделить на:

1) униполярные, когда в каждой ветви отведения включается только один электрод (в одной точке тела) – измерительный, а другой электрод представляет собой нулевой, индифферентный (искусственный),

2) биполярный, когда оба электрода являются измерительными и разность потенциалов регистрируется между двумя точками поверхности тела,

3) многоэлектродные, когда в требуемых точках тела накладываются две группы электродов. При этом электроды каждой группы соединяются через резисторы для суммирования биопотенциалов, образуя две ветви отведения, подсоединяемых ко входам усилителя;

Входное устройство содержит также аппаратный (или программный) переключатель (или коммутатор). Он позволяет по выбору подключать к любому каналу (т.е. уселителю) любую пару электродов.

Во входном устройстве обычно содержатся также следующие блоки:

- калибровочный блок,

- помехоподавляющий фильтр, например с периодической надстройкой на частоту 50 Гц,

- блок развязки электрической цепи “пациент-усилитель”,

- блок контроля контакта электродов с телом,

- блок защиты от перегрузки, например при одновременном использовании кардиографа и дефибрилятора;

Усилители биопотенциалов должны обеспечивать без существенного искажения усиление снимаемых с помощью электродов биопотенциалов для их последующей регистрации. В зависимости от назначения прибора применяется один или несколько каналов усиления, представляющих собой, как правило, идентичные усилители.

При проектировании усилителей биопотенциалов (УБП) необходимо учитывать, по крайней мере, три особенности:

1. Минимальные значения входного сопротивления УБП должны быть выше 1÷100 кОм. Это связано с тем, что ткань человека с электродами представляет собой эквивалентный генератор ЭДС с внутренним сопротивлением R_г, включающем нестабильность сопротивления “кожа-электрод”. Это сопротивление может в процессе исследования меняться в пределах 10³÷10⁶ Ом. Поэтому: R_вхд³R_г.

2. На входных зажимах 1,2 усилителя не допускается наличия напряжения, которое через электроды может быть преложено к человеческому телу и вызвать опасные (или нежелательные) микро- и макротоки.

вход 1

УБС выход

вход 2

 

U^/_вых U^//_вых

 

1 2

U^/_вх R_вх U^//_вх

у

 

 

3. Усилитель биопотенциалов должен обладать способностью подавления синфазной составляющей сигнала (паразитный сигнал среднего уровня). Синфазный сигнал может во много раз превышать полезный разностный (дифференциальный) сигнал. Подавление синфазного сигнала осуществляется применением на выходе УБП дифференциальных каскадов.

4. 1) Амплитуды биопотенциалов живых объектов лежат в пределах от 5 мкВ до 120 мВ.

2) Диапазон частот биопотенциалов – от 10^-4 до 10³ Гц и более (до 10 кГц).

В зависимости от назначения прибора коэффициент усиления находится в пределах от 10000 (электрокардиограф) до 200000 (электроэнцефалограф). Такое усиление достигается применением нескольких каскадов усиления (до5-6).

Для удобства применяется ступенчатое или плавное регулирование коэффициента усиления.

 

1

 

0,8

0,6 f_H f_b

 

0,4

 

0,2

 

0,01 0,1 1 10 100 1000 10000 Гц

Рис.12 Амплитудно-частотная характеристика электрокардиографа

 

В большинстве случаев применяются усилители переменного тока с f_н=0,1 Гц, т.е. они не усиливают равные напряжения.

U_вых В ряде случаев, например, в электрогастрографах, применяются уси-

искажение лители =токи.

В последнее время в качестве усилителя в новых разработках медицинских приборов применяются интегральные операционные усилители.

U_{min = 10мкВ} U_вх

U_max

 

Рис.13 Амплитудная характеристика.

Важными характеристиками усилителей являются:

1) Уровень нелинейных искажений, определяемый загибом амплитудной характеристики.

2) Входное сопротивление усилителя

- для накожных электродов – не менее 200÷500 кОм,

- для игольчатых электродов – не менее 1÷10 мОм.

3) Помехоустойчивость (к внутренним и внешним помехам) усилителя, в частности к помехам типа “артефакт”.

 

Регистраторы.

 

С выхода УБП сигнал подается на регистратор. С помощью регистратора на бумажном носителе (или фотобумаге) тем или иным способом записывается кривая – (электрокардиограмма, энцефалограмма, электромиограмма).

В диагностических приборах наибольшее распространение получили самописцы с чернильным и тепловым способом записи.

Применяются также светолучевые регистраторы с записью на фотобумаге.

В регистраторах с чернильной и тепловой записью на бумаге в качестве электромеханического преобразователя применяется вибратор (гальванометр) электромагнитного типа.

Ротор электромагнитного вибратора проворачивается под действием магнитного потока катушки Ф, и постоянного магнитного потока магнита Ф. Угол поворота оси вибратора определяется знаком и значением тока, протекающего через катушку тока. Т.е. в конечном счете, на бумаге будет зарегистрированы изменения биопотенциалов во времени.

При чернильном способе регистрации на оси ротора укрепляется пластинка, несущая тонкую трубку (перо), соединительную с чернильницей. Недостаток чернильного способа – радиальная форма записи кривой, затрудняющая расшифровку записи и анализ кривой. Частота записи максимум – 100÷120 Гц.

Рис.14 Чернильная форма Рис.15 Тепловая форма

регистрации. регистрации.

 

В последнее время в самописцах электрокардиографов вместо чернильной используется тепловая. При ней запись ведется в прямоугольных координатах.

Тепловое “перо” представляет собой металлическую трубку, в которой размещается электроподогреватель в виде остеклованной спирали. Спираль питается от регулируемого источника напряжения. Перо касается бумаги, охватывающей ребро, в одной точке по линии записи.

Регистратор с тепловой записью обеспечивает запись сигнала с частотой до 150÷200 Гц.

Основной недостаток – необходимость применения специальной бумаги – (с черной основой, покрытой тонким слоем легкоплавкого вещества, расплавляемого от тепла).

Применяются также регистраторы:

- с записью с использованием копировальной бумаги,

- с фотозаписью на специальной фотобумаге типа УФ с помощью светолучевого вибратора ультрафиолетовым лучом. Бумага не требует химического проявления, а проявляется при обычном свете.

 

Электрокардиографы.

Структура и принцип построения электрокардиографов.

 

Электрокардиограф был первым электрическим прибором, который нашел широкое применение в медицинской диагностике. Он обеспечивает получение неоценимой диагностической информации при болезнях сердца: инфаркте миокарда, ишемической болезни, сердечной аритмии и др.

Следует иметь в виду, что не все болезни сердца могут быть диагностированы с помощью электрокардиографа (ЭКГП). В частности, болезни сердечного клапана диагностируются с помощью других приборов, например фонокардиографов.

Принцип действия ЭКГП основан на:

- восприятии с помощью электродов биопотенциалов в определенных точках околосердечной поверхности тела,

- формирование из электронных потенциалов определенных сигнальных отведений,

- усиление биосигналов отведений электронными усилителя до уровня, необходимого для регистрации,

- регистрации с помощью самопишущего устройства (самописца);

Общая структурная схема электрокардиографа.

 

В зависимости от количества используемых одновременно отведений разрабатываются:

- одноканальные ЭКГП,

- многоканальные ЭКГП (2 ^х, 3 ^х, 4 ^х и более каналов),

- вектроэлектрокардиограф

- специальные ЭКГП (Холлтеровские)

- микрокомпьютерные ЭКГП

- лечебно диагностические комплексы для кардиологических исследований

 

Электроды и отведения в электрокардиографии.

Электроды закрепляемые на теле пациента (обычно их 5 штук), подключаются к ЭКГ – прибору с помощью проводов. Подсоединяющие провода обычно (для исключения ошибок) используются различной окраски.

Распределение потенциалов по околосердечной поверхности тела пациента представляет собой векторную величину, у которой абсолютное значение и ориентация в пространстве зависит от числа электродов, способов их соединения между собой и их размещения на теле.

Эти способы регламентиру-

Рис.16 Размещение электродов ются (определяются) системой

на теле. кардиологических отведений.

Наибольшее распространение

при регистрации ЭКГ получили способы отведения, основанные на концепции треугольника Эйнтховена (голландский физиолог).

Исследуя процесс регистрации биоэлектрической активности сердца, Эйнтховен сделал ряд допущений:

Распределение ЭДС сердца представлено в виде точечного диполя помещаемого в центре О графика RLF с вершинами R –Рис. 17 Система отведений правая рука (кисть), L – левая

ЭКГ –сигналов по Эйнтховену рука (кисть), F – левая нога (у

ступни).

При таких допущения сердце и 3 указанные точки должны располагаться во фронтальной плоскости. Для нее выполняется условие: j1 + j2 + j3 = 0.

Концепция треугольника Эйнтховена приближенна но она является основой при выборе системы отведений для электрокардиографии.

 

Основные электроды и отведения в ЭКГ.

 

В качестве электродов используются поляризующиеся и неполяризующиеся электроды. Обычно в качестве электродов I – го типа используются металлические пластины, покрытые серебром.

Электроды II – го типа представляют собой пластину с гальваническим серебряным покрытием, на которой нанесен слой хлористого серебра. Для уменьшения влияния изменений эл. сопротивления под влиянием механичес-

покрытие серебром ких движений кожи, применяется губка в

электродной пасте. Эта губка соприкаса

ется с поверхностью из AgCl.

Иногда на поверхности пластины делают небольшое углубление, соответствующее участку электрода, покрытому слоем хлористого серебра это делается для исключения нарушения электролитического слоя.

 

Нормально работающее сердце генерирует электрические импульсы, создающие эл. поле. Величина и направление вектора эл поля сердца определяется приближенно на основе треугольника Эйнтховена.

В зависимости от способа соединения электродов между собой и входами усилителя биопотенциалов различают следующие отведения:

1. Стандартное переднее отведение: I, II, III.

2. Отведения по Гольдбергу: aVR, aVL, aVF.

3. Отведения по Вильсону V₁ – V₆.

С помощью этих отведений реализуются 12 стандартных типов отведений. Рассмотрим кратко схемы подключения электродов и организации отведений в системе «электрод – входы УБП».

1) стандартное переднее отведение I, II, III.

В первых электрокардиографах использовались только 3 электрода, размещаемые в вершинах треугольник Эйнтховена: правая и левая рука и левая нога. При практическом использовании УБП для снижения их шумов возникла необходимость применить дополнительный (заземленный) электрод на правой ноге.

Пятый – грудной или предсердный электрод был введен позднее.

Обычно в качестве электродов на конечностях используются пластинчатые электроды, а в качестве грудного – электроды присоски. Однако вместо рук и ног все электроды могут быть на присосках и размещаться на груди.

При стандартных передних отведениях I, II, III используется биполярное включение электродов. В каждом отведении записывается ЭКГ с 2-х электродов, а 3-й электрод не подключается, 4-й электрод используется в качестве заземляющего (опорного).

Отведение I (L-R) – левая рука (ЛР, LA) – правая рука (ПР, RA).

Отведение II (F-R) – левая нога (ЛН, LL) – правая рука (ПР, RA).

Отведение III (F-L) – левая нога (ЛН, LL) – левая рука (ЛР, LA).

Отведение I (L-R) Отведение II (F-R)

 

Другие отведения (по Гольдбергеру и по Вильсону) являются униполярными.

 

2) отведение по Гольдбе- ргеру aVR, aVL, aVF.

В этих отведениях измери- тельный (+) отвод образуется поочередным подключением 3-х электродов. Этот отвод подключается к «+»-му входу УБП. Второй («-») вход УБП подключается поочередно и соответственно к нулевому (центральному) отводу. Этот

отвод образуется в точке

Отведение III F-L суммирования через резисторы

R_с потенциалов 2-х других электродов.

 

Отведение aVR.

Отведение aVL.

 

Отведение aVF.

 

 

Если обозначить величины биопотенциалов в вершинах треугольника Эйтховена через _А, _В, _С будим иметь для отведения aVL .

 

Для отведения по Эйтховену справедливо равенство

.

Подставляя в выраже- ние для U получим

.

Полученные сигналы уже не являются униполярными.

3) отведения по Вильсону.

В этом отведении используется 6 грудных измерительных электродов. Они могут быть размещены в любой точке тела, в большинстве случаев в точках грудной клетки.

 

Известны также другие отведения электрокардиосигналов: по Небу, по Мариотто (МГО₁) и др.

Методические погрешности съема биосигналов.

 

Биоэлектрические сигналы, регистрируемые с различных отведений, являются существенно малым по амплитуде и занимают область низких и инфранизких частот. Это обстоятельство определяет жесткие требования по минимизации потерь полезного сигнала. Эти требования необходимо учитывать как при разработке конструкции электродов, так и методики проведения регистрации биопотенциалов. В таблице приведены значения амплитуд и полосы частот биосигналов для различных методов электрофизиологические исследования.

Параметры	Электро   Электрокардиография ЭКГ	физиологи   Эл/энцефалография ЭЭГ	Ческие мето   Электромиография ЭМГ	Ды   Электроокулограмма ЭОГ	Кожно-гальваническая р. КТР
Амплитуда,. мВ	0,1¸5,0	0,02¸0,3	0,01¸1,0	0,02¸2,0	1¸100
Полоса частот, Гц	0,01¸2000	0,1¸2000	1¸10000	0¸30	0,05¸10

 

Можно выделить 5 основных составляющих методической погрешности:

1) погрешность импеданса d_имп – падение частоты биоэлектрического сигнала на импеданс (полиом сопротивлении) системы «кожа – электрод»;

2) погрешность искажения d_иск – искажение регистрируемого эл. поля проводящим материалом электрода и входными токами УБП;

3) погрешность усреднения d_уср – невозможность измерения потенциала в теоретически заданной точке тела в ввиду конечных размеров электродов, то есть усреднение по пространству;

4) погрешность наложения d_нал – неточность наложения электрода на выбранную точку, различие размеров и формы электродов, различие в свойствах применяемых токопроводящих жидкостей и паст;

5) погрешность разбаланса d_разб – суммирующих цепей нулевых (индифферентных) электродов с учетом сопротивлений кожи и входного сопротивления УБП.

Исследования показывают, что потенциал нулевого электрода Вильсона равен ~ 0,15¸0,26 мВ. Он шунтирован резисторами R_с при подсоединении к усилителям, что искажает значения регистр. потенциалов. При выборе R_с»2¸10 кОм погрешность регистрации от шунтирования не превышает 1¸5%.

Подключение резисторов R_с в суммирующую цепь отведений Гольдбергера также позволяет снизить погрешность шунтирования до 1%.

Теоретическая оценка всех составляющих методической погрешности затруднена из-за сложности и многообразия связей между параметрами электродов, кожи, тканей, внешних факторов и тд.

Наиболее глубоко изучена составляющая погрешность d_имп импеданса.

Литература: Дадашев Р.С. и др. современные методы