Теоретические основы

Стандартные отведения

Отведение I.

Отведение II.

Отведение III.

Электрокардиограф

Электрокардиограф – прибор регистрирующий разности потенциалов, вызванных электрической активностью сердца, между точками на поверхности тела.

Типовые блоки электрокардиографа:

1. Входное устройство - система электродов, кабелей их подключения к прибору, приспособлений для фиксации электродов.

2. Усилитель биопотенциалов. Коэффициент усиления – порядка 1000.

3. Регистрирующее устройство - обычно термопринтер с разрешением не менее 8 точек/мм. Применяются значения скорости протяжки ленты 25 мм/с и 50 мм/с

4. ЖКИ – экран с видеоконтроллером.

5. Центральный процессор.

6. Клавиатура.

7. Блок питания

8. Блок калибровки. При его кратковременных включениях, на вход усилителя вместо пациента подключается калибровочный прямоугольный импульс амплитудой (1±0.01) мВ. Если коэффициент усиления по п.2 в допуске, то на ленте прописывается прямоугольный импульс высотой 10 мм

Требования ГОСТ 19687-89

ГОСТ 19687-89 «ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕНЦИАЛОВ СЕРДЦА» (см. Приложение 1) определяет основные характеристики электрокардиографов и электрокардиоскопов и методы их измерения. Основные параметры приборов должны соответствовать приведенным в таблице 1.

Таблица 1

Наименование параметра

Значение параметра

1. Диапазон входных напряжении U, мВ. впределах 2. Относительная погрешность измерения напряжения* и, в диапазонах: от 0,1 до 0,5 мВ, %, не более от 0,5 до 4 мВ, %, не более 3. Нелинейность, %, в пределах: для электрокардиографов для электрокардиоскопов 4. Чувствительность S, мм/мВ 5. Относительная погрешность установки чувствительности, %. в пределах 6. Эффективная ширина записи (изображения) канала В, мм, не менее 7. Входной импеданс Zвх, МОм, не менее 8. Коэффициент ослабления синфазных сигналов Кс, не менее: для электрокардиографов для электрокардиоскопов 9. Напряжение внутренних шумов, приведенных ко входу Uш, мкВ, не более 10. Постоянная времени, с. не менее 11. Неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в диапазонах частот: от 0,5 до 60 Гц, % от 60 до 75 Гц, % 12. Относительная погрешность измерения интервалов времени в диапазоне интервалов времени от 0.1 до 1.0 с,% не более 13. Скорость движения носителя записи (скорость развертки) Vн мм/с 14. Относительная погрешность установки скорости движения носителя записи (скорости развертки) ,%, в пределах: для электрокардиографов для электрокардиоскопов

От 0,03 до 5 ±15 ±7 ±2 ±2.5 2.5**; 5; 10; 20; 40** ±5 40*** 100000 28000 20 3.2 от -10 до +5 от -30 до +5 ±7 25,50 допустимы и иные значения ±5 ±10

* Допускается не проверять при проведении приемо-сдаточных испытаний.

** Допускается по согласованию с заказчиком.

***Для носимых приборов по согласованию с заказчиком допускаются значения менее 40 мм.

В международном стандарте IEC 60601-2-51 “Medical electrical equipment-Part 2-51: Particular requirements for safety, including essential performance, of recording and analysing single channel and multichannel electrocardiographs”, принятом целиком в РФ требования установлены в SECTION EIGHT - ACCURACY OF OPERATING DATA AND PROTECTION AGAINST HAZARDOUS OUTPUT (см. Приложение 2).

Типовая схема электрокардиографа с активной компенсацией синфазной помехи.

Рис. 5. Типовая структура ЭКГ- канала с активной компенсацией синфазной помехи.

Рис. 6. Главная часть схемы канала ЭКГ

Кардиограф DIXION ECG-1001a

Кабель отведений пациента

Согласующее устройство

Задняя и передняя панель соответственно.

Схема установки.

Схема согласующего устройства для проверки диапазона регистрируемых сигналов, погрешности чувствительности, погрешности измерения напряжения, погрешности измерения интервалов времени, погрешности скорости движения, погрешности калибровочного сигнала, постоянной времени, АЧХ

Условные обозначения элементов схемы и их номинальные значения:

G1 – генератор сигналов специальной формы;

G2 – генератор импульсов прямоугольной формы;

R1 – 51 кОм ±5%;

R2– 100 кОм ±0,1%;

R3– 100 Ом ±0,1%;

R4– 51 Ом ±5%;

R5 – выбирают для получения напряжения на R4±(300 мВ±10%) в зависимости от напряжения источника;

R8 - 100 Ом ±5%;

C1 – 47 нФ ±10%;

Z1 - параллельно соединенные R1 и C1;

Z2 - параллельно соединенные R6 и C2;

U – источник постоянного напряжения, обеспечивающий напряжение на R4±(300±10%).

Порядок выполнения работы

Под контролем лаборанта собрать схему установки.

Перед проверкой основных параметров прибор подвергают испытанию на допустимые перегрузки по входному напряжению в каждом регистрирующем канале гармоническим сигналом размахом 1В ÷5% и частотой 50 Гц±5%, приложенным между отводящими электродами в течении времени не менее 10 с. Фильтры должны быть выключены. Испытания не должны приводить к повреждению пишущего механизма или электрической схемы прибора.

Установить скорость протяжки ленты 25 мм/с (в меню кардиографа). Это означает, что при расшифровке записей одному миллиметру вдоль ленты соответствует время t = 1/25 = 0,04 с/мм.

1. Выполнить проверку относительной погрешности установки чувствительности подавая на вход прибора прямоугольный сигнал 5 Hz ±5% и амплитудой 1 V ±2% и изменяя усиление (20, 10, 5).

Для этого:

· Из библиотеки сигналов (кнопка More Function) выбрать прямоугольный сигнал, CardTest01_05_1(0,33Hz), изображенный на рис.12.3 и задаём частоту 0,33 Hz.

· На панели генератора установить амплитуду сигнала 2 V.

· На кардиографе выбрать чувствительность равной 5mm/mV кнопкой SENS. Возможны следующие уровни чувствительности: ×1 (10mm/mV) → ×2 (20mm/mV) →AGC → · 25 (2.5mm/mV)→ · 5 (5mm/mV)).

· Запустить сигнал кнопкой RUN.

· Повторить всё, установив амплитуду 1V, и чувствительность 10mm/mV. А затем задать амплитуду 0,5V и чувствительность 20mm/mV.

· С помощью линейки и циркуля измеряем отклонение амплитуды, допустимы отклонение ±5%.

· Заносим результаты в таблицу.

2. Проверку неравномерности АЧХ проводить подачей на вход прибора гармонического сигнала в соответствие со схемой 7.1.

Неравномерность АЧХ в процентах вычисляют по формуле: δ 1 = *100,

где h о - размер размаха изображения синусоиды на записи на опорной частоте 10 Гц, мм.

h max - размер размаха изображения синусоиды на записи максимально отличающегося от h о в положительную или отрицательную стороны, мм.

Для проверки АЧХ погрешности измерения напряжения рекомендуется использовать комплексные испытательные сигналы генератора PCSGU-250, представленные на Рис.12. (1 и 2 сигнал)

Для этого:

· Из библиотеки сигналов выбрать сигнал, CardTest10_20_30_40_50_60_75_100(0,5Hz).

· Установить частоту 0,5 Hz и амплитуду 2V.

· На кардиографе устанавливаем чувствительность 10mm/mV.

· Записываем сигнал.

· С помощью линейки и циркуля измеряем h о (для 10 Hz пачки сигналов)и h max 1 (для 60 Hz пачки сигналов) и h max 2 (для 75 Hz пачки сигналов.

· Проводим расчет по формуле для 60 и 75 Hz сигналов.

· Повторяем все действия для сигнала CardTest05_2_10_25(0,25Hz), установив амплитуду 2V, частоту 0,25 Hz.

· Измеряем h о для пачки сигналов 0,5 Hz и h max для пачки сигналов 10 и 25Hz, h max 1 (для 10 Hz) и h max 2 (для 25 Hz)

· Результаты вносим в таблицу.

Отклонения АЧХ допустимы следующие: в первом сигнале для пачки 60Гц "-10%", для пачки 75Гц - "30%". Во втором сигнале ±5%.

Рис.12. Комплексные испытательные сигналы, используемые при поверке электрокардиографов.

3. Проверку постоянной времени провести в каждом канале при чувствительности 5мм/мВ подачей на вход прибора сигнала прямоугольной формы размахом 4мВ±3% длительностью менее 5 с. Постоянную времени определить по записи как время затухания сигнала до уровня 0,37согласно чертежу без учета выбросов.

Изображение переходной характеристики на записи для каждого канала должно быть монотонным, обращенным в сторону нулевой линии.

· Выбираем прямоугольный сигнал с размахом 4мВ.

· Устанавливаем чувствительность на кардиографе 5мм/мВ.

· Записываем сигнал.

· С помощью линейки измеряем максимальную амплитуду (А), затем проводим горизонтальную линию на уровне 0,37А до пересечения с линией сигнала, и измеряем τ как показано на рисунке ниже.

Таблица результатов при измерении погрешности чувствительности

Таблица результатов при проверне неравномерности АЧХ

Таблица результатов при проверне постоянной времени

τ

Выводы:

Теоретические основы

Интегральный электрический вектор сердца (ИЭВС) – это векторная сумма дипольных моментов токовых диполей по всему объему сердца. В ходе сердечного сокращения ИЭВС меняется как по величине, так и по направлению, что вызывает распространение электромагнитной энергии в пространстве.

Стандартные отведения

Эта энергия, распространяясь от сердца по многим направлениям, вызывает появление поверхностных потенциалов на коже разных в различных точках. Эта разница в потенциалах, называемая отведением, может быть зарегистрирована.

Отведение обеспечивает оценку электрической активности сердца между двумя точками (полюсами). Каждое отведение состоит из положительного (+) полюса, или активного электрода, и отрицательного (-) полюса. Между положительным и отрицательным полюсами проходит воображаемая линия, представляющая ось отведения. Поскольку отведения позволяют измерять электрический потенциал сердца с разных позиций, сигналы, регистрируемые этими отведениями, дают свою характерную для каждого отведения кривую.

Направление движения электрического сигнала определяет форму зубцов ЭКГ. Когда оно совпадает с направлением оси отведения и направлено к положительному полюсу, линия на ЭКГ отклоняется вверх («положительное отклонение»). Когда электрический ток направлен от положительного полюса к отрицательному, отклоняется вниз от изолинии («отрицательное отклонение»). Когда направление тока перпендикулярно к оси, зубцы ЭКГ направлены в любом направлении или могут быть низкими. Если электрическая активность отсутствует или слишком мала для измерения, на ЭКГ отображается прямая линия, что обозначается как изоэлектрическое отклонение.

В плоскости, проходящей через сердце вертикально от верхушки к основанию, электрические токи рассматриваются в направлении на сердце спереди. Фронтальную плоскость обеспечивают шесть отведений от конечностей (I, ІІ, ІІІ, aVR, aVL, aVF) (рис. 1).

В плоскости, проходящей горизонтально через середину сердца, направление электрических токов рассматривается сверху вниз. Такой подход обеспечивают шесть грудных отведений (V 1 -V 6) (рис. 2).

Рис. 2. Горизонтальная плоскость

отведения I, II и III (по Эйнтховену). Эти три отведения называются стандартными, или двухполюсными, отведениями от конечностей.

Для записи стандартных отведений от конечностей электроды размещают на правом предплечье, левом предплечье и левой голени. Четвертый электрод помещают на правую голень, он используется как заземление для стабилизации записи ЭКГ и не влияет на характеристику электрических сигналов, регистрируемых на ЭКГ

Эти отведения называют двухполюсными, потому что каждое имеет два электрода, которые обеспечивают одновременную запись электрических токов сердца, идущих по направлению к двум конечностям. Двухполюсные отведения позволяют измерять потенциал между положительным (+) и отрицательным (-) электродами.

Отведение I. Регистрирует электрические токи между правым (красный электрод) и левым предплечьями (желтый электрод).

Отведение II. Регистрирует электрические токи между правым предплечьем (красный электрод) и левой голенью (зеленый электрод).

Отведение III. Регистрирует электрические токи между левой голенью (зеленый электрод) и левым предплечьем (желтый электрод).

Электрод на правом предплечье всегда рассматривается в качестве отрицательного полюса, на левой голени всегда в качестве положительного. Электрод на левом предплечье может быть либо положительным, либо отрицательным в зависимости от отведения: в отведении I он положительный, а в отведении III - отрицательный.

Когда ток направлен к положительному полюсу, зубец ЭКГ направлен вверх от изоэлектрической линии (положительный). Когда ток идет к отрицательному полюсу, зубец ЭКГ инвертирован (отрицательный). В отведении II ток распространяется от отрицательного к положительному полюсу, поэтому зубцы на обычной ЭКГ направлены вверх.

Понятие о треугольнике Эйнтховена.

Размещение электродов для регистрации отведений I, II и Ш, как показано на рис. 3, образует так называемый треугольник Эйнтховена. Каждая сторона этого равностороннего треугольника между двумя электродами соответствует одному из стандартных отведений Эйнтховен считал, что сердце расположено в центре генерируемого им электрического поля. Поэтому сердце рассматривается как центр этого равностороннего треугольника. Из треугольника Эйнтховена получается фигура с трехосевой системой координат для стандартных отведений I, II и III.

Рис. 3. Треугольник Эйнтховена

Закон Эйнтховена гласит: сумма электрических потенциалов, рёгистрируемых в любой момент в отведениях I и Ш, равна электрическому потенциалу, регистрируемому в отведении П. Этот закон может быть использован для обнаружения ошибок, допущенных при наложении электродов, выяснения причин регистрации необычных сигналов в одном из трех стандартных отведений и для оценки серийных ЭКГ.

Отведения aVR, aVL и aVF (по Голбдбергу). Эти три отведения имеют общее название усиленных однополюсных отведений от конечностей.

В этих отведениях используются те же положения электродов, что и в стандартных отведениях I, II и III, то есть электроды фиксируются на правом предплечье, левом предплечье и левой голени. Электрод, наложенный на правую голень, при записи сигналов в этих отведениях не используется.

В отведениях aVR, aVL и aVF исследуется разность электрических потенциалов между конечностями и центром сердца. Их называют однополюсными, потому что лишь один электрод используют для регистрации электрического сигнала; центр сердца всегда нейтрален, поэтому второго электрода не требуется. Обозначение усиленных отведений от конечностей происходит от первых букв английских слов «а» - augmented (усиленный), «V»-voltage (потенциал), «R»-right (правый), «L»-left (левый), «F»-foot (нога).

В связи с изложенным, все электроды в этих отведениях являются положительными. Отрицательный электрод получают путем сложения сигналов отведений I, ІІ и III, алгебраическая сумма которых равна нулю.

Эти отведения также называют усиленными, так как амплитуда комплексов увеличена на 50% по сравнению со стандартными отведениями. Запись усиленных отведений более удобна для интерпретации.

Соотношения, положенные в основу работы электрокардиографа :

UI= Uвх(L)-Uвх(R);

UII= Uвх(F)-Uвх(R);

UIII= Uвх(F)-Uвх(L);

UaVR=Uвх(R)-(Uвх(L)-Uвх(F))/2;

UaVL=Uвх(L)-(Uвх(F)-Uвх(R))/2;

UaVF=Uвх(F)-(Uвх(L)-Uвх(R))/2;

UVi= Uвх(Ci)-(Uвх(R)+Uвх(L)+Uвх(F))/3, где i=1,2,…,6.

Отведения V1- V6 (по Вильсону). Эти шесть отведений называют однополюсными сердечными, или грудными, отведениями. Их обозначают буквой V, а точки съёма положительных потенциалов j (и соответствующие провода кабеля отведений) - буквой С с номером, соответствующим положению электрода (рис. 4). Отрицательный потенциал берётся с точки, потенциал которой формируется в соответствии с соотношением (j R +j L +j F)/3.

Электроды располагают в следующих точках:

С(V)1 - в четвертом межреберье по правому краю грудины (красный электрод);

С(V)2 - в четвертом межреберье по левому краю грудины (желтый электрод);

C(V)3 - посредине линии, соединяющей точки V2 и V4 (зеленый электрод);

C(V)4 - в пятом межреберье по левой срединно-ключичной линии (коричневый электрод);

C(V)5 - в пятом межреберье по левой передней подмышечной линии (черный электрод);

C(V)6 - в пятом межреберье по левой средней подмышечной линии (фиолетовый электрод).

Рис. 4. Отведения по Вильсону

В грудных отведениях измеряется разность электрических потенциалов между электродами, размещенными на груди, и центральным терминалом. Грудные электроды в любом из отведений V всегда положительны. Отрицательный электрод получают за счет сложения сигналов отведений I, II и III, алгебраическая сумма которых равна нулю.

Анализ электрокардиограмм

Сердце человека – это мощная мышца. При синхронном возбуждении волокон сердечной мышцы, в среде, окружающей сердце, течет ток, который даже на поверхности тела создает разности потенциалов в несколько мВ. Эта разность потенциалов регистрируется при записи электрокардиограммы. Моделировать электрическую активность сердца можно с использованием дипольного электрического генератора.

Дипольное представление о сердце лежит в основе теории отведений Эйнтховена, согласно которой ‑ сердце ‑ это токовый диполь с дипольным моментом Р с (электрический вектор сердца), который поворачивается, изменяет свое положение и точку приложения за время сердечного цикла (рис. 34).

П

Рис. 34. Распределение

эквипотенциальных линий

на поверхности тела

о Эйнтховену сердце располагается в центре равностороннего треугольника, вершинами которого являются: правая рука – левая рука – левая нога (рис. 35 а).

Разности потенциалов, снятые между этими точками – это проекции дипольного момента сердца на стороны этого треугольника:

Эти разности потенциалов, со времени Эйнтховена в физиологии принято называть «отведениями». Три стандартных отведения приведены на рис. 35 б.Направление вектораР с определяет электрическую ось сердца.

Рис. 35 а.

Рис. 35 б. Нормальная ЭКГ в трех стандартных отведениях

Рис. 35 в. Зубец Р – деполяризация предсердия,

QRS – деполяризация желудочков, Т – реполяризация

Линия электрической оси сердца при пересечении с направлением 1-го отведения образует угол , который определяет направление электрической оси сердца (рис. 35 б). Так какэлектрический момент сердца-диполя изменяется со временем, то в отведениях будут получены зависимости разности потенциалов от времени, которые называются электрокардиограммами.

Ось О – это ось нулевого потенциала. На ЭКГ отмечают три характерных зубцаP ,QRS ,T (обозначение по Эйнтховену). Высоты зубцов в различных отведениях обусловлены направлением электрической оси сердца, т.е. углом(рис. 35 б). Наиболее высокие зубцы во втором отведении, низкие в третьем. Сопоставляя ЭКГ в трех отведениях за один цикл составляют представление о состоянии нервно-мышечного аппарата сердца (рис. 35 в).

§ 26. Факторы, влияющие на экг

Положение сердца. Направление электрической оси сердца совпадает с анатомической осью сердца. Если уголнаходится в пределах от 40°до 70°, это положение электрической оси считается нормальным. ЭКГ имеет обычные соотношения зубцов в I, II, III стандартных отведениях. Еслиблизок или равен 0°, то электрическая ось сердца параллельна линии первого отведения и ЭКГ характеризуется высокими амплитудами в I отведении. Еслиблизок к 90°, амплитуды в I отведении минимальны. Отклонение электрической оси от анатомической в ту или другую сторону клинически означает одностороннее поражение миокарда.

Изменение положения тела вызывает некоторые изменения положения сердца в грудной клетке и сопровождается изменением электропроводности окружающих сердце сред. Если ЭКГ не изменяет своей формы при перемещении тела, то этот факт тоже имеет диагностическое значение.

Дыхание . При вдохе электрическая ось сердца отклоняется примерно на 15°, при глубоком вдохе до 30°. Нарушения или изменения дыхания также могут быть диагностированы по изменению ЭКГ.

всегда вызывает существенное изменение в ЭКГ. У здоровых людей эти изменения состоят главным образом в учащении ритма. При функциональных пробах сфизической нагрузкой могут иметь место такие изменения, которые явно указывают на патологические изменения в работе сердца (тахикардия, экстрасистолия, мерцательная аритмия и т.д.).

Диагностическая значимость метода ЭКГ несомненно велика (совместно с другими методами диагностики).

Сегодня почти каждый человек старше 50 лет страдает теми или иными сердечно-сосудистыми заболеваниями. Однако существует тенденция омоложения этих болезней. То есть все чаще встречаются молодые люди до 35 лет с инфарктом миокарда или сердечной недостаточностью. На фоне этого знание врачами электрокардиографии особенно актуально.

Треугольник Эйнтховена - основа ЭКГ. Без понимания его сути правильно поставить электроды и расшифровать качественно электрокардиограмму не получится. Статья расскажет о том, что это такое, зачем нужно знать о нем, как построить. В начале необходимо разобраться, что такое ЭКГ.

Электрокардиограмма

ЭКГ - это запись электрической активности сердца. Определение дано наиболее простое. Если же зреть в корень, то специальный прибор записывает суммарную электрическую активность мышечных клеток сердца, возникающую при их возбуждении.

Электрокардиограмма играет главенствующую роль в диагностике заболеваний. В первую очередь, конечно, ее назначают при подозрении на сердечные болезни. Кроме того, ЭКГ необходима всем, кто поступает в стационар. И неважно, это экстренная госпитализация или плановая. Кардиограмму назначают каждому при диспансеризации, плановом обследовании организма в условиях поликлиники.

Первые упоминания об электрических импульсах появились в 1862 году в трудах ученого И. М. Сеченова. Однако возможность записывать их появилась только с изобретением электромера в 1867 году. Огромный вклад в развитие метода электрокардиографии внес Виллиам Эйнтховен.

Кто такой Эйнтховен?

Виллиам Эйнтховен - голландский ученый, который в 25 лет стал профессором, заведующим кафедрой физиологии Лейденского университета. Интересно, что изначально он занимался офтальмологией, проводил исследования, написал докторскую диссертацию по данному направлению. Затем изучал дыхательную систему.

В 1889 году он посетил международный конгресс по физиологии, где впервые ознакомился с процедурой проведения электрокардиографии. После этого мероприятия Эйнтховен решил вплотную заняться улучшением функциональности прибора, записывающего электрическую активность сердца, а также качества самой записи.

Важнейшие открытия

В ходе изучения электрокардиографии Виллиам Эйнтховен ввел немало терминов, которыми все медицинское сообщество пользуется по сей день.

Ученый стал первым, кто ввел понятие зубцов P, Q, R, S, T. Сейчас сложно представить бланк ЭКГ без точного описания каждого из зубцов: амплитуды, полярности, ширины. Определение их значений, соотношений между собой играет важнейшую роль в диагностике заболеваний сердца.

В 1906 году в статье медицинского журнала Эйнтховен описал метод записи ЭКГ на расстоянии. Кроме того, он выявил существование прямой связи изменений на электрокардиограмме и определенных заболеваний сердца. То есть для каждого заболевания определяются характерные изменения на ЭКГ. В качестве примеров были использованы ЭКГ больных с при недостаточности митрального клапана, гипертрофия левого желудочка при недостаточности аортального клапана, различными степенями блокады проведения импульсов в сердце.

Перед построением треугольника Эйнтховена необходимо правильно поставить электроды. Красный электрод подсоединяют к правой руке, желтый прикрепляют к левой, а зеленый - к левой ноге. На правую нижнюю конечность накладывают черный, заземляющий, электрод.

Линии, условно соединяющие электроды, называются осями отведений. На чертеже они представляют собой стороны :

• I отведение - соединений обеих рук;
• II отведение связывает правую руку и левую ногу;
• III отведение - левую руку и ногу.

Отведения регистрируют разницу напряжений между электродами. Каждая ось отведений имеет положительный и отрицательный полюс. Перпендикуляр, опущенный из центра треугольника на ось отведения, делит сторону треугольника на 2 равные части: положительную и отрицательную. Таким образом, если результирующий вектор сердца отклоняется в сторону положительного полюса, то на ЭКГ линия регистрируется над изолинией - зубцы P, R, T. Если в сторону отрицательного полюса, то регистрируется отклонение ниже изолинии - зубцы Q, S.

Построение треугольника

Для построения треугольника Эйнтховена с обозначением отведений на листе бумаги рисуем геометрическую фигуру с равными сторонами и вершиной, направленной вниз. В центре ставим точку - это сердце.

Отмечаем стандартные отведения. Верхняя сторона - это I отведение, справа - III, слева - II. Обозначаем полярности каждого отведения. Они стандартны. Их необходимо выучить.

Треугольник Эйнтховена готов. Осталось только использовать его по назначению - определить и угол ее отклонения.

Следующий шаг - определение центра каждой стороны. Для этого нужно опустить перпендикуляры из точки в центре треугольника на его стороны.

Задача - определить с помощью треугольника Эйнтховена по ЭКГ.

Необходимо взять комплекс QRS I и III отведения, определить алгебраическую сумму зубцов в каждом отведении путем подсчета количества маленьких клеточек каждого зубца, учитывая их полярность. В I отведении это R+Q+S = 13 + (-1) + 0 = 12. В III это R + Q + S = 3 + 0 + (-11) = -8.

Затем на соответствующих сторонах треугольника Эйнтховена откладываем полученные величины. На верхней отсчитываем 12 мм вправо от середины, в сторону положительно заряженного электрода. По правой стороне треугольника отсчитываем -8 выше середины - ближе к отрицательно заряженному электроду.

Затем от полученных точек строим перпендикуляры внутрь треугольника. Отмечаем точку пересечения этих перпендикуляров. Теперь нужно соединить центр треугольника с образовавшейся точкой. Получается результирующий вектор ЭДС сердца.

Для определения электрической оси надо провести горизонтальную линию через центр треугольника. Угол, полученный между вектором и прочерченной горизонтальной линией, называется углом альфа. Он определяет отклонение оси сердца. Вычислить его можно с помощью обычного транспортира. В данном случае угол равен -11°, что соответствует умеренному отклонению оси сердца влево.

Определение ЭОС позволяет вовремя заподозрить проблему, возникшую в сердце. Особенно это актуально при сравнении с предыдущими пленками. Порой резкое изменение оси в ту или иную сторону является единственным явным признаком катастрофы, который позволяет назначить другие методы обследования для выявления причины этих изменений.

Таким образом, знание о треугольнике Эйнтховена, о принципах его построения позволяет правильно наложить и подключить электроды, провести своевременную диагностику, выявить изменения на ЭКГ в максимально быстрые сроки. Знание основ ЭКГ поможет спасти множество жизней.

Основываясь на выше изложенных принципах и с целью стандартизации электрокардиологических измерений у разных людей В.Эйнтховен в 1903г.предложил считать, что начало электрического вектора сердца расположено в центре равностороннего треугольника, вершины которого расположены на медиальных поверхностях нижней трети левого (ЛР) и правого (ПР) предплечья и голени левой ноги (ЛН)

Таким образом выполняется два условия при котором сердце равноудалено от точек регистрации разности потенциалов. С другой стороны фиксированные точки на поверхности организма между которыми

измеряется разность потенциалов удалены далеко от вектора сердца r >> l, то есть диполь сердца является точечным. Внутри треугольника Эйнтховена можно изобразить три петли P,QRS,T, которые описывают мгновенные направления электрического вектора сердца за один кардиоцикл во фронтальной плоскости организма.(Рис.15)

Все петли имеют общую точку, которую называют электрическим центром сердца и располагают ее в центре треугольника.

Разность потенциалов, измеряется между каждой парой вершин треугольника, должна быть равна проекции последовательных мгновенных значений вектора сердца трех петель P,QRS,T.

Отведения, зарегистрированные от каждой пары вершин треугольника Эйнтховена, получили названия стандартных отведений.

Стандартных отведений три, обозначаются они римскими цифрами I,II,III.

В каждую вершину треугольника, расположенную на медиальной поверхности нижней трети предплечий правой руки (ПР), левой руки (ЛР) и голени левой ноги (ЛН) помещают металлические пластинки определенного размера – электроды. Их соединяют

наконечниками через кабель отведения с регистрирующей системой электрокардиографа, клемы которого имеют знаки

«+» и « - ». Для практических целей используется цветовая и буквенная маркировка наконечников кабеля отведений.

Правая рука, ПР – R (right) – красный.

Левая рука, ЛР – L (left) – желтый.

Левая нога, ЛН – F (foot) – зеленый.

Правая нога, ПН – N – черный.

Грудной электрод, С – белый.

Первое стандартное отведение – I - регистрируется между левой рукой (ЛР) и правой рукой (ПР), причем ЛР - + «плюс», а ПР - - «минус». Вектор отведения направлен от ПР к ЛР по стороне треугольника Эйнтховена.

Второе стандартное отведение – II – регистрируется между правой рукой (ПР) и левой ногой (ЛН), причем ПР - - «минус», а ЛН - + «плюс». Вектор отведения, направлен от ПР к ЛН по стороне треугольника Эйнтховена.

Третье стандартное отведение – III - регистрируется между левой ногой (ЛН) и левой рукой (ЛР), причем ЛН - + «плюс», а ЛР - - «минус». Вектор отведения направлен от ЛР к ЛН по стороне треугольника Эйнтховена.

Стандартные отведения являются двухполюсными, так как каждый электрод является активным, то есть воспринимают потенциалы соответствующих точек тела.

Усиленные однополюсные отведения от конечностей .

В 1942 году Е.Гольдберг предложил ввести три усиленных однополюсных отведения от конечностей.

Эти отведения являются однополюсными и формируются из стандартных.(Рис.17)

Если через большое сопротивление (200 – 300 Ом) соединить два проводника, идущих от двух стандартных точек, то потенциал, таким образом образованного полюса, будет приблизительно равным нулю.

Потенциал же третьей конечности будет не равным нулю. Электрод на этой конечности будут являться активным. К активной точке подключают «плюс» измерительного прибора, а «минус» к общей точке двух других стандартных точек. Таким образом, получают усиленное однополюсное отведение.

ЛЕКЦИЯ 13 ДИПОЛЬ. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОГРАФИИ

ЛЕКЦИЯ 13 ДИПОЛЬ. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОГРАФИИ

1. Электрический диполь и его электрическое поле.

2. Диполь во внешнем электрическом поле.

3. Токовый диполь.

4. Физические основы электрографии.

5. Теория отведений Эйнтховена, три стандартных отведения. Поле диполя сердца, анализ электрокардиограмм.

6. Векторкардиография.

7. Физические факторы, определяющие ЭКГ.

8. Основные понятия и формулы.

9. Задачи.

13.1. Электрический диполь и его электрическое поле

Электрический диполь - система из двух равных по величине, но противоположных по знаку точечных электрических зарядов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга.

Расстояние между зарядами называется плечом диполя.

Основной характеристикой диполя является векторная величина, называемая электрическим моментом диполя (P).

Электрическое поле диполя

Диполь является источником электрического поля, силовые линии и эквипотенциальные поверхности которого изображены на рис. 13.1.

Рис. 13.1. Диполь и его электрическое поле

Центральная эквипотенциальная поверхность представляет собой плоскость, проходящую перпендикулярно плечу диполя через его середину. Все ее точки имеют нулевой потенциал (φ = 0). Она делит электрическое поле диполя на две половины, точки которых имеют соответственно положительные (φ > 0) и отрицательные (φ < 0) потенциалы.

Абсолютная величина потенциала зависит от дипольного момента Р, диэлектрической проницаемости среды ε и от положения данной точки поля относительно диполя. Пусть диполь находится в непроводящей бесконечной среде и некоторая точка А удалена от его центра на расстояние r >> λ (рис. 13.2). Обозначим через α угол между вектором Р и направлением на эту точку. Тогда потенциал, создаваемый диполем в точке А, определяется следующей формулой:

Рис. 13.2. Потенциал электрического поля, созданного диполем

Диполь в равностороннем треугольнике

Если диполь поместить в центр равностороннего треугольника, то он будет равноудален ото всех его вершин (на рис. 13.3 диполь изображен вектором дипольного момента - Р).

Рис. 13.3. Диполь в равностороннем треугольнике

Можно показать, что в этом случае разность потенциалов (напряжение) между двумя любыми вершинами прямо пропорциональна проекции дипольного момента на соответствующую сторону (U AB ~ P AB). Поэтому отношение напряжений между вершинами треугольника равно отношению проекций дипольного момента на соответствующие стороны:

Сопоставляя величины проекций, можно судить о величине самого вектора и его расположении внутри треугольника.

13.2. Диполь во внешнем электрическом поле

Диполь не только сам является источником электрического поля, но и взаимодействует с внешним электрическим полем, созданным другими источниками.

Диполь в однородном электрическом поле

В однородном электрическом поле напряженностью E на полюса диполя действуют равные по величине и противоположные по направлению силы (рис. 13.4). Поскольку сумма таких сил равна нулю, поступательного движения они не вызывают. Однако они

Рис. 13.4. Диполь в однородном электрическом поле

создают вращательный момент, величина которого определяется следующей формулой:

Этот момент «стремится» расположить диполь параллельно линиям поля, т.е. перевести его из некоторого положения (а) в положение (б).

Диполь в неоднородном электрическом поле

В неоднородном электрическом поле величины сил, действующих на полюсы диполя (силы F + и F - на рис. 13.5), неодинаковы, и их сумма не равна нулю Поэтому возникает равнодействующая сила, втягивающая диполь в область более сильного поля.

Величина втягивающей силы, действующей на диполь, ориентированный вдоль силовой линии, зависит от градиента напряженности и вычисляется по формуле:

Здесь ось Х - направление силовой линии в том месте, где находится диполь.

Рис. 13.5. Диполь в неоднородном электрическом поле. Р - дипольный момент

13.3. Токовый диполь

Рис. 13.6. Экранирование диполя в проводящей среде

В непроводящей среде электрический диполь может сохраняться сколь угодно долго. Но в проводящей среде под действием электрического поля диполя возникает смещение свободных зарядов, диполь экранируется и перестает существовать (рис. 13.6).

Для сохранения диполя в проводящей среде необходима электродвижущая сила. Пусть в проводящую среду (например, в сосуд с раствором электролита) введены два электрода, подключенные к источнику постоянного напряжения. Тогда на электродах будут поддерживаться постоянные заряды противоположных знаков, а в среде между электродами возникнет электрический ток. Положительный электрод называют истоком тока, а отрицательный - стоком тока.

Двухполюсная система в проводящей среде, состоящая из истока и стока тока, называется дипольным электрическим генератором или токовым диполем.

Расстояние между истоком и стоком тока (L) называется плечом токового диполя.

На рис. 13.7,а сплошными линиями со стрелками изображены линии тока, создаваемого дипольным электрическим генерато-

Рис. 13.7. Токовый диполь и его эквивалентная электрическая схема

ром, а пунктирными линиями - эквипотенциальные поверхности. Рядом (рис. 13.7, б) показана эквивалентная электрическая схема: R - сопротивление проводящей среды, в которой находятся электроды; r - внутреннее сопротивление источника, ε - его э.д.с.; положительный электрод (1) - исток тока; отрицательный электрод (2) - сток тока.

Обозначим сопротивление среды между электродами через R. Тогда сила тока определяется законом Ома:

Если сопротивление среды между электродами значительно меньше, чем внутреннее сопротивление источника, то I = ε/r.

Для того чтобы сделать картину более наглядной, представим себе, что в сосуд с электролитом опущены не два электрода, а обычный элемент питания. Линии электрического тока, возникшего в сосуде в этом случае, показаны на рис. 13.8.

Рис. 13.8. Токовый диполь и созданные им линии тока

Электрической характеристикой токового диполя является векторная величина, называемая дипольным моментом (Р T).

Дипольный момент токового диполя - вектор, направленный от стока (-) к истоку (+) и численно равный произведению силы тока на плечо диполя:

Здесь ρ - удельное сопротивление среды. Геометрические характеристики такие же, как на рис. 13.2.

Таким образом, между токовым диполем и электрическим диполем существует полная аналогия.

Теория токового диполя применяется для модельного объяснения возникновения потенциалов, регистрируемых при снятии электрокардиограмм.

13.4. Физические основы электрографии

Живые ткани являются источником электрических потенциалов. Регистрация биопотенциалов тканей и органов называется электрографией.

В медицинской практике используют следующие диагностические методы:

ЭКГ - электрокардиография - регистрация биопотенциалов, возникающих в сердечной мышце при ее возбуждении;

ЭРГ - электроретинография - регистрация биопотенциалов сетчатки глаза, возникающих в результате воздействия на глаз;

ЭЭГ - электроэнцефалография - регистрация биоэлектрической активности головного мозга;

ЭМГ - электромиография - регистрация биоэлектрической активности мышц.

Примерная характеристика регистрируемых при этом биопотенциалов указана в табл. 13.1.

Таблица 13.1 Характеристики биопотенциалов

При изучении электрограмм решаются две задачи: 1) прямая - выяснение механизма возникновения электрограммы или расчет потенциала в области измерения по заданным характеристикам электрической модели органа;

2) обратная (диагностическая) - выявление состояния органа по характеру его электрограммы.

Почти во всех существующих моделях электрическую активность органов и тканей сводят к действию определенной совокупности токовых электрических генераторов, находящихся в объемной электропроводящей среде. Для токовых генераторов выполняется правило суперпозиции электрических полей:

Потенциал поля генераторов равен алгебраической сумме потенциалов полей, создаваемых генераторами.

Дальнейшее рассмотрение физических вопросов электрографии показано на примере электрокардиографии.

13.5. Теория отведений Эйнтховена, три стандартных отведения. Поле диполя сердца, анализ электрокардиограмм

Сердце человека - мощная мышца. При синхронном возбуждении множества волокон сердечной мышцы в среде, окружающей сердце, течет ток, который даже на поверхности тела создает разности потенциалов порядка нескольких мВ. Эта разность потенциалов регистрируется при записи электрокардиограммы.

Моделировать электрическую активность сердца можно с использованием дипольного эквивалентного электрического генератора.

Дипольное представление о сердце лежит в основе теории отведений Эйнтховена, согласно которой:

сердце есть токовый диполь с дипольным моментом Р с, который поворачивается, изменяет свое положение и точку приложения за время сердечного цикла.

(В биологической литературе вместо термина «дипольный момент сердца» обычно используются термины «вектор электродвижущей силы сердца», «электрический вектор сердца».)

По Эйнтховену, сердце располагается в центре равностороннего треугольника, вершинами которого являются: правая рука - левая рука - левая нога. (Вершины треугольника равноудалены как друг

от друга, так и от центра треугольника.) Поэтому разности потенциалов, снятые между этими точками, суть проекции дипольного момента сердца на стороны этого треугольника. Пары точек, между которыми измеряются разности биопотенциалов, со времен Эйнтховена в физиологии принято называть «отведениями».

Таким образом, теория Эйнтховена устанавливает связь между разностью биопотенциалов сердца и разностями потенциалов, регистрируемых в соответствующих отведениях.

Три стандартных отведения

На рисунке 13.9 представлены три стандартных отведения.

Отведение I (правая рука - левая рука), отведение II (правая рука - левая нога), отведение III (левая рука - левая нога). Им соответствуют разности потенциалов U I , U II , U lII . Направление вектора Р с определяет электрическую ось сердца. Линия электрической оси сердца при пересечении с направлением I-го отведения образует угол α. Величина этого угла определяет направление электрической оси сердца.

Соотношения между разностью потенциалов на сторонах треугольника (отведениях) могут быть получены в соответствии с формулой (13.3) как соотношения проекций вектора Р с на стороны треугольника:

Так как электрический момент диполя - сердца - изменяется со временем, то в отведениях будут получены временные зависимости напряжения, которые и называют электрокардиограммами.

Рис. 13.9. Схематическое изображение трех стандартных отведений ЭКГ

Допущения теории Эйнтховена

Электрическое поле сердца на больших расстояниях от него подобно полю токового диполя; дипольный момент - интегральный электрический вектор сердца (суммарный электрический вектор возбужденных в данный момент клеток).

Все ткани и органы, весь организм - однородная проводящая среда (с одинаковым удельным сопротивлением).

Электрический вектор сердца изменяется по величине и направлению за время сердечного цикла, однако начало вектора остается неподвижным.

Точки стандартных отведений образуют равносторонний треугольник (треугольник Эйнтховена), в центре которого находится сердце - токовый диполь. Проекции дипольного момента сердца - отведения Эйнтховена.

Поле диполя - сердца

В каждый данный момент деятельности сердца его дипольный электрический генератор создает вокруг электрическое поле, которое распространяется по проводящим тканям тела и создает потенциалы в его различных точках. Если представить, что основание сердца заряжено отрицательно (имеет отрицательный потенциал), а верхушка положительно, то распределение эквипотенциальных линий вокруг сердца (и силовых линий поля) при максимальном значении дипольного момента Р с будет таким, как на рис. 13.10.

Потенциалы указаны в некоторых относительных единицах. Вследствие асимметричного положения сердца в грудной клетке его электрическое поле распространяется преимущественно в сторону правой руки и левой ноги, и наиболее высокая разность потенциалов может быть зафиксирована в том случае, если электроды разместить на правой руке и левой ноге.

Рис. 13.10. Распределение силовых (сплошные) и эквипотенциальных (прерывистые) линий на поверхности тела

В таблице 13.2 приведены значения максимального дипольного момента сердца в сопоставлении с массой сердца и тела.

Таблица 13.2. Значения дипольного момента Р с

Анализ электрокардиограмм

Теоретический анализ электрокардиограмм сложен. Развитие кардиографии шло в основном эмпирическим путем. Катц указывал, что расшифровка электрокардиограмм производится на основе опыта, опирающегося лишь на самое элементарное понимание теории возникновения биопотенциалов.

Данные ЭКГ обычно дополняют клиническую картину заболевания.

На рисунке 13.11 представлена нормальная электрокардиограмма человека (обозначения зубцов были даны Эйнтховеном и представляют взятые подряд буквы латинского алфавита).

Она представляет собой график изменения во времени разности потенциалов, снимаемой двумя электродами соответствующего отведения за цикл работы сердца. Горизонтальная ось является не только осью времени, но и осью нулевого потенциала. ЭКГ представляет собой кривую, состоящую из трех характерных зубцов, обозначающихся Р, QRS, T, разделенных интервалом нулевого потенциала. Высоты зубцов в различных отведениях обусловлены направлением электрической оси сердца, т.е. углом α (см. рис. 13.9). Электрокардиограмма, записанная при норме в стандартных отведениях, характеризуется тем, что ее зубцы в разных отведениях будут неодинаковы по амплитуде (рис. 13.12).

Рис. 13.11. Электрокардиограмма здорового человека и ее спектр:

Р - деполяризация предсердия; QRS -деполяризация желудочков; Т - репо-

ляризация; частота пульса 60 ударов в минуту (период сокращения - 1 с)

Рис. 13.12. Нормальная ЭКГ в трех стандартных отведениях

Зубцы ЭКГ будут наиболее высокими во II отведении и наиболее низкими в III отведении (при нормальном положении электрической оси).

Сопоставляя кривые, зарегистрированные в трех отведениях, можно судить о характере изменения Р с за цикл работы сердца, на основании чего и составляется представление о состоянии нервномышечного аппарата сердца.

Для анализа ЭКГ используют также ее гармонический спектр.

13.6. Векторкардиография

Обычные электрокардиограммы являются одномерными. В 1957 г. немецкий врач физиолог Шмитт разработал метод объемных кривых (векторкардиография).

Напряжение от двух взаимно перпендикулярных отведений подают на взаимно перпендикулярные пластины осциллографа. При этом на экране получается изображение, состоящее из двух петель - большой и малой. Малая петля заключена в большой и сдвинута к одному из полюсов.

Вторая аналогичная картина может быть получена на втором осциллографе, где одно из двух уже использованных отведений сопоставляется с третьим. Картины на обоих осциллографах можно рассматривать через стереоскопическую систему линз или фотографировать одновременно, чтобы в дальнейшем построить пространственную (трехмерную) модель.

Для расшифровки электрокардиограмм нужен большой опыт. С появлением ЭВМ стало возможным автоматизировать процесс «чтения» кривых. ЭВМ сравнивает кривую данного больного с образцами, хранящимися в ее памяти, и выдает врачу предположительный диагноз.

Иной подход используется при проведении электрокардиотопографического исследования. При этом на грудную клетку накладывают около 200 электродов, строят картину электрического поля по 200 кривым, которые анализируются одновременно.

13.7. Физические факторы, определяющие особенности ЭКГ

ЭКГ у разных людей и даже у одного и того же человека характеризуются большой вариабельностью. Это связано с индивидуальными анатомическими особенностями проводниковой системы сердца, различиями в соотношении мышечных масс анатомических фрагментов сердца, электропроводностью окружающих сердце тканей, индивидуальной реакцией нервной системы на воздействие внешних и внутренних факторов.

Факторы, определяющие особенности ЭКГ у отдельного человека, следующие: 1) положение сердца в грудной клетке, 2) положение тела, 3) дыхание, 4) действие физических раздражителей, в первую очередь физических нагрузок.

Положение сердца в грудной клетке оказывает существенное влияние на форму ЭКГ. При этом надо знать, что направление электрической оси сердца совпадает с анатомической осью сердца. Если угол α, характеризующий направление электрической оси сердца (рис. 13.9), имеет величину:

а) в пределах от 40 до 70°, то такое положение электрической оси сердца считается нормальным; в этих случаях ЭКГ будет иметь обычные соотношения зубцов в I, II, III стандартных отведениях;

б) близкую к 0°, т.е. электрическая ось сердца параллельна линии первого отведения, то такое положение электрической оси сердца обозначается как горизонтальное, и ЭКГ характеризуется высокими амплитудами зубцов в I отведении;

в) близкую к 90°, положение обозначается как вертикальное, зубцы ЭКГ будут наименьшими в I отведении.

Как правило, положение анатомической и электрической осей сердца совпадают. Но в отдельных случаях может быть расхождение: рентгенограмма свидетельствует о нормальном положении сердца, а ЭКГ показывает отклонение электрической оси в ту или другую сторону. Такие расхождения являются диагностически значимыми (клинически это означает одностороннее поражение миокарда).

Изменение положения тела всегда вызывает некоторые изменения положения сердца в грудной клетке. Это сопровождается изменением

электропроводности окружающих сердце сред. ЭКГ у человека с вертикальным положением сердца будет отличаться от нормальной. Если ЭКГ не изменяет своей формы при перемещении тела, то этот факт тоже имеет диагностическое значение; характеристики зубцов изменяются при любом отклонении электрической оси.

Дыхание. Амплитуда и направленность зубцов ЭКГ изменяются при любом отклонении электрической оси, меняясь при вдохе и выдохе. При вдохе электрическая ось сердца отклоняется примерно на 15°, при глубоком вдохе это отклонение может достичь 30°. Нарушения или изменения дыхания (при тренировках, при реабилитационных упражнениях и гимнастике) могут быть диагностированы по изменению ЭКГ.

В медицине роль физических нагрузок чрезвычайно велика. Физическая нагрузка всегда вызывает существенное изменение в ЭКГ. У здоровых людей эти изменения состоят, главным образом, в учащении ритма, форма зубцов тоже изменяется в определенной закономерности. При функциональных пробах с физической нагрузкой могут иметь место такие изменения, которые явно указывают на патологические изменения в работе сердца (тахикардия, экстрасистолия, мерцательная аритмия и т.д.).

Искажения при записи ЭКГ. При записи ЭКГ всегда нужно иметь в виду, что существуют причины, которые могут исказить ее форму: неисправности в усилителе электрокардиографа; переменный ток городской сети может наводить э.д.с. вследствие электромагнитной индукции в рядом расположенных усилительных цепях и даже биологических объектах, нестабильность блока питания и т.д. Расшифровка искаженной ЭКГ приводит к постановке неправильного диагноза.

Диагностическая значимость метода электрокардиографии, несомненно, велика. Совместно с другими методами оценки деятельности сердца (методы регистрации механических колебаний сердца, рентгеновский метод) он позволяет получать важную клиническую информацию о работе сердца.

В последние годы в современной врачебно-диагностической практике стали использоваться компьютерные электрокардиографы со средствами автоматического анализа ЭКГ.

13.8. Основные понятия и формулы

Окончание таблицы