Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow БИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Посмотреть оригинал

Принципы проектирования БТС для электрокардиографии

Определение целевого назначения и класса проектируемой БТС. Первые электрофизиологические исследования были проведены в XVIII в. Л. Гальвани, который обнаружил, что электрический импульс вызывает сокращение мышцы. Позднее было установлено и обратное явление, когда при сокращении мышцы возникает электродвижущая сила (ЭДС). В 1903 г. после изобретения струнного гальванометра В. Эйнтховен зарегистрировал электрические токи работающего сердца человека. С развитием усилительной и регистрирующей техники стало возможным изучение биоэлектрических явлений в сердце, что привело к созданию электрокардиографического метода диагностики сердечной деятельности. Электрокардиограмма (ЭКГ) представляет собой запись электрической активности сердца, которую осуществляют с поверхности тела пациента (верхних и нижних конечностей и грудной клетки). На тело наклеивают электроды (до 10 шт.) или используют специальные присоски и манжеты. Снятие ЭКГ занимает 5... 10 мин.

Расшифровка ЭКГ позволяет получить информацию о сердечном ритме, гипертрофии (утолщении) стенок сердца, расширении полостей, ишемии сердечной мышцы а также о наличии рубцов, нарушении ритма и проводимости. Электрокардиография - очень информативный, недорогой и доступный тест.

Цель проектирования электрокардиографов - разработка методов и средств неинвазивного исследования параметров гемодинамики сердца.

Схема взаимодействия электрокардиографа с организмом и получения информации об организме. Как уже было отмечено, ЭКГ регистрируют с помощью электрокардиографа, к которому подключают электроды (отведения), контактирующие с определенными точками тела (рис. 12.52).

Стандартные (а, б) и грудные (в) схемы подключения электродов (отведений) электрокардиографа

Рис. 12.52. Стандартные (а, б) и грудные (в) схемы подключения электродов (отведений) электрокардиографа

Для получения однополюсных отведений от конечностей активный электрод соединяют с положительным полюсом прибора и помещают по очереди на правую и левую руки, левую ногу. Индифферентный электрод получают соединением напрямую электродов только от двух конечностей - тех, на которых не лежит активный электрод в данном отведении, и подключают к отрицательному полюсу прибора. В этом случае амплитуда ЭКГ

оказывается в 1,5 раза больше, чем при использовании электрода Вильсона.

В связи с этим однополюсные отведения от конечностей по Гольдбергеру называют «усиленными» и обозначают символом «aV»: aVR, aVL, aVF (англ, augmented - усиленный; right - правый, left - левый, foot - нога).

Для получения однополюсных грудных отведений активный электрод устанавливают на определенные точки грудной клетки, а в качестве индифферентного электрода используют объединенный электрод Вильсона. В обязательном порядке регистрируют ЭКГ, располагая активный электрод в шести требуемых точках грудной клетки - грудных отведениях (V1-V6).

В некотрых случаях применяют дополнительные грудные отведения, например: помещая активный электрод на симметричных точках правой половины грудной клетки, получают отведения V3R, V4R. При этом активные электроды грудных отведений находятся вблизи источника разности потенциалов. Такие отведения имеют большую чувствительность при выявлении патологических изменений в отделах сердца, прилежащих к электродам.

Таким образом, электрокардиографы относятся к классу диагностических БТС, основанных на физических методах (см. рис. 12.1), поскольку позволяют регистрировать электрические поля работающего сердца пациента, а затем проводить диагностику его состояния при помощи полученной ЭКГ.

Создание базы данных о свойствах биообъекта. Вербальная модель биообъекта. По своей природе сердце представляет собой насос, который перекачивает кровь по большому и малому кругам кровообращения. Мышца сердца состоит из клеток проводящей системы и сократительного миокарда (рис. 12.53).

Структура и проводящая система сердца

Рис. 12.53. Структура и проводящая система сердца:

I - левое предсердие; 2 - АВ-узел; 3 - левая передняя ножка пучка Гиса; 4 - левый желудочек; 5 - левая задняя ножка пучка Г иса; б - волокна Пуркинье; 7 правая ножка пучка Г иса; 8 - правый желудочек; 9 - атриовентику- лярное соединение; 10- пучок Гиса; 11 - правое предсердие; 12 - синоатриальный узел; 13 - межпредсердный пучок

Сердце обладает функциями, которые присущи в основном только ему.

Автоматизм - способность сердца вырабатывать импульсы, вызывающие возбуждение. Возбуждение сердца не производится непосредственно центральной нервной системой (как это имеет место для большинства других систем иннервации мышц), оно осуществляется синусным узлом, или стимулятором пульса, который представляет собой специальную группу возбудимых клеток. Сердце способно спонтанно активироваться и вырабатывать электрические импульсы. В норме наибольшим автоматизмом обладают клетки именно синусового узла, расположенного в правом предсердии.

Проводимость - способность сердца проводить импульсы от места их возникновения до сократительного миокарда. В норме импульсы поступают от синусового узла к мышце предсердий и желудочков. Наибольшей проводимостью обладает проводящая система сердца.

Возбудимость - способность сердца возбуждаться под влиянием стимулирующих электрических импульсов. Эта функция есть у клеток проводящей системы и сократительного миокарда. Во время возбуждения клетки миокарда изменяется потенциал ее мембраны.

Сократимость - способность сердца сокращаться под влиянием импульсов.

Важные электрофизиологические функции - рефрактерность и аберрантность.

Рефрактерность - невозможность возбужденных клеток миокарда снова активироваться при возникновении дополнительного импульса. Различают абсолютный (АРП) и относительный (ОРП) рефрактерные периоды. Во время АРП сердце не может возбуждаться и сокращаться независимо от силы поступающего к нему импульса. При ОРП сердце способно к возбуждению, если амплитуда поступающего к нему импульса больше, чем обычно. Этот импульс распространяется по клеткам миокарда медленнее.

Изменение потенциалов возбужденных клеток приводит к изменению распределения потенциала на поверхности тела пациента. Разность потенциалов между двумя точками меняется во времени и составляет сигнал ЭКГ.

Элементы ЭКГ и их обозначения

Рис. 12.54. Элементы ЭКГ и их обозначения

Возбудимость проводящей системы сердца и сократительного миокарда может быть различной в зависимости от периодов сердечного цикла.

На ЭКГ АРП в основном соответствует продолжительности (ЖУ-комплекса и 5Т-сегмснта, а ОРП - зубцу Г ЭКГ (рис. 12.54). Во время диастолы рефрактерные периоды отсутствуют. В это время проводящая система сердца и миокард желудочков способны возбуждаться. Продолжительность рефрактерного периода неодинакова в различных отделах проводящей системы и миокарда.

Возбудимость миокарда меняется в отдельные периоды сердечного цикла.

На участке ОРП существует короткий уязвимый период, когда даже при слабом раздражении возможно сокращение сердца. Иногда это может привести к опасным для жизни нарушениям ритма.

Аберрантность, или аберрантное проведение, - патологическое проведение импульса по предсердиям или желудочкам. Аберрантное проведение возникает тогда, когда импульс, поступающий в желудочки (реже в предсердия), застает один или несколько пучков их проводящей системы в рефрактерном периоде, что приводит к изменению распространения возбуждения по этим отделам сердца.

Электрокардиография дает возможность изучать такие функции сердца, как автоматизм, проводимость, возбудимость, рефрак- терность и аберрантность. Следует отметить, что ЭКГ отражает процессы электрического возбуждения, а не сокращения ткани миокарда; о сократительной функции с помощью этого метода можно получить лишь косвенное представление.

Клетки синоатриального узла (СА-узла) и проводящей системы сердца, атриовентрикулярного соединения (АВ-соединения), проводящей системы предсердий и желудочков обладают функцией автоматизма. У сократительного миокарда функция автоматизма отсутствует.

В норме СА-узел (см. рис. 12.53) вырабатывает электрические импульсы частотой около 60...80 мин-1 (частота сердечных сокращений). Это центр автоматизма первого порядка.

Возбуждение распространяется из правого предсердия по межпредсердному пучку на левое предсердие. Электрический импульс проходит по АВ-соединению через атриовентрикулярный узел (АВ-узел) в пучок Гиса. При нарушениях проводящих путей на этом участке АВ-соединение становится центром автоматизма второго порядка и генерирует импульсы частотой 40...60 мин-1. По ветвям пучка Гиса электрические импульсы поступают к волокнам Пуркинье.

Нижняя часть пучка Гиса может быть центром автоматизма третьего порядка с самой низкой частотой 25.. .40 мин-1.

Схема синхронизации работы отдельных участков проводящей системы

Рис. 12.55. Схема синхронизации работы отдельных участков проводящей системы

В АВ-узле и между АВ-узлом и пучком Гиса происходит значительная задержка электрических импульсов. Это способствует тому, что желудочки начинают возбуждаться только после окончания сокращения предсердий, обеспечивая необходимую последовательность в работе сердца как насоса в системе кровообращения.

Так, большая скорость проведения электрического импульса по проводящей системе желудочков способствует почти одновременному охвату желудочков волной возбуждения и наиболее оптимальному и эффективному выбросу крови в аорту и легочную артерию. Образование и проведение импульсов в сердце можно представить схемой синхронизации работы отдельных участков проводящей системы (рис. 12.55).

В случае нарушения проведения импульсов на каком-либо участке роль водителя ритма берет на себя нижележащий участок. Нарушение проведения импульсов называют блокадой проводящих путей. Такая схема обеспечивает резервирование ритмической деятельности сердца и поддержание кровообращения при нарушениях ритма и проводимости.

Возбудимость сердца тем выше, чем слабее раздражитель, вызывающий электрическую активность клетки. Возбудимость сердца подчиняется закону «все или ничего». Это значит, что подпороговые раздражители не вызывают активацию сердца, тогда как пороговые приводят к максимальной активации. Дальнейшее увеличение силы раздражения не повышает активацию.

Из всех биоэлектрических сигналов ЭКГ - самый характерный по форме и упорядоченности. Тем не менее форма, амплитуда и длительность интервалов и сегментов сигнала зависят от места расположения электродов, положения сердца, возраста, функциональных изменений и органических поражений сердца.

Основные исследования при установлении диагноза больного по ЭКГ сводятся к измерению характерных временных интервалов, определению изолинии и измерению амплитуды зубцов ЭКГ.

В клинической практике амплитуду зубцов ЭКГ традиционно измеряют по записи сигнала на бумажной ленте (мм). При пересчете соответствующих значений в размерность электрического напряжения следует помнить, что стандартная установка чувствительности записывающих устройств при электрокардиографических исследованиях следующая: 10 мм на коордиограм- ме равно 1 мВ.

Зубцы ЭКГ обозначают латинскими буквами. Если амплитуда зубца (Ж9-комплекса со стандартного электрокардиографа больше 5 мм, то этот зубец обозначают прописной буквой, если меньше - строчной. На рис. 12.56 приведен вид нормальной ЭКГ (зубцы и интервалы).

Вид нормальной ЭКГ 126

Рис. 12.56. Вид нормальной ЭКГ 126

При анализе сердечного ритма и проводимости оценивают регулярность сердечных сокращений, подсчитывают число сердечных сокращений, определяют источник возбуждения, оценивают функцию проводимости.

При анализе поворотов сердца вокруг передне-задней продольной и поперечной осей находят положение электрической оси сердца во фронтальной плоскости, определяют повороты сердца вокруг продольной и поперечной осей. Далее проводят анализ предсердного зубца Р. Анализ желудочкового 2Л5Т-комплекса осуществляют на основе исследований RS- и Г-сегментов, зубца Т, интервала Q-T.

В электрокардиографическом заключении указывают:

  • • источник ритма сердца;
  • • регулярность ритма;
  • • число сердечных сокращений;
  • • положение электрической оси сердца;
  • • наличие ЭКГ-синдромов.

Анализ биообъекта, выбор вектора состояния и метода количественного описания биообъекта. Количественный анализ предусматривает определение таких показателей, как:

  • • амплитуда всех зубцов сердечного цикла;
  • • длительности всех элементов сердечного цикла;
  • • величина /?/?-интервалов;
  • • индекс Маркуза - отношение продолжительности зубца Р к длительности /^-сегмента; в норме индекс Маркуза составляет
  • 1,1... 1,6; этот индекс иногда используют при диагностике гипертрофии предсердий;
  • • смещение ЛТ-сегмента;
  • • систолический SP-показатель;
  • • отклонение оси сердца.

Вектор состояния - совокупность параметров, характеризующих состояние биообъекта, т. е. сердечную деятельность. К таким параметрам относят:

  • • частоту сердечных сокращений/!;
  • • источник ритма сердца/^;
  • • функцию проводимости сердцаfa;
  • • положение электрической оси сердца во времени fa.

Таким образом, вектор состояния биообъекта будет представлять собой совокупность перечисленных параметров:

Создание физической и математической моделей биообъекта. Электродвижущую силу любого источника тока (одиночного мышечного волокна или сердца) можно зарегистрировать, устанавливая электроды не только на поверхности возбудимой ткани, но и в проводящей среде, окружающей источник. Это возможно благодаря существованию вокруг каждого источника тока электрического поля (рис. 12.57).

Схема силовых линий вокруг диполя

Рис. 12.57. Схема силовых линий вокруг диполя:

№ 1-8 - порядок расположения электродов при различных отведениях; R - форма зубца на ЭКГ при разных отведениях

В окружающей среде диполь создает силовые линии, идущие от положительного к отрицательному заряду диполя. По нормали к ним располагаются изопотенциальные линии с одинаковым положительным или отрицательным потенциалом. На границе между положительной и отрицательной областями электрического поля находится линия нулевого потенциала.

В основе возникновения электрических явлений в сердце лежит движение ионов калия, натрия, кальция, хлора и др. через мембрану клетки миокарда.

Помещая электроды в различные точки электрического поля, можно зарегистрировать разность потенциалов, несущую определенную информацию об ЭДС источника тока. Следует отметить, что основные закономерности формирования электрограммы, присущие одиночному мышечному волокну, справедливы и для электрического поля источника тока в целом, и для формирования ЭКГ. Это означает, что конфигурация ЭКГ, прежде всего, будет зависеть от направления вектора диполя по отношению к электродам, точнее, по отношению к направлению оси электрокардиографического отведения.

Во время сокращения миокарда происходит одновременно возбуждение многих его участков, причем направление векторов деполяризации и реполяризации в каждом из этих участков может быть различным и даже прямо противоположным. При этом электрокардиограф записывает некоторую суммарную, или результирующую, ЭДС сердца для данного момента возбуждения.

Вектор электрического диполя сердца перемещается в грудной клетке во фронтальной, горизонтальной и сагиттальной плоскостях. Изменения вектора в указанных плоскостях находят наибольшее отражение при записи ЭКГ в ортогональных отведениях, которые будут рассмотренны ниже.

Модели эквивалентного электрического генератора сердца (ЭЭГС) широко используют в исследованиях электрического поля сердца, описывая его состояние через эквивалентные электрические параметры относительно выбранного центра системы координат.

Любую модель ЭЭГС можно охарактеризовать обобщенными качественными параметрами:

  • • физиологической и физической обоснованностью (адекватностью);
  • • доступностью для точного математического исследования (простотой);
  • • возможностью использования результатов моделирования в клинической практике как для оценки нормальной деятельности сердца, так и для анализа патологических процессов (приемлемой погрешностью).

Первая модель ЭЭГС была предложена в 1913 г. В. Эйнтхове- ном. В этой модели тело человека представлялось равносторонним треугольником, в центре которого располагалось сердце - источник электрического потенциала (треугольник Эйнтховена). Однако интерпретация данной модели и используемая терминология (проекция вектора электрической оси сердца на стороны треугольника) не имели ясного физического смысла. В связи с этим модель применяли только для иллюстрации подключения стандартных и однополярных отведений при снятии ЭКГ на электрокардиографах.

Толчком для создания адекватных физических моделей сердечной деятельности, способствующих более глубокому пониманию природы ЭКГ, стали достижения в области биологической физики, вычислительной техники и прикладной математики.

На клеточном уровне было достигнуто более ясное понимание связи между мембранным током и напряжением для клеток сердца. Значительно обогатилось знание пространственно-временных характеристик распространения возбуждения и восстановления невозбужденного состояния миокарда.

Развитие средств цифровой вычислительной техники обеспечило возможность достаточно быстрого и точного решения прямой задачи электрокардиографии, т. е. вычисления поверхностной ЭКГ по известному распределению ЭДС в сердце.

Развитие методов решения обратных задач математической физики дало возможность вычислять ЭДС сердца по данным, получаемым при записи поверхностной ЭКГ.

В результате этих достижений был выдвинут ряд гипотез, которые объясняли механизмы образования ЭКГ и сыграли важную роль в формировании взглядов на природу ЭКГ и информативность электрокардиографических отведений. На этой основе были сформулированы следующие исходные предпосылки для синтеза современной физической модели ЭЭГС:

  • 1) сердце рассматривают как совокупность возбудимых единиц - клеток миокарда;
  • 2) каждая единица (клетка) может находиться в одном из двух состояний: возбужденном (есть электрический заряд) и невозбужденном (заряд отсутствует). Данная предпосылка является аппроксимацией формы трансмембранного потенциала прямоугольным импульсом (рис. 12.58);
Аппроксимация формы трансмембранного потенциала / прямоугольным импульсом 2

Рис. 12.58. Аппроксимация формы трансмембранного потенциала / прямоугольным импульсом 2

  • 3) тело человека рассматривают как изотропную и гомогенную среду, что позволяет использовать принцип суперпозиции. Существуют исследования, посвященные оценке влияния не- гомогенности, анизотропности и конечности проводящей среды, из которых можно заключить, что искажения электрического поля, обусловленные этими факторами, будут касаться главным образом распределения эквипотенциалей, не вызывая существенных изменений формы ЭКГ и временных соотношений в пределах кардиоинтервала;
  • 4) при построении математический модели применяют аппарат электростатики. Поле постоянного тока в проводящей среде вне сторонних источников тока, как и электростатическое поле в областях, не занятых зарядами, удовлетворяют уравнению Лапласа. Поэтому можно воспользоваться методом электростатической аналогии, т. е. заменить элементарные источники тока на элементарные заряды;
  • 5) микротопография распространения возбуждения по волокнам миокарда в толще стенок сердца и на его поверхности - существенная основа построения модели. Эта картина представляет собой довольно регулярный и хорошо описанный процесс и определяется геометрией сердца, локализацией в нем пучка Гиса с его разветвлениями, а также соотношением скоростей распространения возбуждения по миокарду и волокнам проводящей системы.

В любой момент времени сердце имеет возбужденную область, в которой локализуются клетки с электрическим зарядом. Суммарный электрический заряд возбужденной области задается уравнением

где п - количество возбужденных клеток; q - элементарный электрический заряд (заряд одной клетки); рср - средняя объемная плотность клеток миокарда; Уво6 - объем возбужденной области.

Эта заряженная область создает в некоторой точке М пространства потенциал (р,„:

где г, - расстояние от г'-го элементарного заряда до точки М.

Из выражения (12.15) с учетом (12.14) получим

Возбужденная область миокарда с потенциалом

Рис. 12.59. Возбужденная область миокарда с потенциалом

где Rm - расстояние от точки М до «электрического центра тяжести» заряженной области. Очевидно, что М-точка отведения (рис. 12.59). Доказательство этого факта основано на теореме Гаусса и принципе аналогии электрических и механических явлений.

Рассмотренные выше теоретические положения дают возможность решить прямую задачу электрокардиографии.

С течением времени форма и размеры возбужденной области сердца меняются. Соответственно изменяется и суммарный заряд Q, а также расстояние до «электрического центра тяжести» заряженной области. Так формируется изменение потенциала в точке отведения М, т. е. ЭКГ.

Поскольку в электрокардиологии измеряется не потенциал, а разность потенциалов, при снятии сигнала с однополюсных и грудных отведений в качестве индифферентного электрода используется сигнал, получаемый объединением трех удаленных точек (отведений R, L, F). Значение этого сигнала составляет около 0,3 мВ и принимается за нулевой уровень.

Таким образом, изменение электрической активности сердца можно описать перемещением электрического центра сердца (ЭЦС) и изменением его заряда. Такая модель ЭЭГС характеризуется всего четырьмя параметрами, меняющимися во времени: тремя координатами ЭЦС и значением его заряда.

Изучение общих закономерностей образования ЭКГ, а также исследование влияния на ее форму таких факторов, как изменение геометрии сердца, блокады проводящих путей, изменение соотношения скоростей проведения и др., может быть существенно облегчено сведением задачи к двухмерной модели.

В связи с этим на первом этапе работы был рассмотрен плоский вариант модели (для саггитальной плоскости). Это позволило более строго описать задачу и освободить ее от несущественных на данном этапе подробностей, не нарушая сформулированных общих принципов построения модели электрической активности сердца.

Для перехода к двухмерной электрокардиологии достаточно в (12.14) заменить среднюю объемную плотность на поверхностную, а объем Кв о6 - на площадь 5 и одновременно уменьшить количество координат ЭЦС до двух.

При исследовании двухмерной модели была использована реальная картина распространения возбуждения в одном из сечений сердца.

В начальной фазе возбуждения желудочков электрическая активность направлена в стенке слева направо и несколько вперед. Такая волна порождает положительное отклонение в отведениях, расположенных на груди справа от сердца (VI и V2), тогда как крайние левые отведения (V5 и V6) регистрируют отрицательное отклонение. Сразу же после начала распространения возбуждения в глубину перегородки быстрое проведение по волокнам Пуркинье приводит к образованию в стенках волны возбуждения, направленной изнутри наружу.

В результате этого приблизительно через 35 мс после начала (Ж5-комплекса основной источник потенциалов локализуется в боковой и передней частях стенки левого желудочка. Отведения, находящиеся на левой стороне груди (V5 и V6), воспринимают потенциал приближающейся волны возбуждения, а правые грудные отведения (VI и V2) фиксируют уменьшение потенциала.

Аналогично на основании картины распространения волны возбуждения в сердце формируются последующие участки ЭКГ.

Конструирование целевой функции. В протоколах обследований врач задает количество функциональных проб, систему отведений для каждой пробы, чувствительность, скорость записи, длительность пробы, условие остановки записи и т. д. В протоколе обследований указывается шаблон отчета, по которому строится автоматический диагноз и выбирается необходимая таблица норм. Определим критерии эффективности: q - количество функциональных проб; q2 - длительность пробы; д3 - чувствительность системы отведения; q4 - точность автоматического заключения; q% - скорость записи.

Критерии q - q2 требуют минимизации своего значения, а критерий q2-qs~ максимизации.

Построение обобщенного критерия эффективности будем проводить на основе оценки расстояния между идеальной моделью и альтернативами:

Значения критериев: q,° = 2; =2 мин (пропускная способность обследования - 10 пациентов/ч); =0,01 мВ; =0,90; = = 1 Мбайт/с.

Минимально допустимые значения критериев: q™m = 5; q™x = = 5 мин (пропускная способность обследования - 2 пациентаУч)'; <7зтш = 0,005 мВ; qfn = 0,80; 5min = 300 кбайт/с.

Таким образом, вычисление значения обобщенного критерия эффективности осуществляют по формуле

Верификация модели биообъекта. Полученные при моделировании результаты можно проиллюстрировать с помощью рис. 12.60.

Очевидно, что модельные кривые качественно правильно описывают экспериментальные. Из рис. 12.60 следует, что физическая модель и соответствующая ей математическая модель качественно правильно описывают реальный процесс возбуждения миокарда.

Модельные / и экспериментальные 2 кривые ЭКГ при сигналах в отведенияхVI (a), V3 (б) и V5 (в)

Рис. 12.60. Модельные / и экспериментальные 2 кривые ЭКГ при сигналах в отведенияхVI (a), V3 (б) и V5 (в)

Электрокардиограф представляет собой аппаратно-программный комплекс, который содержит усилитель биопотенциалов и коммутатор ЭКГ-отведений с электронным управлением (рис. 12.61). К электрокардиографу может быть подключено различное количество электродов.

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы