Биопотенциалы

Федеральное Агентство по Образованию

Астраханский  Государственный Университет

Факультет математики и информационных технологий 
Кафедра «Управление качеством» 
Специальность «Инженерное дело в медико-биологической практике»  
 
 

Биопотенциалы 
 
 

Выполнил:

студент группы  ИБ-41

Алимуллаев  Р.К.

Проверил:

Маненков  В.И. 

                          
 
 
 
 
 
 

Астрахань

2012

Введение

     Биопотенциал (биоэлектрический потенциал, устар. биоток) — обобщённая характеристика взаимодействия зарядов, находящихся в исследуемой живой ткани, например, в различных областях мозга, в клетках и других структурах.

     Измеряется  не абсолютный потенциал, а разность потенциалов между двумя точками ткани, отражающая её биоэлектрическую активность, характер метаболических процессов. Биопотенциал используют для получения информации о состоянии и функционировании различных органов. 

     В каждом живом организме, в том  числе в организме человека, происходит бессчетное количество разных химических реакций, в них участвуют мириады разнообразных молекул, значительная часть которых ионизирована. А там, где есть ионы, там, где они накапливаются или перемещаются, там появляются вполне заметные электрические токи и напряжения. По этим токам и напряжениям (биотоки и биопотенциалы) нередко удается судить о состоянии организма и ходе некоторых процессов в нем.

     Наиболее  широко известна кардиография (от греческого кардиа — сердце) — регистрация  переменных напряжений, которые возникают  при сокращении сердечной мышцы. Человеческое тело — это своеобразная электрическая цепь из большого числа участков с разными сопротивлениями. Поэтому электрическое напряжение (биопотенциалы), которым сопровождается работа сердца, создав слабые внутренние токи, появляется и на поверхности, где их и регистрируют, приложив электроды к коже.  

     Медики  стандартизовали этот процесс, чтобы  можно было сравнивать кардиограммы, полученные в разных клиниках: биопотенциалы  снимают с помощью 12 электродов, приложенных к определенным точкам тела. После усиления отведенные сигналы записывают на бумажной ленто. Эти сигналы повторяются с каждым ударом сердца, и на них видны характерные участки (в частности, зубцы), которым медики дали свои обозначения — Р, Q, R, S, Т, V. По их форме и судят о работе самой сердечной мышцы и сердечных клапанов.

     Для диагностики и в научных исследованиях  регистрируют также биотоки, возникающие  при сокращении скелетных мышц (электромиография) и при работе мозга (электроэнцефалография). С помощью микроэлектродов научились  измерять даже биопотенциалы отдельной клетки, и это помогает понять сложные процессы, которые в ней происходят. Много интересного, в частности, узнали о том, как передаются, кодируются и обрабатываются бесчетные внутренние «телеграммы» организма — сложные электрохимические сигналы, именуемые нервными импульсами. Они переносят собранную информацию и команды управления по нервным волокнам разветвленных внутренних «сетей связи», общая протяженность которых в человеческом организме — десятки километров.

     Электрокардиограф, по нынешним меркам довольно простой прибор, его основа — чувствительный низкочастотный усилитель. Иногда к регистрирующим приборам добавляют достаточно сложные анализаторы, они сами оценивают характер изменения записанных биопотенциалов, помогая извлечь из них некоторую дополнительную информацию. Здесь уместно сделать специальное примечание для тех, кто полагает, что по биотокам мозга можно читать мысли. Эти биотоки лишь говорят об активности отделов мозга и представляют собой сумму сигналов, сопровождающих одновременную работу очень многих клеток. Из неразделимой суммы биотоков вряд ли когда-нибудь удастся прочитать конкретную мысль типа «хорошо бы мне завтра проснуться в 6 часов 30 минут».

     Тем более, что пока совершенно неясно, где и как зарождается, как  кодируется и в каком виде хранится конкретная мысль. И, может быть, даже сигнал отдельной клетки тоже есть сумма сигналов, так как каждая клетка, возможно, своего рода отдельный компьютер в огромной компьютерной сети мозга. 
Электроника входит в могучий союз наук, занимающихся исследованием электрических, магнитных и иных физических процессов в организме. В последние годы особенно возрос интерес к окружающим человека его собственным физическим полям — электромагнитному, тепловому, акустическому, химическому и другим. Интерес этот заметно подогревало желание выяснить, есть ли что-то реальное в сенсационных газетных сообщениях об искусстве экстрасенсов.

     Исследования  позволили обнаружить много интересных фактов и даже создать новые диагностические  приборы. Так, с помощью своего рода миниатюрного радиотелескопа регистрируют естественные слабые радиоизлучения человеческого тела и по ним оценивают температуру отдельных внутренних органов. А с помощью сверхчувствительных датчиков регистрируют тепловые поля отдельных участков работающего мозга и,слабые магнитные поля мозга, получая при этом очень важную информацию о них. Так, например, магнитный сигнал без каких-либо искажений проходит от сердечной мышцы к поверхности кожи, а на электрический сигнал на этом пути сильно влияют свойства тканей.

 

     Регистрация биопотенциалов

Электроды используются для диагностики заболеваний  и их терапии:

     1.  Электроэнцефалограмма  (ЭЭГ).  Электроэнцефалография  является одним из

основных методов  объективного тестирования функции  нервной системы.  ЭЭГ

регистрирует  разность потенциалов между двумя  точками поверхности головы

обследуемого.  Соответственно этому на каждый канал  регистрации подаются

напряжения,  отведенные двумя электродами:  одно на положительный,  другое на

отрицательный вход канала усиления.

Электроды для  электроэнцефалографии представляют собой металлические

пластины или  стержни различной формы. Обычно поперечный диаметр электрода

имеющего форму  диска,  составляет около одного сантиметра.  Наибольшее

распространение получили два типа электродов -  мостовые и чашечковые.

Мостовой электрод представляет собой металлический  стержень, закрепленный   в

держателе.  Нижний конец стержня,  контактирующий с  кожей головы,  покрыт

гигроскопическим  материалом,  который перед установкой смачивают

изотоническим раствором хлорида натрия. Электрод крепят с помощью резиновогожгута  таким образом,  что контактный нижний конец металлического стержня

прижимается к  кожи головы. К противоположному концу  стержня подсоединяют

отводящий провод с помощью стандартного зажима или разъема. Преимуществом

таких электродов является простота и быстрота их подсоединения,  отсутствие

необходимости использовать специальную электродную  пасту,  поскольку

гигроскопический  контактный материал долго удерживает и постепенно выделяет

на поверхность  кожи изотонический раствор хлорида  натрия.  Использование

электродов этого  типа предпочтительно при обследовании контактных больных,

способных находиться сидя или полулежа.

При обследовании маленьких детей и больных  с нарушением сознания и

контакта с  окружающим при долговременных записях  и исследовании сна

предпочтительны чашечковые электроды, имеющие форму  диска с приподнятыми

краями к которому припаян провод. Чашечка заполняется  контактной электродной

пастой, содержащей помимо раствора хлорида натрия, желеобразные связующие и

некоторые вещества размягчающие верхний слой эпидермиса. Электрод крепят на

голове с помощью  специальной резиновой шапочки,  липкой ленты или

приклеивают коллодием (рис.10).

Волосы раздвигают,  кожу тщательно протирают спиртом для удаления

жировой пленки,  образуемой выделением сальных желез,  сильно увеличивающей

сопротивление в области контакта с кожей  и способствующий тем самым

возникновению помех от внешних электромагнитных полей.

При регистрации  ЭЭГ для контроля наркоза состояния центральной нервной

системы во время  хирургических операций допустимо  отведение потенциалов с

помощью игольчатых электродов, вкалываемых в покровы  головы. 

После отведения  электрические потенциалы подаются на входы

усилительно-регистрирующих устройств. Входная коробка электроэнцефалографа

содержит 20-40 и  более пронумерованных контактных гнезд, с помощью которых к

электроэнцефалографу  может быть подсоединено соответствующее  количество

электродов.  Помимо этого,  на коробке имеется гнездо нейтрального электрода,

соединенного  с приборной землей усилителя  и поэтому обозначаемого знаком

заземления.  Соответственно электрод,  установленный  на теле обследуемого и

подсоединяемый  к этому гнезду называется электродом заземления. Он служит для

выравнивания  потенциалов тела пациента и усилителя. Чем ниже подэлектродный

импеданс нейтрального электрода,  тем лучше выровнены  потенциалы и,

соответственно,  меньшее синфазное напряжение помехи будит приложено на

дифференциальные  входы. 

Основным критерием выбора электродов при обретении их дополнительно к

имеющимся в  комплекте с электоэнцефалографом являются их конструктивные

удобства при  исполь-зовании, соответсвии требования гигиены и безопасности. 

     2.  Элекрокардиограмма  (ЭКГ).  Электрокардиограф -  это прибор,

позволяющий измерить напряжение, характеризующие работу сердечной мышцы,

в пределах от 0,01 до 0,5 мВ с регистрацией результатов  измерения на бумажной

ленте, фотоленте  или на экране электронного осциллографа   Входное устройство

прибора обладает активным сопротивлением в пределах от 0,5 до 2 МОм, в связи с

чем правильнее назвать электрическую активность сердечной мышцы термином"напряжение", а не  "биопотенциал". Электрическая  активность сердечной мышцы

может быть охарактеризована значением генерируемой энергии.

Электрокардиограф состоит из следующих основных частей:  электродов,

накладываемых на тело больного;  широкополосного  усилителя,  позволяющий

получить электрокардиографический сигнал,  который может непосредственно

привести в действие электромагнитный измерительный прибор с регистратором

напряжения;  лентопротяжного механизма;  эталонного источника напряжения,

позволяющего  уточнить масштаб измеряемого напряжения, и комплекта проводов,

соединяющих электроды  с электрокардиографом.  Наиболее часто используют

отведения, показанные на рис.3.

   

Рис. 3. Типовые  схемы наложения электродов при  снятии

электрокардиограммы.

Кроме этих основных отведений,  при полном кардиографическом

обследовании  применяются грудные отведения,  при которых электроды

накладываются на поверхность грудной клетки у  правого края грудины, у левого

края ее, на левой  подмышечной линии, в ряде промежуточных  точек.

При снятии ЭКГ  на тело больного накладываются электроды,  которые с

помощью гибких проводов через переключатель отведений подключаются квходным зажимам усилителя, с этой целью в основном используются электроды в

виде плоских  металлических пластин,  либо чашечковые электроды (см. рис. 10, в).

     3. Электромиограмма  (ЭМГ). Биопотенциалы  мышц представляют форму

биоэлектрической  активности,  характеризуемую наиболее широким диапазоном

колебаний амплитуды  и частотного спектра.  Амплитуда  ЭМГ,  в зависимости от

характера отведения  и объекта исследования,  может  изменяться в пределах от

величин,  ограниченных разрешающей способностью усилителя  (единицы

микровольт)  до нескольких десятков милливольт.  Частота следования импульсов

электрической активности мыщц колеблется в пределах 10-200 Гц, а спектр ЭМГ

может иметь  компоненты, лежащие в пределах от 1 Гц до 8-10 КГц. Выпускаемые

отечественной промышленностью электромиографы  (например, аппарат ЭМГ2-01)

позволяют регистрировать в основном все виды биоэлектрической активности

мыщц;  максимальное усиление,  соответствующее отклонению пера до  1мм на

5мкВ, частотная характеристика - от 10Гц до10КГц (с неравномерностью + 10%).

     4.  Электроокулограмма  (ЭОГ).  Запись  биопотонцеалов глазного яблока,

возникающих между  его передним и задним полюсами при  движениях глаза. При

этом исследователя  интересуют данные как о величине потенциалов, так и о ритме

движений глазных  яблок. Электроды устанавливают  обычно в области наружных

углов глаз. Амплитуда  этих сигналов не превышает в среднем 100 мкВ. Частотный

спектр ЭОГ  лежит в пределах 0,5-15 Гц.

     5. Электростимулятор. Электротехника и электроника все ускоряющимися

темпами внедряются в медицину.  Одним из примеров этого может служить

электростимулятор сердечной деятельности. Известно, что от биоритмов  (а к ним

относятся и  частота сердечных сокращений, и  дыхание, и многое другое) зависит

жизнедеятельность человека.  Страшным недугом оборачивается  для человека

нарушение ритма  сердечной деятельности. Для поддержания  ритмов работы сердца

и предназначен электростимулятор -  очень небольшой  по своим размерам

электронный механизм,  либо вживляемый непосредственно в сердечную мышцу,

либо располагаемых  на ней. 

Управляется электростимулятор  биоритмом сердечной мышцы - периодами

ее сокращения и расслаблениями.  В случае нарушения  числа сердечных

сокращений небольшие  электроды подают сигналы на электростимулятор,

который,  в  свою очередь,  начинает подавать импульсные электрические сигналы

на сердце -  сигналы,  соответствующие нормальной частоте сокращений.  Эти

электрические  "раздражающие"  сердечную мышцу  импульсы помогают сердцу

вернуть потерянный им ритм сокращений. Тысячи людей живут с вживленными в

их тело электростимуляторами,  этими помощниками сердца без  которых больной

организм не может сохранять необходимый  для жизни биоритм.

Электростимулятор,  как всякий электроприемник, расходует

электроэнергию.  Ее можно от вживленного в полость  грудной клетки

аккумулятора,  для подзарядки которого на поверхность  тела выводятся провода.

Человек вынужден периодически подзаряжать аккумулятор.  Другой вариант

работы электростимулятора - питание от электробатареи. 

Но появился более совершенный электростимулятор  питание которого,

осуществляется  от биоисточника электричества. Биоисточник  может генерировать

биотоки напряжением  до десятков милливольт и даже больше.  Биотокипредставляют собой движение заряда носителей на атомно- молекулярном уровне

и составляют микроамперы,  и даже меньше.  Но для работы электростимулятора

нужна очень  небольшая мощность,  и поэтому  даже такие токи могут оказаться

достаточными.

Установили, что  биоэлектричество можно получить с помощью электродов,

которые подобно  тому как это делается при снятии электрокардиограммы,

накладываются непосредственно на кожу.  И здесь  кожа является превосходным

помощником.  От электродов,  прилегающих к  коже,  провода подводятся к

электостимулятору.  Приборы,  реализующие этот метод,  очень сложны в

эксплуатации  и недостаточно надежны, а главное  напряжение такого биоисточника

не выходит  за пределы десятков микровольт, а  ток, следовательно еще меньше. 

Более эффективны электроды,  вживляемые в клетчатку кожи.  Вживление

может быть осуществлено непосредственно над электростимулятором  или в иных

местах, но последнее  хуже ибо тогда не избежать расположения электропроводов

на поверхности  тела.  Электроды выполняются  из золота,  платины и титана.

Напряжение подобного  источника тока может достигать  2В. Получаемая при этом

мощность уже  вполне достаточна для описываемых  целей. Важно и то, что такая

система питания  электростимулятора вполне надежна,  схема предельно роста и

может быть выполнена на микропроцессорах,  электроники нового этапа

технического  прогресса.

Электростимуляция -  молодое,  быстро развивающееся  направление в

кардиологии и  медицинского приборостроения.  Многим людям

электростимуляторы  сохранили жизнь. Поэтому продолжение  исследований по их

усовершенствованию,  и в первую очередь по использованию  биоисточников

питания на клетчатке  кожи, вполне оправданно и необходимо. 

     6.  Гальванизация и лекарственный  электрофорез.  С помощью

электрофореза или ионофореза в организм через  кожу вводятся антибиотики,

иодистые препараты,  разные лекарственные соединения.  Лекарственные

соединения вводимые с помощью постоянного тока через  кожу, оказывают общее

действие на организм.  Накапливаемые в кожных покровах лекарственные

соединения вызывают раздражение нервных окончаний.  Они раздражаются

непосредственно вводимыми химическими соединениями и электрическим током.

В то же время  лекарственные соединения с током  лимфы и крови всасываются  в

капилляры и  разносятся через эти системы по всему организму, оказывая действие

на ткани, наиболее чувствительные к данному веществу.

Способы проведения этой процедуры отличаются друг от друга по приемам

ввода, по местам расположения электродов и, конечно, по составу лекарственных

соединений.  Широко применяется ввод лекарственных веществ через руку или

ногу  (рис.4).  Руку или ногу помещают в ванночку,  заполненную раствором

лекарственного  соединения.  Один из электродов опускают в ванночку,  второй

накладывают на конечность,  выше места погружения руки или ноги в ванночку.

При электрофорезе  с помощью ванночек чаще всего  используют угольные

электроды. При  таких электродах в лекарственный  раствор попадает минимальное

количество загрязнений, появляющихся в процессе прохождения  тока за счет тех

или иных примесей.

 Рис. 4.  Электрофорез  лекарственных веществ с использованием  ванны с

угольными электродами.

Наиболее распространен  способ электрофореза,  при котором  электроды,

представляющие  собой эластичные металлические  пластины,  накладываются

непосредственно на тело. Между телом и электродом прокладывают фланель или

бязь, обезжиренную кипячением, марлю, а иногда просто фильтровальную бумагу.

Прокладку пропитывают  лекарственным раствором,  электроды  подключают к

источнику постоянного  тока,  и процесс ввода лекарств начинается.  Материалом

для электрода  может служить платина, золото, серебро, латунь, алюминий, свинец.

Выбор металла  обусловлен составом лекарственного соединения: входящие в него

вещества должны быть инертны по отношению к данному  металлу. Наиболее часто

используют листовой свинец, покрываемый иногда тонким слоем олова. Листовой

свинец удобен: он легко принимает форму поверхности  тела человека, на которую

накладывается;  его легко можно резать ножницами,  придавая электроду любую

форму.  Толщина электродов 0,5 - 1,0  мм.  Площадь электродов  (рис.5),

используемых  при электрофорезе,  находиться в  пределах от 15-20  до 200-300  кв.

см.  Опытным  путем установлены оптимальные  значения плотности тока,  равные

0,03- 1 мА/кв.см. Если  площадь анода и катода различны, плотность тока в цепи

устанавливается по наименьшему электроду. Напряжение, при котором проводится

электрофорез, составляет 15 - 20 В.

 Рис. 5. Электрофорез  при использовании накладных  электродов.

     7. Диадинамотерапия. Сущность метода заключается в использовании для

лечения постоянных токов с полусинусоидальной формой импульсов, следующих с

частотой 50  Гц  (однотактный ток)  или 100  Гц (  двухтактный ток). Эти два вида

тока в зависимости  от цели воздействия могут подводиться к организму либо

каждый в отдельности  непрерывно,  либо с паузами,  либо при непрерывном

чередовании их в составе периодов разной длительности в течении всей

процедуры.

     Для проведения диадинамическими токами пользуются электродами,

принципиально не отличающимися от используемых для гальванизации и

электрофореза лекарственных веществ.  Такой  электрод состоит из хорошо

проводящей ток  металлической пластинки, угольной ткани и мягкой гидрофильной

прокладки толщиной около 10 мм, помещаемой на тело пациента. Дополнительно

можно использовать круглые и чашечковые электроды (рис.10,в).

     8. Амплипульстерапия (СМТ). Воздействие  на определенные участки тела

пациента синусоидальными  токами средней частоты,  модулированными  по

амплитуде низкой частотой в пределах 10-50  Гц.  Наиболее часто в качестве

несущей используется частота 5000  Гц,  при которой  вследствие очень малого