Где и как возникает биоэлектричество?
Электрография — это наука об изучении связей между электрофизиологическими и клинико-анатомическими процессами живого организма. Электрография представляет собой область изучения электрической активности живой ткани, а электрокардиография — соответственно диагностический метод оценки состояния сердечной мышцы и сердечнососудистой системы при изменении во времени их электрической активности.
Применение электрокардиографии началось в конце 20-х годов текущего столетия, когда крупнейший английский электрофизиолог Эдриан предложил для регистрации электрической активности сердечной мышцы, органов, нервов и других систем организма человека использовать магнитоэлектрический осциллограф, позволяющий интерполировать электрическую активность, записывать ее кривую на бумажной ленте. После этого электрическая диагностика бурно развивается. Изготовление предназначенных для нее приборов становится самостоятельной отраслью медицинского приборостроения. Развитие электроизмерительной техники, методов регистрации и всё возрастающий клинический опыт привели к тому, что электрокардиограф (прибор для снятия кривой электрической активности) стал достоянием любой поликлиники и является в настоящее время одним из основных приборов скорой и неотложной помощи.
Между первыми наблюдениями, электрических свойств живой ткани и массовым использованием электрокардиографа прошло много десятков лет. Электроизмерительная техника развивалась достаточно быстрыми темпами, и имевшиеся возможности измерения электрической активности сердца могли бы быть реализованы раньше. Однако этого не произошло из-за того, что природа явлений, обусловливающих электрическую активность сердца, была неясна. Существовавшие гипотезы были противоречивы и не объясняли всей сути явлений. Для решения этой проблемы нужна была уникальная комплексная физико-химическая и квантовомеханическая измерительная аппаратура.
В 1928 г. английский ученый Меттюс предложил сравнивать процесс генерирования, распределения и потребления электроэнергии организма человека с процессами, происходящими в энергосистеме; В соответствии с этим им предусматривалось наличие в организме человека локальных генерирующих центров (подобных гидро- и теплоэлектростанциям), системы распределения тока по мышечным и другим тканям (подобной линиям электропередачи и электроподстанциям), сети электропотребителей в виде тканей и органов. Предполагалось, что управление подобной "электросистемой" осуществляется центральной нервной системой. Прошло много лет, а гипотеза Меттюса продолжала незримо царить в электрофизиологии. Говорилось, например, о наличии центров электрической активности в интравертикулярном и синусных узлах сердечной мышцы соответственно генерированию биотока двух разных частот. Предполагалось наличие локальных генераторов электрической активности в виде электрогальванических элементов различных преобразователей, электрофорных машин, солнечных батарей и т. д. Гипотеза Меттюса, несмотря на исключительную условность, в известной степени упорядочила электрофизиологические представления своим системным подходом.
Развитие физики твердого тела, и особенно физики жидких кристаллов, позволяет предложить принципиально иную модель электросистемы человека: генерирование "биоэлектричества" происходит не в отдельных локальных центрах, а одновременно и взаимосвязано во всем организме за счет перехода жидкой кристаллической структуры тканей, например системы кровообращения, в жидкость, т. е. в систему неупорядоченную, и, наоборот, вещества жидкой фазы — в жидкокристаллическую упорядоченную систему. Переход вещества из одного фазового состояния в другое сопровождается поляризацией зарядоносителей, т. е. появлением и изменением биоэлектрической активности. Прямых доказательств того пока нет, но и нет принципиальных возражений, опровергающих эту гипотезу. Дальнейшие исследования подтвердят или опровергнут правильность и такой гипотезы.
Английский учёный Р. Милликен разработал квантово - механическую теорию переноса заряда, систематизировал имеющиеся данные экспериментов. Развитие науки о полупроводниковых свойствах вещества, включая и биополимеры, открывает огромные и интереснейшие перспективы в изучении природы биопотенциалов. Вероятно, имеет место сложное явление суперпозиции (совмещения) различных гипотез. Возможно, будет найдено совершенно новое объяснение многообразия явлений биоактивности. А пока практическая электрография базируется на огромном числе эмпирических данных и клинических наблюдениях, успешно помогая врачу.
Электрокардиограмма.
Электрокардиограмма — это кривая изменения электрической активности сердца, характеризующая деятельность сердечной мышцы в функции времени за период от поступления крови в предсердие до поступления ее в аорту. На графике по вертикали регистрируются изменения значения напряжения в милливольтах, по горизонтали — время в секундах. Для того чтобы получить электрокардиограмму (ЭКГ), достаточно наложить на тело человека два электрода поверхностью 40-60 см2 и подключить их к измерительному регистрирующему прибору. Многочисленные исследования позволили найти участки тела, измерения с которых позволяют получить кривую, дающую наибольшую информацию. Существующие электрокардиографы могли бы давать более полную информацию, если бы расширить пределы регистрируемых частот.
Но каким образом электрическая активность распространяется по телу? Почему при расположении электродов на одних местах тела регистрируется одна кривая, а при расположении на других — другая? Исчерпывающего ответа на эти вопросы пока нет.
Общие соображения об электрофизике явлений крайне противоречивы, так же как и биофизика источника электрической энергии. Определение путей распространения биотоков по телу человека нуждается в развернутых исследованиях. Надо отдать дань уважения электрофизиологам медикам-клиницистам, которые сумели это сложнейшее явление использовать на благо человека. Возникла прикладная наука — электрокардиография.
Рис. 1. Нормальная электрокардиограмма здорового человека Интервал I, характеризуемый зубцомP, — работа предсердия; интервал II, характеризуемый зубцами Q, R, S, Т, — работа желудочков
Электрокардиографические данные дополняют клиническую картину течения заболевания, помогают врачу в правильной диагностике и правильной оценке хода лечения. Не случайно подчеркнуто то, что электрокардиографические данные диагностики лишь дополняют общую диагностику. В подавляющем большинстве случаев они взаимно однозначны. Но все же, хотя и редко, бывает так, что клиническая картина заболевания не регистрируется электрокардиограммой..
Электрокардиограф состоит из следующих основных частей: электродов, накладываемых на тело больного; широкополосного усилителя, позволяющего получить электрокардиографический сигнал, который может непосредственно привести в действие электромагнитный измерительный прибор с регистратором напряжений; лентопротяжного механизма; эталонного источника напряжения, позволяющего уточнить масштаб измеряемого напряжения, и комплекта проводов, соединяющих электроды с электрокардиографом.
Диагноз на расстоянии
Итак, значение напряжения, возникшего в процессе жизнедеятельности, и его изменение во времени характеризуют состояние живого организма. На примере определения нарушений деятельности сердечно-сосудистой системы и сердечной мышцы показано, каким хорошим помощником врача являемся животное электричество. Помощником врача оно служит и при установлении диагноза многих других заболеваний. Современная электроизмерительная техника создает возможность достаточно просто регистрировать амплитуды, временные интервалы и форму импульсов животного электричества. Но какие неизмеримо широкие возможности перед врачом открывают радиоэлектроника и радиотехника! Врач осматривает больного и выслушивает тоны сердца, когда он лежит в постели или стоит перед врачом. Но сердце часто болит не тогда, когда человек находится в состоянии покоя, а при ходьбе, при выполнении той или иной производственной операции или просто во время работы. Участковый врач и сейчас ограничивается информацией о состоянии человека в покое. Радиоэлектроника и радиотехника позволят дать в руки врача принципиально новые методы диагностики.
В конце 20-х годов робко, а в начале 30-х более решительно И. П. Павлов высказывал пожелания создать измерительную аппаратуру, позволяющую на расстоянии наблюдать за состоянием подопытного животного и за состоянием человека в процессе его деятельности. Реализацией этой идеи занялся крупнейший ученый физиолог Л. А. Орбели — ученик, соратник и друг И. П. Павлова.
Л. А. Орбели совместно с А. А. Ющенко и Л.А.Черновкиным создали передатчик, помещаемый на спине животного. С помощью передатчика и созданного ими же приемного устройства на расстоянии регистрировалось поведение собаки. Объект эксперимента, образно говоря, радиофицированная собака, не был ограничен в своей двигательной активности. Подобный эксперимент явился крупным, принципиально новым достижением. Несовершенная радиотехническая аппаратура того времени не обладала нужными габаритами и массой. О микроминиатюризации еще и не помышляли.
В послевоенные годы и, особенно, в середине 50-х годов началась широкая разработка измерительных устройств, помещаемых непосредственно на объекте наблюдения. В 1963 г. был сконструирован радиопередатчик на пяти транзисторах. Его масса совместно с источником питания (окиснортутной батареей) составляла 36 г. Длина его была равна 7,6 см, диаметр 3,5 см. Радиопередатчик мог работать 20 ч при радиусе действия около 1 км. И вот первое открытие: помещенный на голубе подобный передатчик, регистрируя и передавая экспериментатору показания — частоту пульса по числу максимальных амплитуд электрокардиограммы, позволил установить изменение числа сокращений сердца голубя в покое и в полете. В покое число сокращений в минуту составляло 150—170, в полете — соответственно 350—600, т.е. увеличивалось почти в три раза. На рис. 2 показан голубь с передатчиком.
В середине 50-х годов были созданы системы, позволяющие регистрировать частоту пульса по значению максимальной амплитуды электрокардиограммы у парашютистов в момент прыжка, да и не только частоту пульса, но и всю электрокардиограмму. Вскоре эти же методы радиотелеметрии, т. е. передачи измеряемой величины с помощью радио на расстояние, начали применять при тренировках экипажей самолетов. 12 апреля 1961 г. был совершен первый полет космического корабля, пилотируемого Ю. А. Гагариным, а 6 августа того же года — второй полет на корабле "Восток-!", пилотируемом Г. С. Титовым. Во время полетов производился непрерывный контроль за сердечной деятельностью космонавтов, снималась и передавалась на Землю электрокардиограмма, по которой регистрировалась частота пульса одновременно.
Рис. 2. Радиопередатчик на голубе для телеметрии пульса
Самое важное и принципиальное достижение биотелеметрии заключается в том, что удалось установить тождественность формы кривой электрической активности, характеризуемой электрокардиограммой, для здорового человека, находящегося в покое и в состоянии длительной активности. Далее, несомненно, появилась возможность оценки работы сердца и при различной нагрузке. Биотелеметрия в целом находится в стадии становления. Многое еще будет совершенствоваться, и пути этого совершенствования уже намечаются. Например, при биотелеметрии целесообразно совмещать передачу биоинформации с двусторонней радиотелефонной связью.
НПФ "Янтарь" (www.ionization.ru)
Полное или частичное цитирование данной статьи запрещено