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