01Hastq_1_2010 (1006397), страница 8

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 8)

На рис 4.5 показан процесс возбуждения клетки пороговыми импульсами тока: поведение потенциала позволяет делать заключение о сложности происходящих процессов. Релаксационное начало деполяризации происходит с задержкой порядка 0, 2 мс после окончания воздействия стимула.

4.4. Наблюдение деполяризации клетки внутренним и внешним электродом. Следует подчеркнуть, что форма сигнала деполяризации резко отличается при наблюдении внутриклеточным и внешними электродами. На рис 4.4 электрод А введен внутрь клетки. Начальная разность потенциалов (порядка -70 мВ) в момент деполяризации резко спадает (длительность около 1 мс). При этом формируется положительный выброс до 16 мВ. Потенциал переходит в нулевое плоское плато и примерно через 200мс (для клеток миокарда) начинается процесс реполяризации: мембрана восстанавливает свои избирательные свойства для ионов и медленно (за время порядка 100 мс) возрождает потенциал -70 мВ. Эта форма сигнала наблюдается внутриклеточным электродом.

Р ассмотрим особенности формы импульса при деполяризации сферической клетки для униполярного внешнего электрод А, как показано на рис 4.6. На рисунке представлена структура клетки нерва. Возбуждение от одного из сенсорных дендритов достигает клетки и начинается ее деполяризация. Процесс можно представить как "раскрывающуюся" сферическую клетку от точки начального возбуждения. Согласно рассмотренной выше теореме о потенциале ДЗС электрод А будет наблюдать начало импульса «раскрытия» пропорционально увеличивающемуся пространственному углу , опирающемуся на контур L деполяризованного участка клетки. Положим, что радиус этого контура нарастает линейно во времени t. Тогда угол  будет изменяться по параболическому закону кt² (к - константа). Такая форма будет сохраняться, пока не достигается максимум. Затем импульс перейдет в характерную для разряда конденсатора экспоненциальную форму. Нам примерно известна удельная емкость мембраны клетки С_уд=(1-10) мкФ/см². Тогда мембранная емкость половины клетки диаметром D будет равна S*C_уд=0.5ПD²C_уд. Разряд емкости происходит на сопротивление внешнего к клетке пространства, его величина примерно равна R=/4πD (см. раздел 2. Монополь). Постоянная времени разряда  будет  = Суд*D*/2 (=1000 Ом*метр, D=10^-4м). Для принятых значениях =0,125-1.25 мс. Эти величины хорошо регистрируются, однако амплитуды импульсов незначительны для реальных расстояний до электродов (единицы мкВ).

4.5. Сигнал деполяризации длинного нейрона. Возбуждение клетки переходит в длинный отросток эфферентного нейрона. Длина достигает одного метра и более. Процесс деполяризации распространяется со скоростью около 60 мс, передний фронт имеет резкую границу (бегущую вдоль нейрона). Найдем форму сигнала наблюдаемую внешними электродами.

Пусть регистрирующий электрод расположен в точке А вне клетки. Сконструируем искусственный элемент (назовем его блок), состоящий из двух ДЗС, расположенных очень близко и встречно друг к другу (см рис 4.7). Внешнее поле такого блока равно нулю, ибо встречные ДЗС компенсируют друг друга. Следовательно этот блок можно перемещать произвольно в пространстве, не нарушая общую картину электрического поля. Расположим наш блок в области бегущего фронта деполяризации нейрона. Один из двух ДЗС нашего блока "замкнет" ДЗС оставшейся не деполяризованной части нейрона. В результате этот замкнутый нейрон не будет иметь внешнего поля. Останется поле второй части нашего блока: этот ДЗС и будет отражать реальную картину поля фронта деполяризую­щегося нейрона. Он "бежит" вдоль нейрона со скоростью деполяризации.

Д иаметр нашего ДЗС примерно равен диаметру нейрона, т.е. не более 0.1мм. На реальных расстояниях от приемных электродов этот ДЗС с высокой точностью эквивалентен диполю, момент диполя направлен по оси нейрона, с плюсовым напряжением по направлению движения фронта. Зная скорость и расстояние от нейрона до приемного электрода, легко определить наблюдаемую форму импульса. На рис 4.7 показаны реальные формы сигналов нейронов. Наблюдаемую амплитуду можно оценить по формуле раздела 2 Диполь: U(R,φ) = =V (D*ℓ/2R²)*cosφ, где V=80мВ, D=0.1мм, ℓ=20_*10^-3 мм, R- расстояние до активного электрода от бегущего ДЗС. R и cosφ необходимо выразить через общий параметр t.

4.6. Сигнал деполяризации скелетных мышц (Рис 4.8)

Р
ассмотрим деполяризацию мышечных структур. Скелетные мышцы состоят из множества нитевидных волокон. К ним подходят отростки нейронов, передающих возбуждение. Каждый отросток подходит к своей мышечной нити. Возбуждение начинается примерно с середины мышцы. Один нейрон возбуждает от 16 до 1000 нитей, обслуживаемые им нити деполяризуются совместно, одновременно, как единая двигательная единица. Фронт возбуждения распространяется от центра мышцы к краям со скоростью 7 м/с. Формируется как бы два бегущих друг от друга ДЗС. Если мышца иннервируется искусственным стимулом, то все двигательные единицы возбуждаются одновременно и наблюдается импульс сигнала с большой амплитудой (М ответ). Его длительность около 10 мС (Рис 4.8). Если мы наблюдаем естественную активность мышцы, то множество двигательных единиц активизируется в разное время, сигналы произвольно накладываются друг на друга и наблюдается шумовой сигнал: миограма (рис 4.8).

4.7. Сигналы деполяризации миокарда (рис 4.9)

Мышца сердца (миокард) не разделена на отдельные "двигательные единицы", она деполяризуются автономно как "сцинтилий" (вспышка). Управляющие нейроны высшей нервной системы регулируют только частоту возбуждения - ЧСС (пульс). Начало возбуждения происходит в синусовом узле. Собственная частота возбуждения синусного узла составляет около 75 ударов в минуту, но она регулируется воздействием а) симпатической и парасимпатической нервных систем и б) содержанием углекислоты в плазме крови (и других веществ), в) венозным давлением возврата крови. Концентрация углекислоты и венозное давление повышаются при физической работе мышц. Это регулирование происходит в широких пределах: от полной остановки сердца до 220 ударов в минуту. Типовая ЭКГ представлена на рис 4.9.

В
миокарде фронт деполяризации распространяется в виде единого ДЗС поперек мышечных волокон: от эндокарда к эпикарду. Фронт возникает почти сразу по всей внутренней поверхности эндокарда (неодновременность порядка 10 мс.). При этом формируется ДЗС сложной формы, повторяющей форму желудочков сердца. Согласно теореме о потенциале ДЗС наблюдаем мы только сигнал, определяемый замыкающим контуром ДЗС, форма которого определяется геометрией сердца и лишь косвенно ходом процесса деполяризации. По этой причине многие подробности возбуждения миокарда оказываются скрытыми и при расшифровке кардиограмм требуется опыт и искусство врача. Подробнее сигнал ЭКГ рассмотрен в главе 5.2

4.8. Сигналы энцефалограммы

С
игналы энцефалограмы являются отображением процессов деполяризации больших групп нейронов центральной нервной системы (ЦНС) и переходов возбуждения от одних групп к другим. При этом возникают потенциалы неравновесного распределения ионов (раздел 4.1) и структуры ДЗС. Сигналы деполяризации отдельных нейронов практически не наблюдаются, хотя в последние годы разработана методика регистрации вызванных потенциалов, приблизившая нас к этой задаче. Типовые ЭЭГ представлены на рис 4.10

Т.к. в формировании ЭЭГ принимает участие множество нейронных структур, то наблюдается суммарный сигнал шумового вида. Он периодический и почти синусоидальный, что говорит о кольцеобразном движении возбуждения.

Большую роль в наблюдении ЭЭГ имеет метод вызванных потенциалов. По этому методу реакция ЦНС вызывается внешними стимулами и наблюдаемый сигнал имеет характер синхронизированных откликов. Накопление 100 – 1000 откликов позволяет их выделить в шумах. Вид откликов характеризуется многими пиками, каждый из которых отображает прохождение возбуждения отдельной структурой ЦНС. (рис 4.9 б,в,г)

4.9. Графики параметров биопотенциалов

Длительное наблюдение биосигналов называется мониторированием. Кроме собственно биопотенциалов наблюдаются графики их параметров. Например, ритмограма сердца (график ЧСС или RR интервалов), графики изменения температуры, АД, частоты дыхания. На графиках выделяют моменты нарушений. Резкое изменение пара­метров называется трендом. Медленное - дрейфом. Интерес представляет точки начал и величина (скорость) дрейфа и моменты появления трендов. В эти моменты информативны морфологические изменения сигналов. При выходе параметров графиков за определенные пределы вырабатываются сигналы тревоги.

Практически все биоструктуры охвачены обратными связями, в каждом организме ежесекундно работают процессы авторегулирования. Обратные связи устраняют возникающее отклонение от нормы и обеспечивают протекание процессов вблизи оптимальных (нужных для организма) значений. Регуляцией охвачены ритм сердца (ЧСС), артериальное давление (АД), частота и глубина дыхания, работа мышц туловища при вертикальной стойке, все движения под управлением зрения т.д.

Контролировать качество систем регулирования сегодня предлагается врачам по спектру графиков сигналов биосистем, однако проще и надежнее это обеспечивается по виду переходного процесса регулирования. Переходной процесс возникает при подаче внешнего воздействия - стимула. При выборе типа стимула следует учитывать длительность его воздействия: короткое или продолжительное. Продолжительными считаются нагрузочная и лекарственная пробы (т.е. продолжительность воздействия значительно большая, чем время регулирования). Короткими - болевые электро стимулы, ударные и др. Контролируются следующие параметры переходного процесса: латентный период от стимула до начала регулирования, продолжительность регулирования, вид переходного процесса (монотонный, с выбросом перерегулирования, колебательный) и остаточная ошибка регулирования.

В условиях без конкретного внешнего стимулирования система находится под воздействием многих случайных воздействий. Тогда сигнал регулирования имеет вид шума. Спектральный анализ этого сигнала позволяет определить некоторые параметры и качество регулирования, однако непосредственное наблюдение переходных характеристик под воздействием конкретных стиму­лов позволяет наблюдать желаемые характеристики надежнее, нагляднее и избирательнее.

В заключение в таблице 1 представлены основные параметры типовых электро био сигналов человека. Таблица 1.

Характеристики

Список файлов лекций