Лабораторная работа №
«Изучение работы электрокардиографа»

Приборы и принадлежности: электрокардиограф одно/трёхканальный ЭК1Т-1/3-07,велоэргометр.
Цель работы: Изучение принципа работы электрокардиографа, снятие электрокардиограмм и измерение их характеристик. Определение влияния физической нагрузки на показания при помощи велоэргометра.

Теория работы:

Электрокардиография (ЭКГ) – один из важнейших методов диагностики заболеваний сердца. Наличие электрических явлений в сокращающейся сердечной мышце впервые обнаружили два немецких ученых: Р. Келликер и И. Мюллер в 1856 году. Они провели исследования на различных животных, работая на открытом сердце. Однако возможность изучения электрических импульсов сердца отсутствовала до 1873 г., когда был сконструирован электрометр, прибор позволивший регистрировать электрические потенциалы. В результате совершенствования этого устройства появилась возможность записывать сигналы с поверхности тела, что позволило английскому физиологу А. Уоллеру впервые получить запись электрической активности миокарда человека. Он же впервые сформулировал основные положения электрофизиологических понятий ЭКГ, предположив, что сердце представляет собой диполь, т. е. совокупность двух электрических зарядов, равных по величине, но противоположных по знаку, находящихся на некотором расстоянии друг от друга. Уоллеру принадлежит и такое понятие, как электрическая ось сердца, о которой будет сказано ниже.

Но до практического использования регистрации электрических потенциалов сердца было еще далеко. Первым, кто вывел ЭКГ из стен лабораторий в широкую врачебную практику, был голландский физиолог, профессор Утрехтского университета Виллем Эйнтховен. После семи лет упорных трудов, на основе изобретенного Д. Швейггером струнного гальванометра, Эйнтховен создал первый электрокардиограф. В этом приборе электрический ток от электродов, расположенных на поверхности тела, проходил через кварцевую нить. Нить была расположена в поле электромагнита и вибрировала, когда проходящий по ней ток взаимодействовал с электромагнитным полем. Оптическая система фокусировала тень от нити на светочувствительный экран, на котором фиксировались ее отклонения. Первый электрокардиограф был весьма громоздким сооружением и весил около 270 кг. Его обслуживанием были заняты пять сотрудников. Тем не менее, результаты, полученные Эйтховеном, были революционными. Впервые в руках врача оказался прибор столь много говорящий о состоянии сердца. Эйтховен предложил располагать электроды на руках и ногах, что используется и по сегодняшний день. Он ввел понятие отведения, предложив три так называемых стандартных отведения от конечностей, т. е. измерение разницы потенциалов между левой и правой рукой (I отведение), между правой рукой и левой ногой (II отведение) и между левой рукой и левой ногой (III отведение). Заслуги Эйнтховена были оценены по достоинству и в 1924 г. ему была присуждена Нобелевская премия.

Однако, откуда же взялись остальные отведения ЭКГ, спросите Вы? Они появились постепенно, когда врачам стало понятно, что трех отведений Эйнтховена не хватает для точной оценки электрокардиограммы. В двадцатых годах прошедшего века, Гольдбергер предложил еще три отведения, назвав их усиленными. При регистрации этих отведений одним из электродов служит одна из конечностей, а другим – объединенный электрод от двух других (индифферентный электрод). Разница потенциалов, измеренная между правой рукой и объединенными левой рукой и левой ногой, называется отведением aVR, между левой рукой объединенными правой рукой и левой ногой – отведением aVL и между левой ногой и объединенными руками – отведением aVF.

В дальнейшем, Вильсоном были предложены грудные отведения ЭКГ, в которых одним из электродов является точка на поверхности грудной клетки, а другим – объединенный электрод от всех конечностей. Электрод отведения V1 располагается в IV межреберье по правому краю грудины, V2 – во IV межреберье по левому краю грудины, V3 – на уровне IV ребра по левой окологрудинной (парастернальной) линии, V4 – в V межреберье по левой среднеключичной линии, V5 – в V межреберье по левой передней подмышечной линии и V6 – в V межреберье по левой средней подмышечной линии.

Таким образом, сформировалась привычная для нас система электрокардиографических отведений. Однако иногда используются и дополнительные отведения, когда общепринятые отведения оказываются недостаточными. Необходимость в этом возникает, например, при аномальном расположении сердца, при регистрации некоторых нарушений сердечного ритма и т. п. В этом случае используются правые грудные отведения (симметричные по отношению к левым), высокие грудные отведения (расположенные на одно межреберье выше стандартных) и отведения V7-9, являющиеся как бы продолжением основных отведений. Для оценки электрической активности предсердий используют пищеводное отведение, когда один из электродов располагают в пищеводе. Кроме общепринятой системы отведений, используются также отведения по Небу, обозначаемые буквами D (dorsalis – спинальное), А (anterior – переднее) и I (inferior – нижнее). Другие системы отведений (Лиана, Франка) в современной клинической практике практически не используются.

ЭКГ регистрируют на различной скорости. Обычно скорость движения бумаги составляет 25 мм/сек. При этом 1 мм кривой равен 0, 04 сек. Иногда для более детальной записи используют скорость 50 и даже 100 мм/сек. При длительной регистрации ЭКГ для экономии бумаги используют меньшую скорость – от 2,5 до 10 мм/сек.

Что же врач видит на ЭКГ? Каждая клетка миокарда представляет собой маленький электрический генератор, который разряжается и заряжается при прохождении волны возбуждения. ЭКГ является отражением суммарной работы этих генераторов и показывает процессы распространения электрического импульса в сердце. В норме электрические импульсы автоматически генерируются в небольшой группе клеток, расположенных в предсердиях и называемых синоатриальным узлом (рис. 1). Поэтому нормальный ритм сердца называется синусовым. Когда электрический импульс, возникая в синусовом узле, проходит по предсердиям на электрокардиограмме появляется зубец P (см. рис. 2).

Дальше импульс через атриовентрикулярный (АВ) узел распространяется на желудочки по пучку Гиса. Клетки АВ-узла обладают более медленной скоростью проведения и поэтому между зубцом P и комплексом, отражающим возбуждение желудочков, имеется промежуток. Расстояние от начала зубца Р до начала зубца Q называется интервал PQ. Он отражает проведение между предсердиями и желудочками и в норме составляет 0,12-0,20 сек. Потом электрический импульс распространяется по проводящей системе сердца, состоящей из правой и левой ножек пучка Гиса и волокон Пуркинье, на ткани правого и левого желудочка. На ЭКГ это отражается несколькими отрицательными и положительными зубцами, которые называются комплексом QRS. В норме длительность его составляет до 0, 09 сек. Далее кривая вновь становится ровной, или как говорят врачи, находится на изолинии. Затем в сердце происходит процесс восстановления исходной электрической активности, называемый реполяризацией, что находит отражение на ЭКГ в виде зубца Т и иногда следующего за ним небольшого зубца U. Расстояние от начала зубца Q до конца зубца Т называется интервалом QT. Он отражает так называемую электрическую систолу желудочков. По нему врач может судить о продолжительности фазы возбуждения, сокращения и реполяризации желудочков.

ЭКГ является ценным диагностическим инструментом. По ней можно оценить источник (так называемый водитель) ритма, регулярность сердечных сокращений, их частоту. Все это имеет большое значение для диагностики различных аритмий. По продолжительности различных интервалов и зубцов ЭКГ можно судить об изменениях сердечной проводимости. Изменения конечной части желудочкового комплекса (интервал ST и зубец Т) позволяют врачу определить наличие или отсутствие ишемических изменений в сердце (нарушение кровоснабжения). При этом стоит помнить о том, что ЭКГ, снятая в покое, не всегда выявляет ишемические изменения в миокарде.

Важным показателем ЭКГ является амплитуда зубцов. Увеличение ее говорит о гипертрофии соответствующих отделов сердца, которая наблюдается при некоторых заболеваниях сердца и при гипертонической болезни.

ЭКГ, вне всякого сомнения, весьма мощный и доступный диагностический инструмент, однако стоит помнить о том, что и у этого метода есть слабые места. Одним из них является кратковременность записи – около 20 секунд. Даже если человек страдает, например, аритмией, в момент записи она может отсутствовать, кроме того запись, обычно производится в покое, а не во время привычной деятельности. Для того чтобы расширить диагностические возможности ЭКГ прибегают к длительной ее записи, так называемому мониторированию ЭКГ по Холтеру в течение 24-48 часов. Прибор для суточного мониторирования представляет собой маленький электронный модуль, размером чуть больше пачки сигарет, закрепляемый на поясе. С ним пациент может совершать практически все обычные действия. Мониторы ЭКГ первого поколения осуществляли запись на магнитофонную кассету. Современные приборы записывают ЭКГ на специальную дискету или в электронную память. Вследствие этого они потребляют меньше энергии, а качество записи улучшается. Запись осуществляется в двух отведениях. Во время мониторирования пациент ведет дневник, в котором отмечает свои действия и самочувствие. В случае возникновения симптомов заболевания, пациент может сделать отметку в записи, нажав кнопку на приборе. Далее запись ЭКГ анализируется с помощью специальной компьютерной программы, которая может автоматически диагностировать различные патологические изменения, определять максимальную и минимальную частоту сердечных сокращений и другие показатели. Кроме этого осуществляется визуальный контроль записи. Сопоставляя запись ЭКГ с дневником и отметками пациента, врач может получить ценную диагностическую информацию.

Иногда бывает необходимо оценить, возникают ли на ЭКГ у пациента изменения, характерные для ишемической болезни сердца. Для этого проводят ЭКГ-тест с физической нагрузкой. Для оценки переносимости (толерантности) и соответственно, функционального состояния сердца нагрузку осуществляют дозировано, с помощью велоэргометра или бегущей дорожки. Начинают с минимальной нагрузки, постепенно ступенчато повышая ее, увеличивая скорость и наклон дорожки или сопротивление велоэргометра. При этом регистрируют ЭКГ в 12 стандартных отведениях, правда электроды, обычно налагаемые на конечности размещают на теле пациента (см. рис. 3).

Тест прекращается в следующих случаях: 1)общая усталость пациента , 2)сильное повышение или понижение артериального давления, 3) появление на ЭКГ изменений, связанных с ишемией миокарда, 4) появление на ЭКГ нарушений сердечного ритма и 5) достижение субмаксимальной частоты сердечных сокращений (субмаксимальная ЧСС=0,9•(220-возраст). Если при проведении пробы у больного появились ишемические изменения ЭКГ, то она считается положительной. Если эти изменения не появились по достижении субмаксимальной частоты – отрицательной. Если проба прекращена по другим причинам (усталость, повышение АД, появление аритмии), то она имеет мало значения для диагностики ИБС. Следует отметить, что проба может быть как ложноположительной, т. е. появятся ишемические изменения ЭКГ при отсутствии ИБС, так и ложноотрицательной, т. е. изменения ЭКГ не появятся, не смотря на наличие ИБС. По неизвестным причинам ложноположительные результаты чаще наблюдаются у женщин.
Подсчет ЧСС производится с помощью различных методик, выбор которых зависит от регулярности ритма сердца. При правильном ритме ЧСС определяют по формуле: ЧСС=60/R-R, где 60—число секунд в минуте, R—R — длительность интервала, выраженная в секундах. Гораздо удобнее определять ЧСС с помощью специальных таблиц, в которых каждому значению интервала R—R соответствует заранее вычисленное ЧСС, как показано в Таблица 1. При неправильном ритме ЭКГ в одном из отведении (наиболее часто во II стандартном отведении) записывается дольше, чем обычно, например в течение 3—4 с. Затем подсчитывают число комплексов QRS, зарегистрированных за 3 с, и полученный результат умножают на 20. При неправильном ритме можно ограничиться также определением минимальной и максимальной ЧСС. Минимальная ЧСС определяется по продолжительности наибольшего интервала R—R, а максимальная ЧСС — по наименьшему интервалу R—R. Расчет ЧСС производится по формуле: ЧСС=60/R-R, или по Таблица 1. У здорового человека в покое ЧСС составляет от 60 до 90 в минуту. Повышение ЧСС (более 90 в минуту) называют тахикардией, а урежение (менее 60 в минуту) — брадикардией. У детей ЧСС выше, например у новорожденного она составляет 120-140 уд. м., в возрасте 3-х лет около 105 уд. м., а в возрасте 12-ти лет 80 уд. м.

Нормальные значения длительности интервалов сердечного цикла, в зависимости от ЧСС, приведены в таблицах 2-4.

Таблица 1 зависимость ЧСС от длительности интервала R-R

Таблица 2 минимальная и максимальная длительность интервала Q-T при различной ЧСС

Таблица 3 максимальная нормальная продолжительность интервала P-Q в зависимости от ЧСС

Как нам стало уже известно, что в основе электрокардиографии лежит теория Эйнтховена, в которой сердце рассматривается как токовый диполь. Так же известно, что в вакууме или в идеальном диэлектрике, электрический диполь – система, состоящая из двух равных по модулю и противоположных по знаку точечных зарядов, расположенных на некотором расстоянии l друг от друга (рис. 1). И в таком состоянии система может сохраняться сколь угодно долго. В проводящей среде под действием электрического поля диполя возникает движение свободных зарядов, и диполь либо экранируется, либо нейтрализуется. При подключении к диполю источника постоянного напряжения диполь в слабо проводящей среде сохраняется, несмотря на наличие тока. Такая двухполюсная система называется дипольным электрическим генератором или и токовым диполем, а её полюса – истоком и стоком тока.
Между дипольным электрическим генератором (токовым диполем) и электрическим диполем имеется аналогия, основанная на общей аналогии электрического поля в проводящей среде с электростатическим полем:

• Линии тока в проводящей среде совпадают с линиями напряжённости электростатического поля при одинаковой форме электродов;
• Зависимости между соответствующими характеристиками полей в обоих случаях описываются аналогичными формулами.
Подобно дипольному моменту электрического диполя (рис. 1) вводится дипольный момент токового диполя:

(1) , где l – расстояние между электродами; I – сила тока.

Аналогом формулы потенциала поля электрического диполя

(2), где α – угол между вектором и линией, соединяющей диполь с исследуемой точкой (при r >> l), является формула потенциала поля токового диполя в безграничной среде (3), где γ – удельная электрическая проводимость.

Если диполь находится в центре равностороннего треугольника (рис. 2), то напряжения на сторонах этого треугольника относятся как модули косинусов углов, образованных между вектором и соответствующими сторонами треугольника, т.е.

(4)

Для токового диполя это выражение остаётся справедливым.
В электрическом отношении сердце можно рассматривать как токовый диполь. За время сердечного цикла изменяется положение диполя в пространстве и дипольный момент. В соответствии с теорией Эйнтховена сердце – диполь – расположено в центре равностороннего треугольника, вершины которого условно можно считать находящимися в правой руке, левой руке и левой ноге. Согласно формуле (4) измерение разности потенциалов между вершинами этого треугольника позволяет определить соотношение между проекциями дипольного момента сердца на стороны треугольника.
Изменение модуля и направления электрического дипольного момента сердца во времени можно отразить графически с помощью электрокардиограммы (ЭКГ). Чтобы снять ЭКГ, нужно зарегистрировать изменение во времени этой разности потенциалов. Разность потенциалов, регистрируемая между двумя точками на поверхности тела человека, в физиологии и медицине называется отведением. Существуют различные системы отведений. Они отличаются положением точек, между которыми снимается разность потенциалов: грудные отведения, отведения от конечностей и т.д. Наиболее широко в клинической практике применяют отведения от конечностей (рис. 3).

Отведения I, II, III называются стандартными. Для их получения электроды накладывают на верхние и нижние конечности. К правой ноге подключают провод заземления. Отведения с использованием дополнительного грудного электрода называются грудными. Они используются для получения дополнительной диагностической информации.
Нормальная ЭКГ за цикл работы сердца в отведении I изображена на рис. 4. Зубцы ЭКГ условно обозначают буквами латинского алфавита P, Q, R, S, T. Основные характеристики ЭКГ – форма и высота зубцов, длительность интервалов. В таблице 4 приведены значения характеристик ЭКГ в норме.

Таблица 4

При патологических нарушениях в сердце происходит изменение этих характеристик, что позволяет использовать ЭКГ для диагностики заболеваний сердца.
Зная высоту зубцов ЭКГ, можно определить углы. Образованные вектором дипольного момента сердца с линиями отведений. Обычно определяют угол α, образованный диполем с линией I отведения.
Из формулы (4) следует (5).

Принято считать, что линия АВ (рис. 2) соответствует отведению I, АС – отведению II, ВС – отведению III. Тогда.

Следовательно, в соответствие с формулой (5) и используя соотношения углов

,

получаем

(6), где - высота зубца R ЭКГ соответственно в отведениях I, II, III.

В момент времени, когда дипольный момент сердца принимает максимальное значение (зубец R на ЭКГ), направление дипольного момента (электрическая ось сердца) совпадает с его анатомической осью. На основании этого, используя электрокардиограмму, можно определить положение анатомической оси сердца.
Прибор, производящий запись ЭКГ, называется электрокардиографом. Существует много различных марок электрокардиографов, которые отличаются количеством каналов для записи, типом питания (батарейное, сетевое), видом записи (чернильно-перьевая, фотозапись, тепловая запись).

Порядок выполнения работы:

1. Ознакомиться с краткой теорией работы.
2. Изучить технические характеристики, устройство и принцип работы электрокардиографа «Аксион» (по руководству по эксплуатации раздел I). Выделить основные блоки прибора и их назначения, найти на панели органы управления и индикаторы.
3. Подготовить прибор к использованию (руководство по эксплуатации, раздел II, пункты 2.1 и 2.2).
4. Детально ознакомиться с порядком выполнения измерений в автоматическом и ручном режимах (руководство по эксплуатации, раздел II, пункты 2.3.1-7 и 2.4).
5. Произвести тренировочную запись электрокардиограммы во всех режимах фильтрации. Выбрать наиболее лучший режим для дальнейшего исследования.
6. Произвести запись электрокардиограммы.
7. Произвести контрольные исследования для каждого отведения, записав ЭКГ в трёх стандартных отведениях.
7.1. Результаты измерений и расчётов занести в таблицу 5. Расчёт разности потенциалов производится по формуле .

Таблица 5

Пользуясь данными этой таблицы, определить угол α по формуле (6).
7.3. Для отведения I вычислить длительности t временных интервалов ЭКГ по формуле , где l – расстояние между соответствующими точками ЭКГ (рис. 4); - скорость движения ленты.
7.4. Результаты измерений и расчётов занести в таблицу 6.

Таблица 6

Найти частоту пульса пациента.
8. Снять пробную кардиограмму для всех отведений(стандартные+грудные).
9. Ознакомиться с велоэргометром по инструкции.
10. Осуществить нагрузку подопытному следующую: в течении 3 минут на нагрузке в 200Вт заставить вращать педали не менее 20 оборотов в минуту.
11. После этого не давая отдохнуть подключить его к стандартным отведениям и снять электрокардиограмму. В первые 10 минут кардиограмму снимать с интервалом в 3-4 минуты последующие с интервалом в 5-8 минут до полного успокоения (смотреть по ЧСС из первой кардиограммы сделанной в спокойном состоянии) .
12. Рассчитать какое количество энергии было затрачено во время работы на велоэргометре.
13. По кардиограмме определить какое время понадобилось подопытному для успокоения (за спокойную принять первую электрокардиограмму в спокойном состоянии).
14. Изучить влияния возможных помех на ЭКГ.
15. Как влияет нагрузка на работу сердца.
16. Сделать выводы о проделанной работе и о влиянии нагрузки на работу сердца.