Принципы генерации и регистрации биоэлектрической активности сердца
Электрокардиография (ЭКГ) — это метод регистрации суммарной электрической активности сердца, возникающей в процессе его циклического возбуждения и сокращения. Физическая природа ЭКГ основана на движении электрических зарядов в тканях сердца и распространении возникающего электрического поля по проводящим средам организма — тканям, крови, внеклеточной жидкости.
Электрогенез в сердце
Основным источником биоэлектрических потенциалов сердца является спонтанная деполяризация клеток синусового узла, обладающих автоматией. Отсюда возбуждение распространяется по проводящей системе сердца: синусовый узел → предсердия → атриовентрикулярный (АВ) узел → пучок Гиса → ножки пучка Гиса → волокна Пуркинье → миокард желудочков.
Каждый этап сопровождается изменением трансмембранного потенциала клеток, что вызывает возникновение токов смещения и токов действия. На уровне тканей формируются дипольные слои и движущиеся волны деполяризации, которые в совокупности создают электрическое поле сердца.
Модель диполя сердца
С точки зрения физики, наибольшее приближение к реальности дает представление о сердце как о дипольном источнике, создающем переменное электрическое поле в объемном проводнике — теле человека. В каждый момент времени активные участки миокарда создают диполи, результирующий вектор которых называется электрической осью сердца.
Эта модель позволяет описывать потенциалы, измеряемые на поверхности тела, как проекции вектора сердечного диполя на соответствующие оси отведения. Использование концепции вектора и потенциалов удобно для математического и физического анализа электрокардиографических сигналов.
Объемный проводник и распространение потенциала
Тело человека моделируется как объемный анизотропный проводник, состоящий из сред с разной проводимостью: мышечная ткань, жир, кожа, кровь. Распределение потенциала внутри такого проводника описывается уравнениями электростатики — уравнением Пуассона для проводника с объемными токами:
∇ ⋅ (σ∇φ) = −I
где φ — электрический потенциал, σ — тензор проводимости ткани, I — плотность источников тока.
На поверхности тела, в местах наложения электродов, измеряется разность потенциалов, обусловленная деятельностью сердца. Эти данные и составляют электрокардиограмму.
Метод регистрации ЭКГ
Регистрация ЭКГ осуществляется с помощью электродов, наложенных на стандартные участки тела. Электроды соединяются с усилителем и регистрирующим устройством (осциллограф, бумажный или цифровой регистратор). Поскольку ЭКГ-сигналы имеют малую амплитуду (от 0,5 до 4 мВ), необходимо высокоомное усиление и фильтрация от помех (сетевого фона, мышечных артефактов, движений кожи).
Для получения достоверной информации используются различные схемы отведений, каждая из которых имеет определённую векторную ориентацию по отношению к электрической оси сердца:
Физика формирования ЭКГ-графика
Каждая волна на ЭКГ соответствует определённому этапу возбуждения и восстановления миокарда:
С физической точки зрения, положительные и отрицательные отклонения на ЭКГ соответствуют проекциям вектора диполя на ось отведения: если вектор диполя направлен к электроду — регистрируется положительная волна; в противоположном случае — отрицательная.
Потенциалы действия и генерация токов
Клетки миокарда обладают фазовым потенциалом действия, состоящим из нескольких фаз:
Границы между возбужденными и невозбужденными участками создают токи, которые замыкаются через внеклеточную среду и дают вклад в измеряемое электрическое поле.
Усилители и шумоподавление
Для точной регистрации потенциалов ЭКГ используются дифференциальные усилители, которые усиливают разность сигналов между двумя входами, подавляя синфазные помехи. Используются также:
Современные электрокардиографы могут включать цифровую обработку сигнала, алгоритмы сглаживания, автоматическую диагностику и трехмерную реконструкцию вектора сердца.
Физико-математические методы анализа ЭКГ
Для количественного анализа ЭКГ применяются методы спектрального анализа, вейвлет-преобразования, оценка вариабельности интервалов RR, построение векторкардиограммы. Последняя представляет собой отображение пространственной траектории вектора электрической активности сердца за весь сердечный цикл. Векторкардиография позволяет получать дополнительные параметры: угол отклонения, направление вектора максимума, пространственный QRS.
Используется также инверсия уравнений электрокардиографического поля — обратная задача, позволяющая по данным с поверхности тела реконструировать распределение потенциалов на поверхности сердца (проблема томографической реконструкции).
Законы электрофизики, применимые к ЭКГ
Проводимость тканей и влияние анатомии
Проводимость различных биологических тканей влияет на распространение потенциалов. Проводимость крови и внутриклеточной жидкости выше, чем у жира и костей. Это влияет на амплитуду, форму и временные параметры ЭКГ-сигнала. Также имеет значение анатомическое положение сердца (например, при гипертрофии левого желудочка или повороте сердца — вектор ЭКГ и его проекция изменяются).
Клиническое значение и диагностическая информативность
ЭКГ является фундаментальным методом диагностики:
Изменения в длительности интервалов, амплитуде и морфологии волн напрямую связаны с физико-химическим состоянием клеток миокарда и особенностями проводимости сердечной ткани.