Электрокардиография и электроэнцефалография

Электрокардиография и электроэнцефалография: физико-биофизические основы

Любая возбудимая ткань организма — мышечная или нервная — обладает способностью к генерации и передаче электрических сигналов. Эти сигналы формируются за счёт движения ионов через мембраны клеток и отражают функциональное состояние органов. Наиболее значимые примеры регистрации таких сигналов — электрокардиография (ЭКГ) и электроэнцефалография (ЭЭГ). Обе методики позволяют регистрировать биоэлектрическую активность на поверхности тела и использовать её в диагностике.

Эти методы основаны на регистрации разности потенциалов, возникающей из-за суммарной деполяризации и реполяризации большого количества клеток, действующих синхронно.

Электрокардиография: биофизические аспекты

Электрокардиография основана на регистрации электрических потенциалов, возникающих в сердце при прохождении через него возбуждения. Электрическая активность сердца — результат скоординированной деполяризации и реполяризации волокон проводящей системы и кардиомиоцитов.

Основные источники потенциала:

Синусовый узел — генератор ритма.
Предсердия и желудочки — основное деполяризующее и реполяризующее пространство.
Проводящая система (пучок Гиса, волокна Пуркинье) — обеспечивает синхронную активацию.

Модель диполя сердца: В биофизике часто используется модель электрического диполя для описания потенциалов сердца. Возбуждённые и невозбуждённые участки миокарда создают градиент потенциала, который можно аппроксимировать системой диполей. Эти диполи создают переменное электрическое поле, которое распространяется через ткани и может быть зарегистрировано электродами на поверхности тела.

Проведение потенциала: Ткани организма обладают различной электропроводностью. Наиболее хорошо проводят ток: кровь, внутриклеточная жидкость, мышечная ткань. Менее проводимы: кожа, жировая ткань, кости. Это учитывается при расположении электродов и интерпретации результатов ЭКГ.

Стандартные отведения и биофизика размещения электродов

Стандартные отведения ЭКГ:

Биполярные (I, II, III).
Усиленные однополюсные (aVR, aVL, aVF).
Грудные отведения (V1–V6).

Каждое отведение соответствует определённой проекции вектора сердечной активности на ось между электродами. Благодаря этому удаётся картировать электрическую активность сердца в трёхмерном пространстве.

Потенциал действия и формирование комплекса QRS:

Волна P: деполяризация предсердий.
Комплекс QRS: деполяризация желудочков.
Волна T: реполяризация желудочков.

Понимание этих компонентов требует учёта законов электростатики, биофизики распространения электрических сигналов и суперпозиции полей от множества диполей.

Электроэнцефалография: физические и биофизические принципы

ЭЭГ регистрирует биоэлектрическую активность мозга — в первую очередь коры головного мозга. Источником сигналов являются синаптические потенциалы, возникающие в дендритах пирамидных нейронов.

Принцип генерации ЭЭГ-сигнала:

Возникающие в коре локальные токи создают макроскопическое электрическое поле.
Из-за параллельного расположения пирамидных клеток в коре, их суммарные токи складываются, формируя измеримый потенциал.
Полевой ток распространяется через мозговые оболочки, череп и кожу.

Проблема затухания сигнала: Поскольку череп обладает низкой электропроводностью, ЭЭГ-сигнал ослабевает и искажается, что требует применения усилителей и сложных фильтров. Электрофизиологические методы регистрации предполагают использование высокочувствительных дифференциальных усилителей и цифровой фильтрации для подавления шумов (мышечные артефакты, электромагнитные помехи).

Отведения и размещение электродов в ЭЭГ

Используется международная система 10–20, обеспечивающая стандартное размещение электродов:

Электроды располагаются в соответствии с анатомическими ориентирами (носа, ушей, затылка).
Обозначения: F (лоб), T (висок), P (темя), O (затылок), C (центрально).

Каждое отведение показывает разность потенциалов между двумя точками, отражающую функциональное состояние определённой области мозга.

Частотный спектр ЭЭГ и функциональные ритмы мозга

ЭЭГ-сигналы анализируются по частоте и амплитуде. Основные ритмы:

Дельта-ритм (0,5–4 Гц): глубокий сон.
Тета-ритм (4–8 Гц): дремота, медитация.
Альфа-ритм (8–13 Гц): расслабленное бодрствование, чаще в затылке.
Бета-ритм (13–30 Гц): активное мышление, движение.
Гамма-ритм (>30 Гц): когнитивные процессы, внимание.

Анализ проводится как в временной области (волны, комплексы, пароксизмы), так и в частотной области (спектрограмма, фурье-анализ).

Сравнение ЭКГ и ЭЭГ: физические различия

Характеристика	ЭКГ	ЭЭГ
Источник сигнала	Миокард	Кора головного мозга
Амплитуда (мВ)	0,5–2	0,01–0,1
Частота	0,05–100 Гц	0,5–100 Гц
Модель	Электрический диполь	Объёмный ток
Среда распространения	Ткани грудной клетки	Череп, мозг, кожа
Помехи	Движения, ЭМП	Мышечные артефакты, электропомехи

Биофизика регистрации: электроды и усиление

Электроды:

Серебряно-хлоридные, гелевые, сухие.
Контакт с кожей обеспечивается электропроводным гелем.
Важна низкая импедансная связь (менее 5 кОм).

Усилители:

Дифференциальные, с высоким коэффициентом подавления синфазного сигнала (CMRR).
Шумоподавление, цифровая фильтрация (низкочастотная и высокочастотная).

Фильтрация и обработка:

Удаление 50/60 Гц сетевого шума.
Применение алгоритмов пространственной декомпозиции (ICA, PCA).
Сегментация и спектральный анализ для клинической диагностики.

Практическое значение и клиническая интерпретация

ЭКГ и ЭЭГ широко используются в диагностике:

ЭКГ — аритмии, ишемия, гипертрофии, инфаркт.
ЭЭГ — эпилепсия, судороги, кома, функциональные расстройства.

Ключевые особенности биофизического анализа:

Электрофизиологические сигналы представляют собой слабые биоэлектрические колебания, требующие чувствительной регистрации.
Понимание их природы требует междисциплинарного подхода, объединяющего физику, физиологию и математику.
Интеграция методов ЭКГ и ЭЭГ с визуализацией (МРТ, ПЭТ) усиливает точность диагностики.

Электрокардиография и электроэнцефалография представляют собой фундаментальные инструменты неинвазивного анализа физиологического состояния человека, основанные на точных биофизических принципах.