Методи регистрации биопотенциалов

Биоэлектрические процессы в организме широко используются в медицине как источник диагностической информации о состоянии и деятельности тканей и органов. Современная диагностика сердечных заболеваний не может обойтись без электрокардиографического исследования, представляющего собой анализ зарегистрированной кривой изменения биопотенциалов сердца. Менее распространены методы исследования биопотенциалов мозга (электроэнцефалография), мышц (электромиография), но и они находят достаточно широкое применение при диагностике ряда заболеваний.

Регистрация биопотенциалов, возникающих на поверхности тела в результате биоэлектрической активности ткани или органа, может производиться длительно и многократно без каких-либо болезненных ощущений или вредного действия на организм. Это важное достоинство наряду с большой информативностью явилось одной из причин, способствовавших развитию и широкому распространению биоэлектрических методов исследования.

Регистрируемые биопотенциалы являются следствием процессов, происходящих на клеточных полупроницаемых мембранах живой ткани. В результате различия концентрации неорганических ионов (главным образом калия, натрия. хлора) во внутри-, и внеклеточных средах мембраны клеток оказываются заряженными. В состоянии покоя внутренняя поверхность мембран имеет постоянный отрицательный потенциал по отношению к внешней. Этот потенциал, называемый «потенциалом покоя», достигает 60-80 мВ у нервных клеток, 80-90 мВ у волокон поперечнополосатых мышц, 90-95 мВ у волокон сердечной мышцы.

При возбуждении ткани происходит кратковременное изменение потенциала мембраны, возникает так называемый «потенциал действия». «Потенциал действия» обусловлен скачкообразным изменением проницаемости мембран, происходящим при возбуждении клетки. При этом имеет место быстрое изменение распределения ионов, которое затем восстанавливается. Пик потенциала действия имеет длительность несколько миллисекунд (у нервной клетки 1-2 мс, у клетки скелетной мышцы 3-5 мс), а амплитуду около 100мВ.

В ткани процесс возбуждения распространяется, чем обеспечивается передача сигналов от рецепторов к нервным клеткам по нервным стволам к мышцам и т.д. В мышечной ткани биопотенциалы действия сопровождают ее сократительную деятельность.

Электрические поля отдельных клеток, суммируясь, создают электрическое поле вокруг участков ткани или органа. В результате возникают определенным образом распределенные потенциалы во всем теле, в том числе и на его поверхности.

Ниже в качестве примера приведены данные биоэлектрической активности органов и тканей, исследуемых с помощью электрокардиографии

(ЭКГ), электроэнцефалографии (ЭЭГ), электромиографии (ЭМГ).

Таблица 3.1- Биоэлектрическая активность органов и тканей.

3.2 Методы повышения помехоустойчивости

Очевидно, что при разработке медицинских приборов для регистрации таких электрических сигналов должны учитываться не только свойства объекта измерения, но и наличие внутренних и внешних помех и наводок. К ним относятся:

- сетевые помехи, амплитуда которых может достигать единиц вольт,

а частота соответствует частоте питающей сети 50 Гц;

- потенциал поляризации, наличие которого обусловлено электрохимическими процессами на границе соприкосновения электрод – кожа, а величина его достигает десятков милливольт и определяется

типом электрода. Основной способ уменьшения потенциала поляризации – фильтрация. Использование ВЧ-фильтров с частотой среза более десятков долей герц позволяет подавить его и усилить биопотенциалы;

- переменная разностная помеха, обусловленная биоэлектрической активностью соседних тканей и органов, прилегающих к исследуемому

органу. Амплитуда такой помехи может изменятся в пределах от

единиц до десятков милливольт, а частотный диапазон лежит в пределах от долей до десятков герц.

Наличие помех и наводок при проведении биоэлектрических исследований предполагает использование специальных методов и средств уменьшения их влияния. К ним относятся: экранирование (электростатическое и магнитное); установка фильтров для снижения распространения по проводам индуктивных помех от их источников; фильтрация сигнала, снимаемого с биообъекта; применение различных схемотехнических методов повышения помехоустойчивости (принцип многоканальности (инвариантности), использование усилителей электрических сигналов с дифференциальным входом, симметрирование измерительной цепи) и др.

Так, для фильтрации сигнала, снимаемого с биообъекта, используется блок фильтров, устанавливаемый внутри измерительного прибора. Характеристика их должна быть такой, чтобы интересующий сигнал попадал в полосу пропускания, а помеха – в полосу подавления фильтров.

В настоящее время все чаще вместо аппаратных фильтров, характеристики которых жестко заданы при проектировании, применяются цифровые фильтры, позволяющие задавать требуемую характеристику программным способом. Это обеспечивает гибкую перестройку полосы пропускания сигнала, а, следовательно, возможность исследования сигнала в широкой полосе частот.