Вы здесь

Методы электрофизиологических методов и аппаратура

Успехи развития электрофизиологии в значительной степени определялись непрерывным совершенствованием методов и техники исследований и прежде всего измерительной и регистрирующей аппаратуры.

В свое время широкую известность получил струнный гальванометр, изобретенный Эйнтговеном в 1903 г. Именно Эйнтговену удалось с помощью данного прибора в 1904 г. впервые записать без всяких искажений электрокардиограмму (ЭКГ), а В. В. Правдич-Неминскому — электроэнцефалограмму (ЭЭГ).

Струнный гальванометр представляет собой сильный электромагнит, в поле которого натянута чаще всего кварцевая струна, покрытая слоем золота или серебра. В полюсах электромагнита вмонтирован проекционный микроскоп, перед окуляром которого установлен сильный источник света (в первых струнных гальванометрах для этой цели применялась вольтова дуга). При пропускании исследуемого тока через струну она начинает отклоняться в ту или другую сторону в зависимости от направления тока. Тень от колеблющейся струны проецируется на экран со щелью, за которым движется фотобумага или фотопленка, и фиксируется в виде соответствующей кривой.



Сходно устроен шлейфный гальванометр, или магнито-электрический вибратор, используемый в настоящее время.

Устройство шлейфного гальванометра

Шлейфом называют (рис. 12) тонкую металлическую петлю, перекинутую через блок. На петле укреплено зеркальце. Петля расположена между полюсами постоянного магнита. Если через петлю пропускается переменный ток, то она начинает колебаться с той же частотой, и зеркальце отбрасывает направленный на него луч света. Колебания светового зайчика фиксируются на движущейся кинопленке или фотобумаге.

Чернильно-пишущий вибратор электромагнитного типа

В качестве регистрирующих приборов широкое применение находят чернильно-пишущие приборы магнитоэлектрического или электромагнитного типа. Принцип их устройства сходен с принципом устройства зеркальных гальванометров, однако регистрирующая система имеет металлическое перо, связанное с чернильницей, и колебания этого пера непосредственно записываются на бумаге. Разумеется, эта система обладает очень малой чувствительностью. Ток, способный раскачать якорь в магнитном поле или магнитную систему в катушке, должен иметь большую мощность и поэтому подобные регистрирующие приборы находят применение только после предварительного усиления электропотенциалов. На рис. 13 изображен чернильно-пишущий прибор электромагнитного типа. Работа этого прибора основана на взаимодействии поля постоянного магнита 1 с магнитным полем, создаваемым управляющим током, который протекает по неподвижным катушкам 2. Катушки обхватывают обойму 3, внутри которой имеется якорь 4, способный вращаться на осевом стержне в подшипнике 5. Обойма 3 разделена магнитоизоляционными перегородками 6 на четыре части. Магнитные силовые линии идут по магнитопроводу 7 и далее через обойму в продольном направлении. Магнитный поток, возникающий при прохождении тока через катушку, пересекает обойму в поперечном направлении. В результате взаимодействия двух магнитных потоков, встречающихся в якоре 4, в последнем возникает механический вращающий момент. Пружина 8 возвращает перо 9 в исходное состояние.

Вибраторы электромагнитной системы способны записывать процессы частотой от 0 до 100 Гц (вследствие инерционности системы).

Магнитоэлектрический вибратор отличается тем, что его подвижной частью является рамка, которая может свободно вращаться в поле постоянного магнита. Измеряемый сигнал подается на рамку. Магнитное поле рамки взаимодействует с полем постоянного магнита и приводит в движение подвижную систему вибратора с прикрепленным на ней пером. Магнитоэлектрический чернильно-перьевой вибратор используется для записи процессов небольшой частоты, в основном до 30 Гц.

Все описанные приборы относятся к группе, инерционных, потому что из-за инерционности регистрирующих систем (зеркальце, перо, струна, ртуть) могут регистрировать частоты лишь определенного диапазона. Из них лишь шлейфные вибраторы могут использоваться для регистрации практически любого электрофизиологического процесса, так как имеют собственную частоту колебаний до 5000 Гц. В настоящее время сочетание удобства видимой записи с регистрацией колебаний относительно высокой частоты достигается часто применением струйных самописцев. По существу, это разновидность шлейфных гальванометров, в которых зеркальце заменено тонким стеклянным капилляром с наружным отверстием 5—8 мкм. В другой конец капилляра под высоким давлением подаются специальные чернила; тонкая струя этих чернил из наружного отверстия капилляра вычерчивает на движущейся бумаге соответствующие колебания.

В некоторых случаях в тех же целях применяется запись ультрафиолетовым лучом. Для подобной записи могут использоваться зеркальные и шлейфные гальванометры, но в качестве источника света применяют ртутную лампу сверхвысокой яркости, а регистрацию осуществляют на специальной фотобумаге, которая обладает высокой чувствительностью к ультрафиолетовым лучам, но .не «засвечивается» дневным светом. Изображение на такой бумаге появляется через несколько секунд без какой-либо химической обработки.

Только один прибор, по существу, является безынерционным и способным регистрировать любые частоты предварительно усиленных биоэлектрических колебаний. Таким прибором является электроннолучевая трубка, в которой колеблющейся системой является электронный луч.

Схема устройства электронно-лучевой трубки

На рис. 14 изображена схема электроннолучевой трубки. Основные ее части: I — стеклянный баллон (колба) с высоким вакуумом (иногда заполненный инертным газом), II — электронная пушка или электронно-оптическое устройство, III — электростатическое управляющее устройство и IV — люминесцирующий экран. Электронно-оптическое устройство включает подогревный катод 1, 2, который является источником вылетающих при нагревании (накале) электронов и управляющий или модулирующий электрод (иногда называют цилиндром Венельта) 3, на который через потенциометр R1 подается отрицательное относительно катода напряжение. Управляющий электрод охватывает катод и имеет только узкое отверстие для выхода луча (пучка) электронов. Поток электронов далее сильно притягивается первым анодом 4, на который подается высокое по
ложительное напряжение (порядка 300—400 В). Затем расположен второй анод 5, на который подается еще более высокое напряжение (порядка 1000 В и более). Для этого используется потенциометр R2. Управляющая система III состоит из пластин вертикальной 6 и горизонтальной 7 развертки.

Первая пара развертывает луч (отклоняет) в вертикальной плоскости и называется пластинами у. На нее подается исследуемый потенциал; в зависимости от его полярности то верхняя, то нижняя пластина будет приобретать отрицательный заряд и тем самым отклонять (отталкивать) электронный луч в вертикальной плоскости. На пластины 7 горизонтальной развертки х подается ток от специального генератора пилообразного напряжения для того, чтобы развернуть изображение в горизонтальной плоскости. Можно подобрать такую скорость развертки, при которой периодически протекающий процесс как бы останавливается на экране.

Электроннолучевая трубка позволяет регистрировать любые частоты колебаний потенциалов. Но чувствительность ее низкая. Для того чтобы отклонить электронный луч на экране, надо подать на управляющие системы напряжение не ниже 1—2 В. Следовательно, эти приборы могут употребляться только после предварительного усиления биоэлектрических потенциалов.

Живые ткани как генераторы электричества

Из всех приборов, описанных выше, в настоящее время наибольшее применение находят зеркальные гальванометры, шлейфы, чернильнопишущие приборы и электроннолучевые трубки. Но почти все они получили применение после изобретения электронных ламп и усилителей. Поэтому, имея в своем распоряжении только один какой-нибудь из этих приборов, еще нельзя регистрировать электрические процессы в тканях. Для этого необходим ряд других приборов, которые вместе составляют электрографическую установку.

Простейшим типом такой установки является одно-канальная установка, позволяющая регистрировать электрические потенциалы с одного какого-нибудь органа или с определенного участка органа (например, электрокардиограмму в одном отведении, ЭЭГ с одной области мозга и т. п.). Установка включает в себя ряд отводящих электродов, которых обычно бывает не два, как можно было бы думать, а больше. Например, установка позволяет регистрировать ЭКГ только в одном отведении, но электроды обычно сразу размещаются в ряде точек тела (правая рука, левая рука, левая нога, различные точки грудной клетки). Это дает возможность последовательно записывать ЭКГ сначала, скажем, в I отведении, затем во II, III, грудных отведениях и т. п. Для того чтобы сделать это возможным, все отводящие провода (от каждого электрода) собираются к так называемому коммутатору электродов, т. е. переключателю, который позволяет последовательно включать различные пары электродов в любых интересующих исследователя комбинациях. От коммутатора электродов провода (уже только два) идут к усилителю биоэлектропотенциалов. Его назначение состоит в том, чтобы, не изменяя формы и длительности потенциалов, значительно увеличить их амплитуду. В этом случае потенциалы могут быть зарегистрированы осциллографами — малоинерционными приборами с низкой чувствительностью.

Основным элементом осциллографа является один из регистрирующих приборов, описанных выше: либо шлейфный гальванометр, либо электроннолучевая трубка, либо чернильно-пишущий прибор.

В электрографической установке имеется также ряд «вспомогательных» приборов. Эти приборы названы так потому, что и без них можно зарегистрировать электрические потенциалы живых тканей. Но записанная в этом случае электрограмма представляет небольшую ценность, так как ее фактически нельзя «прочитать», т. е. проанализировать. К вспомогательным приборам относятся отметчик времени, калибраторы напряжения, стимуляторы, отметчики моментов раздражения и др. Наконец, в электрографическую установку входит экранирующая камера, которая предназначена для ограждения электрографической установки от внешних помех — переменного тока осветительной электросети и промышленных помех. Без экранированной камеры помехи могут резко искажать, а иногда делать совершенно невозможной регистрацию электрических потенциалов живых тканей.

В настоящее время физиологи редко довольствуются регистрацией электрической активности одного какого-нибудь органа или его частей. Значительный интерес всегда представляет регистрация потенциалов одновременно с различных органов или с различных участков одного и того же органа. Только в этом случае удается понять взаимосвязь различных физиологических процессов в организме, например органов дыхания и кровообращения, электрической активности сердца и мозга, или электрической активности различных отделов коры и подкорки и т. д. Поэтому каждая электрофизиологическая лаборатория стремится иметь не одноканальную, а многоканальную или многопроцессную установку, позволяющую одновременно регистрировать несколько физиологических процессов. Современная многоканальная электрографическая установка представляет собой сложную систему физических приборов, часто занимающих большие площади, и вся лаборатория становится совсем не похожей на старые физиологические или биологические лаборатории с кимографами, рычажками и воздушными капсулами. Если принять во внимание, что сейчас созданы такие установки, которые позволяют одновременно регистрировать 50, 100 и более процессов, легко представить себе всю сложность подобных установок. Естественно, физиологи всегда стремились к тому, чтобы сделать эти установки менее громоздкими, более компактными и удобными. В настоящее время в этом отношении достигнуты очень большие успехи. Оказалось возможным все блоки электрографической установки (за исключением экранированной камеры) соединить в один общий блок и тем самым значительно уменьшить ее объем. Таким «агрегатом» является, например, современный электроэнцефалограф, электрокардиограф и т. п. С другой стороны, уменьшить общий объем установки удалось за счет замены отдельных деталей более компактными. Так, часто электронные лампы заменяются полупроводниковыми малогабаритными приборами. Именно таким образом удалось создать электрографические установки, размещающиеся в космических кораблях и позволяющие осуществлять регистрацию многих физиологических функций у космонавтов.

Прежде чем разбирать отдельные блоки электрографической установки, следует познакомиться с общими характеристиками (параметрами) этих установок.

Электрографические установки в зависимости от типа применяемых в них регистрирующих приборов (осциллографов) можно разделить на шлейфные, электронные и чернильно-пишущие. Оценка качества установки любого типа производится по следующим основным характеристикам: 1. Чувствительность установки. 2. Диапазон амплитуд регистрируемых колебаний. 3. Частотная характеристика. 4. Уровень собственных шумов.



Чувствительностью установки называется то напряжение, которое необходимо подать на вход электрографической установки с тем, чтобы вызвать отклонение кривой на электрограмме на 1 мм. Расчет чувствительности проводится следующим образом. С помощью специального прибора на вход электрографической установки подается строго определенное напряжение, например 50 мкВ. Допустим, что это вызвало отклонение светового пятна или пера на 40 мм. Чувствительность установки рассчитывают по пропорции

50 мкВ—40 мм

X — 1 мм

откуда  Х = 50•1 / 40=1,25 мкВ/мм.

В другом случае допустим, 150 мкВ вызвало отклонение луча или пера на 10 мм. Тогда чувствительность будет равна  150•1 / 10=15= мкВ/мм. Естественно, что первая установка является более чувствительной, чем вторая. Чувствительность современных электрографических установок достигает величины 1 мкВ/мм.

Диапазон амплитуд регистрируемых колебаний. Каждая электрографическая установка способна регистрировать без искажения потенциалы лишь в определенном диапазоне амплитуд. В зависимости от устройства усилителей и типа регистрирующего прибора существуют ограничения пропорциональности между величиной поданного напряжения и степенью отклонения регистрирующей системы: только в пределах определенного диапазона амплитуд повышение напряжения на входе будет  вызывать пропорциональное повышение величины отклонения записи на бумаге (или фотобумаге), т. е. на выходе. За пределами этого диапазона подобная пропорциональность нарушается, т. е. степень прироста отклонения регистрирующей системы будет меньшей, чем степень повышения напряжения, поданного на вход. Естественно, чем шире диапазон регистрируемых амплитуд, тем установка лучше, так как она может находить более широкое применение. Если, например, имеются две установки с диапазонами амплитуд от 5 мкВ до 1 мВ и от 5 мкВ до 200 мкВ, то, конечно, первая установка будет более удобной, потому что она может найти более широкое применение (для регистрации электрических потенциалов различной амплитуды). Наименьшая амплитуда потенциалов, которая может быть зарегистрирована установкой, определяется собственным шумом усилителя и чувствительностью установки.

Частотная характеристика установки зависит главным образом от особенностей регистрирующего прибора и усилителя. Можно сказать, что частотной характеристикой установки называется тот диапазон частот, которые электрографическая установка способна регистрировать без искажения. Если на оси абсцисс отложить частоту синусоидальных колебаний, а на оси ординат амплитуду этих колебаний и если на входе повышать только частоту (амплитуда подаваемого потенциала остается неизменной), то на записи в зависимости от частотной характеристики можно получить разную картину: в одном случае уже при относительно небольшой частоте амплитуда потенциалов на записи начинает уменьшаться; в другом искажения начинают появляться только при более высоких частотах. Ясно, что во втором случае регистрирующий прибор (или усилитель) более подвижен (менее инерционен). Если две. установки одинаково хорошо регистрируют самые низкие частоты, то лучшей из них будет та, которая способна регистрировать без искажений колебания более высокой частоты. Но если, например, у одной установки диапазон регистрируемых частот равен 25—5000 Гц, а у другой —0—1500 Гц, то вторая установка, несмотря на то, что диапазон регистрируемых ею частот более узкий, является для электрофизиологических исследований лучшей, так как этот диапазон, по существу, охватывает все частоты, которыми характеризуются колебания биоэлектрических потенциалов, в то время как первая не может регистрировать колебания с частотой ниже 25 Гц, т. е. многие электрические колебания живых тканей (например, ЭЭГ).

Уровень собственных шумов. Если включить динамик в то время, когда радиостанция работает, но диктор сделал небольшую «передышку», т. е. на какое-то время в эфир с радиостанции ничего не передается, то при этом будет слышаться небольшой шум, свидетельствующий о том, что динамик работает. Если этот шум (звуковые колебания) преобразовать в электрические потенциалы и записать с помощью электрографической установки, то он будет представлять собой непериодические колебания, по характеру напоминающие некоторые электрограммы живых тканей. Подобный же шум будет регистрироваться и электрографической установкой до подачи на ее вход исследуемых потенциалов. Если амплитуда подобных колебаний будет большой, то такую установку следует считать непригодной для электрофизиологических целей. В любой электрографической установке собственный шум неизбежен, так как он представляет результат собственных электрических колебаний в электронных лампах и других элементах; важно лишь, чтобы этот шум по амплитуде был ниже, чем амплитуда регистрируемых биопотенциалов. Для определения уровня собственных шумов установки прежде всего записывают этот шум при максимальной степени усиления и закороченном входе. Затем па вход установки подают строго определенное напряжение, например 20 мкВ, и сравнивают максимальную амплитуду шума с амплитудой отклонения, записанного при данном напряжении. Допустим, 20 мкВ дают отклонение луча (или пера) на 10 мм, амплитуда собственного шума (максимальная) 5 мм. Тогда уровень собственного шума будет равен 5 • 20 /10=10 мкВ. В лучших электрографических установках уровень собственного шума не превышает 1—2 мкВ. Таким образом при оценке качества электрографической установки прежде всего необходимо учитывать ее частотную характеристику, чувствительность, диапазон регистрируемых амплитуд, а также уровень собственных шумов, все время помня о том, какими параметрами характеризуются колебания биоэлектрических потенциалов.

Качество любой электрографической установки в целом зависит от характеристики входящих в нее отдельных блоков, поэтому важно знать назначение каждого из этих блоков и иметь хотя бы элементарное представление об их устройстве. Более подробное описание этих блоков можно найти в книге Л. А. Водолазского (1966) I) в руководстве Ю. Г. Кратина и сотр. (1963).

Экранированная камера. При регистрации биоэлектрических потенциалов электрофизиологу приходится вести борьбу с помехами и артефактами.

Помехами называют такие электрические колебания, поступающие на вход электрографической установки, которые не имеют отношения к регистрируемым биоэлектрическим потенциалам.

Одним из источников помех являются токи утечки.

Дело в том, что провода электросети, по которым течет переменный ток, если они даже скрыты в стенах, не полностью изолированы. Материалы, из которых сделаны стены, пол, потолки, представляют собой в действительности не изоляторы, а полупроводники и через них (как и через изоляцию проводов) токи частично могут проходить, создавая токи утечки. Такая утечка тока наиболее возможна в кирпичных помещениях, особенно, если эти помещения не вполне сухи. Токи утечки обычно распространяются от проводов в землю, а поскольку объект, с которого регистрируются потенциалы, заземлен, то они могут попадать на этот объект и через него на провода входа установки. Токи утечки, конечно, весьма малы: они могут создать невысокие потенциалы на входе, но если учесть, что усилитель повышает амплитуду входных потенциалов в сотни тысяч и даже миллионы раз, то на выходе они могут оказаться значительно превышающими потенциалы живых тканей, и регистрация последних становится невозможной.

Токи утечки легко обнаружить, если подсчитать число регистрируемых колебаний в секунду. Если оно равно точно 50 в секунду, это ток утечки.

Второй причиной помех являются магнитные поля, которые создаются вокруг проводов, если по этим проводам течет ток. Если провода противоположной полярности расположены близко друг к другу или свиты между собой, то суммарное магнитное поле между ними оказывается очень незначительным (оно взаимно подавляется), но если провод, по которому течет ток, одиночный, и если этот провод расположен близко ко входу электрографической установки, то магнитное поле может создавать в нем электродвижущую силу. Особенно мощные магнитные поля возникают от трансформаторов и моторов, близко расположенных к электрографической установке.

Источниками помех могут быть также электрические поля, которые возникают между проводами противоположной полярности. Если по проводам течет постоянный ток, то постоянное электрическое поле не будет существенным препятствием для регистрации биоэлектрических потенциалов. Но если токи переменные, они порождают переменные электрические поля. Последние «наводят» на теле испытуемого или другом объекте электрические потенциалы, которые опять-таки могут быть более высокими, чем регистрируемые. Наводки подобного типа особенно возрастают при большом сопротивлении электродов, т. е. при плохом их контакте с объектом.

Наконец, последним типом помех являются высокочастотные поля (более высокие, чем 50 Гц), создаваемые генераторами высокой частоты, электромоторами, рентгеновскими установками, УВЧ-установками и т. п. Опасность высокочастотных полей состоит в том, что они могут распространяться на большое расстояние и тем самым оказывать сильное влияние на вход установки как непосредственно, так и в результате возбуждения колебаний в находящихся в комнате проводах, между объектом и землей.

Артефакты — это колебания, создаваемые смещениями электродов, поступлением на вход установки био-электропотенциалов от других тканей, колебания, возникающие вследствие механических сотрясений приборов и т. п.



Борьба с помехами и артефактами должна начинаться практически с выбора помещения для электрографической установки. Помещение, по возможности, должно располагаться вдали от трамвайных и троллейбусных линий, желательно на самом нижнем этаже, в сухой комнате. Электрографическая установка должна располагаться возможно дальше от рентгеновских аппаратов, кабинетов физиотерапии, мощных трансформаторов и т. п.

При регистрации потенциалов для борьбы с токами утечки важнейшей мерой является изоляция объекта от пола, а также постройка дифференциального усилителя. От магнитных полей надежной защитой является экранировка трансформаторов; возможно дальнее их размещение, удаление проводов осветительной сети. Экранировка помогает избежать помех и от электрических полей, создаваемых осветительной сетью, и от высокочастотных полей. Поэтому наиболее надежным методом борьбы с помехами является экранирование и прежде всего постройка специальной экранированной камеры.

Экранированные камеры в идеале должны быть построены из листового железа или латуни, причем двуслойный экран более эффективен. Освещение внутри камеры осуществляется либо от источника постоянного тока, либо от лампочки, экранированной металлической сеткой. Важно, чтобы стены, потолок и пол камеры представляли собой единую и хорошо проводящую систему, поэтому листы железа или металлической сетки, из которых сооружается камера, обычно свариваются друг с другом. Дверь, построенная из того же материала, при закрывании должна обеспечивать надежный электрический контакт. Толстыми медными проводами камера присоединяется к системе заземления.

Современные экранированные камеры делают часто одновременно и звуконепроницаемыми. В них обеспечивается хорошая вентиляция. Внутри камеры размещается только объект исследования. Провода от него ко входу электрографической установки — только экранированные, т. е. заключенные в металлический чулок, который также заземляется.

Артефакты и помехи могут возникать в результате плохого (недостаточно надежного) контакта электродов, что приводит к их смещению и изменению сопротивления внешней цепи при дыхательных движениях, моргании, проглатывании слюны и т. п.

Коммутатор электродов. Регистрация биоэлектрических потенциалов с помощью современных электрографических установок, как правило, осуществляется одновременно или последовательно со многих пар электродов, расположенных на объекте исследования (например, при регистрации электроэнцефалограммы на голове испытуемого размещают иногда свыше тридцати электродов). Коммутатор позволяет осуществлять отведение потенциалов от любых точек в самых разнообразных комбинациях.

В простейшем случае коммутатор представляет собой входную колодку со многими гнездами и перемычками, которые позволяют соединить в пару любые электроды. В электрографических установках с большим числом каналов и большим числом электродов используются переключатели, позволяющие отводить потенциалы от многих точек мозга в различных комбинациях. Устанавливая ползунок переключателя на соответствующих цифрах, можно подвести потенциалы к избранному для регистрации каналу практически от любых двух электродов, расположенных на голове.