Глава 7. Топографический кардиограф

Электричество живого

Электрография в медицине - это наука об изучении связей между электрическими и физиологическими процессами, протекающими в живом организме. Электрография представляет собой область изучения электрической активности живой ткани, а электрокардиография - соответственно диагностический метод оценки состояния сердечной мышцы и сердечно-сосудистой системы при изменении во времени их электрической активности.

Применение электрокардиографии началось в конце 20-х годов текущего столетия, когда было предложено для регистрации электрической активности сердечной мышцы, органов, нервов и т. д. использовать магнитоэлектрический осциллограф, позволяющий интерполировать электрическую активность, записывать ее кривую на бумажной ленте. После этого электрическая диагностика бурно развивается. Изготовление предназначенных для нее приборов становится самостоятельной отраслью медицинского приборостроения. Развитие электроизмерительной техники, методов регистрации и всевозрастающий клинический опыт привели к тому, что электрокардиограф (прибор для снятия кривой электрической активности) стал достоянием любой поликлиники и является одним из основных приборов скорой и неотложной помощи.

Между первыми наблюдениями электрических свойств живой ткани и массовым использованием электрокардиографа прошло много десятков лет. Электроизмерительная техника развивалась достаточно быстрыми темпами, и имевшиеся возможности измерения электрической активности сердца могли бы быть реализованы раньше. Однако этого не произошло из-за того, что природа явлений, обусловливающих электрическую активность сердца, была неясна. Существовавшие гипотезы были противоречивы и не объясняли всей сути явлений. Для решений этой проблемы нужна уникальная комплексная физико-химическая и квантовомеханическая измерительная аппаратура.

В 1942 г. был обнаружен переход электронов из одной молекулы в другую, названный переносом зарядов. Это важнейшее открытие, которое целиком согласуется с современными представлениями о процессах в сложных полупроводниках, по-видимому, является основой для раскрытия природы возникновения биопотенциалов. Кроме того, оно по существу означает, что молекулы и атомы не являются независимыми и изолированными элементарными частицами - электронные облака двух молекул могут перекрываться, причем электрон одной молекулы может использовать орбиту другой.

Затем была разработана квантовомеханическая теория переноса заряда и систематизированы имевшиеся данные экспериментов. Эта теория, а также быстрые темпы развития науки о полупроводниковых свойствах вещества, включая и биополимеры, открывают огромные и интереснейшие перспективы в изучении природы биопотенциалов. Вероятно, имеет место сложное явление суперпозиции (совмещение) различных гипотез. Возможно, будет найдено совершенно новое объяснение многообразия явлений биоактивности. А пока практическая электрография базируется на огромном числе эмпирических данных и клинических наблюдениях, успешно помогая врачу.

Импульсы сердца

Электрокардиограмма - это кривая изменения электрической активности сердца, характеризующая деятельность сердечной мышцы в функции времени. На графике регистрируются изменения величины напряжения во времени. Для того чтобы получить электрокардиограмму (ЭКГ), на тело человека устанавливают два электрода и подключают их к измерительному регистрирующему прибору. Многочисленные исследования позволили найти участки тела, измерения с которых позволяют получить кривую, дающую наибольшую информацию. Существующие приборы-электрокардиографы могли бы давать более полную информацию, если расширить пределы регистрируемых частот.

Много неясного и противоречивого существует пока в исходных представлениях о природе появления электрической активности. Эти представления так или иначе высказываются, приводятся их доказательства. Но каким образом электрическая активность распространяется по телу, почему при расположении электродов на одних местах тела регистрируется одна кривая, а при расположении на других - другая, исчерпывающего ответа пока нет. Общие соображения об электрофизике явлений крайне противоречивы. Так же как и биофизика источника электрической энергии, определение путей распространения биотоков по телу человека нуждается в развернутых исследованиях. Надо отдать дань уважения электрофизиологам Ю. Ю. Чаговцу, А. Ф. Самойлову, С. С. Стериопуло, В. Ф. Чаговцу, Э. Эдриану и другим, а также многочисленной армии отечественных и зарубежных меди-ко-клиницистов, которые сумели это сложнейшее явление использовать на благо человека [26]. Электрокардиографические данные дополняют клиническую картину течения заболевания, помогают врачу в правильной диагностике и правильной оценке хода лечения. Не случайно подчеркнуто, что электрокардиографические данные диагностики дополняют общую диагностику, хотя в подавляющем числе заболеваний они взаимно однозначны. Все-таки редко, но бывает так, что клиническая картина заболевания не регистрируется электрокардиограммой.

Сохранение формы, фазы и амплитуды кривой электрической активности означает нормальную, уверенную работу сердца. Отклонения от нормы - изменения интервалов времени общего цикла между всеми или отдельными его фазами, изменение амплитудных значений напряжений, изменение их знака, изменение соотношений между значениями амплитуд - показывают нарушение работы сердца. И одним из показателей серьезных нарушений сердечной деятельности является разрыв монотонности кривой или заметное изменение ее формы. Перечисленные изменения не являются исчерпывающими. Легко могут быть изображены наиболее характерные изменения кривой ЭКГ, отражающие различные виды сердечных заболеваний. Эти изменения в совокупности с другими показателями (величина артериального давления, показатели, характеризующие биохимию) помогают врачу установить диагноз и своевременно принять меры.

Итак, даже не зная досконально природы источника электрической активности, природы и законов распространения биотоков в организме, человек умело использует присущее ему, его жизни электричество в целях сохранения здоровья.

Электрокардиограф - это прибор, позволяющий измерить напряжение, характеризующее работу сердечной мышцы.

Электрокардиограф состоит из следующих основных частей: электродов, накладываемых на тело больного; широкополосного усилителя измерительного прибора с регистратором напряжений; эталонного источника напряжения, позволяющего уточнить масштаб измеряемого напряжения, и комплекта проводов, соединяющих электроды с электрокардиографом. Наиболее широко в СССР применяется одноканальный переносный электрокардиограф типа 060 и 061, который относится к категории приборов с непосредственной записью. Прибор предназначен для работы в клиниках, поликлиниках и на квартире больного.

В настоящее время разработаны новые электрокардиографы "Салют" и "Малыш" [26]. У них значительно меньший вес, более надежная регистрирующая система, а применение полупроводников делает их более надежными в эксплуатации.

Пока стрелка не на нуле...

Наука о спасении человека, почти потерявшего все признаки жизни,- реаниматология - многого достигла. Результаты ее все больше и больше применяются в практике скорой помощи, в больницах, в клиниках. Один из энтузиастов реанимации И. В. Шабан сделала следующее наблюдение: жизнь угасает, но кривая, характеризующая электрическую активность сердца, сохраняет свою форму. Пока сохраняется электрическая активность сердца, борьба за жизнь умирающего продолжается, и во многих случаях человека удается спасти.

Ну а что происходит, если наступает смерть? Появляются изменения электрической активности, которые очень быстро нарастают, а затем электрическая активность пропадает. Беспорядочные отдельные электрические импульсы наблюдаются иногда в течение часа. Жизнь покинула человека. Что же случилось? Число молекул и атомов, т. е. количество вещества, осталось практически тем же самым, изменилось только движение зарядоносителей - электронов и ионов. Может быть, в этом одна из разгадок тайны смерти, и будущие исследователи, обладая иными, более совершенными средствами исследований, установят закономерность движения электронов, ионов и других зарядоносителей в живом организме, прямую связь ее с жизнедеятельностью. Возможно, одно из основных отличий живого от неживого и заключается как раз в различных молекулярных, атомных и межмолекулярных электронных связях? Отличие может быть в различной миграции электронов от молекулы к молекуле, в своеобразном движении ионов, в результате чего появляется особый вид электропроводности и особый вид поляризации, характеризуемый накоплением зарядоносителей, фиксируемый электрокардиограммой. Может, пророческими окажутся слова Сент-Дьердьи, который писал: "Я глубоко убежден, что мы никогда не сможем понять сущность жизни, если ограничимся молекулярным уровнем. Ведь атом - это система электронов, стабилизируемая ядром, а молекулы - не что иное, как атомы, удерживаемые вместе поделенными электронами, т. е. электронными связями" [26].

Развивая эту мысль, можно предположить, что молекулы живого - это молекулы, взаимосвязанные энергетикой движения зарядоносителей, миграцией электронов, обладающие специфической проводимостью, присущей только живому. Даже обычные, хорошо изученные виды проводимости, такие, как ионная, электронная, электронно-дырочная, в живом обладают своей спецификой, не говоря уже о специфичности только для живого комплексного движения зарядоносителей всех видов. И это не простая сумма всех проводимостей: 1 + 1 + 1=3. Придавая специфике движения электронов в живом основополагающее значение, нельзя отрицать огромной роли биохимических, биофизических и физических явлений и преобразований, в простейшей связи с которыми происходит движение электронов. Совокупность этих явлений, по существу, и обусловливает жизнь. Если предположить, что удастся раскрыть основные закономерности движения зарядоносителей электронов в живом организме и создать модель этого движения, то эта модель не будет живым организмом. Имеется еще немало явлений, которые пока скрывает природа. Однако это отнюдь не умаляет значения сказанного выше. Гипотеза о специфике движения зарядоносителей в природе живого как наиболее существенном отличии живого от неживого, высказанная Сент-Дьердьи и развитая его учениками, уже и сейчас не беспочвенна.

Тончайший механизм клеточной регуляции, энергетических преобразований, быстрота реакции организма в целом и отдельных анализаторов на изменения внешней среды, на внешние раздражители, быстрота обработки самой информации, оцениваемая по величине электрической активности, объяснимы наличием в основе этих процессов движения зарядоносителей. Сложнейшие биохимические обменные процессы в клетке, преобразование различного вида энергии в клетке или ее элементах, как, например, в метахондриях, объяснимы только тем, что перенос энергии производится частицами, обладающими массой, которая меньше атома, и в первую очередь прямо и косвенно электронами.

Известно, что электрическая активность мозга оценивается импульсами напряжения различной частоты. Этот факт является результатом изучения сотен тысяч больных и здоровых людей, сотен тысяч подопытных животных.

Нарушения электропроводности в организме могут привести к серьезным нарушениям обменных процессов.

Вижу... токи крови

Советские ученые разработали лабораторный макет импульсно-когерентного ультразвукового кардиографа (ИК-УЗКАР). ИК-УЗКАР [20] позволяет получать как сведения о лоцируемых кардиоэлементах (эхокардиограмму), так и информацию о скорости лоцируемого кардиоэлемента, а также характере спектра скоростей кровотока в полостях желудочков сердца, аорте, левом предсердии и т. д.

Скорости структурных элементов и кровотока внутри сердца измерялись посредством измерения спектра доплеровских частот в отраженном импульсном УЗ сигнале.

Для решения этой задачи требуется довольно сложная система спектральной обработки. Спектральный анализ в координатах частота - время - спектральная плотность мощности (метод обобщенных голограмм) проводился с помощью разработанных в НИРФИ оптических одноканальных и многоканальных схем, работающих в некогерентном свете.

Импульсно-когерентный локатор ИК-УЗКАР-1 предназначен для определения величины и направления скорости движения выбранного кардиоэлемента.

Функциональная схема эхолокатора такова. Импульсы от кварцевого тактового генератора запускают генератор ударного возбуждения, который вырабатывает радиоимпульс. Импульс усиливается усилителем мощности и преобразуется в ультразвуковой импульс. УЗ импульсы посылаются в тело пациента и отражаются от структурных элементов сердца. Отраженные импульсы принимаются и преобразуются в радиоимпульсы, которые усиливаются широкополосным усилителем. С выхода усилителя сигнал подается на вход фазового детектора, куда также поступает сигнал гетеродина, настроенного на ту же частоту. На выходе фазового детектора получаются видеоимпульсы, амплитуда которых зависит от фазового сдвига между сигналом гетеродина и принятым сигналом. Для получения информации о скорости движения одного выбранного кардиоэлемента сигнал с выхода фазового детектора стробируется ключом. Задержка стробимпульса и его ширина могут регулироваться во времени.

Выделение доплеровской частоты, заложенной в огибающей видеоимпульсов, производится фильтром нижних частот, с выхода которого сигнал записывается для дальнейшего анализа. Для наблюдения сигналов, отраженных от структурных элементов сердца, и выбора нужного элемента импульсы, полученные с выхода фазового детектора, подаются на усилитель вертикального отклонения осциллографа.

Разрешающая способность локатора по глубине - 1,5 мм, а диапазон измеряемых скоростей ±18 см/с. Как указывалось выше, эхокардиограф ИК-УЗКАР-1 измеряет как абсолютную величину, так и определяет знак (направление) скорости [20], [26].

В задачах, связанных с измерением скорости кровотока в полостях сердца, необходимо расширить пределы измерения скорости. В связи с этим пришлось отказаться от определения знака, однако максимально измеряемая величина скорости увеличилась. Для обнаружения и регистрации движущихся потоков крови в полостях сердца был разработан эхокардиограф ИК-УЗКАР-3.

Эхокардиографические исследования с применением импульсных эхокардиографов позволяют в ряде случаев наблюдать на эхокардиограмме отражения от потоков крови. Однако сказать что-либо о скорости движения крови при использовании обычных импульсных эхокардиографов невозможно. При непрерывной доплеровской локации сердца также регистрируются сигналы, отраженные от потоков крови, что позволяет измерять скорости ее движения. В этом случае, однако, неизвестно, в какой полости сердца и на какой глубине находится регистрируемый поток. Импульсно-когерентная локация позволяет выделить доплеровский сигнал с определенной глубины интересующей нас полости сердца.

В режиме импульсно-когерентной локации, который осуществляется одновременно с эхолокацией, регистрировались доплеровские шумы кровотока. В ряде случаев регистрировались доплеровские шумы, которые не производили акустического феномена и фонендоскопом не прослушивались. По мнению врачей, использование импульсно-когерентного локатора для обнаружения доплеровских шумов кровотока поможет диагностике таких заболеваний сердца, как дефекты межжелудочковой и межпредсердной перегородок, стеноз аорты и т. п., что явится шагом вперед в УЗ диагностике заболеваний сердца.

Голографическая корреляция

Корреляционный анализ, использующий гологра-фические методы, дает возможность получить более точные объективные данные по классификации ЭКГ [20]. Целесообразно анализировать ЭКГ в динамике для фиксации незначительных отклонений сердечной деятельности от нормы у больных, находящихся под наблюдением врача при амбулаторном лечении и при контроле состояния пациента во время операции. Результаты анализа сравниваются между собой. С учетом модификаций ЭКГ общее количество образов, с которыми должна сравниваться анализируемая ЭКГ, превышает 10², в этой связи голографический коррелятор должен иметь многоканальное построение.

Нашими учеными были разработаны схемы многоканальных голографических корреляторов, обеспечивающих анализ ЭКГ в статике и динамике: коррелятора с вводом ЭКГ на фототранспаранте и оперативного коррелятора с вводом ЭКГ с помощью электронно-лучевого модулятора света, использующего в качестве динамического транспаранта электрооптический кристалл ДКДР.

Работа коррелятора, использующего ввод ЭКГ с помощью фототранспаранта, основана на мультипликации записанного на транспаранте изображения с помощью линзового растра, оптически связанного с объективами, на формировании фурье-преобразующим объективом совокупности пространственных спектров, на пропускании указанных спектров через фотопластинку с записанной на ней матрицей фурье-голограмм эталонных изображений и получении в задней фокальной плоскости фурье-преобразующего объектива совокупности функций взаимной корреляции. С помощью линзового растра, содержащего короткофокусные сферические элементы объектива и расположенного на фокусном расстоянии от линзового растра объектива, формируется совокупность параллельных пучков, освещающих под различными углами изображение, записанное на транспаранте. Эта совокупность пучков после прохождения через транспарант преобразуется по Фурье объективом, в задней плоскости которого на фотопластинке формируется совокупность пространственных спектров анализируемой ЭКГ.

Объектив используется для формирования сходящихся опорных пучков, интерферирующих в плоскости фотопластинки с пространственными спектрами ЭКГ. После химической обработки фотопластинки на ее поверхности образуется матрица фурье-голограмм. Запись фурье-голограмм, с которыми сравнивается анализируемая ЭКГ, производится с помощью последовательного ввода транспаранта с изображениями различных ЭКГ; при этом передвижная диафрагма перемещается так, чтобы поочередно открывались элементы линзового растра, обеспечивая прохождение одного пучка как в опорном, так и в предметном каналах.

В режиме корреляционного анализа в предметный канал помещается транспарант с анализируемым изображением, опорный пучок перекрывается и в отсутствие передвижной диафрагмы в плоскости входного окна фотоприемника формируется одновременно вся совокупность функций взаимной корреляции анализируемого изображения с изображениями, записанными на фотопластинке в виде фурье-голограмм. Формирование в опорном канале сходящихся световых пучков (на этапе записи матрицы фурье-голограмм) обеспечивает получение корреляционных функций в выходной плоскости без использования дополнительного объектива, расположенного за фотопластинкой.