Электрические процессы в сердце

Возбуждение сердечной мышцы, как и всех других тканей, характеризуется возникновением электрических токов (биопотенциалов действия), которые распространяются по всему телу и могут быть зарегистрированы на электрокардиографе (он усиливает биопотенциалы сердца и регистрирует их на движущейся бумажной ленте). Метод записи токов действия сердца человека получил называние электрокардиографии. Запись биопотенциалов сердца называется  электрокардиограммой (ЭКГ).

В зависимости от мест наложения электродов на тело различают несколько отведений. Как правило, ЭКГ снимают в 12 отведениях, что позволяет оценивать состояние всех отделов сердца. Три отведения, при которых электроды накладываются на конечности, называются стандартными. При этом прибор соединяется с правой и левой руками (первое отведение), затем с правой рукой и левой ногой (второе отведение) и, наконец, с левой рукой и левой ногой (третье отведение).

ЭКГ снимают в состоянии мышечного покоя, непосредственно при физических нагрузках и в процессе восстановления.

У здорового человека на ЭКГ отчетливо видны пять зубцов: P, Q, R, S, T.

При анализе ЭКГ определяют высоту и направленность зубцов и длительность интервалов между ними. Длительность сердечных циклов определяется по интервалу между одинаковыми точками на ЭКГ. Удобнее всего это делать по вершинам зубцов.

У здоровых людей длительность сердечных циклов может быть неодинаковой. Это явление называется физиологической или синусовой аритмией. Изменение длительности сердечных циклов обычно связано с фазами дыхания: при вдохе они укорачиваются, в конце выдоха удлиняются. Синусовую аритмию, если нет каких-либо заболеваний сердца, рассматривают как показатель его хорошего функционального состояния.

Точные сведения о наличии и степени синусовой аритмии могут быть получены лишь при записи не менее 100 сердечных циклов. Если разница в длительности сердечных циклов не превышает 0,15 сек., то аритмию считают невыраженной, при разнице до 0,30 сек. – выраженной, при разнице больше 0,30 сек. – резко выраженной.

Во время сердечных нагрузок сердечные циклы укорачиваются и длительность отдельных циклов становится почти одинаковой. Это происходит быстрее у малотренированных людей при выполнении тяжелой работы. Физические нагрузки сопровождаются и другими изменениями показателей ЭКГ. Наиболее часто отмечается изменение высоты отдельных зубцов и смещение интервалов P-Q и S-T от нулевой линии. По изменениям показателей ЭКГ при мышечной деятельности оценивают степень приспособления сердца к физическим нагрузкам.

Движение крови по сосудам

Закономерности, которым подчиняется кровь при движении по сосудам, основаны на законах гидродинамики. Однако физические законы в живом организме, где все явления, в том числе и движение крови, происходит в сложных биологических условиях, приобретают своеобразный характер. Для изучения кровообращения часто применяют модели. Но в отличие от модели сердце подает кровь в сосуды не беспрерывно, а прерывистой струей. Сердце выбрасывает отдельные порции крови только при систоле. Несмотря на это, кровь по кровеносным сосудам течет беспрерывной струей. Ток крови становится беспрерывным благодаря эластичности стенок артерий.

Сердце, сокращаясь, выбрасывает кровь в артерии. Кровь выбрасывается отдельными порциями. После систолы желудочков давление в артериях резко повышается, и стенки артерий растягиваются. Вслед за систолой наступает диастола, когда стенки сосудов в силу эластичности возвращаются к первоначальному положению. Они давят на кровь, проталкивая ее дальше, и обеспечивают равномерный ее ток по сосудам.

Кровяное давление

Величину кровяного давления в основном определяют два условия: энергия, которая сообщается крови сердцем, и сопротивление артериальной сосудистой системы, которое приходится преодолевать току крови, оттекающей из аорты.

Таким образом, величина кровяного давления будет неодинаковой в разных отделах сосудистой системы. Наибольшее давление будет в аорте и крупных артериях, в мелких артериях, капиллярах и венах оно постепенно снижается, в полых венах давление крови меньше величины атмосферного давления. Неодинаковым будет кровяное давление и на протяжении сердечного цикла, - большее оно будет в момент систолы и меньшее в момент диастолы. Колебания кровяного давления при систоле и диастоле сердца происходит лишь в аорте и артериях. В артериолах и венах давление крови постоянно на всем протяжении сердечного цикла.

Наибольшее давление в артериях называется систолическим, или максимальным, наименьшее – диастолическим, или минимальным.

Давление в разных артериях неодинаково. Оно может быть различным даже в артериях с равным диаметром (например, в правой и левой плечевых артериях). У большинства людей величина артериального давления неодинакова в сосудах верхних и нижних конечностей (обычно давление в бедренной артерии и артериях голени больше, чем в плечевой артерии), что обусловлено различиями в функциональном состоянии сосудистых стенок.

В состоянии покоя у взрослых здоровых людей систолическое давление в плечевой артерии, где его обычно измеряют, равно 100-140 мм рт.ст. У молодых людей оно не должно превышать 120-125 мм рт.ст. Диастолическое давление равно 60-80 мм рт.ст., и обычно оно на 10 мм превышает половину величины систолического давления. Состояние, при котором артериальное давление низкое (систолическое ниже 100 мм), называют гипотонией. Стойкое повышение систолического (выше 140 мм) и диастолического давления, называют гипертонией. Разница между величинами систолического и диастолического давления называется пульсовым давлением, обычно оно составляет 50 мм рт.ст.

Артериальное давление у детей ниже, чем у взрослых; у пожилых людей в связи с изменением эластичности стенок сосудов оно выше, чем у молодых. Артериальное давление у одного и того же человека не бывает постоянным. Оно изменяется даже в течение суток, например, повышается при приеме пищи, в период эмоциональных проявлений, при физической работе.

Артериальное давление у человека обычно измеряется косвенным способом, который был предложен Рива-Роччи в конце ХIХ века. Он основан на определении величины давления, необходимого для полного сжатия артерии и прекращения в ней тока крови. Для этого на конечность испытуемого накладывают манжетку, соединенную с резиновой грушей, служащей для нагнетания воздуха, и манометром. При нагнетании воздуха в манжетку происходит сдавливание артерии. В момент, когда давление в манжетке становится выше систолического, пульсация на периферическом конце артерии прекращается, Появление первого пульсового толчка при уменьшении давления в манжетке соответствует величине систолического давления в артерии. При дальнейшем снижении давления в манжетке звуки сначала усиливаются, а затем исчезают. Исчезновение звуков характеризует величину диастолического давления.

Время, в течение которого производится измерение давления, не должно превышать 1 мин., так как может быть нарушено кровообращение ниже места наложения манжеты.

Пульс

При каждой систоле сердце выбрасывает определенное количество крови, которая, попадая под большим давлением в аорту, растягивает ее стенки. Во время диастолы стенки аорты, обладающей большой степенью упругости, возвращаются в исходное положение. Затем они вновь растягиваются новой порцией крови, выброшенной очередной систолой. Это растяжение и сжатие стенок аорты вызывает ее ритмические колебания, которые передаются по стенкам артерий. Если положить палец к тем участкам тела, где артерии подходят к поверхности, то можно ощутить эти колебания.

Ритмические колебания стенок артерий называются артериальным пульсом. Пульс можно прощупать на кисти руки, слегка прижав лучевую артерию к лучевой кости, на виске, на шее, у угла нижней челюсти, в паху и т.д. Пульсовые колебания не надо смешивать с током крови, так как скорость распространения пульсовой волны не связана со скоростью течения крови по сосудам. Ритмические колебания стенок сосудов, или пульсовая волна , как ее обычно называют, распространяется со скоростью 9 м в секунду, а наибольшая скорость, с которой течет кровь, не превышает 0,5 м в секунду. Пульсовая волна, распространяясь по артериям, постепенно ослабевает и окончательно теряется в капиллярной сети.

Пульс в значительной степени отражает работу сердца, и, прощупывая его, можно составить некоторое представление о работе и состоянии всей сердечно-сосудистой системы. Для этого производится запись пульса, и кривая, которая при этом получается, дает возможность произвести более глубокий анализ.

Запись пульса представляет собой характерную кривую, у которой наиболее крутой подъем соответствует систоле желудочков, когда выброшенная в аорту кровь растягивает ее стенки. За систолой следует диастола, когда давление падает. Это понижение давления в аорте на кривой отражается в виде спуска. Вслед за спуском кривой наблюдается вторичный подъем, который объясняется следующим образом. При диастоле сердце расслабляется и давление в желудочке падает, тогда часть крови, выброшенной в аорту при систоле, устремляется обратно в сторону сердца, однако не может туда попасть, так как ей преграждают путь полулунные клапаны. Кровь ударяется о полулунные клапаны и вновь возвращается в аорту, вызывая новый дополнительный подъем давления.

Частота пульса примерно равна 70 ударам в минуту. Количество пульсовых колебаний соответствует количеству сокращений сердца. Обычно сердце работает неравномерно – при вдохе деятельность сердца ускоряется. Подобная неравномерность в работе сердца наблюдается и при полном покое. Изменение деятельности сердца в связи с фазами дыхания называется дыхательной аритмией.

Дыхание

Дыхание представляет собой сложный процесс газообмена между внешней средой и организмом. В организм из внешней среды поступает кислород, а наружу выделяется углекислый газ. Кислород – необходимый элемент обмена веществ.

Проходя через капилляры малого круга кровообращения, кровь обогащается кислородом, поступающим в них из легочных альвеол, и отдает углекислый газ. Этот процесс называется легочным газообменом. Переход кислорода из альвеолярного воздуха в кровь и углекислого газа из крови в альвеолярный воздух обусловлен разным давлением каждого из этих газов в крови и в воздухе, наполняющем альвеолы.

При вдохе грудная клетка расширяется и ее размеры увеличиваются, что обусловлено обычно сокращением межреберных мышц и диафрагмы. При ускоренном дыхании во вдохе участвуют и другие мышцы. За расширяющейся рудной клеткой следуют легкие, которые легко растягиваются. В растянутом легком давление падает ниже атмосферного, создается разность давлений между легочным и атмосферным воздухом, и под его действием наружный воздух засасывается в легкие.

При обычном выдохе мышцы, обеспечивающие вдох, расслабляются, грудная клетка в силу тяжести возвращается в исходное положение, купол диафрагмы приподнимается, объем грудной клетки, а следовательно, и легких уменьшается и воздух, вошедший в легкие на вдохе, выталкивается наружу. В сильном выдохе участвуют брюшной пресс и другие мышцы.

В состоянии покоя при каждом вдохе в легкие поступает около 500 мл воздуха. При выдохе такое же количество воздуха выходит наружу. Этот объем воздуха называется дыхательным объемом. Легкие человека обладают резервом емкости, который используется при усиленном дыхании. Так после спокойного вдоха человек может дополнительно вдохнуть еще около 1500 мл воздуха. Этот объем называется резервным объемом вдоха . После спокойного выдоха человек может, сделав усилие, выдохнуть еще примерно 1500 мл воздуха. Это резервный объем выдоха . Дыхательный объем и резервный объемы вдоха и выдоха составляют жизненную емкость легких (ЖЕЛ). Величина ЖЕЛ зависит от размеров тела и степени развития дыхательных мышц, возраста, пола. Так, у мужчин ЖЕЛ колеблется в пределах 3200-8000 мл, у женщин 2500-5000 мл. После максимального выдоха в легких остается еще около 1500 мл воздуха, выдохнуть который невозможно. Это остаточный объем легких.

Легочная вентиляция

Циркуляция воздуха в легких во время дыхания называется легочной вентиляцией, показателем которой является минутный объем легких. Под минутным объемом понимают то количество воздуха, которой проходит через легкие в минуту, а для этого необходимо знать частоту дыхания.

Частота дыхания у взрослых людей составляет 12-18 дыхательных движений в минуту. Большое значение имеет тренировка;- у тренированных людей дыхательные движения совершаются более медленно и равняются 6-8 в минуту. Дыхание у детей более частое, чем у взрослых, например, новорожденные дышат 60 раз в минуту, ребенок 5 лет – 25 раз в минуту, а в 15-16 лет частота дыхания достигает величины 12-18 и такой сохраняется в дальнейшем. При мышечной работе дыхание учащается в 2-3 раза, доходя до 40-45 раз в минуту и более. На частоту дыхания влияет температура окружающей среды, умственная работа и др.

Если мы знаем, что дыхательный объем равен примерно 500 мл, а в покое человек в среднем делает около 16 дыхательных движений в минуту, то, в среднем через его легкие за 1 минуту проходит около 8 л воздуха. Это количество воздуха и будет составлять минутный объем дыхания (МОД). Величина МОД зависит от размеров тела, возраста, пола и от интенсивности протекания в организме окислительных процессов.

При физической работе ткани, особенно скелетные мышцы, требуют значительно больше кислорода, чем в покое, и вырабатывают больше углекислого газа. Это приводит к увеличению МОД как за счет учащения дыхания, так и вследствие увеличения дыхательного объема. Чем тяжелее работа, тем относительно больше МОД. Если в покое дыхательный объем примерно в 3 раза меньше резервного объема вдоха и резервного объема выдоха, то при нагрузке это соотношение меняется. Дыхательный объем увеличивается за счет воздуха, который в покое является резервным.

Теоретически рассуждая, выгоднее увеличить МОД, увеличивая глубину дыхания в большей степени, чем частоту. Обычно так нам и рекомендуют: «Дышите глубже». Однако наблюдения за спортсменами-профессионалами показали, что при тяжелой работе они в большинстве случаев дышат поверхностно и часто. Оказалось, что дыхание с небольшой или средней глубиной выгоднее организму, так как осуществляется за счет собственно дыхательных мышц – диафрагмы и межреберных. Дыхание с большой глубиной требует участия дополнительных мышц – большой грудной, мышц живота, трапециевидных и др. Эти мышцы, включаясь в работу по дыханию, требуют большего количества кислорода и как бы «отнимают» его у мышц, выполняющих движения. Поэтому при тренировке спортсменов рефлекторно вырабатывается оптимальное сочетание частоты и глубины дыхания, при котором работа дыхательного аппарата данного человека требует наименьших затрат энергии. Этим объясняются значительные порой индивидуальные различия в частоте и глубине дыхания при выполнении физических упражнений у человека.

Для записи дыхательных движений используют различные методики. Запись дыхания называют пневмографией, а кривую – пневмограммой. Такая кривая дает возможность судить о частоте, глубине и взаимоотношении отдельных фаз дыхания.

Опыт 1 Регистрация пульса

            В состав датчика пульса входят первичный преобразователь и усилитель электрического сигнала. Первичный преобразователь выполнен в виде клипсы, которую закрепляют на одном из пальцев руки. В клипсу вмонтирован оптический излучатель (светодиод) и приемник излучения (фототранзистор).

            Кровеносные сосуды пальца в ритме сокращений сердца модулируют по амплитуде световой поток, поступающий от излучателя к приемнику. Фотоприемник преобразует световой поток в электрический сигнал. Усилитель усиливает слабые сигналы, снимаемые с выхода фотоприемника, и подавляет сетевые помехи на частоте 50 Гц. Усиленный и отфильтрованный сигнал поступает на вход компьютерного измерительного блока, оцифровывается и передается в компьютер.

Для проведения опыта усадите испытуемого и наденьте на один из его пальцев датчик. При измерении пульса человек должен находиться в полном покое. Выберите в меню на экране компьютера пункт «Регистрация пульса ». Данный пункт содержит два сценария: «Запись пульсовых колебаний» и «Определение частоты пульса».

Сценарий «Запись пульсовых колебаний» выводит сигнал с датчика без обработки. Для проведения опыта выберите этот сценарий и войдите в режим проведения измерений. После остановки измерений Вы можете с помощью курсора определить время, за которое прошло определенное количество ударов пульса и рассчитать среднюю частоту пульса за выбранный период. Кнопка «Пауза» позволяет останавливать процесс измерений и возвращаться к ним («Далее») после, например, выполнения испытуемым каких-либо физических упражнений.

Сценарий «Определение частоты пульса» позволяет работать с частотой пульса в режиме реального времени. На экран компьютера выводится два графика. Один из графиков представляет запись пульсовых колебаний (амплитуда сигнала с датчика в зависимости от времени), а второй представляет частоту пульса. Частота пульса рассчитывается на основе определения интервала времени, разделяющего два соседние пульсовые удара. Построение графика зависимости частоты пульса от времени начинается с небольшой задержкой относительно времени начала измерений. Это время необходимо для проведения автоматической настройки измерительной системы на параметры поступающего сигнала, характер которого может несколько отличаться для разных людей.

Для успешного проведения опыта не следует предпринимать действий, уменьшающих амплитуду регистрируемых пульсовых колебаний в течение эксперимента.

Опыт 2 . Регистрация ЭКГ

            Элетрокардиография – метод регистрации биоэлектрической активности сердца, возникающей в нем во время сердечного цикла. Тело человека является проводником электричества, поэтому электрический потенциал, генерируемый сердцем, можно зарегистрировать в самых различных точках поверхности тела.

            В состав измерителя входят два специальных электрода, устанавливаемых на левой и правой руке, и электронный блок, в котором смонтированы дифференциальный усилитель с высоким коэффициентом усиления и схема подавления сетевых помех.

            Для проведения опыта подсоедините электроды к кнопочным разъемам, которыми заканчиваются измерительные кабели, и снимите с электродов защитную пленку. Усадите испытуемого и закрепите (приклейте) на его руках немного выше запястий электроды датчика. Электрод с красной кнопкой следует размещать на левой руке. Выберите в меню раздела «Биология» пункт «Регистрация ЭКГ» и войдите в режим проведения измерений. Вывод электрокардиограммы на экран компьютера начинается после нажатия кнопки «Пуск» и заканчивается после нажатия на кнопку «Стоп». Кнопка «Пауза» служит для остановки регистрации и вывода данных. Данные, полученные с момента нажатия кнопки «Пуск» до нажатия кнопки «Стоп», доступны для просмотра с помощью курсора.

После завершения измерений закройте рабочую поверхность электродов защитной пленкой.

Опыт3. Измерение артериального давления

Измерение артериального давления в проводимом эксперименте базируется на методе, предложенном Н. С. Коротковым. Измерение давления воздуха в манжете проводится с помощью датчика давления, результаты измерений выводятся на экран компьютера. В комплект измерителя артериального давления входит фонендоскоп, который позволяет контролировать возникновение и прекращение характерных тонов, прослушиваемых в плечевой артерии.

Сигнал, регистрируемый датчиком давления, включает как медленно меняющуюся составляющую – уменьшение давления воздуха в манжете, связанное с выпусканием воздуха из манжеты, так и пульсации давления, являющиеся следствием изменяющегося давления крови в соответствии с фазами сердечного цикла. Обе эти составляющие давления выводятся на экран компьютера, и таким образом, экспериментатору предоставляется возможность сравнивать амплитуду колебаний давления в манжете с усилением и ослаблением прослушиваемых характерных тонов. Следует отметить, что амплитуда пульсаций давления в манжете составляет около 1% от полного давления, поэтому на экране амплитуда пульсаций увеличена.

Для проведения опыта усадите испытуемого и наденьте на одно из его предплечий манжету. Выберите в меню на экране компьютера пункт «Измерение артериального давления» и войдите в режим настройки оборудования. На экране появится цифровой индикатор, показывающий давление воздуха в манжете (в мм рт.ст.). С помощью нагнетателя накачайте воздух в манжету до давления 160 – 180 мм. рт.ст., перейдите в экран проведения измерений, нажмите кнопку «Пуск» и приложите фонендоскоп к руке в области локтевого сгиба. Приоткройте клапан выпуска воздуха и наблюдайте сигналы на экране, одновременно прослушивая тоны. Измерения можно остановить после того, как амплитуда пульсаций на экране (нижняя кривая) перестанет изменятся (после того, как характерные тона перестанут прослушиваться). Если давление в манжете упадет ниже 40 мм рт.ст., запись данных остановится автоматически.

При рассмотрении записанных данных следует обратить внимание на следующее. Пульсации давления регистрируются в манжете сразу после начала измерений. Давление воздуха в манжете при этом выше максимального давления крови, и просвет плечевой артерии зажат. Однако повышение давления во время систолы приводит к дополнительному сжатию верхней области манжеты, что и проявляется в наличие слабых пульсаций. Характерные тона в плечевой артерии в этом случае не прослушиваются.

Когда давление воздуха в манжете понижается настолько, что кровь при систоле оказывается способной его преодолеть, то в плечевой артерии начинают прослушиваться характерные тона, обусловленные появлением тока крови при систоле и остановкой его при диастоле. На экране компьютера в этот момент наблюдается достаточно быстрый рост амплитуды пульсаций. Показания датчика давления, соответствующие этому моменту, характеризуют систолическое, или максимальное, давления в плечевой артерии.

При дальнейшем выпускании воздуха из манжеты тона сначала усиливаются, а затем затихают и перестают прослушиваться совсем. Прекращение тонов говорит о том, что теперь уже и во время диастолы кровь способна проходить под манжетой, вследствие чего прерывистое течение крови превращается в непрерывное. На графике пульсаций давления в это время можно наблюдать, как амплитуда колебаний перестает изменяться и в дальнем сохраняется постоянной.

Опыт 4. Измерение частоты дыхания

            Измерение частоты дыхания осуществляется с помощью миниатюрного полупроводникового датчика температуры. Датчик температуры помещен в отверстие маски, которая надевается на область рта и носа и, таким образом, позволяет сконцентрировать поток вдыхаемого и выдыхаемого воздуха в области размещения датчика. Температура выдыхаемого воздуха близка к температуре тела человека и таким образом выше комнатной температуры. Поэтому при выдохе регистрируемая датчиком температура повышается, а при вдохе, когда мимо датчика идет более холодный окружающий воздух, падает.

            Перед проведением измерений необходимо внутреннюю поверхность маски протереть спиртом или вложить внутрь маски салфетку из бумаги.

Для проведения опыта выберите в меню раздела «Биология» на экране компьютера пункт«Измерение частоты дыхания» и войдите в режим настройки оборудования. При этом программа измерит комнатную температуру (температуру встроенного в маску датчика), автоматически проведет выбор оптимального масштаба представления данных и выдаст на экран сообщение «Комнатная температура определена». После этого усадите испытуемого и попросите его надеть на лицо маску. Перейдите в режим проведения измерений.

После нажатия на клавишу «Пуск» на экран компьютера выводятся два графика. Один из графиков представляет запись колебаний температуры воздуха в месте размещения датчика (зависимость температуры от времени), а второй показывает частоту дыхания. Частота дыхания рассчитывается на основе определения интервала времени, разделяющего два соседние (по графику) выдоха. Построение графика зависимости частоты дыхания от времени начинается с задержкой 25с относительно времени начала измерений. Это время необходимо для проведения автоматической настройки измерительной системы на параметры поступающего сигнала, характер которого может несколько отличаться для разных людей.

Вывод графиков на экран компьютера начинается после нажатия кнопки «Пуск» и заканчивается после нажатия на кнопку «Стоп». Кнопка «Пауза» служит для остановки регистрации и вывода данных. Данные, полученные с момента нажатия кнопки «Пуск» до нажатия кнопки «Стоп», доступны для просмотра с помощью курсора.