В.5 Помехи при измерении биопотенциалов и способы их уменьшения

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 4Следующая ⇒

Помехи, возникающие при любых измерениях, искажают результат и увеличивают погрешность. Анализ причин появления помех и нахождение способов их устранения является основной задачей любого измерения.

Сложная структура отведений приводит к возникновению методических погрешностей, основными составляющими которых являются:

– падение части сигнала на сопротивлении кожа–электрод;

– искажение электрического поля проводящим материалом электрода и входными токами усилителя биопотенциалов;

– усреднение потенциалов поверхности тела под электродом вследствие его конечных размеров;

– разбаланс суммирующих цепей нулевых электродов с учетом сопротивления кожи и входного сопротивления усилителя;

– неточность наложения электрода в выбранную точку и различие в свойствах токопроводящих жидкостей и крема.

Помехи, возникающие при съеме биопотенциалов и их усилении и влияющие на результат измерения, могут проявлять себя независимо от наличия сигнала как случайные помехи, вызываемые определенными процессами в диагностируемом организме. Их причинами может быть биоэлектрическая активность органов, не имеющих непосредственного отношения к работе диагностируемого органа, а также кожно–гальванические рефлексы, непостоянство поляризационных эффектов на электродах и др. Например, в электрокардиографии артефактами могут быть сигналы, связанные с активностью различных групп мышц, которые при миографических исследованиях являются полезными. Такие сигналы имеют широкую полосу частот.

Действие помехи может проявляться в нерегулярном изменении уровня сигнала вследствие изменения сопротивления электрод-кожа, вызванного внешними раздражителями, при высыханинии электропроводного крема или физиологического раствора, а также при возникновении электрохимических процессов на переходах контакта. Помехи появляются в инфранизком частотном диапазоне и возникают в основном при длительных исследованиях. Для уменьшения их влияния на результат измерений ограничивают время диагностики.

Помехи могут вызываться внешними причинами в виде наводок от электрических полей электроустановок, силовой и осветительной сети (50 Гц), от магнитных полей, создаваемых трансформаторами и другими магнитными приборами; а также от электромагнитных полей, сопровождающих работу высокочастотных физиотерапевтических и хирургических аппаратов. Провода отведений образуют виток, в котором электромагнитное поле наводит помеху, величина которой пропорциональна площади витка.

Собственные шумы активных и пассивных элементов входных цепей и усилителей биопотенциалов, а также преобразователей сигналов в цифровую форму вносят свой вклад в помеховую составляющую измеряемого сигнала.

Существуют несколько способов уменьшения сетевых помех.

Для ослабления влияния сетевой помехи обычно используется дополнительный нейтральный (индифферентный) электрод, с помощью которого биообъект соединяют с заземляющим проводом. Уровень сетевых наводок уменьшится, но в большинстве видов электрофизиологических измерений он может оставаться выше уровня полезных сигналов.

Сетевую наводку ослабляют с помощью режекторных фильтров, обеспечивающих подавление в узкой полосе частот 47–53 Гц, устанавливаемых на входах усилителей биопотенциалов.

Диапазоны частот используемых усилителей как правило перекрываются и составляют в различных режимах:

ЭКГ 0, 5–74 Гц,

ЭЭГ, ЭОГ 1–25 Гц,

ЭМГ 0, 08–5 кГц.

Наводки от сетей питания 50 Гц и их гармоник 100 Гц, 150 Гц и др. могут находиться в этих полосах частот.

В качестве усилителей биоэлектрических сигналов используются дифференциальные усилители, которые имеют большое входное сопротивление не менее 10 МОм, обеспечивают увеличение биопотенциалов до 1000 раз и имеют чувствительность порядка 1…10 мкВ.

Снижение влияния биологических и физических помех достигается применением усилителей с достаточно большим коэффициентом подавления этих помех. Устранение влияния помех и наводок, связанных с проводами отведений, достигается уменьшением площади замкнутого контура, образованного этими проводами и применением методов экранирования.

Дифференциальные усилители должны быть малошумящими. Шум, возникающий при использовании аналого-цифрового преобразования, следует минимизировать путем согласования цифровых и аналоговых цепей или предусмотреть специальные меры.

Лабораторная работа №1. Исследование электрокардиографических сигналов

Сердечнососудистая система человека

Сердечнососудистая система человека – сложный и чувствительный механизм, обеспечивающий снабжение кровью всех органов и тканей организма. В состав сердечнососудистой системы входят сердце и сосуды – кровеносные и лимфатические.

Строение сердца

Сердце представляет собой биологический насос с производительностью ~ 7 000 литров в сутки. Работа сердца обеспечивает непрерывное движение крови по сложнейшей замкнутой системе сосудов. Фактически в сердце заключены два идентичных и синхронно действующих насоса, каждый из которых содержит предсердие, желудочек и два клапана (рис.1.1). Насосы (левый и правый) разделены толстой и прочной мышечной перегородкой и кроме того разделены функционально.

Мышечную основу четырех камер сердца (два предсердия и два желудочка) составляют стенки и перегородки. Мышечные волокна камер расположены по спирали, поэтому при их сокращении кровь буквально выбрасывается из сердца.

Правая половина сердца «прокачивает» богатую углекислым газом венозную кровь в легкие по легочным артериям. В легких кровь насыщается кислородом, после чего возвращается по легочным венам в левую часть сердца – левое предсердие и, пройдя через двухстворчатый (митральный) клапан, попадает в левый желудочек, заканчивая т.н. малыйкруг кровообращения. Задача клапанов – пропускать кровь только в одном направлении.

Левый желудочек больше по размеру и мускулистее правого. Его задача – перекачивать обогащенную кислородом кровь по аорте и другим главным артериям во все части тела, обеспечивая движение по большомукругу кровообращения. [2].

Рис. 1.1 Строение сердца (URL: http: //www.fiziolog.isu.ru)

Между желудочками и отходящими от них аортами малого и большого круга кровообращения находятся полулунные клапаны, которые обеспечивают течение крови только в одном направлении. Клапаны состоят из двух или трех створок, смыкающихся после прохождения крови через клапан.

Трехстворчатый клапан и клапан легочной артерии контролируют прохождение насыщенной углекислотой крови с правой стороны; а митральный и аортальный клапаны управляют потоком обогащенной кислородом крови слева.

Работа сердца состоит в периодической смене сокращений (систолы) и расслаблений (диастолы). При систоле объем полостей сердца уменьшается и кровь выбрасывается из сердца в систему кровеносных сосудов. Во время диастолы камеры расширяются, и сердце наполняется кровью.

Строго определенную последовательность сокращения и расслабления сердца называют сердечным циклом. Длительность систолы и диастолы одинакова, поэтому половину времени сердце находится в расслабленном состоянии.

Непрерывно перекачиваемая кровь циркулирует по телу, разносит по нему кислород и питательные вещества и удаляет из тканей двуокись углерода и продукты обмена.

Сердце покрыто плотной фиброзной оболочкой (перикардом), заполненной небольшим количеством жидкости, предотвращающей трение при сокращениях.

Как и всякий другой орган, сердце имеет свою кровеносную систему, обеспечивающую все клетки постоянно работающего «насоса» питанием и кислородом.

Система кровеносных сосудов получила название собственное коронарное (или венечное) кровоснабжение. Здесь особые ветви аорты – коронарные артерии, снабжают сердце насыщенной кислородом кровью (рис. 1.2).

Рис. 1.2 Коронарное (венечное) кровообращение сердца

Функциональные узлы сердца

Мышца сердца состоит из клеток сократительного миокарда, основная роль которых заключается в ритмических сокращениях, обеспечивающих насосную функцию сердца, и клеток проводящей системы [3]. Проводящая система состоит из:

– синусового узла, находящегося в правом предсердии;

– атриовентрикулярного узла, находящегося на границе предсердий и желудочков;

– непосредственно проводящей системы (рис. 1.3, 1.4).

Для выполнения задачи кровоснабжения сложнейшего организма сердце обладает рядом уникальных, присущих только ему функций.

Автоматия – способность сердца ритмически сокращаться без внешних воздействий под влиянием импульсов, возникающих в самом сердце, в синусовом узле, состоящим из специальной группы возбудимых клеток (рис. 1.4).

Рис. 1.3 Основные узлы проводящие возбуждение

Рис. 1.4 Система автоматизации работы сердца

Проводимость – способность сердца проводить импульсы от места их возникновения (синусового узла) до сократительного миокарда (к мышце предсердий и желудочков). Отличительной особенностью проводящей системы является наличие особых межклеточных контактов (нексусов), которые образованы участками мембран прилегающих соседних клеток. Зоны контакта мембран имеют низкое сопротивление (мембрана вне зоны контакта имеет большое сопротивление), благодаря чему возбуждение (в виде электрического импульса) передается от клетки к клетке. Такие же контакты имеются и между клетками сократительного миокарда. Поэтому сложная сердечная мышца при сокращении ведет себя практически как одна большая клетка. Наибольшей проводимостью обладает проводящая система сердца.

Возбудимость – способность сердечной мышцы возбуждаться от различных раздражителей физической или химической природы. В основе процесса возбуждения лежит появление отрицательного электрического потенциала на наружной поверхности мембранных клеток при действии раздражителя.

Возникнув в синусовом узле предсердия, возбуждение распространяется по предсердиям, достигая предсердно-желудочкового узла. Поскольку скорость распространения возбуждения в проводящей системе больше скорости распространения в миокарде, то возбуждение доходит до предсердно-желудочкового пучка только после того, как мускулатура предсердий успевает сократиться и перекачать кровь из предсердия в желудочек. Следовательно, артиовентикулярная задержка обеспечивает последовательность сокращений предсердий и желудочков.

Сократимость – способность сердца сокращаться под действием электрических импульсов. Сердечная мышца обеспечивает работу сердца как насоса, который перекачивает кровь в большой и малый круг кровообращения. Сердечная мышца всегда работает в режиме одиночных мышечных сокращений.

Рефрактерность – временное состояние невозбудимости тканей (невозможность возбужденных клеток миокарда снова активироваться при возникновении дополнительного импульса). Различают состояние абсолютной и относительнойрефрактерности. Во время абсолютного рефрактерного периода сердце не может возбуждаться и сокращаться независимо от величины поступающего к нему импульса. Во время относительного рефрактерного периода сердце сохраняет способность к возбуждению, если амплитуда поступающего к нему импульса больше обычной. Во время диастолы рефрактерность отсутствует, т. е. в этот период проводящая система сердца и миокард желудочков способны возбуждаться. Продолжительность рефрактерного периода неодинакова в различных отделах проводящей системы и мышцы сердца.

Аберрантность – патологическое проведение импульса по предсердиям или желудочкам. Аберрантное проведение возникает в тех случаях, когда импульс, поступающий в желудочки или (реже) в предсердия, застает один или несколько пучков их проводящей системы в состоянии рефрактерности, что приводит к изменению распространения возбуждения по этим отделам сердца.

Кровеносные сосуды сердца

Кровеносные сосуды представляют собой систему полых эластичных трубок различного строения, диаметра и механических свойств, заполненных кровью. В организме человека имеется несколько разновидностей кровеносных сосудов: артерии, вены и капилляры.

Артерии являются кровеносными сосудами в виде труб разного диаметра с толстыми стенками (рис. 1.5), содержащими большое количество мышечных волокон, благодаря чему эти сосуды могут сокращаться и расслабляться, уменьшая или увеличивая свой диаметр (просвет). По артериям от сердца течет артериальная (насыщенная кислородом) кровь. Скорость циркуляции крови по артериям очень большая (несколько метров в секунду).

Вены – это кровеносные сосуды, по которым течет венозная (с низким содержанием кислорода) кровь (рис. 1.6). Как и артерии, вены бывают разного диаметра. Диаметр вен меняется в зависимости от объема накопившейся в них крови – чем больше объем крови, тем шире просвет вены.

Рис. 1.5. Артериальная система [2]

Рис. 1.6 Венозная система [2]

По венам кровь течет медленно (несколько сантиметров в секунду). Вены, по которым кровь течет против силы тяжести (вены голени), имеют клапаны для предотвращения обратного тока крови.

Капилляры – это мельчайшие кровеносные сосуды нашего тела. Диаметр капилляров измеряется несколькими микронами, что сравнимо с диаметром клеток крови человека. Стенки капилляров чрезвычайно тонкие и через них происходит обмен газами и питательными веществами между кровью и тканями организма. Скорость течения крови по капиллярам минимальна. Из капилляров кровь поступает в венулы и вены, по которым возвращается в сердце.

В целом сердечнососудистая система организма представляет собой замкнутый круг, по которому циркулирует кровь от сердца к органам и обратно – так называемый «большой круг кровообращения». Кроме большого круга кровообращения существует еще «малый круг кровообращения», по которому кровь циркулирует между легкими и сердцем. В легких кровь избавляется от избытка углекислого газа и обогащается кислородом.

⇐ Предыдущая 123 4 Следующая ⇒