VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Электрографический метод - метод регистрации и анализа биоэлектрических процессов человека и животных-нашел весьма широкое применение в клинической практике, физиологическом эксперименте, авиационной и космической медицине, исследованиях по физиологии труда и спорта. Столь широкое применение электрографического метода объясняется тем, что он позволяет получить ценную информацию о нормальной или патологической деятельности тканей, органов и систем. В медицине электрографический метод зарекомендовал себя как важный диагностический метод. Так, ни одно кардиологическое исследование не проводится теперь без тщательного анализа электрической активности сердца больного. Ценные диагностические данные дают исследования электрической активности мозга и мышц и других функций работоспособности человека.Большим достоинством электрографического метода при использовании в клинике является его безболезненность. Широкому применению электрографического метода содействовало использование в технике электрографии последних достижений электроники.

Современные электрографические установки, обеспечивающие многоканальную регистрацию биоэлектрических процессов и автоматический анализ электрограмм, представляют собой весьма совершенные, но довольно сложные устройства.

Какими же знаниями электрографической техники должны обладать электрофизиолог и врач, использующие электрографическую аппаратуру в своей повседневной работе? Следует ли им знать эту аппаратуру так же хорошо, как и инженерам и техникам, занимающимся ее разработкой и эксплуатацией, или можно целиком положиться на инженеров и техников и вовсе не знать характеристик и возможностей аппаратуры?

Нетрудно показать, что первое невозможно, а второе недопустимо. В самом деле, если бы электрофизиолог и врач, пользуется электрографическим методом, попытались глубоко изучить электрографическую технику, то у них не хватило бы времени на свою основную работу. Незнание же ими основных данных электрографической установки и ее характеристик не позволяет сознательно и полностью ее использовать.

Электрофизиолог и врач должны четко представлять себе принцип действия электрографической установки, детально знать ее характеристики, уметь устранять простейшие неисправности.

Кроме того, им необходимо уметь отличать исследуемую биоэлектрическую активность от артефактов, находить на электрограмме результаты воздействия помех, знать и уметь применять способы, устраняющие артефакты и помехи электрографии. Они должны также быть знакомы с новыми направлениями в применении электрографической техники, с перспективами ее развития.

Электрографический метод позволяет получить сведения о прохождении волны возбуждения по нерву, информацию о жизнедеятельности мозга без исследования характера и особенностей, осуществляемых им рефлексов и, наконец, данные о подготовке мышцы к выполнению сократительного процесса и др.

Нередко представление о состоянии органа или системы может быть установлено по изменению порядка следования импульсов электрической активности[1].

Фотопроводимость и фотоэффект

В основе электрофотографии лежит процесс возбуждения электронов электро-светочувствительного материала квантами электромагнитного излучения - фотонами. Освобождение электронов имеет своим следствием то, что материал получает некоторую добавочную электропроводность, называемую фотопроводимостью. Сам материал, обладающий фотопроводимостью, нередко называют фотополупроводником. Физический процесс внутреннего освобождения электронов под действием света носит название внутреннего фотоэффекта.

Фотоэффект, как и многие другие выдающиеся открытия, был обнаружен случайно. В 1873 г. английский электротехник Уиллогби Смит производил испытания подводного кабеля. Для какой-то цели ему понадобился материал, обладающий высоким сопротивлением. Был выбран селен - химический элемент VI группы периодической системы Дмитрия Ивановича Менделеева (1834-1907). Элемент этот был открыт в 1817 году знаменитым шведским химиком Иенсом Якобом Берцелиусом (1779-1848).

Во время экспериментов, проводимых Уиллогби Смитом и его ассистентом Меем было обнаружено, что на свету электропроводность селена возрастает [2].

Впоследствии было установлено, что фотопроводимостью обладают многие вещества. Первые попытки практического применения этого явления были предприняты в конце XIX столетия. Однако более или менее широкое внедрение фотополупроводников в народное хозяйство началось лишь в середине XX в.

Основной областью практического применения фотопроводимости стала фотоэлектронная автоматика. Фотополупроводники в виде фотосопротивлений начали широко использоваться при автоматизации производственных процессов для контролирования правильности и последовательности проведения отдельных операций, для своевременной сигнализации о характере проведения производственного процесса, для сортировки изделий по их размеру и окраске и т.д.[3]. Внешний и внутренный фотоэффект использовались и для записи звука.

Применение фотоэлектрических устройств для развертки изображений позволило осуществить в 1950-х годах передачу изображений на расстояние, автоматическое цветоделение и цветокоррекцию, а также фотоэлектрическое изготовление печатных форм. Отсюда уже недалеко до электрофотографии, в которой осуществляется фотоэлектрическое воспроизведение не отдельных строк развертки, а сразу всего изображения. Но, прежде чем пойдет об этом речь, познакомимся с первыми опытами электрического и электромагнитного репродуцирования изображений, с фотоэффектом и фотопроводимостью еще не связанными.

Электрографический метод позволяет регистрировать спонтанную или фоновую электрическую активность и биопотенциалы, являющиеся ответом на функциональную нагрузку, например стимуляцию.

Весьма важным для медицинского применения электрографического метода является тот факт, что биоэлектрическая активность органа может быть зарегистрирована не только при наложении электродов непосредственно на него, но и с кожи исследуемого.

Таким образом, предметом электрографии охватываются вопросы индикации, регистрации и анализа биоэлектрической активности тканей, органов и систем,проводимые с целью изучения как собственно биоэлектрических процессов, так и физиологических процессов , которые они сопровождают и отражают. Успехи в развитии техники электрографии во многом определяют развитие самого электрографического метода.

Первые опыты

В истории почти каждого изобретения есть скрытый, не видимый глазу период. Задолго до того, как изобретение было внедрено в практику и покорило мир, наблюдались и изучались отдельные его элементы, которым в далеком будущем предстояло соединиться в рамках единой, подчиненной определенной цели технической идеи.

Говоря об истоках электрографии, нужно прежде всего вспомнить об опытах известного немецкого физика и не менее известного писателя, автора прославленных афоризмов профессора Геттингенского университета Георга Кристофа Лихтенберга (1742-1799), хотя эти опыты к репродуцированию изображений никакого отношения не имели. Лихтенберг подвергал диэлектрическую, например стеклянную пластину 1, воздействию точечного электрода 2. Пластину в процессе опыта помещали на пластинчатом электроде 3. При искровом разряде, возникавшем при определенной разности потенциалов между электродами, на стеклянной пластине возникало скрытое электростатическое изображение. Лихтенберг проявлял его, присыпая диэлектрическим красителем. Наблюдения эти были сделаны и описаны в 1777 г. Такие изображения в честь первооткрывателя именуются в физике фигурами Лихтенберга. Впоследствии совершенно аналогичный процесс проявления скрытого электростатического изображения был применен в электрофотографии.

В 1788 г. английский химик Вилларси предложил проявлять фигуры Лихтенберга двухкомпонентой порошковой смесью, включавшей красный свинцовый сурик и зеленовато-желтую серу. При напыливании этого порошка через отверстия мешка из муслиновой ткани частицы серы приставали к участкам, несущим положительный заряд, окрашивая их в желтый цвет, а частицы сурика - к отрицательно заряженным участкам, окрашивая их в красный цвет. Порошки Вилларси использовались для проявления фигур Лихтенберга в течение многих десятилетий.

В 1842 г. Френсис Рональде (1788-1873), суперинтендант Метеорологической обсерватории в Лондоне, использовал открытие Лихтенберга для регистрации интенсивности атмосферного электричества. Он подсоединил вращающийся с помощью часового механизма разрядник своего прибора, названного им "Электрографом", к громоотводу. Разряды регистрировались на диске, покрытом смолой. Фигуры Лихтенберга, возникавшие на диске и проявленные порошковым красителем, изменялись в зависимости от интенсивности разрядов. Время образования фигур можно было контролировать по помещенным по краям диска обозначениям часов.

В конце 1830-начале 1840-х годов немецкий физик П.Т. Рисc наблюдал некоторое подобие фигур Лихтенберга на слюдяной пластине, подвергнутой воздействию точечного искрового разряда. Фигуры появлялись в том случае, если пластину подносили ко рту и дышали на нее. В 1842 г. аналогичным образом получали изображения монет и медалей, которые помещали на стекло, установленное на заземленном металлическом диске. Монетам сообщали электрический заряд. Если на стекло подышать, туманное изображение появлялось на тех местах, которые контактировали с поверхностью монеты. Рисc объяснял это осаждением мельчайших капель воды на заряженных участках. Он пробовал воспроизвести этим способом и шрифтовые знаки, приводя в контакт со стеклом наэлектризованный пуансон. Он пытался также проявлять еле-еле видные изображения, присыпая их порошковым красителем. Подобные изображения впоследствии получили наименование фигур дыхания (breath figures).

С появлением фотографии фигуры Лихтенберга стали визуализировать фотографическим путем. В 1851 г. такие фигуры получал французский физик Александр-Эдмон Беккерель, имя которого уже называлось на страницах нашей книги. Он подвергал дагерротипную пластину точечному электрическому разряду и проявлял скрытое изображение парами ртути. Англичанин Дж. Браун и француз Е.Т. Трувеле помещали фотопластинку на заземленную металлическую пластину и подвергали ее воздействию точечного электрического разряда. При обычном проявлении пластинки на ней воспроизводились фигуры Лихтенберга.

Английский химик, известный своими изобретениями в области фотографии, Джозеф Уилсон Свен (1828-1914) в 1897 г. заметил, что вязкие смолы, будучи подвергнуты воздействию электрического разряда, твердеют, образовывая на поверхности некоторое подобие фигур Лихтенберга. Он также установил, что фигуры эти, образовавшиеся на поверхности твердых смол, могут быть проявлены нагреванием даже по прошествии нескольких месяцев. Использовал Свен и проявление скрытых электростатических изображений порошковыми красителями.

К. Бюркер в 1900 г. заменил порошки Вилларси, издавна использовавшиеся для проявления фигур Лихтенберга, смесью серы, ликоподия и какого-либо органического пигмента, например кармина, ультрамарина или киновари. Много лет спустя ликоподий - светло-желтый порошок органического происхождения использовался изобретателем ксерографии Честером Карлсоном.

Опыты с фигурами Лихтенберга, о которых рассказывалось выше, носили скорее теоретический, чем практический характер. Первые же попытки использовать силы электричества для репродуцирования и воспроизведения изображений и текста имели в своей основе не электростатические или фотоэлектрические, а электролитические или электромагнитные процессы. Еще в 1839 г. в лондонском журнале "Mecanics Magarine" была опубликована статья "Печатание с помощью магнитных сил". Было описано магнитное печатающее устройство, предназначенное для телеграфных аппаратов.

В сборнике аннотаций английских патентных описаний по полиграфии, изданном впервые в 1859 г. и факсимильно воспроизведенном в 1969 г., в систематическом указателе находим рубрику "Электрическая печать" ("Electro-printing"), где перечислено 10 патентов. Первый такой патент за № 9204, заявленный 21 декабря 1841 г., был выдан Томасу Райту и Александру Бейну. Назывался он "Усовершенствования в использовании электричества для контролирования железнодорожного движения и для устройств, обозначающих время, подающих сигналы или печатающих тексты на расстоянии". При ознакомлении с патентом выяснилось, что речь в нем идет о приведении в действие с помощью электромагнитов рычагов печатающего устройства телеграфного аппарата. Изобретения в области электрического телеграфа описаны и в остальных 9 патентах. К собственно "электрической печати" они не имеют решительно никакого отношения[4].

Электрическое сопротивление живых тканей

Электрическое сопротивление тканей играет существенную роль при регистрации биоэлектрических процессов. В некоторых случаях большое междуэлектродное сопротивление может оказаться причиной, искажающей истинный вид исследуемой биоэлектрической активности.

Измерение междуэлектродного сопротивления с помощью внешнего физического генератора электрических синусоидальных колебаний и установление зависимости его величины от различных факторов (сила тока, его частота и др.) нетрудно осуществить для амплитуд тока, составляющих десяток микроампер и больше. Определение величины междуэлектродного сопротивления для токов помех, создаваемых электрическим полем сети переменного тока и составляющих доли микроампера, представляет некоторые трудности.

Измерение же сопротивления междуэлектродной цепи для биотоков прямым путем невозможно, так как нет способа произвольно плавно менять величину амплитуды биотоков и их частоту. Приходится задачу решать следующим способом: а)установить основные закономерности изменения междуэлектродного сопротивления от различных факторов с помощью физического генератора, б)проверить эти закономерности для частных случаев с помощью биотоков. в)перенести все закономерности, выведенные с помощью физического генератора, на зависимость междуэлектродного сопротивления от различных факторов для биотоков [5].

Такое перенесение закономерностей оказалось возможным, во-первых, потому, что токи физического генератора и биотоки имеют одну и ту же природу, отличаясь только по амплитуде. Во-вторых, оно возможно вследствие того, что закономерности, полученные с помощью физического генератора, были выведены при силе тока, не превышающей порога ощущения, т. е. не сильно изменяющей функциональное состояние тканей. Электрическое сопротивление живых тканей определяется в первую очередь сопротивлением входящих в нее жидкостей, слабо проводящих электрический ток, поэтому прежде чем говорить о сопротивлении живых тканей, необходимо кратко остановиться на сопротивлении электролитов.

Если в электролит поместить электроды и присоединить их к источнику постоянного тока, то ионы, находящиеся ранее в беспорядочном молекулярном движении, как известно, начнут свое организованное движение между электродами, т. е. появится ток через электролит. При подключении источника тока к электродам движение ионов начинается сразу же в объеме междуэлектродного пространства, но скорость движения самих ионов невелика и зависит от природы ионов, температуры раствора, а также от приложенной к электродам разности потенциалов.

Во время протекания электрического тока через электролит ионы из раствора выделяются на электродах. Эта убыль конов пополняется за счет выделения новых ионов при распаде молекул, имеющихся в растворе. Такое явление наблюдается тогда, когда используется неполяризующаяся пара электрод - электролит.

В этом случае сопротивление электролита остается неизмененным во времени и если увеличить силу тока, протекающую через электролит, увеличивая приложенное к электродам напряжение, то сопротивление электролита останется неизменным.

Для неполяризующейся пары электрическое сопротивление электролита может быть определено по формуле:

R =r l/S

где r - удельное сопротивление электролита, 1 - расстояние между электродами и S - площадь электрода.

Если же электроды-электролит составляют поляризующуюся пару, убыль ионов не пополняется и ток текущий через электролит, постепенно ослабевает, а затем прекращается.

Это происходит вследствие того, что во время протекания электрического тока через электролит около электродов или же на их поверхности возникают физико-химические явления, изменяющие сопротивление электролита за счет выделения пузырьков газа на поверхности электродов, а также вызывающие образование на электродах разности потенциалов, обратной по знаку напряжению, приложенному к ним. Эти явления носят название электрической поляризации, а вызванная ею электродвижущая сила - ЭДС поляризации.

Чем интенсивнее происходят поляризационные явления, тем быстрее уменьшается во времени ток и тем быстрее растет сопротивление раствора.

Если кратковременно пропускать постоянный ток I , сила которого будет постепенно увеличиваться (для чего необходимо увеличивать напряжение Е, прилагаемое к электродам), то подсчитанная по закону Ома для каждого случая величина сопротивления электролита R будет уменьшаться с увеличением силы тока I.

Сопротивление живых тканей в основном определяется сопротивлением входящих в них электролитов. Межклеточную жидкость и кровь можно условно считать эквивалентными электролиту - 0,85% раствору хлористого натрия.

При измерении электрического сопротивления живой ткани применяют неполяризующиеся электроды с тем, чтобы исключить поляризационные явления на границе электрод - ткань.

Исследования свойств живой ткани при пропускании через нее электрического тока показали, что при этом имеет место явление поляризации, вызванное как физико-химическими свойствами электролитов живой ткани (межклеточная жидкость, кровь и др.), так и наличием тканей, обладающих различным электрическим сопротивлением.

При исследовании зависимости междуэлектродного сопротивления от различных факторов было установлено, что оно зависит от: а)площади электродов, наложенных на живую ткань; б) рода и формы тока, протекающего через ткань; в) силы тока; г) частоты тока; д) температуры воздуха, окружающего исследуемого; е) тщательности обработки кожи исследуемого: ж) места наложения электродов на тело исследуемого; з) времени, прошедшего после наложения электродов на кожу исследуемого, и) свойств электродной жидкости или пасты и др.

Исследования электрического сопротивления живых тканей и кожи с помощью токов физического генератора показали следующее:

Сопротивления кожи и подкожных тканей резко отличаются друг от друга по величине. Например, если сопротивление подкожных тканей составляет при прочих равных условиях несколько сот ом, то сопротивление кожи составляет сотни тысяч ом и даже единицы мегом.

Большая величина кожного сопротивления объясняется прежде всего наличием сухого эпителиального слоя эпидермиса (stratum corneum), состоящего из отмерших клеток. Кроме того, секрет сальных желез, покрывающий кожу, также обладает большим сопротивлением электрическому току.

Сопротивление междуэлектродной цепи зависит от силы тока, и эта зависимость подобна такой же зависимости сопротивления электролита чем меньше сила тока, тем больше сопротивление цепи. Это дает основание полагать, что для биотоков величина сопротивления окажется еще большей.

Величина междуэлектродного сопротивления зависит также от частоты

синусоидального тока. Чем выше частота тока f, тем ниже полное сопротивление междуэлектродной цепи Z. Как первая зависимость R=a(I) ,так и вторая Z=j(f) свидетельствует о том, что полное сопротивлениe живой ткани zнаряду с активным сопротивлением R обладает и реактивным (емкостным) сопротивлением Хс, и, следовательно, емкостью С.

Сопротивление R представляет собой омическое сопротивление кожи и электролитов подножных тканей. Емкость С представляет собой суммарную емкость клеток ткани и поляризационную емкость, образующуюся на границе тканей, имеющих различное сопротивление.

Сопротивление живых тканей зависит от рода тока: самое большое сопротивление ткани оказывают постоянному току. Для переменного синусоидального тока сопротивление тканей тем выше, чем ниже его частота. Для несинусоидальных токов сопротивление тканей будет зависеть от формы тока. Обычно сопротивление живых тканей измеряется либо на постоянном токе, либо на переменном синусоидальном токе.

Чем больше площадь электродов, используемых для измерения, тем ниже сопротивление ткани. Этот вывод касается не только случая, когда измеряется тканевое сопротивление, но и случая регистрации биоэлектрических процессов[6].

При измерении тканевого сопротивления с помощью электродов, наложенных на кожу исследуемого, обнаружены стойкие топографические различия в сопротивлении, изморенном на различных частях тела человека, что важно также в случае регистрации биоэлектрических процессов с поверхности кожи человека. Установлено, что наибольшее сопротивление имеет место на конечностях.

Сопротивление кожи и подкожных тканей зависит также от температуры воздуха, окружающего исследуемого. С понижением температуры воздуха кровеносные сосуды кожи сужаются, что влечет за собой заметное увеличение тканевого сопротивления.

Имеет место значительное снижение междуэлектродного сопротивления во времени (в первые 30 минут) после наложения электродов на кожу исследуемого.

Как правило, сопротивление входа усилителя бионапряжений бывает равно 0,5-1 Мом, поэтому необходимо, чтобы междуэлектродное (в основном кожное) сопротивление было бы во много раз меньше входного сопротивления усилителя. При этом условии можно пренебречь падением напряжения биотоков на кожном сопротивлении и читать, что электрографическая установка полностью регистрирует исследуемую биоэлектрическую активность.

Для уменьшения междуэлектродного сопротивления кожу перед регистрацией биоэлектрических процессов для обезжиривания обрабатывают спиртом или эфиром. Однако это нельзя считать достаточным, так как обезжиривание кожи мало снижает сопротивление рогового слоя эпидермиса. В электрографической практике нашла применение также обработка кожи пастами , содержащими абразивы (например , мелко молотая пемза), которые снимают роговой слой и значительно снижают междуэлектродное сопротивление.

С помощью метода электрографии в благоприятных случаях удается выявить, не воспринимаемые непосредственно, следы металлов и определить вид металла [7].

Литература:

1. Электрографический метод: [Электронный ресурс]//URL: http://www.km.ru.
2. Воронцов Д.С. Общая электрофизиология. Медгиз. М., 1961.
3. Коломиец, B.T. Фотосопротивления. M., 1954.
4. Опыты в электрографии:http: [Электронный ресурс]//URL: http://www.scienceforum.ru
5. Электрическое сопротивление: [Электронный ресурс]//URL: http://interneturok.ru
6. Зинин А.М., Майлис Н.П. Научные и правовые основы судебной экспертизы. М., 2001.
7. Харитонов Ю.Я. Аналитическая химия (аналитика). В 2 кн. Кн. 2: Количественный анализ. Физико-химические (инструментальные) методы анализа. Учебник для вузов. - Издательство «Высшая школа», 2001.

Код для цитирования: Скопировать