Активные электрические свойства биологических объектов заключаются в том, что в процессе их жизнедеятельности, в них возникают не скомпенсированные электрические заряды, которые в окружающем пространстве создают электрические поля. Эти поля, по отношению к биообъекту, называются внешними. Общеизвестно, что электрическое поле бесконечно в пространстве, хотя с увеличением расстояния от заряда, создающего поле, оно ослабляется. Проще всего оценить величину внешних электрических полей можно, измерив разность потенциалов (напряжение) между двумя точками тела человека, как правило, наиболее удобных для размещения электродов. Такие потенциалы называются биопотенциалами действия органов или тканей. Графическую запись этих биопотенциалов с помощью устройств регистрации называют электрограммой, сокращенно ЭГ. Отведение биопотенциалов подчиняется закономерностям отведения биопотенциалов в объемном проводнике. Если источник ЭДС (клетка) погружен в объемный проводник (проводник второго рода), каким является мозг или другие ткани организма, а отводящий электрод представляет собой точку, находящуюся в этом проводнике, то принцип отведения значительно отличается от отведения, когда электроды расположены на поверхности нервного или мышечного волокна. При отведении с поверхности, когда оба электрода располагаются непосредственно возле источника, разность потенциалов между электродами будет отсутствовать до тех пор, пока несущий отрицательный заряд участок возбуждения не окажется под одним из электродов. В объемном проводнике, электрическое поле существует в среде все время, пока находящаяся в нем клетка активна. Расположенные в этой среде электроды будут при любом положении регистрировать активность источника.
На рисунке показано распределение силовых линий и эквипотенциальных поверхностей в объемном проводнике вокруг волокна, при различных положениях области возбуждения. Меняющаяся разность потенциалов будет регистрироваться до тех пор, пока возбуждение проходит по волокну. При регистрации непосредственно с поверхности нервного волокна биопотенциалы возникают только при прохождении области возбуждения под электродом. Примером такого вида регистрации может быть ЭКГ, ЭЭГ, ЭМГ, ЭЭГ и другие. Все эти виды электрографии являются частными случаями записи биопотенциалов в объемном проводнике. Электрогенез этих электрограмм выходит за пределы данной лекции. Скажем только, что эти виды биопотенциалов являются суммарными т.е. складываются (синхронизируются, интегрируются) из биопотенциалов отдельных функциональных единиц (мышечных волокон сердца, мышечных волокон желудка, скелетной мускулатуры, нервных клеток головного мозга). Суммарный потенциал создает изменяющееся по напряженности электрическое поле, которое в объемном проводнике регистрируется в виде изменяющихся по величине биопотенциалов. Они имеют определенную форму, частоту, зависимую от функции органов. Отклонение параметров биопотенциалов от нормы при различных заболеваниях может служить объективными показателями для диагностики.
Поэтому возникает необходимость изучения электрограмм, и здесь ставятся две основные задачи:
1. Генез, т. е. формирование, механизм возникновения ЭГ.
2. Трактовка (сущность) ЭГ, т. е. отражение в них функции изучаемого органа в норме и при патологических изменениях.
Решение этих задач непосредственно на организме человека затруднено в связи с многообразием электрических процессов, происходящих в органах и тканях и их взаимовлиянием друг на друга. Поэтому генез и трактовку ЭГ изучают на физической модели, называемой эквивалентным электрическим генератором. Модель должна удовлетворять следующим условиям:
1.Расчетные потенциалы модели должны соответствовать в разных точках организма реально регистрируемым потенциалам.
2.При изменении параметров модели в ней должны происходить такие же изменения поля и его характеристик, как и в реальных ЭГ при нарушениях функционального состояния органа.
Модель эквивалентного электрического генератора представляет собой замкнутую электрическую цепь.
В эту цепь включены токовый генератор - источник ЭДС, имеющий собственное (внутреннее) сопротивление R. Сопротивление Ro (внешнее) соответствует сопротивлению тканей организма, в котором распространяется электрическое поле. Величина тока в замкнутой цепи одинакова через любой последовательный участок и будет определяться по закону Ома.
J = J0 = ε/(R + R0)
а т. к. реально R » R0, то J = J0 = ε / R, т.е. сила тока практически не зависит от сопротивления внешней среды. Элементарным токовым генератором в живой ткани является клетка. Модель токового генератора ткани, органа представляется в виде совокупности элементарных токовых генераторов (например, клеток), каждый из которых создает собственное электрическое поле. При этом имеет место суперпозиция (сложение) электрических полей отдельных микрогенераторов в общее поле органа. Пространственная структура и величина электрического поля, создаваемого токовым генератором, находящимся в проводящей среде, определяется положением полюсов генератора и свойствами среды. Для расчета потенциала в любой точке поля электрический генератор представляют в виде токового электрического диполя, т.е. системы положительного и отрицательного зарядов, определенным образом ориентированной в пространстве и находящейся в проводящей среде. Основной характеристикой диполя является электрический дипольный момент D.