Короткий технічний опис і інструкція

З експлуатації електрокардіографа

I. Призначення: електрокардіограф одноканальний ЭКСПЧТ-4 мережевий, портативний з чорнильним і тепловим записом призначений для запису електрокардіограми при дослідженні функцій серця.

II. Технічні дані:

- відведення, що реєструються приладом без перестановки элек-тродов: I, II, III, aVR, aVL, aVF, V, CR, CL, CF;

- швидкість руху стрічки 50 мм/сек;

- товщина запису: нульовій лінії не більше 1.5 мм, фронту каліброваного імпульсу не більше 0.5 мм.;

- максимальна чутливість приладу 15-20 мм/мВ;

- частотна характеристика приладу рівномірна від 0.22 до 80 Гц із завалом на граничних частотах не більше 10%;

- ефективна ширина запису не більше 30 мм.

Рис. 6. Спрощена схема електрокардіографа

III. Пристрій електрокардіографа ЭКСПЧТ-4.

Спрощена блок-схема електрокардіографа представлена нижчим на рис. 6. Електрокардіограф включає перемикач відведень - 1, підсилювальний блок - 2 і реєструючий пристрій - 3. Управління роботою електрокардіографа здійснюється за допомогою різних ручок і кнопок управління, що входять в ці блоки, - калібрування "а", зсуву пера "b", посилення "с", перемикача режимів роботи "d", включення лентопротяжки “е” і т.д., забезпечуюче проходження і контроль сигналу при записі ЕКГ.

Рис. 7 Видів панелей електрокардіографа ЭКСПЧТ-4

 

На рис. 7 показано розташування основних органів управління кардіографом:

1 - перемикач відведень, за допомогою якого підключають одне з вказаних вище відведень до підсилювального каналу і реєстратора;

2 - гніздо для підключення кабелю відведень;

3 - клема "земля";

4 - чорнильниця;

5 - кнопка калібратора, натисненням якої подається імпульс в 1 мВ;

6 - ручка посилення, обертанням якої можна плавно міняти амплітуду записуваного сигналу;

7 - ступінчастий перемикач посилення (1:1, 1:2);

8 - ручка зсуву пера, обертанням якої забезпечується переміщення пера щодо діаграмної стрічки;

9 - кнопка заспокоєння “У”, служить для контролю відхилень пера або швидкого повернення його в нульове положення залежно від положення важеля 10;

10 - важіль стрічкопротяжного механізму, що має три положення:

"З" - заправка стрічки, в цьому положенні права частина столу опускається, і при знятій кришці проводиться заправка стрічки;

"К" - контроль: стрічкопротяжний механізм вимкнений, при натисненні кнопки "заспокоєння" можна контролювати положення пера і проходження сигналу;

"Р" - робота, в цьому положенні перо стикається з папером, ролик притискує паперову стрічку до валу і приводить її в рух, відбувається запис ЕКГ;

11 - тумблер "мережа";

12 - гніздо для підключення мережевого кабелю.

До уваги!!!!!!!!!!!

При від'єднанні кабелю пацієнта від приладу або обриву дроту і порушенні контакту з електродом штекера, наведений сигнал перешкоди приводить до надмірних коливань пера, розбризкуванню чорнив і, зрештою, приводить до пошкодження гальванометра.

В цьому випадку необхідно швидко натиснути кнопку “У” і перемикач відведень поставити в положення "0".

Завдання 2. Підготувати прилад до роботи.

1. Поставити ручки управління в положення:

- перемикач відведень в положення "0", перемикач посилення в положення "1:1"; ручку посилення в - "0", зсув пера - середнє положення, важіль стрічкопротяжного механізму в положення "З".

2. Якщо прилад не заправлений стрічкою - заправте його таким чином:

- вставте пальці у виїмки панелі приладу, натисніть вниз, виведіть верхній борт стінки з-під лицьової панелі і підніміть її вгору;

- надіньте рулон стрічки на котушку і заправте папір уздовж столу на 10-15 см.;

- встановите важіль в положення "К", проденьте кінець стрічки між притискним роликом до виходу стрічки з вікна.

3. Включити прилад в мережу. Для цієї мети:

- перевірте заземлення приладу;

- включите тумблер "мережа", повинна зажевріти індикаторна лампочка;

- після 5-10 мин. прогрівання встановите перо в середнє положення.

Завдання 3. Калібрування кардіографа.

Для калібрування необхідно встановити стандартну чутливість приладу 10мм/мВ. Для цих цілей:

- встановите важіль стрічкопротяжного механізму в положення "К";

- поверніть ручку посилення за годинниковою стрілкою на 4-6 ділень, і при натиснутій кнопці "У" короткочасно натискайте і відпускайте кнопку " 1мВ". Проконтролюйте відхилення пера - воно повинне бути порядка 10 мм. Інакше - зміните посилення, добиваючись потрібного відхилення до отримання 10 мм;

- включите стрічкопротяжний механізм, встановивши важіль в положення " Р" і, короткочасно натискаючи і відпускаючи кнопку "1 мВ" і змінюючи чутливість підсилювача, отримаєте прямокутні імпульси калібрувального сигналу 10 мм/мВ. Запишіть ці імпульси на папері. (Якщо папір не рухається, злегка притисніть пальцем притискний вал).

Завдання 4. Запис електричних сигналів на електрокардіографі.

1. Приєднаєте штекера кабелю відведень до соленоїда, згідно малюнку 6 (чорний штекер кабелю відведень ПН - "права нога" слід приєднати до клеми, відповідної середньої точки соленоїда, остальные штекера - довільно).

Приведіть магніт в коливальний стан.

2. Проконтролюйте надходження сигналу на вхід кардіографа:

- для цих цілей поставте важіль в положення "К" - контроль, переведіть перемикач відведення в позицію "I" і натисніть кнопку заспокоєння - за наявності сигналу перо відхилятиметься. Аналогічну процедуру виконайте і для інших відведень. Якщо сигнал відсутній або відбувається надмірне відхилення пера і розбризкування чорнив, переведіть перемикач відведення в "О" і встановіть причину несправності.

Поставте перемикач відведень в позицію "0".

3. Запис сигналу проводиться таким чином:

- ручкою "зсуву пера" встановите його по середині діаграмної стрічки;

- важіль стрічкопротяжного механізму поставте в положення "Р";

- натисніть кнопку "заспокоєння" і перемикач відведення поставте в позицію "I". Проведіть запис вибраного відведення.

(Якщо стрічка не рухається, то злегка придавите пальцем притискний ролик).

Аналогічна операція виконується і при записі інших відведень.

ЗАГАЛЬНЕ ПРАВИЛО: ЗМІНА ПОЗИЦІЇ ПЕРЕМИКАЧА ВІДВЕДЕНЬ В РЕЖИМІ "Р - робота" ПРОВОДИТЬСЯ ПРИ НАТИСНУТІЙ КНОПЦІ "У- заспокоєння".

4. Запишіть сигнали з імітатора ЕКГ, приєднавши до нього електроди, дотримуючи відповідність квітів штекерів кабелю відведень і гнізд імітатора.

Після закінчення запису сигналів встановіть перемикач відведень в положення "О", зніміть електроди, вимкніть прилад з мережі.

Оформлення роботи. Звіт повинен містити: спрощену схему кардіографа (мал. 6) і його технічні характеристики; фрагменти запису калібрувального сигналу, ЭДС соленоїда і сигналів з імітатора ЕКГ з розрахунками амплітуди (у мВ) і частоти коливань в Гц і в ударах за хвилину. (Амплітуда визначається по калібруванню, частота - по періоду коливань, який знаходиться як приватне від ділення відстані між зубцями на швидкість руху стрічки).

Контрольні питання і завдання

1. Вкажіть які допущення, прийняті в теорії Ейнтховена, роблять її неспроможної при вивченні природи електрокардіограми?

2. В чому полягає істотна відмінність між двома розглянутими концепціями генезису ЕКГ?

3. Що таке електричний вектор серця, в яких одиницях він вимірюється, яка його фізіологічна інтерпретація?

4. Що таке еквівалентний струмовий диполь серця і яка його фізіологічна суть?

5. З яких основних блоків складається кардіограф? Поясните їх призначення.

6. Яким чином зв'язані між собою зміни мембранних потенціалів кардіоміоцитів і електрокардіограма?

7. Що таке стандартна чутливість електрокардіографа і яким чином вона встановлюється?

9. Як визначається амплітуда і частота записаних сигналів?

10. Чому при обриві електроду від кабелю відведення спостерігається надмірне відхилення пера і який сигнал в цьому випадку реєструє кардіограф?

11. Визначити величину потенціалу точки електричного поля диполя (q = 210-6 ×Кл; L = 2 мм), віддаленої від центру диполя на відстані 1 м, кут між вектором диполя і радіусом-вектором 60^°. Середовище - вода, що дистилює.

12. Визначити величину потенціалу точки електричного поля струмового диполя, полюси якого отстоят на 5 мм, струм між ними 5 мА. Відстань від центру диполя - 0.1 м, напрям - 60o.

Середовище - електроліт з питомим опором 10 Ом/м.

 

 

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 6

Вимірювання концентраційного потенціалу компенсаційним методом

 

Мета роботи. Вивчиті природу виникнення концентраційного потенціалу на концентраційному елементі і зміряти різницю концентраційних потенціалів компенсаційним методом.

 

Контрольні питання для підготовки до лабораторної роботи.

1. Будова біологічних мембран. Динамічні властивості мембран.

2. Пасивній транспорт (дифузія). Рівняння Фіка.

3. Дифузія речовин через мембрану. Проникність мембран.

4. Видів пасивного транспорту. Полегшена дифузія і її відмітні властивості.

5. Поняття про активний транспорт. Мембранні насоси. Сполучення потоків при активному транспорті на прикладі К-Na-насоса.

6. Перенесення речовин через багатомембранні системи.

7. Електродифузійне рівняння Нернста-Планка. Рівняння Теорелла.

8. Рівноважні потенціали (потенціал Нернста, дифузійний потенціал, доннановский потенціал).

9. Компенсаційний метод вимірювання потенціалу.

 

Література для підготовки до роботи.

 

Литература для подготовки к работе.

1. Владимиров Ю.А. и др. Биофизика. Гл.5,6,7. С. 95-114, 147-154.

2. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. 1988 г. стр. 244- 285.

3. Конспект лекций.

 

Додаткові теоретичні відомості.

Концентраційний потенціал відноситься до типу рівноважних потенціалів. Відомо декілька їх видів - потенціал Нернста, Доннана, дифузійний потенціал і ін. Основною умовою виникнення рівноважного потенціалу є рівність нулю градієнта електрохімічного потенціалу. Градієнт електрохімічного потенціалу є тією узагальненою силою, яка примушує рухатися іон за наявності електричного поля (градієнт потенціалу grad j відмінний від нуля) і при нерівномірному розподілі іонів у просторі (gradС0).

Як відомо, за наявності градієнта концентрації потік іонів Фс визначається рівнянням Фіка:

Фс=-Dgrad C (1)

де D - коефіцієнт дифузії.

Відповідний йому іонний струм Jc рівний:

Jc = ezФс = - ezDgrad C (2)

де ez- заряд іона, z - валентність.

За наявності градієнта потенціалу іонний струм J _j визначається законом Ома:

J_j = s×grad j (3)

де s = ezbC - питома електропровідність,

b -подвижность іона. Відповідний цьому струму потік речовини Ф може бути уявлень таким чином:

Ф_j = J /ez = -bCgrad j. (4)

Враховуючи зв'язок між рухливістю іона і коефіцієнтом дифузії, формулою Ейнштейна D, що задається = bRT/(zF) (тут R - універсальна газова постійна, T - температура, F - число Фарадея), сумарний потік речовини і щільність іонного струму у разі наявності двох градієнтів (концентрації і електричного потенціалу) записується у вигляді рівнянь Нернста-Планка:

Ф = Фс + Ф_j; Ф = - [ × grad C + zFgrad j ] (5)

J = Jc + J_j; J = - [ × grad C + zFgrad j ]. (5a)

Тут, вираз в квадратних дужках є градієнтом електрохімічного потенціалу

grad`m = (RT/C)××grad C + zFgrad j. ` (6)

Враховуючи вираз (6), рівняння Нернста-планка можна записати у вигляді:

Ф = - (bC/zF)××grad`m; J = - (bCez/zF)×× grad`m. (7)

Ці рівняння відомі як рівняння Теорелла, що описують явище електродифузії (масоперенос або виникнення електричного струму, обумовлених дією узагальненої сили - градієнтом електрохімічного потенціалу).

Розглядаючи різні умови руху іонів, можна отримати наступні види рівноважних потенціалів.

Рівноважний потенціал Нернста виникає на мембрані при нерівномірному розподілі концентрації іонів (С1 і С2) різних знаків і у разі проникності мембрани тільки для іонів одного знаку. Інтеграція будь-якого з рівнянь Нернста-планка (5) дозволяє визначити величину рівноважного потенціалу Нернста:

Dj_о = -

Доннановський рівноважний потенціал виникає на мембрані, проникній для малих одновалентних іонів різних знаків (Na+, K+, Cl- ^` і ін.) і непроникній для великих заряджених молекул (наприклад, білків) з концентрацією d в цитоплазмі. У цьому випадку на мембрані встановлюється рівноважний стан з трансмембранным потенціалом рівним

Dj_d = ,

 

де Р+ і Р- - проникність мембран для позитивних і негативних іонів, З - концентрація цих іонів у позаклітинному середовищі. При однаковій рухливості іонів Р+ = Р- і співвідношенні концентрацій З >> d величина потенціалу Доннана може бути визначена по формулі:

Dj_d = .

Дифузійний рівноважний потенціал встановлюється в середовищі за наявності градієнта концентрації іонів різного знаку і що мають різну рухливість (b+¹ ¹ b-):

Dj_df = .

Концентраційний потенціал. Цей потенціал виникає при зануренні якого-небудь металу у водний розчин власної солі деякої концентрації З. Така структура є концентраційним елементом (рис. 1).

Розглянемо виникнення концентраційної різниці потенціалів на прикладі концентраційного елементу, що складається з мідного електроду, зануреного в розчин мідного купоросу CuSO₄. Можна виділити два процеси взаємодії електроду з розчином:

- розчинення мідного електроду; перехід міді в розчин (потік Фс) буде тим більше, чим менше концентрація іонів міді в розчині; цей процес можна описати рівнянням (1). Перехід іонів міді в розчин приводити до перерозподілу зарядів і виникнення електричного поля, що у свою чергу є причиною виникнення іонного струму;

- зворотний потік іонів міді (J _j або Ф_j), обумовлений виникненням градієнта потенціалу; цей потік описується рівнянням (3) або (4).

Рис.1 Концентраційний елемент

 

Рівноважний стан характеризується рівністю цих потоків або рівністю нулю сумарного потоку іонів міді:

Фс = - Ф_j або Фс + Ф_j = 0.

Враховуючи рівняння (5), цю умову можна записати таким чином:

(RT/zFC)××grad C + grad j = 0. (8)

Розкриваючи значення градієнтів (grad C= dC/dx, grad j = d/dx)

і інтегруючи рівняння (8) з урахуванням значень концентрацій міді в електроді З і розчині Ср, отримаємо величину концентраційного потенціалу:

,

Dj_до = - (RT/zF)××ln(Cp/Co) або _Djдо = - (RT/zF)××lnCр + Uo

 

де Uo = RT/zF ln(Co) - деяка постійна величина, визначувана природою електроду.

Концентраційну різницю потенціалів можна отримати, якщо узяти два концентраційні елементи (рис.2) і за допомогою соляного містка (СМ) вирівняти потенціали розчинів цих елементів. В цьому випадку між електродами виникає концентраційна різниця потенціалів рівна:

 

Dj_кп = jк1 - _Djк2 = - (RT/zF)××lnC1 + Uo - [-(RT/zF)××lnC2 + Uo ], або

Dj_кп = - (RT/zF)××ln(C1/C2) (9)

 

Як видно з цього виразу, величина концентраційної різниці потенціалів залежить від відношення концентрацій розчинів, температури і валентності іона.

(Примітка. Соляний місток заповнений агар-агаром з розчином KСl. У цьому середовищі іони К+ і Cl- рухаються з однаковою швидкістю і, отже, вирівнювання потенціалів розчинів відбувається без внесення додаткової дифузійної різниці потенціалів).

У справжній роботі вимірюється різниця потенціалів між двома мідними електродами концентраційних елементів з розчинами мідного купоросу різної концентрації. У першій судині концентрація рівна 0.1 М, в другому - 0.01 М. Виникла різниця потенціалів вимірюється компенсаційним методом. Суть методу полягає в наступному. Два джерела ЭДС - з відомою Е і вимірюваними х Dj підключені до реохорду R. Перший - до крапок А і З, другий - до крапки А і рухомому контакту реохорда В. Крапка В розбиває реохорд на дві частини з опорами R1 і R2. У ланцюзі з вимірюваною ЭДС є гальванометр G. Переміщаючи рухомий контакт

 

 

 

Рис. 2 Електрична схема для вимірювання

концентраційній різниці потенціалів компенсаційним методом

(1, 2 - концентраційні елементи, СМ - соляний місток, R - реохорд

G - гальванометр, Вк, до - вимикачі, Е - джерело з відомою ЭДС).

 

реохорда, можна підібрати такі опори R1 і R2, для яких струм через гальванометр буде рівним нулю. Це свідчить про рівність потенціалів на електроді концентраційного елементу (точка n) і на реохорді в точці В. Крапки А і m також еквіпотенціальні, отже, величина концентраційної різниці потенціалів буде рівна напрузі між точками А і В:

Dj_x = jDAB.

З іншого боку, за законом Ома знайдемо різницю потенціалів між крапками А і В:

Dj_AB = IR1, де I = Е/(R1+R2)

або Dj_x = jDAB = Е R1/(R1+R2). (10)

Враховуючи, що довжина плечей реохорда пропорційна їх електричним опорам, формулу (10) для знаходження концентраційної різниці потенціалів можна записати:

Dj_x = Е АВ/АС. (11)

Порядок виконання роботи.

1. Зібрати електричний ланцюг по схемі, представленій на малюнку 2.

2. Підготувати таблицю для запису вимірювань.

 

Таблиця експериментальних вимірювань концентраційного потенціалу

N п/п	АВ мм	АС мм	Е mV	C1 M	C2 M	T K	Djx mV
1 2 3		- - -	- - -	- - -	- - -	- - -	- - -
середнє		1000	100	0.1	0.01	293

 

 

3. Переміщаючи движок реохорда при замкнутій кнопці до, добийтеся рівність 0 струму через гальванометр. (Якщо “0” не встановлюється, необхідно поміняти полярність підключення концентраційного елементу і повторити цю операцію).

4. Проведіть вимірювання не менше трьох разів і дані про довжину плеча АВ занесіть в таблицю.

5. По середніх значеннях отриманих величин по формулі (11) визначите величину Dj_x.

6. Визначите теоретичне значення потенціалу Dj_x по формулі (9) [ F= 96500 Кл/Моль, R = 8.3 Дж/(моль)] і порівняєте з експериментально отриманим. Зробіть вивід про відповідність отриманих результатів.

Оформлення роботи. У звіті повинно бути: а) короткі теоретичні відомості про природу рівноважних потенціалів (у тому числі і концентраційного); б) електрична схема вимірювання потенціалу; у) таблиця вимірювань і результати обчислення величини концентраційного потенціалу, г) виводи.

 

Контрольні питання і завдання

1. Чому концентраційний потенціал є рівноважним? У чому полягає фізична суть рівноважного стану концентраційного елементу.

2. Для приведених на малюнках розподілів іонів в білямембраний просторі (з урахуванням рухливості іонів) вказати величини іонних потоків речовини і іонних струмів, величину, знак і вид створеного мембранного потенціалу (для випадку b вважати, що градієнти концентрацій іонів підтримуються постійними).

 

Потоки іонів ФА =..... Іонні струми JА =.....

ФВ =..... JВ =......

Сумарний потік Ф =..... Сумарний струм J =.......

Величина потенціалу Dj =......

3. Завдання. Визначити рівноважні потенціали для іонів Na+, K+ і Cl- для мембрани еритроцита, якщо концентрації цих іонів відповідно рівні: поза кліткою - 155, 5 і 100 мМоль/л; усередині - 19, 136 і 78 мМоль/л.

Контрольна робота

Варіант 1

1. Хіральність атомів та молекул. Сильні та слабкі взаємодії (типи зв'язків).

2. Основні поняття і закони термодинаміки.

3. Механіка м'язового скорочення.

 

Варіант 2

1. Біофізика як наука: предмет та завдання, розділи. Формування різних напрямків дослідження в біофізиці.

2. Зворотні та незворотні процеси у термодинаміці. Другий закон термодинаміки.

3. Механізми перетворення швидкостей в апараті руху.

Варіант 3

1. Структура та функції біологічних мембран.

2. Стан термодинамічних систем.

3. Кінематичні пари.

Варіант 4

1. Динаміка мембран. Фізичний стан та фазові переходи ліпідів в мембранах.

2. Механізми теплових втрат організму.

3. Рівняння Хіла.

 

Варіант 5

1. Модельні ліпідні мембрани.

2. Дослідження енергетичного обміну організму. Стаціонарний стан та його стійкість.

3. Кінематичні ланцюги.

 

 

Варіант 6

1. Класифікація видів пасивного транспорту. Дифузія. Полегшена дифузія. Фільтрація.

2. Механізми теплопродукції організму.

3. Механізми перетворювання сил у апараті руху.

Варіант 7

1. Основні поняття і закони термодинаміки.

2. Неспецифічні ефекти при дії електромагнітного поля на організм.

3. Типи фотобіологічних процесів.

 

Варіант 8

1. Структура та функції біологічних мембран.

2. Активний транспорт.

3. Механізми специфічної дії електричних чинників на організм.

 

Варіант 9

1. Зворотні та незворотні процеси у термодинаміці. Стан термодинамічних систем.

2. Динаміка мембран. Рухомість фосфоліпідних молекул в мембранах.

3. Пігменти біологічних систем.

 

Варіант 10

1. Хіральність атомів та молекул. Сильні та слабкі взаємодії (типи зв'язків).

2. Класифікація видів пасивного транспорту.

3. Модельні ліпідні мембрани та фазові переходи у мембранах.

Варіант 11

1. Механізми теплових втрат організму.

2. Рідкі середовища організму. Класифікація рідких середовищ. Закономірності руху в'язких рідин.