Электрография – группа методов, основанных на регистрации биопотенциалов тканей и органов в диагностических или исследовательских целях. Физический подход к электрографии заключается в создании модели электрического генератора, которая соответствует картине “снимаемых” потенциалов. Существуют две фундаментальные задачи электрографии: расчет потенциала в области измерения по заданным характеристикам электрического генератора – прямая задача (или задача воздействия); расчет характеристик электрического генератора по измеренному потенциалу - обратная задача (диагностическая). Рассмотрим основные виды электрографии.
Выделяют следующие виды электрографии.
Реовазография – метод изучения сосудистой системы с использованием высокочастотного переменного тока для определения сопротивляемости участков тела рисунок 1. В момент притока крови сопротивление увеличивается и регистрируется кривая, совпадающая со сфигмограммой (записью пульса), но отличающаяся от последней формой. В неврологической практике часто производят реовазо-графию конечностей (при радикулите, неврите, невралгии, полиневрите и т. д.) [4].
Рисунок 2 – 4-канальная реовазография
Электрокардиография (ЭКГ) – это метод регистрации электрических потенциалов, возникающих в сердце во время сердечного цикла рисунок 2. Физический подход к выяснению связи между потенциалами сердца и их внешним проявлением заключается в моделировании источников этих биопотенциалов.
Рисунок 2 – Электроэнцефалография головного мозга
Современные ЭКГ исследования основаны на модели, предложенной В. Эйнтховеном (треугольник Эйнтховена, рис. 3). Согласно этой модели сердце – токовый диполь с дипольным моментом РС, который изменяет свое положение и точку приложения во время сердечного цикла и расположен в центре равностороннего проводящего (σ=const, ε=const) треугольника, вершинами которого является правая (R) и левая (L) руки и левая (F) нога.
Рисунок 3 – Электрическая модель сердца по Эйнтховену
Разность биопотенциалов, регистрируемая между двумя точками биоструктуры (точками наложения электродов), называется отведением. Гипотетическая линия, соединяющая два электрода, участвующие в образовании электрокардиографического отведения, называется осью отведения [2].
В настоящее время в клинической практике наиболее широко используют 12 отведений ЭКГ, запись которых является обязательной при каждом электрокардиографическом исследовании: 3 стандартных отведения, 3 усиленных однополюсных отведения от конечностей и 6 грудных отведений.
Векторкардиография – методика исследования сердца путем регистрации изменений электродвижущей силы сердца рисунок 4. Суммарный вектор электродвижущих сил сердца изменяется во время сердечного цикла, что и регистрируется специальным прибором – векторкардиографом.
Рисунок 4 – Векторкардиография
При изменении электрического поля сердца во время сердечного цикла возникает разность потенциалов, которая отображается в виде моментных векторов. Ход электрического возбуждения по миокарду отображается на векторкардиограмме в виде трех основных петель — Р, QRS и Т обозначенных по их соответствию зубцам Р и Т и комплексу QRS электрокардиограммы. Сопоставление векторкардиограмм, записанных в трех и более взаимно непараллельных плоскостях, позволяет достоверно представить динамику суммарных векторов предсердий и желудочков сердца по времени в трехмерном пространстве.
Электроэнцефалография (ЭЭГ)— раздел электрофизиологии, изучающий закономерности суммарной электрической активности мозга, отводимой с поверхности кожи головы, а также метод записи таких потенциалов (формирования электроэнцефалограмм) рисунок 5.. Также ЭЭГ — неинвазивный метод исследования функционального состояния головного мозга путём регистрации его биоэлектрической активности.
Разность потенциалов, возникающая в тканях мозга, очень мала (не более 100 мкВ), и потому может быть зарегистрирована и измерена только при помощи специальной электронно-усилительной аппаратуры – электроэнцефалографов.
Рисунок 4 – Электроэнцефалография
ЭЭГ — чувствительный метод исследования, он отражает малейшие изменения функции коры головного мозга и глубинных мозговых структур, обеспечивая миллисекундное временное разрешение, не доступное другим методам исследования мозговой активности, в частности ПЭТ и фМРТ.
С помощью ЭЭГ можно объективно исследовать функциональное состояние головного мозга и выявить степень и локализацию его поражения. Метод наиболее информативен при диагностике эпилепсии рисунок 5. Данные ЭЭГ помогают дифференцировать различные формы припадков, установить локализацию эпилептического очага, а так же осуществлять контроль эффективности лекарственной терапии.
Следует помнить, что ЭЭГ регистрирует суммарную электрическую активность с относительно больших участков поверхности головы. При этом, помимо активности коры головного мозга, могут быть зарегистрированы миографическая активность мышц скальпа и жевательных мышц, мышц глазных яблок и век, реограмма и ЭКГ-артефакт при нахождении ЭЭГ-электрода над кровеносными сосудами.
Рисунок 5. Электроэнцефалограмма. Множественные комплексы пик-волна при эпилепсии.
В «спонтанной» ЭЭГ здорового взрослого человека, находящегося в состоянии бодрствования различают два вида ритмических колебаний потенциала – альфа- и бета-активность рисунок 6. Кроме того, различают тэта- и дельта-активность, острые волны и пики, пароксизмальные разряды острых и медленных волн.
Рисунок 6 – Электроэнцефалография. Основные ритмы
Методика
Регистрация ЭЭГ рисунок 7, производится при помощи электроэнцефалографа через специальные электроды (наиболее распространенные - мостиковые, чашечковые и игольчатые). Важное значение при регистрации ЭЭГ имеет расположение электродов, при этом электрическая активность одновременно регистрируемая с различных точек головы может сильно различаться. При записи ЭЭГ используют два основных метода (монтажа): биполярный и монополярный. В первом случае оба электрода помещаются в электрически активные точки скальпа, во втором один из электродов располагается в точке, которая условно считается электрически нейтральной (мочка уха, переносица). При биполярной записи регистрируется ЭЭГ, представляющая результат взаимодействия двух электрически активных точек (например, лобного и затылочного отведений), при монополярной записи — активность какого-то одного отведения относительно электрически нейтральной точки (например, лобного или затылочного отведения относительно мочки уха). Выбор того или иного варианта записи зависит от целей исследования. В исследовательской практике шире используется монополярный вариант регистрации, поскольку он позволяет изучать изолированный вклад той или иной зоны мозга в изучаемый процесс. В настоящее время чаще всего используется расположение электродов по международным системам «10—20 %» или «10—10 %».
Рисунок 7. Процесс регистрации электроэнцефалографии
Для электродов имеются следующие требования:
- Регистрирующие электроды не должны иметь собственного шума. Они не должны существенно уменьшать сигналы в диапазоне от 0.5 до 70 Гц. Экспериментальные данные показали, что наилучшим решением являются хлор-серебряные или золотые чашечковые электроды, которые крепятся коллодием. Современные усилители с высоким входным импедансом позволяют успешно применять различные типы электродов и электродных паст. Высококачественные электроды выпускаются многими производителями и в целом предпочтительнее «самодельных» электродов. Для уменьшения шума электроды должны быть всегда чистыми, с соблюдением особых мер предосторожности после записи у пациентов с подозрением на контагиозные заболевания (вирусный гепатит, болезнь Крейтцфельда-Якоба, СПИД).
- Игольчатые электроды не рекомендуются. В тех случаях, когда обстоятельства диктуют необходимость их использования, они должны быть тщательно простерилизованы или уничтожены после использования; техник должен быть обучен работе с игольчатыми электродами и знать обо всех недостатках и опасностях использования игольчатых электродов. Важно соблюдать выравнивание иголок спереди назад – несоблюдение выравнивания может привести к артифициальной амплитудной асимметрии или искажению. Игольчатые электроды могут эффективно использоваться у коматозных пациентов, у которых болевые ответы отсутствуют или минимальны, у пациентов, когда по медицинским показаниям требуется неотложная запись ЭЭГ.
Международная схема 10-20%, или просто схема 10-20 была разработана Jasper H. в 1958 г, для стандартизации терминологии и описания локализации скальповых электродов, чтобы ЭЭГ записи могли быть сравнимыми, вне зависимости от лаборатории и врача, анализировавшего исследование. В настоящее время является международным стандартом установки электродов. Используется при наклейке коллодиевых электродов, а также в ЭЭГ шапочках, которые появились гораздо позднее.
Места отведений электрической активности мозга имеют буквенные обозначения, в соответствии с областями, над которыми располагаются электроды рисунок 8.
Рисунок 8. Места отведений электрической активности мозга
Система «10—20%»— стандартная система размещения электродов на поверхности головы рисунок 9, которая рекомендована Международной федерацией электроэнцефалографии и клинической нейрофизиологии.
Рисунок 9. Стандартная система размещения электродов на поверхности головы
Данная схема предусматривает измерение расстояния от костных ориентиров черепа, с последующим расчетом интервалов между электродами в процентах, для определения мест установки электродов. Принцип следующий:
1) Измеряется расстояние между точками Nasion (переносица) и Inion (выступ затылочного бугра). На 10% от полученного расстояния, выше затылочного бугра, располагается точка Oz и линия затылочных электродов (О1, О2). Кпереди от этой линии, на расстоянии 20% находится точка Pz и линия теменных электродов (Р3, Р4), еще через 20% - точка Cz и линия центральных электродов (С3, С4), и еще через 20% - точка Fz и линия лобных электродов (F3, F4). Лобные полюсные электроды (Fp1 и Fp2) располагаются на линии, находящейся в 10% выше точки Nasion, и в 20% от линии лобных электродов. В точке пересечения этой линии с продольной, находится точка Fpz.
2) Второе основное расстояние измеряется между околоушными точками (за ориентир принимается углубление сразу над козелком), по линии, которая проходит через середину первого расстояния. Оно также делится на отрезки в процентах: в 10% кверху от слуховых проходов, с каждой стороны, располагаются височные электроды (Т3 и Т4), в 20% выше от височных электродов находятся вышеупомянутые центральные электроды (С3, С4).
3) Третье расстояние измеряется как окружность головы, однако лента прокладывается строго через уже найденные точки Fpz, T3, Oz и T4 (по окружности). За 100% принимается половина полученного расстояния и, исходя из этого, высчитываются по 10% влево и вправо от Fpz для определения полюсных лобных электродов (Fp1 и Fp2, соответственно) и по 10% от Oz, для определения затылочных электродов (О1 и О2). Также на этой линии лежат:
- нижнелобные электроды (F7 и F8), на расстоянии 20% от Fp1 (кзади) и Т3 (кпереди) и аналогичным образом с другой стороны.
- задневисочные электроды (Т5 и Т6), на расстоянии 20% от T3 (кзади) и O1 (кпереди) и аналогично с другой стороны.
Как уже было сказано, по средней линии устанавливаются сагиттальные электроды — лобные (Fz), центральные (Cz), теменные (Pz). Точки Fpz и Oz не используются для установки активных электродов в системе 10-20.
По величине отрезков в 10 и 20% эта схема и получила свое название рисунок 10.
Рисунок 10. Стандартная система размещения электродов «10—20 %»
В практике, помимо электродов, установленных по системе 10-20, используются дополнительные электроды, для определения местонаходения которых используется тот же принцип. Речь идет об электродах скуловой дуги (F9, F10, T9, T10, P9 и P10). Как определить их местонахождение?
Вспомните расстояние, измереное от околоушных точек через Cz. Каждый из перечисленных электродов находится на 10% ниже от соответсвующих электродов, лежащих на окружности головы:
- F9 и F10 на 10% ниже электродов F7 и F8, соответственно. То есть, лежат на скуловой кости.
- T9 и Т10 на 10% ниже электродов Т3 и Т4, соответственно. Фактически, лежат на околоушных точках.
- Р9 и Р10 на 10% ниже электродов Т5 и Т6, соответственно. Лежат на сосцевидных отростках черепа (mastoideus).
Использование этих электродов может помочь локализовать интериктальную эпилептиформную активность и зону начала приступа по ЭЭГ. В частности, передние скуловые электроды, по мнению некоторых авторов, являются неинвазивными аналогами сфеноидальных электродов.
Необходимо использовать все 21 электрод в соответствии с их расположением согласно рекомендациям Международной федерации клинической нейрофизиологии.
Адекватность количества электродов повышает вероятность регистрации и анализа локальной ЭЭГ активности с небольшой площадью распространения по скальпу. Меньшее количество электродов допустимо только в отдельных специфических ситуациях. В некоторых случаях может потребоваться наложение дополнительных электродов, расположенных между стандартными электродами – для записи очень локальной активности.
Всегда должен использоваться земляной электрод, за исключением особых ситуаций – например, в отделениях интенсивной терапии, операционной, - когда пациент соединен с дополнительным электрическим оборудованием.
Перед началом исследования необходимо проверять электродный импеданс. Как правило, импеданс не должен превышать 5000 Ом (кОм). Также следует проверять импеданс во время записи, если в ЭЭГ появляется активность, характер которой не исключает, что это артефакт.
Электромиография – это метод регистрации колебаний биопотенциалов мышц для оценки состояния мышц и нейродвигательного аппарата в покое, при активном расслаблении, а также при рефлекторных и произвольных движениях рисунок 11. С помощью электромиографии можно выявить, связано ли изменение электрической активности с поражением мотонейрона или синаптических и надсегментарных структур.
Рисунок 11. Электромиограмма. Снятие Электромиограммы
Электромиографические данные широко используются для уточнения топического диагноза и объективизации патологических или восстановительных процессов. Высокая чувствительность этого метода, позволяющая выявлять субклинические поражения нервной системы, делает его особенно ценным.
В период функциональной активности нервов и мышц возникают чрезвычайно слабые (от миллионных до тысячных долей вольта), быстрые (тысячные доли секунды) и частые колебания электрического потенциала.
Электромиография широко применяется не только в неврологической практике, но и при изучении поражения других систем, когда возникают вторично обусловленные нарушения двигательной функции (сердечно-сосудистые, обменные, эндокринные заболевания).
Снятые и расшифрованные электромиограмы приведены в приложении 1.
Некоторые типы гладких мышц генерируют потенциалы действия спонтанно в отсутствие всякого нейрогенного или гормонального воздействия. Потенциал покоя плазматической мембраны таких волокон не поддерживается на постоянном уровне, а подвергается постепенной деполяризации до тех пор, пока она не достигнет порогового уровня и не произойдет генерирование потенциала действия. После реполяризации мембраны вновь начинается ее деполяризация, так что возникает серия потенциалов действия, вызывающая тоническую сократительную активность рисунок 12. Спонтанные сдвиги потенциала, деполяризующие мембрану до порогового уровня, называются пейсмейкерными потенциалами. (Часть клеток сердечной мышцы и некоторые типы нейронов ЦНС тоже обладают пейсмейкерными потенциалами и могут спонтанно генерировать потенциалы действия в отсутствие внешних стимулов.)
Рисунок 12. Генерирование потенциалов действия в гладком мышечном волокне в результате спонтанных деполяризаций мембраны
Электромиографические исследования мышц лицевой области в стоматологии, неврологии чаще всего проводиться на четырех мышцах: Temporalis (височная), Masseter (жевательная), Digastricus (двубрюшная), Sternocleidomastoid (грудинно-ключично-сосцевидная). Из этих четырех мышц три участвуют в жевательном процессе. Мышца temporalisподнимает нижнюю челюсть. Задние пучки слегка тянут нижнюю челюсть назад. Мышца masseter поднимает нижнюю челюсть при двустороннем сокращении. При одностороннем сокращении сдвигает нижнюю челюсть в сторону мышцы, сокращается. Мышца digastricusопускает и двигает назад нижнюю челюсть
Мышца sternocleidomastoideus при одностороннем сокращении производит наклон в сторону одновременно происходит поднятие головы. При двустороннем сокращении удерживает голову в вертикальном положении. При фиксировании головы возможно поднятие грудной клетки при дыхании (вспомогательная мышца вдоха) рисунок 13.
Рисунок 13–Схема расположения основных мышц в области головы
В зависимости от типа электродов электромиографию делят на поверхностную (глобальную) и локальную.
· Поверхностная является неинвазивным исследованием и позволяет регистрировать активность мышцы на обширном ее участке.
· При проведении локальной электромиографии в толщу мышцы чрескожно вводится электрод в виде тонкой иглы. Это инвазивная методика, которую используют с целью исследования функции отдельных элементов мышцы.
Электромиография может быть назначена пациенту в случае наличия у него следующих симптомов или при подозрении на нижеуказанные заболевания:
· чувство слабости в мышцах;
· частые интенсивные мышечные боли;
· частые подергивания мышц, судороги;
· болезнь и синдром Паркинсона;
· БАС (боковой амиотрофический склероз);
· миоклонии;
· миастения;
· полимиозит;
· нарушение тонуса мышц (дистония);
· травматические повреждения периферических нервов или органов центральной нервной системы – головного или спинного мозга;
· рассеянный склероз;
· ботулизм;
· остаточные явления после перенесенного полиомиелита;
· невропатия лицевого нерва;
· туннельные синдромы;
· радикулопатии при травмах позвоночника или грыжах спинного мозга;
· полинейропатии;
· эссенциальный тремор;
· в косметологии – для определения участков тела, куда следует ввести ботокс.
Как правило, одному и тому же пациенту электромиографию проводят неоднократно. Первое обследование – на этапе постановки диагноза до начала лечения, а дальнейшие – в процессе терапии с целью оценки ее эффективности.
Исследование может быть проведено как в условиях стационара, так и амбулаторно. Во время него пациент находится в удобном положении сидя, полусидя или лежа. Медработник обрабатывает участки кожи, которые будут контактировать с электродами, антисептиком и накладывает на подлежащую обследованию мышцу электроды, подсоединененные к электромиографу. Во время введения в мышцу игольчатого электрода человек ощущает неинтенсивную боль.
В начале исследования регистрируют потенциалы расслабленной мышцы, после чего просят пациента медленно напрячь ее и в это время также фиксируют импульсы.
Полученную запись – электромиограмму – оценивает специалист кабинета диагностики, а затем передает заключение пациенту или непосредственно лечащему врачу.
Электромиограмма внешне немного напоминает электрокардиограмму. На ней определяются колебания (осцилляции) с различной амплитудой, частотой и периодичностью. Когда мышца только начинает сокращаться, величина амплитуды этих колебаний составляет порядка 100-150 мкВ, а в состоянии максимального сокращения – 100-3000 мкВ. Эти показатели напрямую зависят от возраста человека и его физического развития. Искажать результат может толстый слой подкожной жировой клетчатки в области исследования и заболевания свертывающей системы крови.
· Миозиты, мышечные дистрофии и другие первичные мышечные заболевания вызывают снижение амплитуды колебаний соответственно степени тяжести болезни (в начальной стадии до 500 мкВ, а в терминальной – даже до 20 мкВ при максимальном возбуждении). На локальной ЭМГ в это же время число потенциалов находится в пределах нормы, однако их амплитуда и длительность снижены.
· При полинейропатиях любой природы – токсических, метаболических, наследственных – поверхностная электромиография регистрирует урежение осцилляций, а также различные по амплитуде и частоте одиночные биопотенциалы. На локальной ЭМГ визуализируются полифазные относительно нормальные биопотенциалы. В случае же, если большинство нервных волокон погибло, активность мышц минимальна или отсутствует вовсе.
· Спинальные амиотрофии на локальной ЭМГ характеризуются увеличением амплитуды осцилляций, острыми волнами. При поверхностной электромиографии определяются фасцикуляции в покое, а при выраженном напряжении мышцы – так называемый, «ритм частокола» – потенциалы с высокой частотой и амплитудой.
· Миастении на ЭМГ характеризуются снижением амплитуды осцилляций при повторной ритмичной стимуляции мышцы.
· Миотонические синдромы вызывают электрическую активность низкой амплитуды и высокой частоты в период расслабления мышцы после ее сокращения, которая постепенно угасает. Локальная электромиография регистрирует гипервозбудимость мышцы – возникновение целой серии биопотенциалов после введения в нее электрода.
· Эссенциальный тремор и болезнь Паркинсона выглядят на поверхностной ЭМГ, как серия ритмичных «залпов» повышения амплитуды колебаний и последующего ее снижения. Продолжительность и частота таких залпов напрямую зависит от того, где локализован патологический процесс.
Мое исследование показало возможность использования электромиографии мышц лицевой области для определения значительных отклонений в работе головного мозга. Данная тема представляется перспективной, и требует дальнейшего развития.
Заключение
Итак, были рассмотрены методы регистрации биопотенциалов. Регистрация биопотенциалов тканей и органов с диагностической целью получила название электрографии. Такой общий термин употребляется сравнительно редко, более распространены конкретные названия соответствующих диагностических методов: электрокардиография (ЭКГ) – регистрация биопотенциалов, возникающих в сердечной мышце при ее возбуждении, электромиография (ЭМГ) – метод регистрации биоэлектрической активности мышц, электроэнцефалография (ЭЭГ) – метод регистрации биоэлектрической активности головного мозга и др.
Список литературы
1. Большая медицинская энциклопедия (БМЭ): в 36 т. – М.: Сов. Энциклопедия, 1975.
2. Карпман В. Л. Фазовый анализ сердечной деятельности. – М., 1965.
3. Коган А. Б. Электрофизиология. – М., 1996
4. Малая медицинская энциклопедии. – М.: Медицинская энциклопедия, 1991-1996 г.
5. Словарь физиологических терминов под редакцией академика Газенко О. Г., М., 1987.
6. Moller, A.R. Monitoring and mapping the cranial nerves and the brainstem, In: Dele‐ tis, V, and Shils, J.L., eds.: Neurophysiology in Neurosurgery: A Modern Intraopera‐ tive Approach, Chapter 13, pp 283-310, Amsterdam, 2002, Academic Press.
7. Sala F, Manganotti P, Tramontano V, Bricolo A, Gerosa M. Monitoring of motor pathways during brain stem surgery: what we have achieved and what we still miss? Neurophysiol Clin 2007; 37(6) 399-406.
8. Энциклопедический словарь медицинских терминов. – М.: Советская энциклопедия. – 1982-1984 гг.
9. Зудбинов Ю.И. Азбука ЭКГ. — Издание 3. — Ростов-на-Дону: «Феникс», 2003. — 160 с. — 5000 экз. — ISBN 5-222-02964-6.
10. Николаев С. Г., Электромиография: клинический практикум, Иваново, 2013;
11. Electrical Properties of Biological Tissue/ RONALD PETHIG/ Institute of Molecular and Biomolecular Electronics University College of North Wales Bangor, United Kingdom, 2002
12. Боголюбов, В. М. Общая физиотерапия: учебник / В. М. Боголюбов. Г. Н Пономаренко – М., 1998.-480 с.
13. Самуйлов, В О. Медицинская биофизика / В О. Самойлов СПб.: СпецЛит, 2007. – 560 с.
14. Золотарева, Т. А. Медицинская реабилитация / Т. А. Золотарева, К. Д. Бабов. - Киев: КИМ. 2012. - 496 с.