Sygnały bioelektryczne spełniają w organizmie człowieka zarówno funkcje informacyjne, jak i koordynacyjne. Właśnie dlatego są one jednym z najczulszych wskaźników stanu fizjologicznego organizmu. Sumę napięć pochodzących od komórek poszczególnych organów lub części ciała można mierzyć i odpowiednio je interpretując, wykrywać choroby np. pęcherza moczowego, żołądka, macicy, języka, gałki ocznej, krtani, mięśni, a przede wszystkim serca i mózgu.

Stacjonarny układ od badania EKG

Serce kurczy się pod wpływem bodźców elektrycznych, które powstają w specjalnych komórkach układu przewodzącego serca i rozprzestrzeniają się na mięśnie przedsionków i komór. Elektrokardiogram zwykle nazywany EKG jest to zarejestrowana elektryczna aktywność serca przy pomocy elektrod podłączonych do kończyn i do skóry klatki piersiowej na odpowiedniej

EKG zdrowego człowieka

wysokości. Takie ustawienie elektrod pozwala zbadać przebieg bodźców elektrycznych przez różne części serca. Mierzone napięcia między elektrodami są bardzo małe, ich wartość waha się od ułamka do 5 miliwoltów, muszą więc być wzmocnione i zarejestrowane.
Prawidłowy wykres napięcia odpowiadający jednemu cyklowi pracy serca posiada sześć charakterystycznych załamków oznaczonych jeszcze przez twórcę elektrokardiografu literami P, Q, R, S, T, U, które powinny występować w określonych odległościach i na odpowiedniej wysokości. Kształt wykresu napięcia, odległości między charakterystycznymi punktami i amplitudy załamków pozwalają wnioskować o stanie

Nieprawidłowe EKG

mięśnia sercowego. EKG pozwala również określić czas trwania poszczególnych zjawisk w sercu. Śledząc przebieg krzywej EKG, lekarz uzyskuje informacje o różnego rodzaju arytmiach, chorobach przedsionków i komór, wykrywa uszkodzenia serca powstałe w wyniku przebytych chorób, np. niewyleżanej grypy, rozpoznaje zapalenie mięśnia sercowego i przebyty zawał. Na podstawie zapisu EKG można również ocenić wielkość komór serca.
W celu uzyskania dokładniejszych informacji stosuje się EKG Holtera. Pacjent otrzymuje na jedną dobę aparat wielkości małego magnetofonu kasetowego połączony z przyklejonymi do ciała w odpowiednich miejscach elektrodami. Komputerowa analiza zapisu pozwala ocenić pracę serca w różnych różnych stanach emocjonalnych i podczas wysiłku.

Aparat EKG dostosowany do przesyłania wyników przez telefon

Obecnie EKG można wykonać nawet przez telefon za pomocą specjalnego przenośnego aparatu cyfrowego. Aparaty te rejestrują i zapamiętują wyniki badań EKG w wewnętrznej pamięci, a następnie mogą być przesyłane do lekarza poprzez telefon komórkowy, sieć stacjonarną analogową (modem lub Internet), lub przez mikrofon dowolnego telefonu analogowego.
Aparaty przenośne mogą spełniać rolę aparatu typu EventHolter. W tym przypadku aparat rejestruje w sposób ciągły pracę serca pacjenta i wpisuje wynik badania do pamięci buforowej aparatu pracującej w pętli. Długość pętli jest programowana przez lekarza stosownie do indywidualnych potrzeb pacjenta (od kilku sekund do 16 minut). W ten sposób pacjent może wykonywać badania w dowolnym czasie np. w ciągu doby co godzinę lub co kilka minut przez kilka kolejnych dób.

---

Stanowisko pomiaru EEG

Badanie elektroencefalograficzne (w skrócie EEG) polega na rejestracji czynnościowych prądów mózgu człowieka, które charakteryzują się niewielkim napięciem (od kilku do kilkuset mikrowoltów). Częstotliwość tych prądów waha się od 0,5 Hz do 50 Hz. Do rejestracji tych niewielkich potencjałów służą aparaty encefalograficzne.
Badanie EEG rozpoczyna się od umieszczenia na głowie pacjenta 20 elektrod pomiarowych. Podczas operacji można je umieścić bezpośrednio na powierzchni kory mózgowej lub nawet wprowadzić w głąb mózgu. Wzmacniając odbierane sygnały około miliona razy, rejestruje się różnice potencjałów między każdą parą elektrod. Każda konfiguracja elektrod ma swoje znaczenie i przydatność diagnostyczną. Wynik badania uzyskuje się w postaci czterech fal o różnej częstotliwości wyładowań i różnych amplitudach, a każdy rodzaj fali świadczy o innej aktywności kory mózgowej. U dorosłego człowieka przy całkowitym odprężeniu dominują fale alfa o częstotliwości 8-13 Hz i napięciu 50-150 mV, które zanikają na przykład wtedy, gdy otwiera się oczy. Fale beta występują u ludzi aktywnych, pobudzonych i najwyraźniej są odbierane z okolic czołowo-środkowych. Charakteryzują się częstotliwością 14-24 Hz i potencjałami 10-16 mV. Fale theta

Stanowisko pomiaru EEG

o częstotliwości 4-7 Hz i amplitudzie 50-100 mV często świadczą o tym, że w mózgu dzieje się coś złego. Wreszcie fale delta o parametrach 0,5-3 Hz i 100-200 mV, występują podczas snu. Ich obecność u dorosłego człowieka w stanie czuwania zawsze świadczy o procesie patologicznym, podobnie jak występowanie potencjałów szczytowych, charakteryzujących się szybkim narastaniem i spadkiem napięcia.
Do uzyskania rzetelnego wyniku badania konieczna jest długa trwająca od 20 do 30 minut rejestracja. Zdarza się, że zapis spoczynkowy nie ujawnia żadnych nieprawidłowości, natomiast odchylenia od normy pojawiają się dopiero wtedy, gdy zastosuje się tzw. metody aktywacji, na przykład kilkuminutową hiperwentylację, czyli szybkie i głębokie oddechy, lub powtarzające się bodźce świetlne. Pomocny bywa również zapis wykonany podczas snu.
Metoda ta jest bardzo przydatna, między innymi przy wykrywaniu padaczki, guzów nowotworowych, krwiaków, urazów i obszarów niedotlenienia mózgu. Jest też nieodzowna, gdy trzeba stwierdzić śmierć mózgową, równoznaczną ze zgonem człowieka. Zdarza się bowiem, że wszystkie narządy wewnętrzne działają jeszcze sprawnie, a tylko płaski zapis EEG świadczy, że człowiek przekroczył granicę między życiem i śmiercią.

---

Pomiar EMG

Mięsień kurczy się, gdy jest drażniony elektrycznie, a podczas skurczu powstaje w nim prąd. Ten fakt jest podstawą badań elektromiograficznych (w skrócie EMG), czyli rejestrację czynności elektrycznej mięśni. Czynność ta związana jest ze zdolnością przenikania jonów sodu i potasu przez błonę komórki. Wskutek nierównomiernego rozmieszczenia jonów sodu i potasu w obrębie komórki mięśniowej - dochodzi do polaryzacji ładunku elektrycznego wnętrza komórki w stosunku do błony komórkowej. Potencjał polaryzacji, wynoszący w spoczynku około 80 mV, ulega zmianom w zależności od stanu czynnościowego mięśnia.
Podczas badania stosuje się albo elektrody powierzchniowe, które umieszcza się na skórze nad mięśniem, albo elektrody igłowe, które wkłuwa się w mięsień. Można też, co rzadko się wykonuje, wkłuć się w pojedyncze włókno, czyli komórkę mięśniową. U osób zdrowych, pozostających w spoczynku, aparatura rejestruje ciszę elektryczną, co oznacza, że nie występują żadne zjawiska elektryczne. Wystarczy jednak lekki skurcz, żeby odebrać tzw. potencjał jednostki ruchowej. W zależności od rodzaju rejestrowanych potencjałów można dociec, jak działają poszczególne elementy badanego układu. W miarę zwiększania siły skurczu pojawia się coraz więcej potencjałów z różnych jednostek ruchowych. Przy maksymalnym wysiłku powstaje tzw. zapis interferencyjny, w którym nie można już rozróżnić pojedynczych potencjałów.

Na dole zapis z pojedynczej jednostki ruchowej występujący przy lekkim skurczu mięśnia, a u góry tzw. zapis interferencyjny, w którym nie można odróżnić pojedynczych potencjałów, występujący przy maksymalnej sile skurczu

Lekarz przeprowadzający badanie najpierw musi wytypować właściwe mięśnie do zdiagnozowania obserwowanych nieprawidłowości, musi też ustalić, jaka jest maksymalna siła skurczu dla konkretnej osoby. Dopiero potem rozpoczyna właściwe badanie, w trakcie którego wkłuwa elektrody w różne punkty mięśnia (jest od 20 do 30). Wiele jest też parametrów, na które musi zwracać uwagę. Obserwuje więc aktywność elektryczną w trakcie spoczynku, sposób narastania liczby potencjałów w miarę zwiększania się wysiłku, przy jakim wysiłku pojawia się zapis interferencyjny, wreszcie charakterystykę impulsu - jego kształt, czas trwania, amplitudę, częstotliwość wyładowań. Może ponadto zbadać szybkość rozchodzenia się impulsów w nerwach, ale żeby to zrobić, trzeba zarejestrować potencjały pojawiające się w wyniku elektrycznej stymulacji odpowiedniego nerwu.
Elektromiografię w codziennej pracy wykorzystują lekarze ortopedzi, reumatolodzy, rehabilitanci, najważniejszy jednak polem zastosowań tej metody diagnostycznej są choroby nerwowo-mięśniowe. EMG pozwala zbadać stan unerwienia mięśnia, dostarcza dowodów odnerwienia, potrafi wychwycić procesy związane z odbudowywaniem uszkodzonego unerwienia, wskazuje na stopień uszkodzenia mięśnia i nerwu. Generalnie można powiedzieć, że badanie daje odpowiedź na pytanie, czy obserwowane objawy chorobowe wynikają z uszkodzenia w ośrodkowym układzie nerwowym, uszkodzenia nerwów obwodowych czy też samego mięśnia. A to jest dobrą podstawą do podjęcia decyzji co do rodzaju leczenia.
Mimo tak dużych możliwości EMG, czasem nie udaje się na jej podstawie postawić trafnej diagnozy. Nie uzyska się bowiem wiarygodnego wyniku bez dobrej współpracy pacjenta, od którego zależy precyzyjne "dawkowanie" siły skurczu. Właśnie dlatego elektromiografia zwykle zawodzi w przypadku małych dzieci.
Opracowano na podstawie artykułu Klary Szatkiewicz Pod prądem, Wiedza i Życie, nr 8/1998

---

SQUID to nadprzewodnikowy interferometr kwantowy. Głównym jego elementem jest pierścień nadprzewodzący z dwoma złączami Josephsona. Złącze Josepsona składa się z dwóch różnych nadprzewodzących metali przedzielonych izolatorem. Warstwy izolatora (złącza) są bardzo cienkie i prąd nadprzewodzący może przez nie przechodzić (tunelować). W pierścieniu następuje zjawisko interferencji fal opisujących ruch nośników prądu. Powstaje różnica faz nakładających się fal, zależna od natężenia prądu tunelowego płynącego przez złącze. Do pierścienia może wnikać pole magnetyczne. Zewnętrzne pole magnetyczne zmienia warunki interferencji fal nośników prądu. Można wtedy obserwować zależność prądu indukowanego w pierścieniu nadprzewodzącym od indukcji przyłożonego pola magnetycznego. Wykorzystuje się to w magnetometrach, które pozwalającą rejestrować pola magnetyczne miliard razy słabsze od pola magnetycznego Ziemi.

Sygnały nerwowe przekazywane są w ludzkim ciele dzięki przepływowi prądów elektrycznych, z którymi związane są otaczające je pola magnetyczne. Badanie tych pól magnetycznych wykorzystuje się w medycynie do diagnozowania mózgu, serca, oka lub mięśni. Magnetyczne przejawy aktywności elektrycznej mierzy się za pomocą urządzeń wykorzystujących niskotemperaturowe czujniki nadprzewodzące, chłodzone ciekłym helem (nazywane w skrócie SQUID od angielskiej nazwy Superconducting QUantum Interference Device). Czujniki takie umieszczane są w przyrządach zlokalizowanych tuż nad badanymi organami.
Metoda badania pola magnetycznego za pomocą takich czujników jest bardzo przydatna między innymi w badaniu czynności elektrycznej serca płodu (magnetokardiografia). Zaletą tej metody jest jej nieinwazyjność i możliwość zbadania elektrycznej czynności serca płodu wówczas, gdy niemożliwe jest odebranie sygnału elektrycznego za pomocą badania elektrokardiograficznego, czyli w okresie od około 22 tygodnia niemal do końca ciąży. Wtedy ciało płodu pokrywa się mazią ochronną o właściwościach izolacyjnych, która uniemożliwia badanie czynności elektrycznej jego serca. Kobieta ciężarna badana jest na specjalnym stole. Nad jej brzuchem umieszcza się urządzenie wykorzystujące SQUID, który przetwarza uzyskany sygnał magnetyczny na sygnał elektryczny, który przedstawia się na ekranie monitora. Przy interpretacji sygnału pochodzącego z serca płodu, należy tylko pamiętać o wyizolowaniu czynników zakłócających ten sygnał: ziemskim polu magnetycznym, szumach radiowych, laboratoryjnych, szumie samego czujnika SQUID oraz sygnale serca matki.
Naukowcy pracują obecnie nad zminimalizowaniem wielkości przyrządów służących do badania pola magnetycznego na potrzeby kliniczne oraz nad opracowaniem lepszych algorytmów przetwarzania sygnałów.
Opracowano na podstawie wykładu Marii Łozińskiej z Wydziału Mechantroniki Politechniki Warszawskiej podczas III Ogólnopolskiego Dnia Nauki.

---