Методы и принципы физиологии

    Если системы дополнить и согласовать с работой радиопередатчика, то становится возможным передавать и регистрировать физиологические функции на значительном расстоянии от объекта исследования. Этот метод получил название биотелеметрии. Развитие биотелеметрии определяется внедрением микроминиатюризации в радиотехнику. Она позволяет исследовать физиологические функции не только в лабораторных условиях, но и в условиях свободного поведения, во время трудовой и спортивной деятельности, независимо от расстояния между объектом исследования и исследователем.

    Системы, предназначенные для воздействия на организм или его структурно-функциональные единицы, оказывают различные влияния: пусковые, стимулирующие  и тормозящие. Методы и варианты воздействия могут быть самыми разнообразными.

    При исследовании дистантных анализаторов стимулирующий импульс может восприниматься на расстоянии, в этих случаях стимулирующие электроды не нужны. Так, например, можно воздействовать светом на зрительный анализатор, звуком - на слуховой и различными запахами - на обонятельный.

    В физиологических экспериментах в качестве раздражителя часто используют электрический ток, в связи с чем широкое распространение получили электронные импульсные стимуляторы и стимулирующие электроды. Электрическую стимуляцию применяют для раздражения рецепторов, клеток, мышц, нервных волокон, нервов, нервных центров и т. д. При необходимости может быть применена биотелеметрическая стимуляция (рис. 4, В). Причем воздействия на организм могут быть как локальными, так и общими

    Исследования физиологическихфункций проводят не только в состоянии покоя, но и при различныхфизических нагрузках. Последние могут создаваться либо. выполнением определенных упражнений (приседания, бег и т. д.), либо с помощью различных устройств (велоэргометр, бегущая дорожка и др.), дающих возможность точно дозировать нагрузку.

    Регистрирующие и стимулирующие системы часто используют одновременно, что значительно расширяет возможности физиологических экспериментов. Эти системы можно комбинировать в различных вариантах. 

    ЭЛЕКТРОДЫ 

    В физиологических исследованиях электроды являются связующим звеном между объектом исследования и приборами. Они применяются для нанесения разряжения или регистрации (отведения) биоэлектрической активности клеток, тканей и органов, поэтому их принято подразделять на стимулирующие. Один и тот же электрод может быть использован и как стимулирующий, и как отводящий, так как принципиальной разницы между ними нет.

    В зависимости от способа регистрации или раздражения различают биполярные и униполярные электроды. При биполярном способе чаще используют два одинаковых электрода, при униполярном - электроды различаются и по функциональному назначению, и по конструкции. В этом случае активный (дифферентный) электрод располагают в зоне отведения биопотенциалов или на участке ткани, который нужно стимулировать.

    Активный электрод, как правило, имеет относительно небольшие размеры по сравнению с другим пассивным (индифферентным) электродом. Индифферентный электрод обычно фиксируют на некотором удалении от активного. При этом необходимо, чтобы зона фиксации индифферентного электрода либо не имела собственного потенциала (например, умерщвленный участок ткани, жидкая электропроводная среда, окружающая объект исследования), либо этот участок должен быть выбран с более низким и относительно стабильным потенциалом (например, мочка уха). Индифферентные электроды часто представляют собой пластины из серебра, олова, свинца или другого металла.

    В зависимости от расположения электроды делятся на поверхностные и погружные. Поверхностные электроды фиксируют или на поверхности объекта исследования (например, при регистрации ЭКГ, ЭЭГ), или на отпрепарированных и обнаженных структурах (при стимуляции нерва, отведении вызванных потенциалов от поверхности коры головного мозга и т. п.).

    Погружные электроды используют для исследования объектов, расположенных в глубине органов или тканей (например, при стимуляции нейронов, расположенных в подкорковых структурах головного мозга, или отведении от них биоэлектрической активности). Эти электроды имеют особую конструкцию, которая должна обеспечить хороший контакт с объектом исследования и надежную изоляцию остальной токопроводящей части электрода от окружающих тканей. Все электроды независимо от типа и способа их использования не должны оказывать вредного влияния на объект исследования.

    Недопустимо, чтобы сами электроды становились источником потенциалов. Следовательно, электроды не должны иметь поляризационных потенциалов, которые в ряде случаев могут значительно искажать результаты исследований. Величина поляризационного потенциала зависит от материала, из которого изготовлен электрод, а также свойств и параметров электрического тока.

    Меньшую способность к поляризации имеют электроды из благородных металлов: золота, серебра и платины. Поляризация практически не возникает, если через электроды течет переменный или импульсный электрический ток с изменяющейся полярностью импульсов. Возможность поляризации электрода увеличивается при его взаимодействии с постоянным или импульсным монофазным током. Вероятность поляризации тем больше, чем больше сила тока, протекающего через электрод, и длительное время его действия. Она связана с электрохимическими процессами, происходящими между материалом электрода и окружающей его электролитической средой. В результате этого электроды приобретают определенный заряд, противоположный по знаку стимулирующему или отводимому току, что приводит к неконтролируемому положению условий эксперимента. Поэтому при воздействии на объект постоянным током и при отведении постоянных или медленно изменяющихся потенциалов используют неполяризующиеся электроды.

    В электрофизических экспериментах наиболее часто используют неполяризующиеся электроды следующих типов: серебро - хлористое серебро, платина - хлористая платина и цинк - сернокислый цинк.

    Серебряные электроды при соприкосновении с тканевой жидкостью, содержащей хлориды, быстро покрываются слоем хлористого серебра и после этого поляризуются с трудом. Однако для точных экспериментальных исследований серебряные электроды покрывают слоем хлористого серебра до их использования в эксперименте. Для этого серебряный электрод зачищают мелкой наждачной бумагой, тщательно обезжиривают, промывают дистиллированной водой и погружают в сосуд с 0,9% раствором NaCl или 0,1 н. НС1, в котором уже имеется угольный электрод.

    К серебряному электроду подключают анод (+), а к угольному -катод (-) любого источника постоянного тока (батареи, аккумулятора, выпрямителя и т. п.) напряжением 2 - 6 В. Через электроды пропускают ток плотностью от 0,1 до Ю А/м ² до тех пор, пока электрод не покроется сплошным слоем хлористого серебра. Эту операцию рекомендуется проводить в темноте. Готовые хлорированные электроды хранят в растворе Рингера в темноте.

    Неполяризующиеся платиновые электроды можно изготовить следующим образом. Платиновую проволоку промывают дистиллированной водой и опускают на несколько минут в концентрированную серную кислоту, а затем тщательно промывают в дистиллированной воде, после чего два платиновых электрода опускают в сосуд с раствором хлористой платины. Один электрод подключают к аноду, другой - к катоду источника постоянного тока с напряжением в 2 В.

    С помощью переключателя через них пропускают ток то в одном, то в другом направлении (4-6 раз по 15 с). Электрод, который будет использован в исследованиях, в последней операции по пропусканию тока должен быть соединен с анодом источника тока. Готовый электрод необходимо промыть и хранить в дистиллированной воде.

    Неполяризующиеся электроды типа цинк - серно-кислый цинк  представляют собой стеклянные трубки, заполненные раствором серно-кислого цинка 2, в который помещен амальгамированный цинковый стержень 3. Амальгамирование цинка получается путем его погружения на несколько минут сначала в 10% раствор серной кислоты, а затем - в ртуть. Нижний конец стеклянной трубки закрывают каолином 4, замешенным на растворе Рингера. Наружной части каолиновой пробки придают форму, удобную для контакта с объектом. Иногда пробку делают из гипса и вставляют в нее ватный фитиль или мягкую волосяную кисточку 5. Ионы цинка имеют большую диффузионную способность, поэтому эти электроды хранятся не более 1 сут.

    Электроды для стимуляции и отведения применяются и в остром, и в хроническом экспериментах. В последнем случае за несколько дней до эксперимента их имплантируют (вживляют) в ткани объекта исследования. Это - вживленные электроды. 

    ДАТЧИКИ 

    Датчики - это устройства, преобразующие различные физические величины в электрический сигнал. Различают генераторные и параметрические датчики.

    Генераторные датчики под тем или иным воздействием сами генерируют электрическое напряжение или ток. К ним можно отнести следующие типы датчиков: пьезоэлектрические, термоэлектрические, индукционные и фотоэлектрические.

    Параметрические датчики под действием измеряемой функции изменяют какой-либо параметр электронной схемы и модулируют (по амплитуде или частоте) электрический сигнал этой схемы. Основные типы параметрических датчиков следующие: омические, емкостные и индуктивные.

    Следует отметить, что такое деление датчиков условно, так как на основе термоэлектрического и фотоэлектрического эффектов созданы как генераторные, так и параметрические датчики. Например, фотодиоды и термопары служат для создания генераторных датчиков, а фото- и терморезисторы - параметрических.

    Внедрение различных типов датчиков в физиологические и клинические исследования позволяет получать объективную информацию о многих функциях организма, например о сокращении мышц, смещении центра тяжести тела при перераспределении крови, давлении крови, кровенаполнении сосудов, степени насыщения крови кислородом и углекислым газом, о тонах и шумах сердца, температуре тела и многих других.

    Пьезоэлектрические датчики. Создание этого типа датчиков основано на пьезоэлектрическом эффекте, который выражается в следующем: некоторые кристаллические диэлектрики (кварц, сегнетова соль, титанат бария) под действием механической деформации способны поляризоваться и генерировать электрический ток. Пьезоэлектрический датчик состоит из кристалла, на который путем напыления нанесены металлические контакты для отведения генерируемого датчиком электрического потенциала. При деформации пьезоэлектрического датчика с помощью механической системы можно регистрировать различного рода смещения, ускорения и вибрацию (например, пульс), а пьезоэлектрические микрофоны могут быть использованы для регистрации фоноэлектрокардиограммы.

    Пьезоэлектрические датчики имеют некоторую емкость (100-2000 пф), поэтому они могут искажать сигналы с частотой ниже нескольких герц. Они практически безынерционны, что позволяет их использовать для исследования быстроменяющихся процессов.

    Термоэлектрические датчики. Этот тип датчиков преобразует изменения температуры в электрический ток (термопара) или изменяет под влиянием температуры силу тока в электрической цепи (терморезисторы). Термоэлектрические датчики широко используют для измерения температур и определения различных параметров газовой среды - скорости потока, процентного содержания газов и т. д.

    Термопара состоит из двух разнородных проводников, соединенных друг с другом. Для ее изготовления применяют различные материалы: платину, медь, железо, вольфрам, иридий, константен, хромель, копель и _др. В термопаре, состоящей из меди и константана, при разности температур ее соединений в 100°С возникает электродвижущая сила, равная примерно 4 мВ.

    Терморезисторы - это полупроводниковые резисторы, способные уменьшать свое сопротивление по мере повышения температуры. Существуют резисторы, сопротивление которых с повышением температуры увеличивается, их называют позисторами. Терморезисторы выпускают в самом разнообразном конструктивном оформлении. Терморезисторы следует включать в цепи измерительного моста постоянного тока. Их широко используют для создания электротермометров.

    Фотоэлектрические датчики, или фотоэлементы. Этот тип датчиков представляет собой устройства, которые изменяют свои параметры под действием света. Различают три типа фотоэлементов: 1)с внешним фотоэффектом, 2) с запирающим слоем (фотодиоды), 3) с внутренним фотоэффектом (фоторезисторы).

    Фотоэлементы с внешним фотоэффектом представляют собой вакуумные или наполненные газом баллоны. В баллоне расположены два электрода: катод, покрытый слоем металла (цезий, сурьма), способного под действием света испускать электроны (внешний фотоэффект), и анод. Фотоэлементы этого типа требуют дополнительного питания для создания внутри элемента электрического поля; их включают в сеть постоянного тока. Под действием света катод испускает электроны, которые устремляются к аноду. Возникающий таким путем ток служит показателем интенсивности светового потока. Газонаполненные фотоэлементы более чувствительны, так как фототек в них усиливается за счет ионизации электронами наполняющего газа. Однако по сравнению с вакуумными фотоэлементами они более инерционны.