DIPOLOWY MODEL SERCA

I. Wstęp
Bijące serce można z dobrym przybliżeniem traktować jako dipol elektryczny, dla którego
położenie osi oraz wartość momentu dipolowego podlegają okresowym zmianom. Moment dipo-
lowy serca powstaje w wyniku sumowania wielu momentów dipolowych małych dipoli, za które
można uważać włókna mięśnia sercowego w stanie pobudzenia. Część pobudzona włókna stano-
wi biegun ujemny dipola, nie pobudzona zaś – dodatni. Suma wektorowa tych momentów dipolo-
wych jest momentem dipolowym serca.
Każdy dipol elektryczny wytwarza w przestrzeni pole elektryczne, którego obraz można wy-
znaczyć przez pomiar natężenia pola w poszczególnych punktach. Możliwa jest także procedura
odwrotna, polegająca na wnioskowaniu o rozkładzie ładunków na podstawie przebiegu linii sił pola
elektrycznego.
Serce stanowiące zmieniający się w czasie dipol elektryczny powoduje powstanie ciągu
zmiennych potencjałów elektrycznych. Zmiany te rozprzestrzeniają się w całym ciele i docierają do
powierzchni ciała, gdzie mogą być rejestrowane za pomocą odpowiedniej aparatury. Po wzmoc-
nieniu sygnały te są zapisywane – w ten sposób powstaje elektrokardiogram.
Podczas akcji serca modelujący je moment dipolowy zmienia zarówno wartość jak i kieru-
nek. Położenie elektrod pomiarowych dobiera się zawsze tak, by na podstawie pomiaru potencjału
można było określić chwilową wielkość rzutu wektora elektrycznego serca na płaszczyznę (zwykle
czołową lub prostopadłą do niej w przypadku odprowadzeń przed-sercowych). Przy rekonstrukcji
momentu dipolowego z potencjałów podstawowym założeniem jest to, że ciało człowieka stanowi
dla pola elektrycznego jednorodny ośrodek.
Ćwiczenie pozwala zapoznać się z własnościami dipola elektrycznego umieszczonego w
jednorodnym środowisku nieprzewodzącym. Na podstawie pomiaru różnic potencjałów pochodzą-
cych od modelu dipola można określić położenie wektora momentu dipolowego (odpowiadającego
wektorowi elektrycznemu serca). Pokazywana jest także zależność pomiędzy położeniem wektora
momentu dipolowego a kształtem generowanego przezeń pola elektrycznego. Modelem dipola
elektrycznego jest układ dwóch elektrod, do których przykładane jest napięcie o regulowanej różni-
cy potencjałów. Środowisko zewnętrzne, w którym umieszczany jest dipol imituje warstwa wody –
własności elektryczne tej warstwy są jednakowe w każdym punkcie i stałe w czasie. Dokładne wy-
znaczenie położenia elektrod pomiarowych oraz położenia dipola jest możliwe dzięki umieszczeniu
“w tle” siatki współrzędnych.

II. Przebieg ćwiczenia.










a) Do kuwety plastikowej wlać około 300 ml niedestylowanej wody (zapewni to odpowiednie zanu-
rzenie elektrod).

Należy ustawić odpowiednie warunki pracy generatora sygnałów pomiarowych:

-

częstotliwość 5 kHz (wciśnięty przycisk 1k oraz na pokrętle częstotliwości ustawiona
wartość 5).

-

tryb pracy: wciśnięty przycisk impulsu prostokątnego

-

składowa stała: pokrętło w pozycji pionowej

-

amplituda: pokrętło przekręcone maksymalnie w prawo

Ćwiczenie nr 14

Należy jednocześnie zwrócić uwagę na “zrównoważenie układu”: przy symetrycznym ustawie-
niu elektrod pomiarowych (lewa i prawa elektroda np. na 5) miernik powinien pokazywać zero.
Będzie to możliwe gdy oś dipola będzie ustawiona dokładnie prostopadle do osi na której znaj-
dują się elektrody.

b) Elektrody dipola ustawić w położeniu równoległym do osi pionowej i włączyć zasilacz napięcia.
c) W dowolnym położeniu ustawiamy jedną z elektrod pomiarowych – od tej pory będziemy uzna-

wali ją za elektrodę odniesienia. W tej części ćwiczenia od tej pory położenie zarówno elektrod
dipola jak i elektrody odniesienia nie powinno być zmieniane.
Za pomocą drugiej elektrody pomiarowej szukamy punktów ekwipotencjalnych z elektrodą od-
niesienia (posiadających jednakowy jak ona potencjał elektryczny – miernik pokazuje wówczas
zero). Wyznaczone współrzędne takich punktów nanieść na papier milimetrowy. Po wyznacze-
niu położenia przynajmniej 10 takich punktów wyznaczamy przebieg odpowiadającej im linii
ekwipotencjalnej.

d) Zmieniamy położenie elektrody odniesienia i postępując jak w punkcie c) wykreślamy kolejne 3

linie ekwipotencjalne.

e) Obrócić oś dipola o pewien kąt i powtarzając czynności z punktów c) i d) wyznaczyć przebieg

kolejnych 4 linii ekwipotencjalnych. Przebieg tych linii na papierze milimetrowym zaznaczamy
innym kolorem (aby odróżnić je od linii wyznaczonych w punktach c) i d)). Jaki związek istnieje
pomiędzy liniami ekwipotencjalnymi wyznaczonymi w kolejnych częściach ćwiczenia?

f) po zakończeniu pomiarów należy wylać wodę z kuwety i wytrzeć ją do sucha ligniną.

III. Wymagane wiadomości teoretyczne
1. Fizyczne modele elektrycznej aktywności serca:

-model źródła prądowego
-model dipolowy

1. Porównanie przebiegu potencjału czynnościowego komórki mięśnia serca oraz komórki ner-

wowej (z wyjaśnieniem przyczyn występujących różnic).

2. Ośrodki automatyzmu w sercu.
3. Wyznaczanie rzutu wektora elektrycznego serca na płaszczyznę czołową (trójkąt Einthovena).
4. Wymagana jest znajomość podstawowych pojęć dotyczących elektrostatyki i elektryczności:

potencjału, natężenia pola elektrycznego, momentu dipolowego, siły elektromotorycznej.

IV. Proponowana literatura
1. S. Miękisz, A. Hendrich; Wybrane zagadnienia z biofizyki, 1998
2. Ćwiczenia laboratoryjne z biofizyki medycznej (Gdańsk, 1996) – biblioteka Zakładu

Akademia Medyczna Wrocław

Katedra Biofizyki

Ćwiczenie 14

Dipolowy model serca

.......................................................

.......................................................

Imiona i nazwiska studentów

Podpis prowadzącego ćwiczenia

Wydział:

Data

Grupa studencka:
Grupa ćwiczeniowa:

Stopień zaliczenia