Электрокардиография и физическая нагрузка

Ландыш ШАЙМАРДАНОВА,
учитель биологии и географии первой
квалификационной категории гимназии
 имени М.М. Вахитова г. Буинска
 Цель урока: ознакомиться с методами оценки состояния кардиореспираторной системы; изучить, как изменяется работа сердца при спокойном и глубоком дыхании; выяснить, как изменяется работа сердца при спокойном состоянии и при физической нагрузке у здорового школьника.
Задачи урока: дать оценку резерва сердца по определению систолического и минутного объема в покое и после физической нагрузки у здорового школьника; основываясь на экспериментальных данных, оценить максимальную ЧСС и сравнить ее с теоретическим пределом у здорового школьника; сравнить значения параметров, полученные при различных состояниях организма, определить основные закономерности их изменений и обосновать физиологическое состояние сердца у здорового школьника.
Тип урока: интегрированный. Урок позволит учащимся понять процессы, происходящие в организме человека с точки зрения биологии.
Универсальные учебные действия:
Формирование умений устанавливать причинно-следственные связи; строить логическое рассуждение; умение самостоятельно планировать пути достижения целей; умение работать с современным ИКТ-оборудованием; применять полученные знания на практике.
Формы обучения: исследовательские.
Ход урока
В этой работе я вас познакомлю с применением метода электрокардиографии (ЭКГ) для оценки физической нагрузки на организм у здорового школьника. Я получила сигнал электрокардиограммы в Iстандартном отведении, смогла рассчитать частоту сердечных сокращений (ЧСС) по электрокардиограмме, а также узнала, как изменяется ЧСС под действием физической нагрузки у здорового ребенка.
Основной функцией сердца является обеспечение циркуляции крови (так называемая «насосная» функция – ритмичное нагнетание крови в магистральные сосуды и ее последующее продвижение по сосудистому руслу). Для этого необходимо последовательное, строго координированное чередование сокращений и расслаблений предсердий и желудочков. Это обеспечивается клетками сердца – кардиомиоцитами, которые делятся на типичные и атипичные.
Типичные кардиомиоциты сокращаются, обеспечивая насосную функцию сердца, а атипичные – генерируют нервный импульс самостоятельно. Клетки сердечной мускулатуры способны не только генерировать импульс, но и проводить его по сердечной мышечной ткани. Так возбуждение распространяется по всему сердцу, последовательно вызывая сокращение: сначала предсердий, а затем – желудочков.
Поскольку кардиомиоциты создают и проводят нервный импульс, то в процессе работы сердца в нем протекают электрические токи, которые распространяются по всему телу (ведь наше тело является очень хорошим проводником). Такую электрическую активность сердца можно зарегистрировать с поверхности тела с помощью электрокардиографии.
Электрокардиограмма отражает процесс распространения возбуждения по миокарду сердца. В начале сердечного цикла сердце расслаблено и клетки его неактивны. В этот момент на ЭКГ видна горизонтальная линия без каких бы то ни было изменений. Ее называют изолинией. Затем в процессе сокращения сердца на электрокардиограмме появляются пики – зубцы.
Водителем (то есть инициатором) ритма являются синоатриальный узел (СА-узел), который расположен в правом предсердии. Это – ведущий узел автоматии сердца. В норме у здорового – единый темп (частота) возбуждения и сокращения сердца. В норме у здорового человека частота генерации импульсов этим узлом составляет 60-80 в минуту, это и является нормой частоты сердечных сокращений.
Одним из простых показателей, определяемых с помощью ЭКГ, является частота сердечных сокращений. Ее можно вычислить по количеству R-R-интервалов в 1 мин., так как длительность одного R-R-интервалов соответствует одному сердечному циклу. В зависимости от величины ЧСС будет изменяться продолжительность большинства интервалов, что учитывается при анализе ЭКГ.
Как мы знаем, сердечный ритм также не является постоянным, поскольку в разных ситуациях требуется различная активность сердца: когда мы спим, потребление кислорода невелико и сердце сокращается реже, чем при беге, когда необходимо снабжать ткани большим количеством кислорода. Регуляция активности сердца со стороны парасимпатической нервной системы также осуществляется через блуждающий нерв. Поэтому на регуляцию частоты сердечных сокращений значительно влияет дыхание. Когда мы делаем вдох, легкие растягиваются, в результате чего активируются специальные рецепторы. Импульсы от рецепторов легких поступают в парасимпатический центр продолговатого мозга и снижают его активность. На выдохе легкие спадаются, и активность парасимпатической системы восстанавливается. Это означает, что на вдохе сердце испытывает преимущественное влияние симпатической системы, а на выдохе – парасимпатической. Это приводит к учащению сердечных сокращений (с сокращением R-R-интервалов) на вдохе и их урежению на выдохе. Наблюдаемая нерегулярность сердечного ритма называется дыхательной аритмией и является одним из проявлений вариабельности сердечного ритма. Кроме того, за счет воздействия все той же парасимпатической нервной системы (блуждающего нерва) сердце может реагировать изменением R-R-интервалов на изменение содержания кислорода и углекислого газа в крови. Таким образом, сердечный ритм изменяется в тесной связи с частотой и глубиной дыхания. Оба эти процесса регулируются АНС для оптимального обеспечения тканей кислородом.
Оборудование и материалы (Слайд 2)

1. Из набора «Цифровая лаборатория в области нейротехнологий. Практикум по биологии»:

1.1. Сенсора ЭКГ (ECG).
1.2. Центральный модуль (Central).
1.3. Одноразовые электроды (3 шт.).
1.4. Кабель для подключения центрального модуля к ПК.
1.5. ПК и ОСWindows и установленной программой BiTronicsStudio.
Выполнение работы
Сборка экспериментальной установки (Слайд 3-7)

1. Подключили сенсор ЭКГ к порту А центрального модуля, а центральный модуль – к компьютеру.


2. Закрепили электроды на теле испытуемого для регистрации ЭКГ в Iотведении: один сигнальный электрод крепится на запястье правой руки, а второй сигнальный электрод крепится на запястье левой руки.

 
Ход эксперимента и запись результата

1. Испытуемый положил руки перед собой на стол. Спокойно посидел 2 минуты и постарался расслабиться.


2. Нажимаем на кнопку «Подключить порт». Записываем 60 с сигнала ЭКГ и дыхания в спокойном состоянии. Для удобства, сохранили запись сигналов, нажав кнопку «Начать запись данных», а потом при выполнении расчетов посмотрели записанный сигнал, нажав кнопку «Запустить проигрыватель».


3. С помощью двух маркеров определили промежуток времени между первым и последним R-зубцами на сигнале ЭКГ – RRt, а также количество R-R-интервалов между ними – RRN. Разница dx между правой и левой границей маркеров и есть искомое значение RRt. Рассчитали среднюю ЧСС по формуле (5.1), записываем полученное значение в табл. 1 и 2.

 
(5.1)
 

4. Определили максимальную теоретическую ЧСС испытуемого по формуле:

= 208 = 0,7 возраст (кол-во полных лет).
 

5. Определили для пяти сердечных циклов на запись ЭКГ следующие параметры (рис 5.2.26):

• интервал QT;


• сегмент TP или TQ (если зубец Р маленький или отсутствует);


• ширину комплекс

Рисунок 5.2.26. Разметка интервалов на ЭКГ на идеальном графике ЭКГ
 

6. Записываем измеренные значения в табл. 1 и 2. Посчитали средние величины указанных интервалов для пяти сердечных циклов.


7. Испытуемый выполнил 20 приседаний в быстром темпе (за 30-50 сек.). При необходимости перед этим отсоединили провод с электродом от модуля ЭКГ, а после приседаний подключили обратно.


8. Нажимаем на кнопку «Кнопка порт» и записали 20 с сигнала ЭКГ, после чего остановили запись, повторно нажав «Подключить порт».


9. По сигналу ЭКГ после физической нагрузки определили те же параметры, что и в покое, для пяти сердечных циклов. Результаты записываем в табл. 3 и 4, а средние величины продублировали в табл. 5 и 6.


10. Сравнили значение параметров в покое и после физической нагрузки, а также с границами нормы в покое (табл. 5 и 6). Описали наблюдаемые изменения.


11. На основе полученных данных определили, какая часть сердечного цикла сильнее укорачивается под физической нагрузкой. Для этого сравнили изменения интервалов QRS, QT (систола) и TP (диастола) после физической нагрузки по сравнению с покоем. Объяснили наблюдением изменения: при физической нагрузке происходит изменение продолжительностей систолы, диастолы желудочков и кардиоцикла. Каждая фаза сердечного цикла изменяется по-своему. С ростом сердечного ритма доля систолического времени в кардиоцикле увеличивается, а диастолического – падает.


12. По формуле (5.3) оценили максимальную практическую ЧСС, уд./с, предполагая, что длительность систолы практически не изменяется при больших значениях ЧСC, а длительность диастолы равна нулю.

 
= (5.3)
где РТ – время от начала зубца Р до конца зубца Т в секундах.
 

13. Сравнили полученное значение с теоретической оценкой.

Расчетные значения
В состоянии покоя здорового школьника:

1. RR_t = 19,75с =0,32 мин.


2. RR_N = 19 шт.


3. ЧСС = RR_N/RR_t=59,37 уд./мин.


4. ЧСС_теор.max = 208 – 0,7*17=196,1 уд./мин.


5. Таблица 1. Параметры сердечных циклов до нагрузки

Таблица 1.

№ цикла	1	2	3	4	5	Среднее значение
QT, c	0,36	0,369	0,366	0,362	0,370	0,365
TP, с	0,381	0,386	0,388	0,382	0,384	0,384
TQ, с	0,684	0,647	0,540	0,601	0,655	0,625
QRS, с	0,124	0,138	0,130	0,131	0,134	0,131

 
В состоянии покоя ребенка:

1. RR_t = 19,75с =0,32мин.


2. RR_N = 16 шт.


3. ЧСС = RR_N/RR_t=50 уд./мин.


4. ЧСС_теор.max = 208 – 0,7*17=196,1 уд./мин.


5. Таблица 2. Параметры сердечных циклов до нагрузки у ребенка

 
     Таблица 2.

№ цикла	1	2	3	4	5	Среднее значение
QT, c	0,334	0,343	0,346	0,342	0,35	0,281
TP, с	0,355	0,361	0,364	0,37	0,372	0,364
TQ, с	0,358	0,395	0,288	0,349	0,403	0,359
QRS, с	0,202	0,216	0,207	0,209	0,211	0,209

 
После физической активности здорового ребенка:

1. RR_t = 19,75с =0,32 мин.


2. RR_N = 33 шт.


3. ЧСС = RR_N/RR_t=103,12 уд./мин


4. Таблица 3. Параметры сердечных циклов после нагрузки у здорового ребенка

Таблица 3.

№ цикла	1	2	3	4	5	Среднее значение
QT, c	0,294	0,294	0,306	0,299	0,291	0,296
TP, с	0,491	0,454	0,429	0,444	0,462	0,456
TQ, с	0,425	0,511	0,471	0,639	0,662	0,541
QRS, с	0,117	0,120	0,118	0,118	0,119	0,164

 
После физической активности ребенка:

1. RR_t = 0,36с = 0,32 мин.


2. RR_N = 27 шт.


3. ЧСС = RR_N/RR_t = 84,375 уд./мин


4. Таблица 4. Параметры сердечных циклов после нагрузки ребенка

Таблица 4.                                                                                   

№ цикла	1	2	3	4	5	Среднее значение
QT, c	0,268	0,267	0,279	0,272	0,264	0,27
TP, с	0,465	0,428	0,403	0,418	0,436	0,43
TQ, с	0,399	0,485	0,445	0,613	0,636	0,5156
QRS, с	0,091	0,094	0,091	0,092	0,094	0,0924

.
 
Таблица 5. Параметры ЭКГ до и после нагрузки у здорового ребенка

Параметры	В покое	После нагрузки	Границы нормы, покой
ЧСС, уд./мин.	59,37	103,12	60-80
QT, с	0,365	0,541	0,34-0,44
TP или TQ, c	0,625	0,541	-
QRS, с	0,131	0,118	-0,12

 
 
 
 
 
 
Вывод:
В ходе работы мы изучили технический метод диагностического исследования – электрокардиография. Проанализировали процессы, происходящие в сердце. Также соотнесли электрические процессы на ЭКГ с механическими процессами, которые происходили в процессе анализа сердечного цикла. Провели анализ данных, полученных с обучающихся, и проанализировали изменения частоты сердечных сокращений у здорового школьника до и после физических нагрузок.