Podstawy fizyczne i diagnostyczne EKG
Czym zajmuje się biofizyka? Jest to dyscyplina naukowa, która obecnie przeżywa swój wielki rozwój, łącząca w sobie nauki biologiczne i fizyczne. Od dyscyplin biologicznych przejęła ona przedmiot badań, a od nauk fizycznych metody badawcze. Przedmiotem badań biologów jest materia ożywiona, zaś fizyków - materia nieożywiona. W naukach biologicznych stosuje się opis jakościowy rozważanych układów biologicznych, fizyczną charakterystyką fundamentalnych praw przyrody jest opis ilościowy możliwy dzięki tzw. wielkościom fizycznym. Zadaniem biofizyki jest zatem interpretacja zjawisk życiowych oparta na metodologii wziętej z nauk fizycznych.
Biofizykę dzielimy na tzw. czystą i stosowaną. Pierwsza z nich zajmuje się biofizycznymi problemami podstawowymi, zaś druga - zastosowaniem biofizyki i fizyki do celów praktycznych. Do biofizyki stosowanej można zaliczyć biofizykę medyczną, wykorzystującą osiągnięcia biofizyki i fizyki do celów diagnostyki, terapii, profilaktyki, a także do prac badawczych w medycynie. To łączy nam właśnie biofizykę i elektrokardiografię.
Elektrokardiografia jest to metoda badania czynności serca za pomocą elektrokardiografu. Polega ona na rejestrowaniu w formie wykresu ( elektrokardiogramu ) potencjałów czynnościowych serca. Klasyczny aparat EKG jest zbudowany z:
galwanometru - jest to przyrząd do dokładnego badania prądów o dowolnym natężeniu lub do wykrywania bardzo słabych prądów;
lampy promieniowej zwaną oscyloskopową lub lampą Brauna - wykorzystuje ona zjawisko świecenia substancji fluoryzującej pod wpływem padającego na nią strumienia elektronów do zobrazowania badanych przebiegów wielkości elektrycznych zmieniających się w czasie lub w zależności miedzy badanymi wielkościami elektrycznymi; umożliwia wizualizację przebiegów elektrycznych oraz ocenę ich kształtu;
załączników czasu czyli chronografów - służących do wytwarzania znaków lub linii czasu na papierze do rejestracji elektrokardiogramu;
mechanizmu napędowego w aparatach bateryjnych; stanowi go sprężyna nakręcana korbą;
urządzenia do wzorcowania - jego celem jest ocena prawidłowości napięcia (wysokości) poszczególnych załamków elektrokardiogramu.
Pierwsze próby sformalizowania zapisów elektrokardiograficznych zawdzięczamy Einthoven'owi. Przyjął on następujące założenia:
funkcję elektryczną serca można wyrazić w postaci dipola elektrycznego
dipol elektryczny serca znajduje się w geometrycznym środku tkanek o jednorodnych warunkach przewodzenia prądu
trzy punkty odpowiadające połączeniu obu kończyn górnych i lewej dolnej z tułowiem leżą w równych odległościach od serca i w równych odległościach od siebie.
Z tych trzech założeń wynikła koncepcja rzutowania wektora serca na osie założonych odprowadzeń - trójkąt Einthovena. Jest to bardzo hipotetyczne odwzorowanie rzeczywistości. Tak naprawdę tkanki ciała człowieka nie mają jednorodnych właściwości przewodzenia prądu elektrycznego, odległości pomiędzy miejscami przyczepu elektrod nie spełniają wyidealizowanego modelu trójkąta równobocznego, a dodatkowa aktywność innych mięsni zakłócała odbiór impulsów z powierzchni ciała pacjenta. Nowy układ przestrzenny uwzględniający te wszystkie niedogodności nosi nazwę trójkąta Burgera.
Podstawową jednostką wytwarzającą energię elektryczną w mięśniu sercowym jest komórka mięśnia sercowego. Różnica potencjałów pomiędzy dwoma odizolowanymi komórkami mięśnia sercowego objawia się jako siła elektromotoryczna, która ma określony kierunek, zwrot i wartość w przestrzeni, zatem może być traktowana jako wartość wektorowa. Włókno mięśnia sercowego w stanie spoczynku ma na powierzchni ładunek dodatni, a w pobudzeniu ładunek ujemny. Podczas pobudzenia włókna mięśniowego powstaje potencjał czynnościowy, który rozprzestrzenia się jak fala skurczu, przy czym ją nieco wyprzedza. W pierwszej kolejności pobudzane są przedsionki, a za nimi komory, co powoduje że w rożnych częściach serca powstaje różnica potencjałów. Wytworzone pole elektryczne w czynnym sercu rozprzestrzenia się we wszystkich kierunkach, od miejsca powstawania potencjałów do powierzchni ciała. Zmiany potencjału można rejestrować w obwodowych częściach organizmu przez umieszczanie elektrod. Przy standardowym badaniu EKG umieszcza się po jednej elektrodzie na każdej z kończyn pacjenta, oraz sześć elektrod na ścianie klatki piersiowej. Każda elektroda ma swój kolor i oznaczenie, umożliwiające przyłożenie jej w określonym miejscu i kolejności. Ważne jest dobre przyleganie elektrod. Gdy fala skurczu obejmuje mięsień sercowy, pobudzenie elektryczne rozprzestrzenia się w tkankach otaczających serce oraz na powierzchni ciała. Umieszczenie elektrod na powierzchni ciała po przeciwnych stronach serca umożliwia dokonanie zapisu elektrycznej aktywności serca.
Bodźce odpowiedzialne za skurcze powstają w samym sercu, w tzw. układzie przedsionkowo-komorowym działającym na podobnej zasadzie, jak funkcjonuje układ nerwowy, ale tworzące go włókna mają cechy tkanki mięśniowej i występują w:
węźle zatokowo-przedsionkowym
węźle przedsionkowo-komorowym
pęczku przedsionkowo-komorowym ( Hissa ) wraz z jego odgałęzieniami.
Zapis EKG
Składa się z określonych linii i załamków. Przyjęto umownie, że główne załamki zapisu elektrokardiograficznego nazywamy kolejno dużymi literami alfabetu P, Q, R, S, T. Każdy z nich odpowiada depolaryzacji, bądź też repolaryzacji określonego obszaru mięśnia sercowego.
W czasie spoczynku wewnątrz komórki jest dużo jonów potasu, a mało jonów sodu, zaś na zewnątrz komórki dużo jonów sodu, a mało potasu. W momencie gdy impuls elektryczny dotrze do komórki mięśnia sercowego dochodzi do jej depolaryzacji. Kanały jonowe otwierają się i wówczas jony sodu wnikają do komórki, a jony potasu uciekają na zewnątrz. Następnie zaczynają działać pompy sodowo - potasowe, które przywracają stan pierwotny czyli stan spoczynkowy miocytów poprzez wyrzucanie jonów sodu na zewnątrz i wprowadzanie jonów potasu do środka komórek, tj. repolaryzacja.
Załamek P jest graficznym odzwierciedleniem depolaryzacji roboczego mięśnia przedsionków. Repolaryzacja przedsionków zaczyna się w czasie trwania załamka S i kończy w początkowym obrębie odcinka ST.
W czasie depolaryzacji przedsionków napięcie dociera do węzła przedsionkowo - komorowego. Powstający odcinek PQ odpowiada fali pobudzenia przechodzącego przez węzeł przedsionkowo komorowy, pęczek Hissa i jego odnogi aż do końcowych włókien Purkiniego.
Włókna Purkiniego są ostatnim etapem szlaku bodźco - przewodzącego serca, z którego pobudzenie jest już odbierane przez robocze mięśnie komór sercowych. Impuls powodujący depolaryzację komór wywołuje bardzo charakterystyczny skok napięć, który objawia się
w zapisie EKG zespołem QRS.
Odcinek ST odpowiada okresowi powolnej repolaryzacji mięśnia komór, natomiast
załamek T obrazuje szybką repolaryzację mięśnia komór.
Podczas analizy krzywej EKG bierzemy pod uwagę:
załamki - kierunek oraz wielkość wychylenia linii izoelektrycznej w górę lub w dół, amplituda, czas trwania, częstotliwość, kształt
odcinki - czas trwania linii izoelektrycznej pomiędzy załamkami
odstępy - obejmujące łączny czas trwania załamków i odcinków.
Diagnostyka EKG
Elektrokardiografie wykorzystuje się w medycynie przede wszystkim w celu rozpoznawania chorób serca.
I tak mierząc odstępy między sąsiednimi pobudzeniami, możemy wyliczyć częstość rytmu i określić, czy jest ona prawidłowa, czy też mamy do czynienia z bradykardią (wolnym rytmem) lub tachykardią (przyspieszoną czynnością serca).
Na podstawie częstości rytmu i kształtu załamków różnicuje się częstoskurcze (nadkomorowy czy komorowy), co ma kapitalne znaczenie w wyborze odpowiedniego leczenia: czy należy stosować kardiowersję (przywrócenie prawidłowego rytmu prądem elektrycznym), czy farmakoterapię, a jeśli farmakoterapię, to jakie leki należy zaordynować.
Elektrokardiogram pozwala też diagnozować zaburzenia przewodzenia prądu w sercu, tzw. bloki, i czasami wystarcza do podjęcia decyzji o wszczepieniu układu stymulującego serce. Krzywa EKG zawiera ponadto wiele informacji o mięśniu serca. Można z niej wyczytać cechy przerostu mięśnia komór i ich przeciążenia spotykane w nadciśnieniu tętniczym (lewa komora) lub nadciśnieniu płucnym (przeciążenie prawej komory) oraz w wielu wadach zastawkowych serca i tzw. kardiomiopatiach (pierwotnych chorobach mięśnia serca).
Najważniejszą chyba jednak rolą badania EKG jest wykazywanie cech niedokrwienia mięśnia serca i cech zawału lub pozostałej po nim blizny.
Istnieją wprawdzie inne metody pozwalające na stwierdzenia niedokrwienia mięśnia serca, np. echokardiografia, badania izotopowe, cewnikowanie serca z badaniem koronarograficznym i wentrykulografią, żadna jednak nie jest tak łatwo dostępna
i stosunkowo niedroga, jak EKG. Co więcej, o niedokrwieniu serca wnioskuje się z nich przeważnie pośrednio, na podstawie zaburzeń kurczliwości mięśnia, EKG natomiast pokazuje zaburzenia ukrwienia bez pośrednictwa zjawisk mechanicznych, w tym samym momencie,
w którym te zaburzenia występują. U pacjenta, który cierpi na ból wieńcowy, EKG wykazuje niedokrwienie. U chorego, u którego tworzy się zawał, EKG to właśnie pokazuje. Elektrokardiogram pozwala określić, której ściany serca dotyczy niedokrwienie lub martwica i jak duży (w przybliżeniu) zajmuje ona obszar.
Badanie rozszerzone
Możliwości diagnostyczne elektrokardiografii rozszerzyły się dzięki wprowadzeniu prób prowokujących niedokrwienie mięśnia serca, z których najbardziej fizjologiczną jest test wysiłkowy (pacjent wykonuje proste ćwiczenia fizyczne, np. "jeździ" na rowerze treningowym określoną ilość minut). U pacjenta, który miewa bóle w klatce piersiowej, pod wpływem obciążenia wysiłkiem mogą pojawić się w EKG cechy niedokrwienia, nieobecne w zapisie spoczynkowym.
Bardzo cenną metodą diagnostyczną jest też wywodzące się ze zwykłej elektrokardiografii tzw. badanie holterowskie, polegające na 24-godzinnej rejestracji EKG. Jest ono nieocenione w wykrywaniu zaburzeń rytmu serca.
Zuzanna Trześniewska