Лекция 3.1 Электрокардиография Теоретические основы электрокардиографии (ЭКГ) Теоретические основы электрокардиографии базируются на так называемом треугольнике Эйнтховена, в центре которого расположено сердце (представляющее собой электрический диполь), а вершины треугольника образуют свободные верхние и нижние конечности. Рассмотрим данный аспект более подробно. Живые ткани являются источником электрических потенциалов. Регистрация биопотенциалов тканей и органов называется электрографией. ЭКГ - электрокардиография - регистрация биопотенциалов, возникающих в сердечной мышце при ее возбуждении. При изучении электрограмм решаются две задачи: –прямая - выяснение механизма возникновения электрограммы или расчет потенциала в области измерения по заданным характеристикам электрической модели органа; –обратная (диагностическая) - выявление состояния органа по характеру его электрограммы. Примерная характеристика регистрируемых при этом биопотенциалов указана в табл. 1. Таблица 1. Характеристики биопотенциалов Почти во всех существующих моделях электрическую активность органов и тканей сводят к действию определенной совокупности токовых электрических генераторов, находящихся в объемной электропроводящей среде. Для токовых генераторов выполняется правило суперпозиции электрических полей (1): (1) Потенциал поля генераторов равен алгебраической сумме потенциалов полей, создаваемых генераторами. Сердце человека - мощная мышца. При синхронном возбуждении множества волокон сердечной мышцы в среде, окружающей сердце, течет ток, который даже на поверхности тела создает разности потенциалов порядка нескольких мВ. Эта разность потенциалов регистрируется при записи электрокардиограммы. Моделировать электрическую активность сердца можно с использованием дипольного эквивалентного электрического генератора. Дипольное представление о сердце лежит в основе теории отведений Эйнтховена, согласно которой: сердце есть токовый диполь с дипольным моментом Рс, который поворачивается, изменяет свое положение и точку приложения за время сердечного цикла. По Эйнтховену, сердце располагается в центре равностороннего треугольника, вершинами которого являются: правая рука - левая рука - левая нога. Вершины треугольника равноудалены как друг от друга, так и от центра треугольника. Поэтому разности потенциалов, снятые между этими точками, суть проекции дипольного момента сердца на стороны этого треугольника. Пары точек, между которыми измеряются разности биопотенциалов, со времен Эйнтховена в физиологии принято называть «отведениями». Таким образом, теория Эйнтховена устанавливает связь между разностью биопотенциалов сердца и разностями потенциалов, регистрируемых в соответствующих отведениях. На рисунке 1 представлены три стандартных отведения. Отведение I (правая рука - левая рука), отведение II (правая рука - левая нога), отведение III (левая рука - левая нога). Им соответствуют разности потенциалов UI, UII, UIII. Направление вектора Рс определяет электрическую ось сердца. Линия электрической оси сердца при пересечении с направлением I-го отведения образует угол α. Величина этого угла определяет направление электрической оси сердца. Рис. 1. Схематическое изображение трех стандартных отведений ЭКГ Соотношения между разностью потенциалов на сторонах треугольника (отведениях) могут быть получены в соответствии с формулой (2) как соотношения проекций вектора Рс на стороны треугольника: (2) Так как электрический момент диполя - сердца - изменяется со временем, то в отведениях будут получены временные зависимости напряжения, которые и называют электрокардиограммами. Электрическое поле сердца на больших расстояниях от него подобно полю токового диполя; дипольный момент - интегральный электрический вектор сердца (суммарный электрический вектор возбужденных в данный момент клеток). Все ткани и органы, весь организм - однородная проводящая среда (с одинаковым удельным сопротивлением). Электрический вектор сердца изменяется по величине и направлению за время сердечного цикла, однако начало вектора остается неподвижным. Точки стандартных отведений образуют равносторонний треугольник (треугольник Эйнтховена), в центре которого находится сердце - токовый диполь. Проекции дипольного момента сердца - отведения Эйнтховена. В каждый данный момент деятельности сердца его дипольный электрический генератор создает вокруг электрическое поле, которое распространяется по проводящим тканям тела и создает потенциалы в его различных точках. Если представить, что основание сердца заряжено отрицательно (имеет отрицательный потенциал), а верхушка положительно, то распределение эквипотенциальных линий вокруг сердца (и силовых линий поля) при максимальном значении дипольного момента Рс будет таким, как на рис. 2. Потенциалы указаны в некоторых относительных единицах. Вследствие асимметричного положения сердца в грудной клетке его электрическое поле распространяется преимущественно в сторону правой руки и левой ноги, и наиболее высокая разность потенциалов может быть зафиксирована в том случае, если электроды разместить на правой руке и левой ноге. В таблице 2 приведены значения максимального дипольного момента сердца в сопоставлении с массой сердца и тела. Рис. 3.2 Распределение силовых (сплошные) и эквипотенциальных (прерывистые) линий на поверхности тела Таблица 2. Значения дипольного момента Рс Формирование нормальной электрокардиограммы Теоретический анализ электрокардиограмм сложен. Развитие кардиографии шло в основном эмпирическим путем. Катц указывал, что расшифровка электрокардиограмм производится на основе опыта, опирающегося лишь на самое элементарное понимание теории возникновения биопотенциалов. Данные ЭКГ обычно дополняют клиническую картину заболевания. На рисунке 3 представлена нормальная электрокардиограмма человека (обозначения зубцов были даны Эйнтховеном и представляют взятые подряд буквы латинского алфавита). Рис. 3. Электрокардиограмма здорового человека и ее спектр: Р деполяризация предсердия; QRS -деполяризация желудочков; Т - реполяризация; частота пульса 60 ударов в минуту (период сокращения - 1 с) Она представляет собой график изменения во времени разности потенциалов, снимаемой двумя электродами соответствующего отведения за цикл работы сердца. Горизонтальная ось является не только осью времени, но и осью нулевого потенциала. ЭКГ представляет собой кривую, состоящую из трех характерных зубцов, обозначающихся Р, QRS, T, разделенных интервалом нулевого потенциала. Высоты зубцов в различных отведениях обусловлены направлением электрической оси сердца, т.е. углом α (см. рис. 1). Электрокардиограмма, записанная при норме в стандартных отведениях, характеризуется тем, что ее зубцы в разных отведениях будут неодинаковы по амплитуде (рис. 4). Рис. 4. Нормальная ЭКГ в трех стандартных отведениях Зубцы ЭКГ будут наиболее высокими во II отведении и наиболее низкими в III отведении (при нормальном положении электрической оси). Сопоставляя кривые, зарегистрированные в трех отведениях, можно судить о характере изменения Рс за цикл работы сердца, на основании чего и составляется представление о состоянии нервномышечного аппарата сердца. Для анализа ЭКГ используют также ее гармонический спектр. Чтобы описать как будет выглядеть электрограмма при любых направлений движения волны де - и реполяризации надо помнить три правила: –Если вектор диполя направлен в сторону положительного электрода отведения, то на электрограмме мы получим положительный зубец. –Если вектор диполя направлен в сторону отрицательного электрода отведения, то на электрограмме получим отрицательный зубец. –Если вектор диполя расположен перпендикулярно оси отведения, то на электрограмме записывается изолиния (рис. 5). Рис. 5. Следует подчеркнуть, что основные закономерности формирования электрограммы одинокого мышечного волокна, остаются справедливыми и для формирования электрокардиограммы. В сердце одновременно происходит возбуждение многих участков миокарда, причем направление векторов деполяризации и реполяризации в этих участках может быть различным. Электрокардиограф записывает некоторую суммарную, результирующую электродвижущую силу сердца для данного момента возбуждения. –Теоретически можно представить себе три случая суммирования векторов и получения суммарного результирующего вектора: –Если два вектора источников тока направлены в одну сторону и параллельны друг другу, то результирующий вектор будет составлять сумму векторов и будет направление в ту же сторону. –Если два вектора источников тока направлены в противоположные стороны, то результирующий вектор равен их разности и ориентирован в сторону большего вектора. –Если два вектора источников тока направлены под углом друг к другу, то результирующий вектор равен по величине и направлению диагонали параллелограмма, сторонами которого являются два вектора. Формирование электрокардиограммы при распространении возбуждения сердцем показано на рис. 6. Рис. 6. Формирование электрокардиограммы при распространении возбуждения сердцем Реполяризация желудочков (зубец Т) показана на рис. 7. Рис. 7. Реполяризация желудочков (зубец Т) Далее рассмотрим принципы образования зубцов ЭКГ. Водителем ритма первого порядка в проводящей системе сердца выступают атипичные кардиомиоциты синоатриального узла, расположенного в устье впадения верхней и нижней полой вены в правое предсердие. Именно данный узел отвечает за генерацию правильного синусного ритма с частотой импульсов от 60 до 89 в минуту. Возникая в синоатриальном узле, электрическое возбуждение сначала охватывает правое предсердие (именно в данный момент формируется восходящая часть зубца Р на электрокардиограмме), а за тем по межпредсердным пучкам Бахмана, Венкенбаха и Тореля распространяется на левое предсердие (в данный момент формируется нисходящая часть зубца Р). После охвата возбуждением миокарда предсердий возникает систола предсердий, а электрический импульс направляется к миокарду желудочков по атрио-вентрикулярному пучку. В момент прохождения импульса от предсердий к желудочкам в атрио-вентрикулярном соединении происходит его физиологическая задержка, которая на электрокардиограмме отражается появлением изоэлектрического сегмента PQ (изменения ЭКГ, так или иначе связанные с задержкой проведения импульса в атриовентрикулярном соединении, будут носить названия атрио-вентрикулярной блокады). Данная задержка в прохождении импульса является крайне необходимой для нормального поступления очередной порции крови из предсердий в желудочки. После того, как электрический импульс прошел через предсердно-желудочковую перегородку, по проводящей системе он направляется к верхушке сердца. Именно с верхушки начинается возбуждение миокарда желудочков, формируя зубец Q на электрокардиограмме. Далее возбуждением охватываются стенки левого и правого желудочков, а также межжелудочковой перегородки, формируя на ЭКГ зубец R. В последнюю очередь возбуждением будет охвачена часть желудочков и межпредсердной перегородки, ближе к основанию сердца, формируя зубец S. После того как весь миокард желудочков охвачен возбуждением, изоэлектрическая линия или сегмент ST. на ЭКГ формируется В данный момент осуществляется электромеханическое сопряжение возбуждения с сокращением в кардиомиоцитах и протекают процессы реполяризации на мембране кардиомиоцитов, которые находят свое отражение в зубце Т на электрокардиограмме. Таким образом, формируется норма ЭКГ. Зная данные закономерности распространения возбуждения по проводящей системе сердца, несложно даже беглым взглядом определится с наличием грубых изменений на ленте ЭКГ. На рис. 8 показана нормальная электрокардиограмма, записанная в течение одного цикла возбуждения сердца. Рис. 7. Нормальная электрокардиограмма Физические факторы, определяющие особенности ЭКГ ЭКГ у разных людей и даже у одного и того же человека характеризуются большой вариабельностью. Это связано с индивидуальными анатомическими особенностями проводниковой системы сердца, различиями в соотношении мышечных масс анатомических фрагментов сердца, электропроводностью окружающих сердце тканей, индивидуальной реакцией нервной системы на воздействие внешних и внутренних факторов. Факторы, определяющие особенности ЭКГ у отдельного человека, следующие: –положение сердца в грудной клетке, –положение тела, –дыхание, –действие физических раздражителей, в первую очередь физических нагрузок. Положение сердца в грудной клетке оказывает существенное влияние на форму ЭКГ. При этом надо знать, что направление электрической оси сердца совпадает с анатомической осью сердца. Если угол α, характеризующий направление электрической оси сердца (рис. 1), имеет величину: – в пределах от 40 до 70°, то такое положение электрической оси сердца считается нормальным; в этих случаях ЭКГ будет иметь обычные соотношения зубцов в I, II, III стандартных отведениях; – близкую к 0°, т.е. электрическая ось сердца параллельна линии первого отведения, то такое положение электрической оси сердца обозначается как горизонтальное, и ЭКГ характеризуется высокими амплитудами зубцов в I отведении; – близкую к 90°, положение обозначается как вертикальное, зубцы ЭКГ будут наименьшими в I отведении. Как правило, положение анатомической и электрической осей сердца совпадают. Но в отдельных случаях может быть расхождение: рентгенограмма свидетельствует о нормальном положении сердца, а ЭКГ показывает отклонение электрической оси в ту или другую сторону. Такие расхождения являются диагностически значимыми (клинически это означает одностороннее поражение миокарда). Изменение положения тела всегда вызывает некоторые изменения положения сердца в грудной клетке. Это сопровождается изменением электропроводности окружающих сердце сред. ЭКГ у человека с вертикальным положением сердца будет отличаться от нормальной. Если ЭКГ не изменяет своей формы при перемещении тела, то этот факт тоже имеет диагностическое значение; характеристики зубцов изменяются при любом отклонении электрической оси. Дыхание Амплитуда и направленность зубцов ЭКГ изменяются при любом отклонении электрической оси, меняясь при вдохе и выдохе. При вдохе электрическая ось сердца отклоняется примерно на 15°, при глубоком вдохе это отклонение может достичь 30°. Нарушения или изменения дыхания (при тренировках, при реабилитационных упражнениях и гимнастике) могут быть диагностированы по изменению ЭКГ. Физическая нагрузка В медицине роль физических нагрузок чрезвычайно велика. Физическая нагрузка всегда вызывает существенное изменение в ЭКГ. У здоровых людей эти изменения состоят, главным образом, в учащении ритма, форма зубцов тоже изменяется в определенной закономерности. При функциональных пробах с физической нагрузкой могут иметь место такие изменения, которые явно указывают на патологические изменения в работе сердца (тахикардия, экстрасистолия, мерцательная аритмия и т.д.). Искажения при записи ЭКГ При записи ЭКГ всегда нужно иметь в виду, что существуют причины, которые могут исказить ее форму: неисправности в усилителе электрокардиографа; переменный ток городской сети может наводить э.д.с. вследствие электромагнитной индукции в рядом расположенных усилительных цепях и даже биологических объектах, нестабильность блока питания и т.д. Расшифровка искаженной ЭКГ приводит к постановке неправильного диагноза. Диагностическая значимость метода электрокардиографии, несомненно, велика. Совместно с другими методами оценки деятельности сердца (методы регистрации механических колебаний сердца, рентгеновский метод) он позволяет получать важную клиническую информацию о работе сердца. В последние годы в современной врачебно-диагностической практике стали использоваться компьютерные электрокардиографы со средствами автоматического анализа ЭКГ.
