Portál:Otázky z biofyziky (1. LF UK, VL)/69. Otázka

			69. Otázka
			Šíření akčního potenciálu myokardem, EKG svody
			Otázky z biofyziky (1. LF UK, VL)
			Předchozí • Další

Převodní systém srdeční

Převodní systém srdeční

Funkce

Buňky srdečního svalu (kardiomyocyty) lze na základě jejich funkce rozdělit do 2 skupin:

1. Buňky – mající schopnost autonomně vytvářet vzruchy a tyto vzruchy následně rozvádět po celém srdci. Takovéto buňky jsou souborně označovány jako převodní systém srdeční (PSS).
2. Buňky – jejichž primární funkcí je kontrakce. Schopnost tvorby vzruchů mají jen za patologických podmínek. Takovéto buňky jsou souborně označovány jako pracovní myokard.

Shrnutí:

• Buňky PSS generují a relativně rychle rozvádějí vzruchy v určitém pořadí po celém myokardu (dávají tak signál buňkám pracovního myokardu, aby se kontrahovaly).

• Buňky pracovního myokardu provedou vlastní kontrakci (stah) srdečního svalu.

Vlastnosti

Srdeční tlukot: autonomie, automacie, rytmicita.

PSS má 3 základní vlastnosti. Jsou to:

• Autonomie (nezávislost). V rámci organismu srdce disponuje určitým stupněm nezávislosti. Jednotlivé srdeční kontrakce vznikají v srdci samém (v PSS) nezávisle na CNS a humorálních mechanismech. Vegetativní nervový systém (sympatikus a parasympatikus) může regulovat pouze frekvenci srdečních stahů, nikoliv stahy samotné. Obecně platí, že:

• sympatikus cestou nervi cardiaci (noradrenalin, β-adrenergní receptory) srdeční frekvenci zvyšuje;
• parasympatikus cestou rami cardiaci nervi vagi (acetylcholin, muskarinové receptory) srdeční frekvenci snižuje.

• Automacie (samočinnost). Srdce je schopné samočinně vytvářet pravidelně se opakující podněty k vlastní kontrakci.
• Rytmicita (pravidelnost). Podněty ke kontrakci (vzruchy) srdce vytváří pravidelně tj. s určitou frekvencí.

Struktura

Převodní systém srdeční: 1 – SA uzel, 2 – AV uzel, 3 – Hisův svazek, 4 – levé Tawarovo raménko, 5 – fasciculus anterior, 6 – fasciculus posterior, 7 – dutina levé komory, 8 – interventrikulární septum, 9 – dutina pravé komory, 10 – pravé Tawarovo raménko

• SA uzel (sinoatriální uzel, nodus sinoatrialis)
• Internodální síňové spoje
• AV uzel (atrioventrikulární uzel, nodus atrioventricularis)
• Hisův svazek
• Tawarova raménka (levé a pravé)
• Purkyňova vlákna

SA uzel

SA uzel se nachází pod epikardem ve stěně pravé síně v blízkosti ústí venae cavae superioris. Je tzv. primárním pacemakerem (udavatelem rytmu) – za fyziologických podmínek vzruch vzniká v SA uzlu. To je dáno tím, že spontánní diastolická depolarizace probíhá v SA uzlu rychleji než např. v AV uzlu nebo ve specializovaných kardiomyocytech komor.

Internodální síňové spoje

Z SA uzlu se vzruch (vlna depolarizace) šíří na pracovní myokard síní. Do AV uzlu se vzruch dostává cestou tzv. preferenčních drah, kterými jsou:

• Bachmanova dráha – interatriální svazek jdoucí z pravé do levé síně;
• Wenckebachův svazek;
• Jamesův svazek;
• Thorelův svazek.

Preferenční dráhy vedou vzruch rychleji než „normální“ pracovní myokard síní.

AV uzel

AV uzel se nachází pod endokardem ve stěně pravé síně v blízkosti ústí sinus coronarius nad septálním cípem trikuspidální chlopně. AV uzel vede vzruch velmi pomalu, čímž dochází k žádoucímu zdržení atrioventrikulárního převodu (AV převodu, síňokomorového převodu) – nejdříve je třeba, aby se dokončila kontrakce (depolarizace) síní, a až následně byla zahájena kontrakce (depolarizace) komor. V případě poškození SA uzlu, AV uzel přebírá roli pacemakeru – označuje se také jako sekundární pacemaker. Jelikož spontánní diastolická depolarizace zde probíhá pomaleji, i srdeční frekvece mající původ v AV uzlu je pomalejší než frekvence pocházející z SA uzlu.

Rytmus pocházející z SA uzlu se označuje jako sinusový, z AV uzlu jako nodální.

Hisův svazek

Převodní systém srdeční (izolovaně)

Vazivový skelet mezi myokardem síní a myokardem komor působí jako bariéra, která vzruch ze síní na komory nepropustí. Vzruch se ze síní může dostat na komory pouze Hisovým svazkem, který navazuje na AV uzel. Hisův svazek prostupuje skrze vazivový skelet (skrze trigonum fibrosum dextrum) do interventrikulárního septa. AV uzel a horní část Hisova svazku se označují jako AV junkce (atrioventrikulární junkce, spojení mezi síněmi a komorami).

Tawarova raménka

V interventrikulárním septu se Hisův svazek dělí na dvě raménka: pravé a levé Tawarovo raménko. Pravé Tawarovo raménko povede vzruch k myokardu pravé komory. Levé Tawarovo raménko se dále větví na přední svazek (fasciculus anterior) a zadní svazek (fasciculus posterior). Levé Tawarovo raménko vede vzruch k interventrikulárnímu septu a myokardu levé komory.

Purkyňova vlákna

Tawarova raménka se následně větví na Purkyňova vlákna, která vzruch rozvádí na pracovní myokard komor.

Shrnutí:

SA uzel → internodální síňové spoje → AV uzel → Hisův svazek → Tawarova raménka → Purkyňova vlákna.

Cévní zásobení uzlů převodního systému

• SA uzel je v 60 % případů zásobován z větví a. coronariae dextrae (a. nodi sinuatrialis, a. principalis atrialis dextra).
• AV uzel je v 90 % případů zásobován z větví a. coronariae dextrae (a. nodi atrioventricularis, r. septi fibrosi, Haasova tepna).

Spontánní diastolická depolarizace

V buňkách sinoatrialního a atrioventrikulárního uzlu nenastává klidový membránový potenciál. Namísto něj každému akčnímu potenciálu předchází pozvolná změna membránového potenciálu směrem k prahové hodnotě. Tomuto ději se říká spontánní diastolická depolarizace a závisí na autonomním nervovém systému.

Podstatou děje jsou pohyby následujících iontů:

• Na⁺ intracelulárně
• Ca²⁺ intracelulárně
• snížený proud K⁺ extracelulárně

Na+ ionty prostupují do buňky skrz směšné kanály (angl. funny channels) a jsou z hlediska celkové depolarizace méně podstatné. Ca2+ ionty mají největší podíl na vzniku spontánní diastolické depolarizace. Skrz specifické kanály dochází k influxu Ca2+ do buňky. Influx vápenatých iontů způsobuje pozvolnou depolarizaci a následnou tvorbu akčního potenciálu. Posledním ze zmíněných dějů je snižování toku K+ ven z buňky. Tato postupná inaktivace hraje zásadní roli při vzniku spontánní diastolické depolarizace − za normálních okolností je proud K+ zodpovědný za udržování klidového membránového potenciálu.

Elektrokardiografie/Fyzika

Fyzikální veličina, kterou při EKG vyšetření snímáme, je elektrické napětí $U$ (někdy též $V$). Elektrické napětí je definováno jako rozdíl eleketrických potenciálů $\varphi$ mezi dvěma body, tedy:

$U=\Delta {\varphi }$

Jednotkou elektrického napětí je volt (v EKG milivolt).

Elektroda je kovový vodič v kontaktu s kůží, jehož potenciál snímáme. V EKG elektrody dělíme na aktivní (explorativní) a referenční (indiferentní).

Svod tvoří kombinace (dvojice) elektrod, ze kterých snímáme napětí. Alespoň jedna z nich musí být elektrodou aktivní. Jsou-li obě elektrody svodu aktivní, hovoříme o bipolárním svodu. Je-li jedna elektroda aktivní a druhá referenční, pak mluvíme o unipolárním svodu. Svod si můžeme představit jako citlivý voltmetr, nebo osciloskop. Zdůrazňujeme, že mluvit o napětí jednoho bodu nemá smysl (je nulové pro každý bod), proto i unipolární svody měří napětí mezi vícero elektrodami.

Standardní EKG obsahuje 10 elektrod. Čtyři jsou končetinové, jedna z nich je zemnící a neslouží ke snímaní. Šest elektrod je hrudních. Kombinací těchto elektrod je sestaveno 12 svodů, z toho šest končetinových a šest hrudních. Pro umístnění elektrod viz Elektrokardiografie#12svodové EKG.

Končetinové svody

Einthovenův trojuhelník - geometricky lze vidět platnost Einthovenova zákona, t.j. součet vektorů svodů I a III je roven vektoru svodu II

Končetinové svody využívají končetinových elektrod. Potenciály na těchto elektrodách označme $\varphi _{R},\varphi _{L},\varphi _{F}$ pro pravou horní, levou horní a levou dolní končetinu. Bipolární končetinové svody se standardně značí římskými číslicemi a jejich napětí lze pomocí potenciálů vyjádřit následovně:

$U_{I}=\varphi _{L}-\varphi _{R}$

$U_{II}=\varphi _{F}-\varphi _{R}$

$U_{III}=\varphi _{F}-\varphi _{L}$

Z uvedených definicí je okamžitě vidno, že jednotlivá napětí na končetinových svodech nejsou nezávislá, nýbrž platí tzv. Einthovenův zákon podle kterého:

$U_{II}=U_{I}+U_{III}$

Wilsonova svorka - referenční elektroda pro hrudní svody

Spojením všech tří končetinových elektrod přes stejné rezistory (5 k$\Omega$) vzniká tzv. Wilsonova svorka (viz obrázek níž). Potenciál na Wilsonově svorce $\varphi _{W}$ je aritmetickým průměrem potenciálů tří končetinových elektrod a je považován za konstantní.

$\varphi _{W}={\frac {\varphi _{R}+\varphi _{L}+\varphi _{F}}{3}}$

V současnosti se unipolární končetinové svody měří nikoliv vůči Wilsonově svorce, ale vůči zbylým dvěma elektrodám (po rozpojení měřené končetiny z Wilsonovy svorky). Dostáváme tedy další tři svody, které nazýváme Goldbergovy (pseudounipolární, zesílené, augmented):

$U_{aVR}=\varphi _{R}-{\frac {\varphi _{L}+\varphi _{F}}{2}}$

$U_{aVL}=\varphi _{L}-{\frac {\varphi _{R}+\varphi _{F}}{2}}$

$U_{aVF}=\varphi _{F}-{\frac {\varphi _{R}+\varphi _{L}}{2}}$

Tato napětí rovněž nejsou nezávislá. Platí:

$U_{aVR}+U_{aVL}+U_{aVF}=0$

Tyto úvahy lze posunout ješte dál. Ze všech šesti končetinových svodů jsou ve skutečnosti pouze dva unikátní. Stačí tedy znát napětí na dvou libovolných svodech a všechny zbylé končetinové svody (napětí) lze jednodznačně dopočítat.

Hrudní svody

Na hrudník umístňujeme v klasickém 12-svodovém EKG šest hrudních elektrod (potenciály značme $\varphi _{1}$ až $\varphi _{6}$). Hrudní svody jsou unipolární, referenční elektrodou je Wilsonova svorka. Pro napětí každého hrudního svodu (značíme $U_{1}$ až $U_{6}$) tedy platí:

$U_{1}=\varphi _{1}-\varphi _{W}$

$\vdots$

$U_{6}=\varphi _{6}-\varphi _{W}$

Dohromady tedy dostáváme dvanáct svodů. Končetinové svody (I, II, III, aVR, aVL, aVF) sledují změny potenciálu ve frontální rovině, hrudní svody (V₁ až V₆) v transversální rovině.

Vznik signálu

Napětím na svodech I, II, III odpovídají délky úseček AD, BE, CF. Každý svod v tomto okamžitu zaznamenává kladné napětí, nevyšší je ve svodu II.

Z těchto 12 svodů EKG dostáváme 12 záznamů napětí v čase. Výchylka (napětí) na EKG křivce závisí v každém čase na velikosti a směru elektrického dipólového momentu ${\vec {p}}$ srdce. Ten vzniká součtem mnoha elementárních dipólů na mikroskopické úrovni. Při dané velikosti $|{\vec {p}}|$ je elektrické napětí na svodu největší, když míří tento vektor podél spojnice elektrod daného svodu. Naopak elektrické napětí je nulové, když je elektrický dipólový moment kolmý na daný svod. Matematicky přesněji je napětí dané skalárním součinem:

$U={\vec {p}}\cdot {\vec {c}}=|{\vec {p}}||{\vec {c}}|\cos {\theta }$

Kde ${\vec {c}}$ je vektor daného svodu (lead vector) a $\theta$ je úhel mezi vektory ${\vec {p}}$ a ${\vec {c}}$. Připomeňme, že $\cos {0^{\circ }}=1$ ale $\cos {90^{\circ }}=0$ což odpovídá textu výše. Elektrický dipólový moment srdce ${\vec {p}}$ se mění rychle s časem. Výsledkem je, že u unipolárních svodů se šíření depolarizace směrem k elektrodě zaznamenává (podle dohody) jako pozitivní výchylka, naopak šíření depolarizace od elektrody jako negativní výchylka. Při repolarizaci to platí obráceně. U bipolárních svodů je znaménko výchylky dané polaritou svodu, v předešlé rovnici tedy vektorem ${\vec {c}}$ (viz. Einthovenův trojúhelník nebo definice přes napětí). Prohozením elektrod v jednom svodu se změní znaménko naměřeného napětí (stejně jako u voltmetru), EKG křivka tohoto svodu se tedy převrátí "vzhůru nohama".

Elektrická osa srdeční

Výpočet úhlu elektrické osy srdeční z dvou kolmých svodů

Elektrickou osou srdeční rozumíme úhel $\theta$ mezi elektrickým dipólovým momentem srdce ${\vec {p}}$ a horizonální osou (té odpovída svod I, tedy jeho vektor ${\vec {c_{I}}}$). Velikost i směr ${\vec {p}}$ se však mění s časem, tedy i $\theta$. Elektrická osa má tedy různé směry v různích fázech srdečného cyklu. Typicky se tato osa udává osa během depolarizace komor (na EKG je tedy QRS komplex).

Pokusíme se tento úhel spočítat pomocí napětí ze svodů I a aVF. Tato napětí si vyjadřime jako skalární součiny elektrického dipólového momentu s jednotlivými svodovými vektory, viz předešlý odstavec.

$U_{I}={\vec {p}}\cdot {\vec {c_{I}}}=|{\vec {p}}||{\vec {c_{I}}}|\cos {\theta }$

Úhel $\theta$ je naše neznámá. Napětí v aVF si rovněž vyjádřime jako skalární součin. Povšimněme si, že úhel mezi vektorem ${\vec {p}}$ a svodovým vektorem aVF je doplňek úhlu $\theta$. Z goniometrie víme, že sinus úhlu je cosinus jeho doplňku (do 90°), proto platí:

$U_{aVF}={\vec {p}}\cdot {\vec {c_{aVF}}}=|{\vec {p}}||{\vec {c_{aVF}}}|\sin {\theta }$

Podělme nyní druhou rovnici první.

${\frac {U_{aVF}}{U_{I}}}={\frac {|{\vec {p}}||{\vec {c_{aVF}}}|\sin {\theta }}{|{\vec {p}}||{\vec {c_{I}}}|\cos {\theta }}}={\frac {|{\vec {c_{aVF}}}|\sin {\theta }}{|{\vec {c_{I}}}|\cos {\theta }}}={\frac {|{\vec {c_{aVF}}}|}{|{\vec {c_{I}}}|}}\tan {\theta }$

V posledním kroku jsme využili faktu, že tangens je podíl sinu a cosinu. Velikost svodového vektoru aVF vůči svodovému vektoru I je jako výška vůči straně rovnostranného trojúhelníku. Z Pythagorovy věty je tedy rovna ${\sqrt {3}}/2$, je-li strana rovna 1. Využitím tohoto faktu a přeuspořádáním předešlé rovnice dostáváme výsledný vztah pro určení úhlu elektrické osy srdeční:

$\tan {\theta }={\frac {2\cdot U_{aVF}}{{\sqrt {3}}\cdot U_{I}}}$

Konkrétní řešení pro daný úhel závisí na kvadrantu, v kterém se osa pohybuje, proto vyjadřujeme úhel pouze implicitně.

Tohoto výpočtu využívá i Kalkulačka srdeční osy.