Электрокардиография — это метод графической регистрации разности потенциалов электрического поля сердца, возникающего при его деятельности. Регистрация производится при помощи аппарата — электрокардиографа. Он состоит из усилителя, позволяющего улавливать токи очень малого напряжения; гальванометра, измеряющего величину напряжения; системы питания; записывающего устройства; электродов и проводов, соединяющих пациента с аппаратом. Записываемая кривая называется электрокардиограммой (ЭКГ). Регистрация разности потенциалов электрического поля сердца с двух точек поверхности тела называют отведением. Как правило, ЭКГ записывают в двенадцати отведениях: трех — двухполюсных (три стандартных отведения) и девяти — однополюсных (три однополюсных усиленных отведения от конечностей и 6 однополюсных грудных отведений). При двухполюсных отведениях к электрокардиографу подключают по два электрода, при однополюсных отведениях один электрод (индифферентный) является объединенным, а второй (дифферентный, активный) помещается в выбранную точку тела. Если активный электрод помещают на конечность, отведение называют однополюсным, усиленным от конечности; если этот электрод помещен на грудь — однополюсным грудным отведением.
Для регистрации ЭКГ в стандартных отведениях (I, II и III) на конечности накладывают матерчатые салфетки, смоченные физиологическим раствором, на которые кладут металлические пластинки электродов. Один электрод с красным проводом и одним рельефным кольцом помещают на правое предплечье, второй — с желтым проводом и двумя рельефными кольцами — на левое предплечье и третий — с зеленым проводом и тремя рельефными кольцами — на левую голень. Для регистрации отведений к электрокардиографу по очереди подключают по два электрода. Для записи I отведения подключают электроды правой и левой рук, II отведения — электроды правой руки и левой ноги, III отведения — электроды левой руки и левой ноги. Переключение отведений производится поворотом ручки. Кроме стандартных, от конечностей снимают однополюсные усиленные отведения. Если активный электрод расположен на правой руке, отведение обозначают как aVR или уП, если на левой руке — aVL или уЛ, и если на левой ноге — aVF или уН.
Рис. 1. Расположение электродов при регистрации передних грудных отведений (указано цифрами соответствующими их порядковым 1 номерам). Вертикальные полосы, пересекающие цифры, соответствуют анатомическим линиям: 1 — правой грудинной; 2 — левой грудинной; 3 — левой окологрудинной; 4—левой среднеключичной; 5—левой передней подмышечной; 6 — левой средней подмышечной.
При регистрации однополюсных грудных отведений активный электрод помещают на грудной клетке. ЭКГ регистрируют в следующих шести позициях электрода: 1) у правого края грудины в IV межреберье; 2) у левого края грудины в IV межреберье; 3) по левой окологрудинной линии между IV и V межреберьями; 4) по среднеключичной линии в V межреберье; 5) по передней подмышечной линии в V межреберье и 6) по средней подмышечной линии в V межреберье (рис. 1). Однополюсные грудные отведения обозначают латинской буквой V или русскими — ГО. Реже регистрируют двухполюсные грудные отведения, при которых один электрод располагался на грудной клетке, а другой на правой руке или левой ноге. Если второй электрод располагался на правой руке, грудные отведения обозначали латинскими буквами CR или русскими — ГП; при расположении второго электрода на левой ноге грудные отведения обозначали латинскими буквами CF или русскими — ГН.
ЭКГ здоровых людей отличается вариабельностью. Она зависит от возраста, телосложения и др. Однако в норме на ней всегда можно различить определенные зубцы и интервалы, отражающие последовательность возбуждения сердечной мышцы (рис. 2). По имеющейся отметке времени (на фотобумаге расстояние между двумя вертикальными полосами равно 0,05 сек., на миллиметровой бумаге при скорости протяжки 50 мм/сек 1 мм равен 0,02 сек., при скорости 25 мм/сек — 0,04 сек.) можно рассчитать продолжительность зубцов и интервалов (сегментов) ЭКГ. Высоту зубцов сравнивают со стандартной отметкой (при подаче на прибор импульса напряжением 1 мв регистрируемая линия должна отклоняться от исходного положения на 1 см). Возбуждение миокарда начинается с предсердий, и на ЭКГ появляется предсердный зубец Р. В норме он небольшой: высотой — 1—2 мм и продолжительностью 0,08—0,1 сек. Расстояние от начала зубца Р до зубца Q (интервал Р—Q) соответствует времени распространения возбуждения от предсердий к желудочкам и равно 0,12—0,2 сек. Во время возбуждения желудочков записывается комплекс QRS, причем величина его зубцов в разных отведениях выражена различно: продолжительность комплекса QRS — 0,06— 0,1 сек. Расстояние от зубца S до начала зубца Т — сегмент S—T, в норме располагается на одном уровне с интервалом Р— Q и смещения его не должны превышать 1 мм. При угасании возбуждения в желудочках записывается зубец Т. Интервал от начала зубца Q до конца зубца Т отражает процесс возбуждения желудочков (электрическую систолу). Его продолжительность зависит от частоты сердечного ритма: при учащении ритма он укорачивается, при замедлении — удлиняется (в среднем он равен 0,24—0,55 сек.). Частоту сердечного ритма легко подсчитать по ЭКГ, зная сколько времени продолжается один сердечный цикл (расстояние между двумя зубцами R) и сколько таких циклов содержится в минуте. Интервал Т— Р соответствует диастоле сердца, аппарат в это время записывает прямую (так называемую изоэлектрическую) линию. Иногда после зубца Т регистрируется зубец U, происхождение которого не вполне ясно.
Рис. 2. Электрокардиограмма здорового человека.
В патологии величина зубцов, их продолжительность и направление, так же как и продолжительность и расположение интервалов (сегментов) ЭКГ, может значительно изменяться, что дает основание использовать электрокардиографию в диагностике многих заболеваний сердца. С помощью электрокардиографии диагностируются различные нарушения сердечного ритма (см. Аритмии сердца), на ЭКГ находят отражение воспалительные и дистрофические поражения миокарда. Особенно важную роль играет электрокардиография в диагностике коронарной недостаточности и инфаркта миокарда.
По ЭКГ можно определить не только наличие инфаркта, но и выяснить, какая стенка сердца поражена. В последние годы для изучения разности потенциалов электрического поля сердца используется метод телеэлектрокардиографии (радиоэлектрокардиографии), основанный на принципе беспроволочной передачи электрического поля сердца при помощи радиопередатчика. Этот метод позволяет зарегистрировать ЭКГ во время физической нагрузки, в движении (у спортсменов, летчиков, космонавтов).
Электрокардиография (греч. kardia — сердце, grapho — пишу, записываю) — метод регистрации электрических явлений, возникающих в сердце во время его сокращения.
История электрофизиологии, а следовательно, и электрокардиография начинается с опыта Гальвани (L. Galvani), обнаружившего в 1791 г. электрические явления в мышцах животных. Маттеуччи (С. Matteucci, 1843) установил наличие электрических явлений в вырезанном сердце. Дюбуа-Реймон (Е. Dubois-Reymond, 1848) доказал, что и нервах и мышцах возбужденная часть электроотрицательна по отношению к находящейся в покое. Келликер и Мюллер (A. Kolliker, Н. Muller, 1855), накладывая на сокращающееся сердце нервно-мышечный препарат лягушки, состоящий из седалищного нерва, соединенного с икроножной мышцей, получали при сокращении сердца двойное сокращение: одно в начале систолы и другое (непостоянное) в начале диастолы. Таким образом, была впервые зарегистрирована электродвижущая сила (ЭДС) обнаженного сердца. Зарегистрировать ЭДС сердца с поверхности человеческого тела впервые удалось Уоллеру (A. D. Waller, 1887) посредством капиллярного электрометра. Уоллер считал,что человеческое тело является проводником, окружающим источник ЭДС — сердце; различные точки человеческого тела имеют потенциалы различной величины (рис. 1). Однако полученная капиллярным электрометром запись ЭДС сердца неточно воспроизводила ее колебания.
Рис. 1. Схема распределения изопотенциальных линий на поверхности человеческого тела, обусловленных электродвижущей силой сердца. Цифрами обозначены величины потенциалов.
Точная запись ЭДС сердца с поверхности человеческого тела — электрокардиограмма (ЭКГ) — была произведена Эйнтховеном (W. Einthoven, 1903) посредством струнного гальванометра, построенного по принципу аппаратов для приема трансатлантических телеграмм.
Согласно современным представлениям клетки возбудимых тканей, в частности клетки миокарда, покрыты полупроницаемой оболочкой (мембраной), проницаемой для ионов калия и непроницаемой для анионов. Заряженные положительно ионы калия, находящиеся в избытке в клетках по сравнению с окружающей их средой, удерживаются на наружной поверхности мембраны отрицательно заряженными анионами, расположенными на внутренней ее поверхности, непроницаемой для них.
Таким образом, на оболочке живой клетки возникает двойной электрический слой — оболочка поляризована, причем наружная поверхность ее заряжена положительно по отношению к внутреннему содержимому, заряженному отрицательно.
Эта поперечная разность потенциалов является потенциалом покоя. Если к наружной и внутренней сторонам поляризованной мембраны приложить микроэлектроды, то в наружной цепи возникает ток. Запись получившейся разности потенциалов дает монофазную кривую. При возникновении возбуждения мембрана возбужденного участка утрачивает полунепроницаемость, деполяризуется и поверхность ее становится электроотрицательной. Регистрация двумя микроэлектродами потенциалов наружной и внутренней оболочки деполяризованной мембраны также дает монофазную кривую.
Вследствие разности потенциалов между поверхностью возбужденного деполяризованного участка и поверхностью поляризованного, находящегося в покое, возникает ток действия — потенциал действия. Когда возбуждение охватывает все мышечное волокно, поверхность его становится электроотрицательной. Прекращение возбуждения вызывает волну реполяризации, и восстанавливается потенциал покоя мышечного волокна (рис. 2).
Рис. 2. Схематическое изображение поляризации, деполяризации и реполяризации клетки.
Если клетка находится в состоянии покоя (1), то с обеих сторон клеточной мембраны отмечается электростатическое равновесие, состоящее в том, что поверхность клетки является электроположительной (+) по отношению к ее внутренней стороне (-).
Волна возбуждения (2) моментально нарушает это равновесие, и поверхность клетки становится электроотрицательной по отношению к ее внутренней стороне; такое явление называют деполяризацией или же, правильнее, инверсионной поляризацией. После того как возбуждение прошло по всему мышечному волокну, оно становится полностью деполяризированным (3); вся его поверхность обладает одинаковым отрицательным потенциалом. Такое новое равновесие не продолжается долго, так как после волны возбуждения следует волна реполяризации (4), которая восстанавливает поляризацию состояния покоя (5).
Процесс возбуждения в нормальном человеческом сердце — деполяризация — идет следующим образом. Возникающая в синусовом узле, расположенном в правом предсердии, волна возбуждения распространяется со скоростью 800—1000 мм в 1 сек. лучеобразно по мышечным пучкам сначала правого, а затем левого предсердия. Длительность охвата возбуждением обоих предсердий 0,08—0,11 сек.
Первые 0,02 — 0,03 сек. возбуждено только правое предсердие, затем 0,04 — 0,06 сек.— оба предсердия и последние 0,02 — 0,03 сек.— только левое предсердие.
По достижении атриовентрикулярного узла распространение возбуждения замедляется. Затем с большой и постепенно увеличивающейся скоростью (от 1400 до 4000 мм в 1 сек.) оно направляется по пучку Гиса, его ножкам, их ветвям и разветвлениям и достигает конечных окончаний проводниковой системы. Достигнув сократительного миокарда, возбуждение со значительно уменьшенной скоростью (300—400 мм в 1 сек.) распространяется по обоим желудочкам. Так как периферические разветвления проводниковой системы рассеяны преимущественно под эндокардом, раньше всего приходит в возбуждение внутренняя поверхность сердечной мышцы. Дальнейший ход возбуждения желудочков не связан с анатомическим расположением мышечных волокон, а направлен от внутренней поверхности сердца к наружной. Время возникновения возбуждения в мышечных пучках, расположенных на поверхности сердца (субэпикардиальные), определяется двумя факторами: временем возбуждения наиболее близко расположенных к этим пучкам разветвлений проводниковой системы и толщиной мышечного слоя, отделяющего субэпикардиальные мышечные пучки от периферических разветвлений проводниковой системы.
Раньше всего возбуждаются межжелудочковая перегородка и правая сосочковая мышца. В правом желудочке возбуждение сначала охватывает поверхность его центральной части, так как мышечная стенка в этом месте тонка и ее мышечные слои тесно соприкасаются с периферическими разветвлениями правой ножки проводниковой системы. В левом желудочке раньше всего приходит в возбуждение верхушка, так как стенка, отделяющая ее от периферических разветвлений левой ножки, тонка. Для различных точек поверхности правого и левого желудочков нормального сердца период возбуждения наступает в строго определенное время, причем раньше всего приходит в возбуждение большинство волокон на поверхности тонкостенного правого желудочка и лишь небольшое количество волокон на поверхности левого желудочка благодаря их близости к периферическим разветвлениям проводниковой системы (рис. 3).
Рис. 3. Схематическое изображение нормального возбуждения межжелудочковой перегородки и внешних стенок желудочков (по Соди-Пальяресу с сотр.). Возбуждение желудочков начинается на левой стороне перегородки в средней ее части (0,00— 0,01 сек.) и затем может достигнуть основания правой сосочковой мышцы (0,02 сек.). После этого возбуждаются субэндокардиальные мышечные слои наружной стенки левого (0,03 сек.) и правого (0,04 сек.) желудочков. Последними возбуждаются базальные части внешних стенок желудочков (0,05—0,09 сек.).
Процесс прекращения возбуждения мышечных волокон сердца — реполяризацию — нельзя считать полностью изученным. Процесс реполяризации предсердий совпадает большей частью с процессом деполяризации желудочков и отчасти с процессом их реполяризации.
Процесс реполяризации желудочков идет значительно медленнее и в несколько иной последовательности, чем процесс деполяризации. Объясняется это тем, что длительность возбуждения мышечных пучков поверхностных слоев миокарда меньше длительности возбуждения субэндокардиальных волокон и сосочковых мышц. Запись процесса деполяризации и реполяризации предсердий и желудочков с поверхности человеческого тела и дает характерную кривую — ЭКГ, отражающую электрическую систолу сердца.
Запись ЭДС сердца производится в настоящее время несколько иными методами, чем регистрировалась Эйнтховеном. Эйнтховен регистрировал ток, получающийся при соединении двух точек поверхности человеческого тела. Современные аппараты — электрокардиографы — регистрируют непосредственно напряжение, обусловленное электродвижущей силой сердца.
Напряжение, обусловленное сердцем, равное 1—2 мВ, усиливается радиолампами, полупроводниками или электроннолучевой трубкой до 3—6 В, в зависимости от усилителя и регистрирующего аппарата.
Чувствительность измерительной системы устанавливают таким образом, чтобы разность потенциалов в 1 мВ давала отклонение в 1 см. Запись производится на фотобумаге или фотопленке либо непосредственно на бумаге (чернильнопишущие, с тепловой записью, со струйной записью). Наиболее точные результаты дают запись на фотобумаге или фотопленке и струйная запись.
Для объяснения своеобразной формы ЭКГ были предложены различные теории ее генеза.
А. Ф. Самойлов рассматривал ЭКГ как результат взаимодействия двух монофазных кривых.
Учитывая, что при регистрации двумя микроэлектродами наружной и внутренней поверхности мембраны в состояниях покоя, возбуждения и повреждения получается монофазная кривая, М. Т. Удельнов считает, что монофазная кривая отражает основную форму биоэлектрической активности миокарда. Алгебраическая сумма двух монофазных кривых дает ЭКГ.
Патологические изменения ЭКГ обусловлены сдвигами монофазных кривых. Эта теория генеза ЭКГ носит название дифференциальной.
Наружную поверхность мембраны клетки в периоде возбуждения можно представить схематически как состоящую из двух полюсов: отрицательного и положительного.
Непосредственно перед волной возбуждения в любом месте ее распространения поверхность клетки является электроположительной (состояние поляризации в состоянии покоя), а непосредственно за волной возбуждения поверхность клетки является электроотрицательной (состояние деполяризации; рис. 4). Данные электрические заряды противоположных знаков, группирующиеся в пары с одной и другой стороны каждого места, охваченного волной возбуждения, образуют электрические диполи (а). Реполяризация также создает неисчислимое количество диполей, но, в отличие от вышеуказанных диполей, отрицательный полюс находится спереди, а положительный полюс — сзади по отношению к направлению распространения волны (б). Если деполяризация или реполяризация закончена, поверхность всех клеток обладает одинаковым потенциалом (отрицательным или положительным); диполи полностью отсутствуют (см. рис. 2, 3 и 5).
Рис. 4. Схематическое изображение электрических диполей при деполяризации (а) и реполяризации (б), возникающих с обеих сторон волны возбуждения и волны реполяризации в результате изменения электрического потенциала на поверхности волокон миокарда.
Рис. 5. Схема равностороннего треугольника по Эйнтховену, Фару и Варту.
Мышечное волокно является маленьким двухполюсным генератором, продуцирующим маленькую (элементарную) ЭДС — элементарный диполь.
В каждый момент систолы сердца происходит деполяризация и реполяризация огромного числа волокон миокарда, расположенных в различных частях сердца. Сумма образовавшихся элементарных диполей создает соответствующую величину ЭДС сердца в каждый момент систолы. Таким образом, сердце представляет как бы один суммарный диполь, изменяющий в течение сердечного цикла свою величину и направление, но не меняющий места расположения своего центра. Потенциал в различных точках поверхности человеческого тела имеет различную величину в зависимости от расположения суммарного диполя. Знак потенциала зависит от того, по какую сторону от линии, перпендикулярной к оси диполя и проведенной через его центр, расположена данная точка: на стороне положительного полюса потенциал имеет знак +, а на противоположной стороне — знак —.
Большую часть времени возбуждения сердца поверхность правой половины туловища, правой руки, головы и шеи имеет отрицательный потенциал, а поверхность левой половины туловища, обеих ног и левой руки — положительный (рис. 1). Таково схематическое объяснение генеза ЭКГ согласно теории диполя.
ЭДС сердца в течение электрической систолы меняет не только свою величину, но и направление; следовательно, она является векторной величиной. Вектор изображается отрезком прямой линии определенной длины, размер которой при определенных данных регистрирующего аппарата указывает на абсолютную величину вектора.
Стрелка на конце вектора указывает направление ЭДС сердца.
Возникшие одновременно векторы ЭДС отдельных волокон сердца суммируются по правилу сложения векторов.
Суммарный (интегральный) вектор двух векторов, расположенных параллельно и направленных в одну сторону, равняется по абсолютной величине сумме составляющих его векторов и направлен в ту же сторону.
Суммарный вектор двух векторов одинаковой величины, расположенных параллельно и направленных в противоположные стороны, равен 0. Суммарный вектор двух векторов, направленных друг к другу под углом, равняется диагонали параллелограмма, построенного из составляющих его векторов. Если оба вектора образуют острый угол, то их суммарный вектор направлен в сторону составляющих его векторов и больше любого из них. Если оба вектора образуют тупой угол и, следовательно, направлены в противоположные стороны, то их суммарный вектор направлен в сторону наибольшего вектора и короче его. Векторный анализ ЭКГ заключается в определении по зубцам ЭКГ пространственного направления и величины суммарной ЭДС сердца в любой момент его возбуждения.