7. Systém látkové výměny 7.1. Začínáme Systém látkové výměny zahrnuje všechny části živého organismu, které se podílejí na příjmu, přeměně, uchovávání a vylučování látek (živin) a energie. Energií zásobuje všechny podsystémy organismu (výstupní jednotky a řídicí a informační podsystém - ten naopak systém látkové výměny na všech organizačních úrovních řídí), včetně sebe sama. Skládá se ze vstupních a výstupních jednotek, které jsou přímo propojeny s vnějším prostředím, distribučních jednotek a jednotek, zajišťujících potřebné vazby a propojení. Vstupy a výstupy lidského organismu zajišťují především respirační, zažívací a vylučovací systém. Důležitou roli (respirační, vylučovací) zde hraje i kůže. Obr.7.1 Blokové schéma systému látkové výměny (podle [1]) Základní funkcí respiračního systému je tzv. zevní dýchání - výměna plynů mezi organismem a vnějším prostředím. (Na rozdíl od vnitřního dýchání, které spočívá v oxidaci živin, nutné pro přeměnu v nich akumulované chemické energie na teplo a mechanickou práci.) Kyslík z vnějšího prostředí se dostává dýchacími pohyby do plicních sklípků (jejich povrch je celkem přibližně 100 m ), odtud difúzí do krve a s tou kardiovaskulárním systémem až do vyživovaných buněk, resp. k jejich mitochondriím, kdy se opět uplatňuje difúze přes buněčnou membránu. Naopak, kysličník uhličitý vznikající na konci uvedeného řetězce je z těla vylučován opačným směrem. Zažívací (trávicí) systém, skládající se z gastrointestinálního traktu a žláz jako jsou játra a slinivka břišní, zajišťuje: příjem a posun potravy od vstupu k výstupu ze zažívacího traktu; rozklad (mechanické a chemické zpracování) stravy - trávení; vstřebávání rozložené potravy stěnou zažívacího traktu do tělesných tekutin; skladování potravy a tráveniny a tím vyrovnávání nárazového příjmu stravy; obranné činnosti vůči cizím organismům a látkám, které vstupují do organismu s potravou. Látky, které jsou buď organismu nepotřebné nebo dokonce škodlivé, je organismus schopen v různých fázích zpracování rozlišit a z těla vyloučit. Jsou to především: látky organismu nepotřebné, tj. organismem dále nepoužitelné metabolické zbytky; látky organismu potřebné a prospěšné, ale jejichž koncentrace je v daném okamžiku příliš vysoká; inertní nosiče vylučovaných látek; cizí látky organismu škodlivé (jedy, léky,...). Přesné řízení vylučování nežádoucích látek zajišťuje stabilitu složení vnitřního prostředí organismu (homeostázu) v situaci, kdy je řízení příjmu potravy jen velice orientační - subjektivní pocity, vyvolávající globální potřebu příjmu potravy či tekutin, neodpovídají přesným požadavkům na upravení (doplnění) koncentrace daných substancí. Vylučování může být primární funkcí určitého orgánu či systému organismu (ledviny) nebo pouze jeho druhotnou činností (trávicí ústrojí, respirační systém, kůže). Hlavní součásti distribučního podsystému jsou kardiovaskulární, lymfatický a cerebrospinální systém. Lymfatický systém je pomocný odvodný systém, jehož účelem je odvádět z intersticia (řídké vazivo tvořící základní kostru orgánů) do krve prostřednictvím lymfy (tekutina vznikající ve většině orgánů z tkáňového moku - mezibuněčné tekutiny, která bezprostředně zajišťuje buněčnou výživu - řec. lymfa - čistá voda) přebytečné tekutiny, bílkoviny, příp. další vysokomolekulární sloučeniny a částice, 97
které nemohly bezprostředně přejít do krve. Lymfatické cévy procházejí mízními uzlinami, kde jsou jednak z lymfy (mízy) zachycovány a likvidovány cizorodé látky, jednak je tam lymfa obohacována o bílé krvinky - obě aktivity jsou součástmi reakcí imunitního systému. Rovněž cerebrospinální (mozkomíšní) systém je pomocný cirkulační systém, v němž mozkomíšní mok (likvor - lat. liquor - tekutina), vznikající ve speciálních buňkách v mozkových komorách, je posléze vstřebáván do krve ve venózní části kardiovaskulárního systému. Cerebrospinální tekutina slouží jako ochrana vůči mechanickému působení na mozkovou tkáň (zamezuje běžnému kontaktu mezi měkkou mozkovou tkání a lebeční kostí, omezuje sílu působení na tkáň mozku při úderu do hlavy), vyrovnává objemové změny tkáně CNS, příp. jí prostupujících cév. Má samozřejmě i funkci distribuční, jeho složení se může měnit s různým postižením CNS. 7.. Kardiovaskulární systém 7..1. Obecně Kardiovaskulární systém (KVS) je základní distribuční systém, za jehož primární funkcí je považována doprava kyslíku a živin (glukóza, mastné kyseliny a aminokyseliny) ze vstupních orgánů těla (plíce, střeva) do buněk tělesných tkání a orgánů a odpadních látek (CO, produkty dusíkového metabolismu) produkovaných těmito částmi těla do výstupních orgánů (zejména plic a ledvin). Nositelem uvedených látek je krev. Tímto způsobem je z převážné části udržována rovnováha mezi příjmem a výdejem energie nejrůznějších struktur těla. Avšak transportní funkce KVS je ještě obecnější, do funkčních tkání jsou dopravovány látky nejen ze vstupních orgánů, ale i z tělních depozit (např. glukóza či tuky z jater), krví jsou dopravovány i hormony žláz s vnitřní sekrecí, jako informační média endokrinního systému. Celkový objem krve je cca 4,5-5,5 l, tj. zhruba 7% hmotnosti těla. Anatomicky i funkčně se KVS dělí na dvě části - část pohonnou (srdce) a část rozvodnou (cévní systém). Srdce je dutý sval, přibližně vejčitého tvaru a normální váze cca 300 g, umístěný v levé části hrudníku. Srdce se skládá z vazivového skeletu a svalové tkáně. Vazivový skelet vytváří v srdci příčnou a podélnou přepážku, takže vznikají čtyři dutiny - pravá a levá síň a pravá a levá komora. Kromě toho Obr.7. Schématický blokový diagram kardiovaskulárního systému jsou z vazivové tkáně vytvořeny čtyři chlopně, které fungují jako jednosměrné ventily ovládající tok krve srdcem a ze srdce ven. Základem srdeční svaloviny jsou příčně pruhovaná svalová vlákna navzájem souvisle pospojovaná (na rozdíl od kosterních svalů) šikmými spojkami, což způsobuje, že stah srdečního je koncentrický a srdeční dutiny při něm zmenšují svůj objem. Svalovina srdečních síní je relativně tenká, srdeční komory, které vypuzují krev ze srdce ven do cévního systému, mají svalovinu podstatně silnější (zejména levá komora). Srdce zajišťuje pohyb většiny tělesných tekutin a umožňuje jejich míšení. Tok krve, ovládaný činností srdce, je přizpůsobován činnosti celého organismu. Rytmické stahování srdečního svalu je řízeno autonomní nervovou soustavou. Cévní systém KVS je rozdělen na dvě části - velký (tělní, systémový, periferní) oběh a malý (plicní) oběh. Za součást tělního krevního oběhu lze považovat portální (jaterní) oběh. Levé srdce vypuzuje krev do tepenného řečiště (vysokotlaká část krevního oběhu), aortou, velkými tepnami, jejich větvemi, tepénkami až do kapilár, kde dochází k předávání dopravovaných živin do tkání, aniž krev opustí krevní řečiště. Kapilární část krevního řečiště je schopna zmenšit svůj průřez (tzv. vasokonstrikce) a tím způsobem regulovat periferní cévní odpor v jednotlivých částech těla a zprostředkovaně směřovat tok krve do různých oblastí dle potřeby organismu. Tepny nejen dopravují krev ze srdce na periférii (střední rychlost proudění dosahuje v klidu až 0 cm/s), ale díky své pružnosti mění pulzní charakter toku krve na tok plynulý - pružníková funkce. Po průtoku kapilárami je krev dopravována nízkotlakým žilním systémem (s rezervoárovou funkcí - obsahuje přibližně 80% celkového objemu 98
krve) žilkami, žílami, velkými žílami do duté žíly (vena cava) a pravého srdce. Odtud krev pokračuje plicními tepnami do plic, kde v plicních kapilárách dochází k difúzní výměně plynů mezi krví a alveolárním vzduchem. Dále se krev vrací plicními žilami do levého srdce. Srdce pracuje v opakujících se srdečních cyklech, které se dělí do dvou základních fází - systolické a diastolické. Během systoly (stažení, kontrakce - řec. systello - stahuji), je krev vypuzována z příslušné části srdce ven. Systola má dvě dílčí fáze - napínací a vypuzovací. V diastola (řec. diastello - roztahuji) je srdce v klidu, plní se krví. V klidu je doba diastoly delší než trvání systoly, se zvětšující se zátěží a tím zvyšováním srdeční frekvence se trvání diastoly zkracuje. Diastola má rovněž dvě dílčí fáze - relaxační a plnící. Hlavní veličiny, které popisují kvalitu činnosti KVS jsou systolický tepový objem, resp. minutový srdeční výdej, srdeční frekvence a tlak krve v jednotlivých fázích srdečního cyklu a místech KVS. Systolický objem je objem krve vypuzený z levé srdeční komory jedním srdečním stahem. normálního srdce je to přibližně 0,07 l. Srdeční frekvence je dána počtem srdečních stahů za časovou jednotku, zpravidla minutu, a minutový srdeční výdej je definován jako objem, který vypudí srdce za jednu minutu, tj. je určen součinem systolického objemu a srdeční frekvence. Normální hodnota minutového srdečního výdeje v klidu je přibližně 5 l krve. Pomocí krevního tlaku popisujeme především procesy v tepenné části velkého krevního oběhu. Hodnoty krevního tlaku během každého srdečního cyklu kolísají mezi dvěma krajními hodnotami - maximem, tzv. systolickým tlakem, měřeným v systole, a minimem, tzv. diastolickým tlakem. V klidovém stavu je v aortě normální systolický krevní tlak cca 10 mmhg, tj. 16 kpa, a diastolický tlak cca 80 mmhg, tj. 10,7 kpa. Na výstupu pravého srdce jsou obě tyto mezní hodnoty přibližně 5 mmhg (3,3 kpa) a 10 mmhg (1,3 kpa). Rozdíl obou krajních hodnot se nazývá tlaková amplituda. Je závislá na tepovém objemu a pružnosti tepen. Poslední užívanou tlakovou hodnotou je střední arteriální tlak, který lze určit střední hodnota z průběhu tlaku během úplného srdečního cyklu. Při konstantním minutovém výdeji je střední arteriální tlak úměrný celkovému perifernímu odporu (Ohmův zákon). Obr.7.3 Kardiovaskulární systém 7... Elektrické procesy na srdci Z elektrického hlediska lze srdce považovat ze generátor elektrických potenciálů umístěný v nehomogenním vodivém prostředí (hrudníku). Elektrický vzruch vzniká Obr.7.4 Šíření elektrického vzruchu svalovinou srdce 99
v sinoatriálním (SA) uzlu jako důsledek inervace sympatickým a parasympatickým nervovým systémem. SA uzel je shluk specializovaných buněk (tzv. buněk P), který se nachází v zadní části pravé srdeční síně (v blízkosti zaústění horní duté žíly do srdce), automaticky generuje akční potenciály s frekvencí závislou na stavu organismu, typicky 70-80 tepů/min. Vzniklé AP se šíří od buňky k buňce lokálními elektrickými proudy nejdříve svalovinou síní. Aby bylo dosaženo optimální synchronizace mechanických stahů jednotlivých buněk - jak z hlediska součinnosti srdečních síní s komorami, tak součinnosti levého a pravého srdce (resp. velkého a malého krevního oběhu) - jsou ve srdeční tkáni i jisté urychlující dráhy - internodální trakty, příp. interatriální dráha, která rychleji přivádí depolarizační vlnu do oblasti levé síně. Přes toto zrychlení je levá síň aktivována později než síň pravá. Odhadovaná rychlost síňové elektrické aktivace je 0,8 až 1,0 m/s. Další významný uzel v elektrickém převodním systému srdce je atrioventrikulární (AV) uzel. Ten je umístěn ve spodní části pravé síně. AV uzel významně zpomaluje šíření elektrického vzruchu srdcem, rychlost vedení je řádově cm/s. Krev v síních tak má po kontrakci síní více času na opuštění síní. ( umělých kardiostimulátorů schopných odděleného buzení jak srdečních síní, tak komor, je interval mezi oběma stimulačními impulsy přibližně 10 ms, což simuluje zpoždění zaváděné při normální činnosti srdce AV uzlem.) Takováto dvojitá stimulace umožňuje zvýšit objem srdečního výdeje oproti situaci, kdyby byly stimulovány jen srdeční komory. AV uzel je rovněž schopen automaticky vytvářet budící impulsy, jejich frekvence (tzv. nodální či junkční rytmus - kolem 40 tepů/min) je však podstatně nižší než frekvence stimulů z SA uzlu. Toto snížení garantuje, že za normálních okolností nedochází k prolínání obou rytmů, dojde-li ale k selhání SA rytmu, je náhradní nodální rytmus schopen zajistit uspokojivý tok krve tělem. AV uzel přechází ve vlákna atrioventrikulárního Hisova svazku, ve kterém je rychlost vedení vzruchu srdcem největší - cca 1,5 m/s. Dále vzruch rychle pokračuje mezikomorovou přepážkou třemi Tawarovými raménky (pravým, levým předním a levým zadním), které se dále větví až do terminálního systému Purkyňových vláken, přivádějících vzruch až ke svalovým vláknům srdce. Selže-li pacemakerová funkce obou dříve umístěných uzlů (SA a AV), je Hisova-Purkyňova převodní soustava posledním záchranným prvkem systému elektrického řízení srdce. Frekvence zde generovaných impulsů dosahuje přibližně 0 imp/s. Hrot srdeční a levá zadní stěna se aktivují obvykle později. Přechod vzruchu z Hisova svazku až na hrot trvá 0,013 s a na vnitřní stranu báze levé komory 0,053 s. Nakonec se aktivuje vnější povrch bází komor, 0,055 s vpravo a 0,065 s vlevo. Hisův svazek představuje jediné řádně vodivé spojení mezi srdečními síněmi a komorami. Pokud se toto spojení přeruší, např. vlivem patologických změn, rytmus síní a komor se disociuje, tj. obě tyto části začnou pracovat nezávisle na sobě. Síť Purkyňových vláken je silně asymetrická, protože slouží dvěma rozdílným komorám. Stěna levé komory, pumpující krev do velkého krevního oběhu, je v normálním případě asi třikrát tlustší než stěna pravé komory. Velikost svalových buněk je na obou stranách stejná, levá komora má tedy výrazně větší počet svalových buněk a potřebuje tak i větší počet budicích vláken. 7..3. Mechanické procesy na srdci Základní popis mechanické činnosti srdce Z biomechanického hlediska lze srdce považovat za elektricky řízenou pumpu transportující krev do všech míst organismu, kam je potřeba. Všechny procesy (elektrické, mechanické, biochemické, akustické,...), které dohromady representují jeden srdeční cyklus, lze jak již bylo dříve řečeno rozdělit do dvou základních fází - systoly a diastoly. Jakmile se otevřou chlopně mezi předsíněmi a komorami, začíná časná diastola - stadium rychlého plnění srdečních komor. Krev proudí do komor, pokud je krevní tlak v předsíních vyšší než tlak v komorách. Jak se v komorách zvětšuje objem krve, roste zde i krevní tlak a tok krve se zpomaluje, až se s vyrovnáním tlaku mitrální a trojcípá chlopeň uzavírá. Tok krve do komor je podmíněn především dynamikou mechanického uspořádání srdce, aktivní systola síní podmíněná elektrickým podrážděním přispívá k plnění komor jen asi z 15%. Následuje kontrakce srdečního svalu. Ve chvíli, kdy jsou všechny chlopně uzavřené, je svalová kontrakce izovolumická (objem komory se nemění). Tlak v komorách rychle narůstá a sotva dosáhne tlaku krve v aortě, nebo plicnici, otevřou se poloměsíčité chlopně na výstupu ze srdečních komor a krev je hnána ze srdce ven. Během časné systoly, tj. časového intervalu, kdy je krev prudce vypuzována ze srdce, opustí srdce asi 50% systolického objemu krve. Krev proudí ze srdce, pokud je tlak krve v komorách větší než tlak v aortě a plicnici. Jakmile ale tlak krve v těchto cévách dosáhne hodnoty vyšší než je tlak uvnitř srdce, chlopně se zavírají a opět 100
začíná diastola svou izometrickou relaxační fází. Během relaxace srdečních svalových vláken padá hodnota tlaku v komorách pod hodnotu předsíňového tlaku (předsíně se mezitím naplnily krví vlivem snížení přepážky mezi síněmi a komorami během vypuzovací fáze), mitrální a trojcípá chlopeň se otevírá a cyklus se opakuje. V celém srdečním cyklu se tlak v levé srdeční komoře pohybuje v rozsahu od 1 do 16 kpa, v pravé komoře od 0 do 3 kpa. Pracovní diagram levé srdeční komory Diagram (obr.7.5) vyjadřující vztah mezi objemem srdeční komory a komorovým tlakem je základním prostředkem umožňujícím popsat fyzikální podstatu dějů probíhajících v srdci během srdečního cyklu. V tomto pracovním diagramu jsou různé význačné stavy srdce popsány několika následujícími křivkami: křivka klidového tlaku (předpětí) - definuje velikost tlaku v komoře vyvolaného pasivně, pouze různou velikostí komorové náplně (bez aktivní svalové činnosti); křivka izovolumických maxim - udává maximální dosažené hodnoty komorového tlaku při různých, konstantních objemech (náplních) srdeční komory; křivka izotonických maxim - udává nejmenší hodnoty objemu srdeční komory, při které lze udržet danou konstantní hodnotu komorového tlaku při izotonickém vypuzování krve z komory; křivka podpůrných maxim ( křívka) - téměř lineární spojnice hodnoty maximálního tlaku při objemu komory na konci diastoly (telediastolický objem - TDV) a hodnoty izotonického maxima odpovídající komorovému tlaku na konci diastoly. Hodnoty komorového objemu a tlaku ležící na této křivce odpovídají stavu po reálném srdečním stahu (tzv. podpůrný stah), který se skládá z izovolumického sevření následovaného auxotonickou vypuzovací fází, reprezentovanou zmenšováním objemu současně s dalším nárůstem tlaku. Stavové hodnoty komorového objemu a tlaku během jednoho srdečního cyklu (srdeční revoluce) tvoří uzavřenou křivku spojující v diagramu body A-D-S-K-V. Popis činnosti srdce začněme na konci diastoly v bodu A. V tomto okamžiku obsahuje srdce maximální množství krve (telediastolický objem), stěny srdečních komor jsou napnuty jenom v důsledku pasivních sil vyvolaných krevní náplní a elektrické podráždění právě dosáhne komorových stěn, které se začnou rychle stahovat. Tlak prudce vzrůstá při konstantním objemu, protože obě chlopně jsou uzavřené. Jakmile se tlak v komoře a aortě vyrovná (bod D), aortální chlopeň se otevírá a krev je vytlačována z komory. Komorový objem krve se začíná zmenšovat, tlak však stále roste díky nedokončené mechanické odezvě srdce na elektrické dráždění, až do bodu S. Od této chvíle se komorový objem již téměř nemění a zůstává na hodnotě systolického reziduálního objemu (SRV), tlak však v důsledku uvolnění komorových stěn poklesne nejdříve k bodu K, kdy dojde k uzavření aortální chlopně a poté dále do bodu V na začátku Obr.7.5 Pracovní diagram levé srdeční komory diastoly. Nyní obsahuje srdeční komora minimum krve a současně jsou její stěny maximálně uvolněné, komorový tlak je dán pouze pasivní tenzí, vyvolanou náplní komory. Protože tento tlak je nižší než 101
tlak v předsíni, otevírá se mitrální chlopeň a do uvolněné komory začne proudit krev. Objem se významně zvětšuje, avšak tlak roste je nepatrně a tak se srdce dostává zpět do stavu reprezentovaného bodem A. Práci vykonanou srdcem během jednoho cyklu je dána součtem prací vykonaných během systoly a během diastoly. Systolická práce srdeční komory, jejíž největší část je vykonána aktivní kontrakcí komorových stěn, je určena plochou vymezenou výše popsanou uzavřenou křivkou. V klidu je systolická práce vykonaná levou komorou během jednoho srdečního cyklu rovna zhruba 0,8 J a celková systolická práce srdce asi 1,1 J. Této hodnotě by samozřejmě odpovídal i výkon srdečních komor při frekvenci 60 tepů/min. Energie, která je dána pasivním napětím srdečních svalových vláken a která přispívá k celkové práci srdce, je srdci dodávána během diastoly činností srdečních síní, dýchacích svalů, příp. kosterních svalů (žilní návrat). Diastolické práci odpovídá vyšrafovaná plocha pod křivkou klidového předpětí. Mechanismy autonomního řízení systolického objemu Pracovní diagram činnosti srdeční komory může posloužit i pro vysvětlení základního autonomního mechanismu - tzv. Frankova-Starlingova mechanismu, který se uplatňuje při řízení srdeční funkce při změnách některých parametrů kardiovaskulárního systému - náplně komor (angl. preload), tlaku v aortě (angl. afterload), příp. stažlivosti (kontraktility) srdečního svalu. Zvětší-li se množství krve vtékající do komory (obr.7.6a), posune se adekvátně i bod A na křivce klidového předpětí, který reprezentuje konec diastolického plnění, resp. začátek izovolumické napínací fáze. Tomuto posunu odpovídají i jiné hodnoty na křivkách izovolumických a izotonických maxim, tím i jiná -křivka podpůrných maxim. V důsledku tohoto posunu se zvýší systolický tepový objem i reziduální systolický objem. Zvětšením systolického objemu se zvýší i množství srdcem vykonané práce - srdce se více namáhá. Při zvětšení aortálního tlaku (obr.7.6b) (např. nárůstem periferního odporu, snížením pružnosti tepen, atd.) se aortální chlopeň otevírá při vyšší hodnotě komorového tlaku. Tomu odpovídá přechodné snížení systolického objemu a zprostředkovaně zvýšení reziduálního systolického objemu. Zůstane-li zachováno množství přitékající krve - náplň, má zvýšení reziduálního objemu za následek zvýšení celkového telodiastolického objemu. Po ustálení přechodného děje je systolický objem přibližně týž jako na začátku, ale díky zvýšení reziduálního objemu je srdeční cyklus posun k vyšším objemovým hodnotám a z toho opět vyplývá zvýšení práce vykonávané srdcem. Zvýšená kontraktilita srdečního svalu (obr.7.6c) má za následek posun křivky izovolumických maxim a tím i změnu pozice křivky podpůrných maxim. Takováto změna poměrů má za následek snížení reziduálního a zvýšení systolického objemu, tím zvýšení aortálního tlaku a opět zvýšení srdeční práce. a) b) c) Obr.7.6 Frankův-Starlingův mechanismus - a) při zvýšené náplni; b) při zvýšení tlaku v aortě; c) při zvýšení kontraktility 10
7..4. Měření kvality elektrických procesů na srdci - elektrokardiografie Obecně úvodem Postup elektrického vzruchu srdeční tkání způsobuje, že se v jednotlivých okamžicích nachází na nepravidelných plochách v hmotě srdečního svalu rozhraní mezi podrážděnou a klidovou tkání. Na těchto plochách je v daném čase napěťový rozdíl rovný přibližně 110 mv. Tato pohybující se nespojitost napětí je zdrojem časově proměnného elektromagnetického pole v okolním prostoru. Hodnoty elektrických potenciálů, snímané v daném okamžiku na daném místě, charakterizují vlastnosti elektrické složky srdcem vytvořeného elektromagnetického pole. Grafický záznam časové závislosti rozdílů elektrických potenciálů, snímaných z elektrod rozmístěných zpravidla na povrchu těla nazýváme elektrokardiogram (EKG). Elektrokardiogram tedy poskytuje údaje pouze a jen o elektrických procesech, které probíhají v srdci, nikoliv o mechanické činnosti srdce. Na druhé straně, změní-li se vlastnosti buňky, projeví se tato změna zpravidla jak v jejich mechanické, tak i v elektrické funkci. Abychom získali co nejkvalitnější informaci o charakteru elektrokardiografického pole je potřeba definovat vhodný způsob rozmístění snímacích elektrod, příp. předpis pro výpočet jednotlivých elektrokardiografických signálů- tzv. elektrokardiografický svodový systém. Elektrokardiografické svodové systémy V případě humánní elektrokardiografie jsou definovány dva typy svodových systémů - standardní 1 svodový systém a ortogonální svodové systémy. Standardní 1 svodový systém používá signály snímané ze čtyř končetinových (R, L, F a N) a šesti hrudních (V1, V, V3, V4, V5, V6) elektrod. Z těchto signálů vytváří tři bipolární končetinové svody I, II a III, tři unipolární končetinové svody avr, avl a avf a šest unipolárních hrudních svodů V1, V, V3, V4, V5 a V6. Obr.7.7 Einthovenův trojúhelník Končetinové elektrody jsou umístěny na obou horních končetinách (R,L) a levé noze (F). Pravá noha (N) je uzemněna, tj.připojena na přibližně nulový potenciál kostry přístrojů. Celý prostor okolo srdce jako generátoru elektrického pole je velice nehomogenní - vlastní myokard má měrnou vodivost asi 180 ms/m, krev uvnitř srdce více než 650 ms/m, plíce, vyplňující velkou část hrudníku kolem 50 ms/m. Měrná vodivost kosterních svalů závisí na směru měření - hodnota příčné vodivosti je cca 45 ms/m (tj. dokonce o něco méně než plíce), podélná vodivost je však průměrně 360 ms/m. Je-li vodivost končetin přibližně 8krát větší než vodivost plic, můžeme považovat končetiny za vodiče v podstatě se stejným potenciálem - v případě paží je to přibližně potenciál ramen a potenciál levé nohy představuje průměrný potenciál bránice. V ideálních, homogenních podmínkách bychom mohli uspořádání končetinových svodů popsat rovnostranným Einthovenovým trojúhelníkem s dipólem coby zdrojem elektrického pole umístěným ve středu trojúhelníka. Je-li m f průmět momentu tohoto dipólu do frontální roviny, pak můžeme pro potenciály v jednotlivých elektrodových pozicích psát L R F jωmf = 4πσr cos Θ; jωmf = 4πσr cos( Θ + 10) ; jωmf = 4πσr cos( Θ + 40). (7.1) 103
Bipolární končetinové svody I, II a III jsou definovány jako rozdíly I = L R ; II = F R ; III = F L. (7.) nipolární končetinové svody jsou definovány rozdílem potenciálu v místě elektrody a průměrného potenciálu uprostřed Einthovenova trojúhelníka, v místě tzv. Wilsonovy svorky. Protože v ideálním případě pro rovnostranný trojúhelník je W = ( L + R + F )/3 = 0 (7.3) jsou napětí unipolárních končetinových svodů VR, VL a VF rovna potenciálům L, R a F. Větší hodnoty napětí dostaneme tak, že hodnoty potenciálů ve vrcholech Einthovenova trojúhelníka nevztáhneme k Wilsonově svorce, nýbrž průměrnému potenciálu protilehlé strany. Tato napětí označujeme jako napětí Goldbergerových zesílených (zvětšených) svodů. Platí pro ně avr avl avf = R = L = F L R L + + + F F R = 15, ; VR = 15, ; VL = 15,. Skutečné uspořádání končetinových svodů je ale poněkud méně ideální. Jednotlivé elektrody nejsou stejně vzdáleny od srdce a Einthovenův trojúhelník není rovnostranný. Navíc kontakt mezi končetinami a hrudníkem není bodový ale plošný a poloha srdce se mění v závislosti na dýchání. nipolární hrudní svody V1, V,..., V6 představují napětí mezi elektrodami umístěnými na hrudníku podle následujícího předpisu vůči napětí Wilsonovy svorky: V1 - IV. mezižebří vpravo od sterna; V - IV. mezižebří vlevo od sterna; V3 - uprostřed mezi V a V4; V4 - V. mezižebří v medioklavikulární čáře (clavicula - kost klíční); V5 - v přední axilární (podpažní) čáře horizontálně na úrovni V4; V6 - ve střední axilární čáře horizontálně na úrovni V4. Ve speciálních případech může být množina hrudních svodů doplněna: polykatelnou jícnovou elektrodou (tj. umístěnou za srdcem); přídavnými elektrodami umístěnými v levé části zad (V7,..., V9); přídavnými elektrodami umístěnými v pravé přední polovině hrudníku (V r3,..., V r6 ). nipolární hrudní svody byly zavedeny do standardního svodového systému, aby bylo možné sledovat změny charakteru elektrického pole v místech co nejbližších srdci. Ortogonální svodové systémy vytvářejí obraz elektrokardiografického pole pomocí signálů definovaných v třídimenzionální pravoúhlé souřadnicové soustavě. Napětí měřená na osách ortogonálního souřadnicového systému proti nulové svorce můžeme vyjádřit vztahy x y z jωm = cos υ x = mf. x; 4πσx jωm = cos υ y = mf. y; 4πσy jωm = cos υ z = mf. z, 4πσz VF (7.4) Obr.7.8 místění snímacích elektrod hrudních unipolárních svodů (7.5) 104
kde jednotlivé kosiny mají význam směrových kosinů vektoru momentu m a jednotlivé svodové vektory f i, i = x,y,z, se liší jen velikostmi souřadnic x, y a z. Kdyby byly tyto souřadnice stejné, změřená napětí by byla úměrná jen průmětům momentu náhradního dipólu do směrů souřadnicových os. Tvar hrudníku však takovou volbu pozic elektrod vylučuje. Bylo by ale možné naměřená napětí korigovat přepočtem na stejnou vzdálenost podle vztahů i ( i) r = i, i= x, y, z. (7.6) 0 r 0 Dalším problémem konstrukce ortogonálního svodového systému je malá vzdálenost snímacích elektrod od generátoru elektrického pole a tím vliv pohybu zdroje v hrudníku. Tento nedostatek je možné řešit zvyšováním účinné plochy elektrod, např. vytvářením jednoho svodu váhovaným zprůměrněním signálů snímaných z multielektrodového pole. Příkladem takových řešení jsou ortogonální svodové systémy McFee, SVEC III, příp. nejvíce rozšířený ortogonální svodový systém v humánní elektrokardiografii - Frankův (obr.7.9). b) a) Obr.7.9 Ortogonální svodové systémy - a) Frankův systém; b) axiální systém McFee; c) systém SVESIII Na rozdíl od signálů standardního svodového systému, které je zvykem zobrazovat v časové doméně, je běžné vyjadřovat informaci obsaženou v ortogonálních signálech prostorově ve třech navzájem kolmých anatomických popisných rovinách - frontální, sagitální a transverzální (horizontální) (viz též obr.6.7). Průměty okamžitých vektorů elektrokardiografického napětí pak mají charakter uzavřených vektorkardiografických smyček. c) a) b) c) Obr.7.10 Příklad vektorkardiografických smyček v rovině - a) frontální; b) transverzální; c) sagitální 105
Průběh elektrokardiografického signálu Průběh elektrokardiografického signálu odpovídající standardnímu průchodu elektrického vzruchu srdečním svalem se skládá z posloupnosti vlny P, kmitů Q, R, S a vlny T, příp. vlny. Vlna P je obrazem šíření vzruchu z SA uzlu stěnou síní (depolarizace tkáně). Normální doba trvání vlny P je přibližně 80-10 ms, její výška je 0,1 až 0, mv. Tvar závisí stavu srdce a místě, odkud je signál snímán. Repolarizační část síňového komplexu je v normálním EKG signálu nezřetelná - malá výchylka, vyskytující se zpravidla v čase komplexu QRS. Po vlně P se vyskytuje úsek PQ bez elektrické aktivity (při automatické analýze signálu EKG reprezentuje úroveň tohoto úseku referenční hladinu pro měření všech výchylek v signálu) a dále následuje většinou malý kmit Q, vysoká pozitivní vlna R a opět záporný kmit S. Komorový komplex QRS reprezentuje depolarizační fázi komorové tkáně, navazující interval ST a vlna T repolarizaci komor. Tvar, trvání a velikost výchylky kmitů komplexu QRS opět závisí na stavu srdce a místě snímání signálu. Normální doba trvání celého komplexu je do 10 ms, velikost výchylek je řádově až v jednotkách mv. Doba trvání oblé vlny T je kolem 150 ms, její výška je většinou ve stovkách µv, v některých případech (např. u vagotoniků v unipolárních hrudních svodech) může dosáhnout nad 1 mv. Významné změny tvaru segmentu ST a vlny T souvisí především s infarktem myokardu. Obr.7.11 Tvar elektrokardiografického signálu Existence vlny není dosud zcela objasněna. Vyskytuje se v ne více než 50% záznamů, nejčastěji v unipolárních hrudních svodech. Trvá od 160 do 50 ms, její výška nepřekračuje 50 µv. Vyskytuje se zejména u vegetativně slabších jedinců, po zvýšené tělesné námaze, ale i při nízké frekvenci srdeční činnosti. 106