La genesi del segnale elettrocardiografico secondo la teoria vettoriale Parte seconda a cura di Aldo Ferraresi . animazioni interattive di Antonio Schettini

Le derivazioni standard di Einthoven Le prime vere registrazioni elettrocardiografiche furono effettuate all’inizio del XX secolo dal fisiologo olandese Willem Einthoven, che per questo motivo vinse il premio Nobel nel 1924. Non riuscendo ad ottenere risultati soddisfacenti con gli strumenti allora disponibili, egli sviluppò un nuovo tipo di galvanometro, estremamente sensibile e a bassa inerzia, in grado di riportare su carta fotografica un fedele segnale dell’attività elettrica cardiaca. Einthoven registrò le differenze di potenziale tra coppie di elettrodi applicati agli arti. Per questo motivo tali derivazioni, usate tuttora, vengono definite “derivazioni bipolari dagli arti” o “derivazioni standard di Einthoven”. Vediamo ora in dettaglio quali sono queste derivazioni e, in particolare, come sono disposti gli elettrodi.

Prima derivazione (DI) L’elettrodo di riferimento è applicato al braccio destro (click), mentre l’elettrodo esplorante (click) è applicato al braccio sinistro. L’asse di registrazione relativo a questa coppia di elettrodi (click) sarà disposto orizzontalmente, con il verso positivo dalla parte del braccio sinistro. Questa coppia di elettrodi sarà in grado di “vedere” soltanto gli eventi elettrici che si proiettano su tale asse di registrazione.

Seconda derivazione (DII) L’elettrodo di riferimento è applicato al braccio destro (click), mentre l’elettrodo esplorante (click) è applicato alla gamba sinistra. L’asse di registrazione relativo a questa coppia di elettrodi (click) sarà inclinato dall’alto verso il basso e da destra verso sinistra (relativamente al soggetto), con il verso positivo dalla parte della gamba sinistra. Questa coppia di elettrodi sarà in grado di “vedere” soltanto gli eventi elettrici che si proiettano su tale asse di registrazione.

Terza derivazione (DIII) L’elettrodo di riferimento è applicato al braccio sinistro (click), mentre l’elettrodo esplorante (click) è applicato alla gamba sinistra. L’asse di registrazione relativo a questa coppia di elettrodi (click) sarà inclinato dall’alto verso il basso e da sinistra verso destra (relativamente al soggetto), con il verso positivo dalla parte della gamba sinistra. Questa coppia di elettrodi sarà in grado di “vedere” soltanto gli eventi elettrici che si proiettano su tale asse di registrazione.

Il triangolo di Einthoven In realtà potremmo considerare gli arti come normali conduttori, ed allora dovremmo considerare che gli elettrodi siano applicati in corrispondenza delle spalle (braccio Dx e Sn) e dell’inguine (gamba Sn). Gli assi di registrazione, a questo punto, formano un triangolo grossolanamente equilatero noto come triangolo di Einthoven. Tale triangolo costituisce il sistema di assi sui quali potremo proiettare i vettori che si formano durante le varie fasi della depolarizzazione cardiaca.

Il triangolo di Einthoven è di fatto un sistema di assi cartesiani non ortogonali, in cui valgono le stesse regole di scomposizione dei vettori già viste in precedenza. Quindi, dato un vettore qualunque (click), se vogliamo sapere di quanto defletterà l’ago (o la penna) dello strumento collegato alla coppia di elettrodi DII, dovremo costruire la proiezione di tale vettore sull’asse di registrazione della derivazione in questione (click). L’ago dello strumento devierà in modo proporzionale al modulo della proiezione (click). Nota: le unità di misura di questo esempio sono arbitrarie. D II

Se però prendiamo in esame un altro vettore (click), la cui proiezione ha il verso contrario a quello dell’asse di registrazione (click), l’ago dello strumento devierà dal lato negativo della scala (click). D II

Se però prendiamo in esame un altro vettore (click), la cui proiezione ha il verso contrario a quello dell’asse di registrazione (click), l’ago dello strumento devierà dal lato negativo della scala (click). Infine, se consideriamo un terzo vettore (click), perfettamente perpendicolare all’asse di registrazione, esso avrà una proiezione nulla (click), e quindi l’ago dello strumento non si sposterà dallo zero. D II

Nella prossima diapositiva una animazione interattiva consentirà di modificare a piacimento un vettore, visualizzando le sue proiezioni sul sistema di assi che costituisce il triangolo di Einthoven. Contemporaneamente verranno visualizzati i tracciati elettrocardiografici relativi a ciascuna derivazione. Lo scopo è quello di verificare in modo più concreto quanto detto fino a questo momento circa le proiezioni dei vettori ed il modo in cui le coppie di elettrodi “vedono” i vettori. Un buon esercizio consiste nel provare a prevedere cosa accadrà ad ognuno dei tracciati prima di modificare il vettore. Attenzione: per eseguire l’animazione è necessario che sul computer sia installato il plugin “Flash Player”, scaricabile gratuitamente dal sito: http://www.macromedia.com

Uno o due click in quest’area consentono di andare avanti con la presentazione

Modificata, da http://butler.cc.tut.fi/~malmivuo/bem/bembook/ Un tracciato tipico Le onde che compaiono in un tracciato elettrocardiografico vengono convenzionalmente indicate con delle lettere: P depolarizzazione atriale QRS depolarizzazione ventricolare T ripolarizzazione ventricolare Nell’ambito del gruppo QRS, va sottolineato che: la R è la prima (ed in genere unica) onda positiva; la Q è l’eventuale onda negativa che precede la R; la S è l’eventuale onda negativa che segue la R. La “teoria vettoriale” è in grado di correlare queste onde con i relativi eventi elettrici in base ai principi fin qui esposti. Affinché tale teoria possa essere applicata ad un sistema biologico, bisogna accettare due assunti di base: che il cuore sia una sorgente puntiforme di eventi elettrici; che il torace sia un mezzo conduttore omogeneo. Anche se queste affermazioni non sono vere in senso assoluto, sono accettabili se applicate allo studio delle derivazioni dagli arti. Modificata, da http://butler.cc.tut.fi/~malmivuo/bem/bembook/

Depolarizzazione atriale All’inizio della depolarizzazione atriale, quando sono depolarizzate solo le cellule del nodo seno-atriale, l’attività elettrica è troppo piccola perché l’elettrocardiografo la possa registrare. In altre parole, il modulo del vettore risultante dall’attività delle cellule in questione è troppo piccolo perché le sue proiezioni possano essere rilevate dallo strumento e provocare una deflessione delle penne. Di conseguenza, in tutte e tre le derivazioni le penne giacciono sulla linea isoelettrica, rendendo questa fase indistinguibile dalla precedente diastole. Depolarizzazione atriale Modificata, da http://butler.cc.tut.fi/~malmivuo/bem/bembook/

Modificata, da http://butler.cc.tut.fi/~malmivuo/bem/bembook/ Man mano che l’onda di depolarizzazione si diffonde nel tessuto atriale, aumenta il numero delle cellule coinvolte, e di conseguenza aumenta il modulo del vettore risultante. A causa dell’orientamento di questo vettore, la sua proiezione sull’asse della derivazione DII è grande, mentre è molto piccola la proiezione in DIII; in DI la situazione è intermedia. La deviazione delle penne causata dai moduli di queste proiezioni costituisce l’onda P, che in DII avrà quindi la massima ampiezza, mentre in DIII avrà l’ampiezza minima; in DI, ovviamente, l’onda P avrà un’ampiezza intermedia. Modificata, da http://butler.cc.tut.fi/~malmivuo/bem/bembook/

Modificata, da http://butler.cc.tut.fi/~malmivuo/bem/bembook/ Le vie di conduzione Con il completarsi della depolarizzazione degli atri, la quantità di tessuto interessato dall’onda di depolarizzazione diminuisce fin quasi ad annullarsi, e di conseguenza la deflessione delle tre penne dello strumento diminuisce fino a tornare alla linea isoelettrica. Ciò comporta la fine dell’onda P. A questo punto le uniche cellule attraversate dall’onda di depolarizzazione sono quelle del nodo atrio-ventricolare e quelle del fascio di His. L’evento elettrico è di nuovo troppo esiguo per poter essere registrato, e le penne giacciono sulla linea isoelettrica (tratto P-Q). Le vie di conduzione Modificata, da http://butler.cc.tut.fi/~malmivuo/bem/bembook/

Depolarizzazione del setto Questa deflessione verso il basso nelle derivazioni DI e DII costituisce l’onda negativa Q. In DIII, invece, la proiezione del vettore risulta positiva, quindi la relativa penna deflette verso l’alto, cominciando a descrivere l’onda R. In questa derivazione, quindi, l’onda Q non appare. Va notato che lo stesso evento elettrico viene “visto” come un’onda Q in DI e in DII, mentre in DIII è rappresentato dalla prima parte dell’onda R. Di conseguenza, è corretto dire che l’onda Q rappresenta la depolarizzazione del setto, ma non si può dire che la depolarizzazione del setto dia luogo ad un’onda Q. Depolarizzazione del setto A livello della rete di Purkinje l’onda di depolarizzazione comincia ad invadere il tessuto ventricolare; aumentando la quantità di cellule elettricamente attive il vettore diventa abbastanza grande per poter essere rilevato dallo strumento. Dato che la depolarizzazione interessa inizialmente il setto interventricolare, ed in particolare il suo lato sinistro, il vettore è diretto dall’alto in basso e da sinistra a destra. Questo peculiare orientamento del vettore determina una proiezione negativa in DI e in DII, il che comporta una deflessione verso il basso delle relative penne. Modificata, da http://butler.cc.tut.fi/~malmivuo/bem/bembook/

Depolarizzazione ventricolare L’estendersi dell’onda di depolarizzazione ad un numero sempre maggiore di cellule comporta un aumento del modulo del vettore risultante. La depolarizzazione si propaga dall’alto in basso e da destra a sinistra, e questo è appunto l’orientamento del vettore. Come conseguenza, in questa fase le proiezioni risultano positive in tutte e tre le derivazioni, dando luogo a deflessioni positive che costituiscono le onde R. In DIII la penna era già deflessa verso la positività dalla fase precedente, ma in questa fase la deflessione aumenta e di conseguenza aumenta l’onda R. Depolarizzazione ventricolare Modificata, da http://butler.cc.tut.fi/~malmivuo/bem/bembook/

Modificata, da http://butler.cc.tut.fi/~malmivuo/bem/bembook/ L’onda di depolarizzazione ha invaso tutto il ventricolo destro, che ha una parete più sottile, mentre sta ancora attraversando quello sinistro. Questo fatto comporta una rotazione del vettore verso sinistra. Inoltre, sia per la quantità di tessuto coinvolta nell’evento elettrico, sia per il modo in cui si sommano i dipoli presenti in questa fase, il modulo del vettore aumenta rispetto alla fase precedente. Come conseguenza dell’aumento del modulo l’onda R aumenta in DI e in DII. La rotazione del vettore comporta invece l’inversione della proiezione in DIII, il che provoca la comparsa di un’onda S. Modificata, da http://butler.cc.tut.fi/~malmivuo/bem/bembook/

Modificata, da http://butler.cc.tut.fi/~malmivuo/bem/bembook/ L’onda di depolarizzazione ha quasi finito di attraversare anche il ventricolo sinistro, ed il tessuto elettricamente attivo è ormai poco. Il vettore risulta quindi ulteriormente ruotato verso sinistra e diminuito in modulo. Le proiezioni risultano ancora positive in DI e DII, ma più piccole, il che comporta una diminuzione delle onde R in queste derivazioni. In DIII invece, la diminuzione del modulo del vettore risultante è compensata dal suo orientamento, che comporta una migliore proiezione sull’asse. Come conseguenza, l’onda S aumenta la sua ampiezza. Modificata, da http://butler.cc.tut.fi/~malmivuo/bem/bembook/

Modificata, da http://butler.cc.tut.fi/~malmivuo/bem/bembook/ Una volta terminata la depolarizzazione di entrambi i ventricoli, nell’ambito del cuore non ci sono più dipoli, e quindi il vettore risultante è nullo. Nelle tre derivazioni le penne giacciono sulla linea isoelettrica (tratto S-T). Va sottolineato che, anche se questa fase è caratterizzata da un “silenzio” elettrico, in realtà i ventricoli sono nella fase 2 del potenziale d’azione (plateau del calcio), e quindi in piena attività. Modificata, da http://butler.cc.tut.fi/~malmivuo/bem/bembook/

Depolarizzazione e ripolarizzazione Come dimostrato dall’esempio qui a lato, se confrontiamo una ripolarizzazione che si sposta da sinistra a destra con una depolarizzazione che si propaga in direzione opposta, la disposizione delle cariche elettriche risulta la stessa. In realtà la ripolarizzazione non si propaga come la depolarizzazione, ma interviene dopo un dato tempo che varia da cellula a cellula. Nel miocardio, tuttavia, le ultime cellule che si sono depolarizzate sono le prime a depolarizzarsi, e si ha quindi la sensazione di un’onda che si sposta nel verso opposto a quello della depolarizzazione. Depolarizzazione e ripolarizzazione

Ripolarizzazione ventricolare A causa della particolare modalità di ripolarizzazione delle cellule ventricolari, durante questa fase la disposizione delle cariche è analoga a quella già osservata nelle fasi intermedie della depolarizzazione ventricolare. La risultante onda T, quindi, è positiva in DI e in DII, mentre è negativa in DIII. Dato che l’apparente propagarsi della ripolarizzazione è molto più lento della propagazione (reale) dell’onda di depolarizzazione, questo evento elettrico in un certo modo si “diluisce nel tempo”, dando luogo ad un’onda più bassa e più larga rispetto al gruppo QRS. Ripolarizzazione ventricolare Modificata, da http://butler.cc.tut.fi/~malmivuo/bem/bembook/

Modificata, da http://butler.cc.tut.fi/~malmivuo/bem/bembook/ Diastole Tutte le cellule del miocardio sono tornate al potenziale di riposo. Anche se sono polarizzate (sono in condizione di potenzaile di riposo), tutto il tessuto è in una condizione di omogeneità elettrica, e non sono presenti dipoli. Il vettore risultante è quindi nullo, e le penne risultano sulla linea isoelettrica in tutte e tre le derivazioni. Questa situazione perdura, ovviamente, fino alla sistole successiva, dando luogo ad un lungo tratto isoelettrico. Diastole Modificata, da http://butler.cc.tut.fi/~malmivuo/bem/bembook/

Nella prossima diapositiva una animazione visualizzerà in modo continuo il movimento del vettore che abbiamo fin qui analizzato. Contemporaneamente verranno mostrate sia le proiezioni del vettore che i tracciati relativi alle tre derivazioni. Due controlli interattivi permettono di variare la velocità dell’animazione o di procedere passo-passo. Analogamente ai tracciati delle diapositive precedenti, lo zero degli assi (e quindi l’origine del vettore) è stato spostato per consentire una visualizzazione più chiara. Attenzione: per eseguire l’animazione è necessario che sul computer sia installato il plugin “Flash Player”, scaricabile gratuitamente dal sito: http://www.macromedia.com

Le derivazioni bipolari dagli arti in un cuore normale Emulatore 3 Le derivazioni bipolari dagli arti in un cuore normale Uno o due click in quest’area consentono di andare avanti con la presentazione

Riassumendo Le onde che compaiono nell’elettrocardiogramma vengono spiegate dalla teoria vettoriale come il risultato degli spostamenti del vettore elettrico costituito dalle cellule che sono coinvolte nell’onda di depolarizzazione. Analizzando le varie fasi della depolarizzazione cardiaca si può dimostrare come ogni onda, in una data derivazione, corrisponda al modulo della proiezione del vettore medio sul relativo asse di registrazione. L’assenza di onde può significare l’assenza di movimenti dell’onda di depolarizzazione o, in alcuni casi, il coinvolgimento di una quantità di tessuto troppo piccola per dare luogo ad eventi elettrici rilevabili. La ripolarizzazione sembra propagarsi come un’onda, che però viaggia nel verso opposto all’onda di depolarizzazione. A causa della disposizione che assumono le cariche elettriche, la polarità dell’onda corrispondente (onda T) è analoga alla polarità dei vettori della depolarizzazione ventricolare.