Hjertets elektrofysiologi: Aktionspotentiale, automatik og vektorer
Hjertets elektrofysiologi: Membranpotentiale, aktionspotentiale, automatik og elektriske vektorer
Videoforelæsning
Følgende videoforedrag opsummerer dette kapitel.
Aktionspotentialet omfatter en depolarisering (aktivering) efterfulgt af en repolarisering (genopretning). Aktionspotentialet forekommer i alle hjerteceller, men dets udseende varierer afhængigt af celletypen. Under de- og repolarisering flyder ioner (Na [natrium], K [kalium ] og Ca2[ calcium]) frem og tilbage over cellemembranen. Da ioner er elektrisk ladede, genererer deres bevægelse en elektrisk strøm. Det betyder, at udbredelsen (spredningen) af aktionspotentialet er lig med spredningen af en elektrisk strøm.
Alle væv og væsker, der omgiver hjertet, har en overflod af ioner, hvilket gør dem i stand til at fungere som elektriske ledere. Som følge heraf overføres de elektriske strømme, der produceres af myokardiet, gennem kroppen til huden, hvor de kan registreres ved hjælp af elektroder. Elektrokardiografen (EKG-maskinen) registrerer og behandler disse elektriske strømme og præsenterer dem som et elektrokardiogram (EKG). Som tidligere nævnt er de elektriske potentialer i ledningssystemet alt for små til at kunne registreres af hudelektroder; EKG’et viser den elektriske aktivitet i det atriale og ventrikulære myokardium.
Pacemakercellernes automatik
Automatikken i cellerne i den sinoatriale knude forklares ved, at disse celler begynder at lække natrium (Na ) ind i cellen, så snart de vender tilbage til deres hviletilstand (figur 1). Når natrium lækker ind i cellen, bliver cellemembranen gradvist mere positiv. Når membranpotentialet når sin tærskel på -40 mV, udløses aktionspotentialet, og cellen depolariseres. Ved -40 mV åbner spændingsstyrede calciumkanaler (Ca2 ), så calcium strømmer ind i cellen og forårsager depolarisering. Efterfølgende åbner udadrettede kaliumkanaler (K ), hvilket resulterer i repolarisering af cellen. Cyklussen gentager sig derefter (figur 1). Bemærk, at lækagen af natrium i hvilefasen kaldes pacemakerpotentialet.
Depolariseringen spreder sig fra sinoatrialknuden til det atriale og ventrikulære myokardium. Udbredelsen af aktionspotentialet er mulig, fordi alle hjerteceller er elektrisk forbundet med hinanden via gap junctions (figur 1). Gap junctions er proteinkanaler, der forbinder cellemembranerne i tilstødende celler og muliggør strømmen af ioner mellem cellerne. Det betyder, at aktionspotentialet spreder sig fra én celle til en anden via gap junctions. Tætheden af gap junctions i Purkinje-netværket er meget høj, hvilket forklarer den hurtige impulsoverførsel i netværket. Cellerne i den atrioventrikulære knude har derimod en meget lav tæthed af gap junctions, hvilket forklarer den langsomme impulsoverførsel gennem den atrioventrikulære knude. Overførslen af aktionspotentialet mellem kontraktile myokardieceller er også langsom på grund af de få gap junctions, der er mellem dem.
Aktionspotentialet i kontraktile celler
De kontraktile celler har, i modsætning til cellerne i sinoatrialknuden, et ægte hvilepotentiale (fase 4), som er omkring -90 mV. Disse celler skal stimuleres for at fremkalde et aktionspotentiale. Ved stimulering åbnes natriumkanaler (Na ), hvilket medfører en hurtig indstrømning af natrium og depolariserer cellerne. Kontraktile celler begynder at trække sig sammen et par millisekunder efter depolariseringens start, og de begynder at slappe af et par millisekunder efter repolariseringen er afsluttet. Aktionspotentialets varighed er ca. 0,20 sekunder i atrialt myokardium og 0,3 sekunder i ventrikulært myokardium (figur 1).
Faserne er også illustreret i figur 1 (ovenfor).
- Fase 4 (hvilefase): Kun kaliumkanaler (K ) er åbne i hvilefasen, og efflux (udadgående flow) af kalium etablerer et negativt hvilemembranpotentiale (ca. -90 mV).
- Fase 0 (depolarisering): Ved stimulering sker der en hurtig depolarisering via influx (indadgående flow) af natrium (Na ), og cellen bliver positivt ladet (ca. 20 mV).
- Fase 1 (tidlig repolarisering): I denne fase åbnes en anden type kaliumkanaler (K ), og en kortvarig udstrømning af kalium repolariserer cellen en smule.
- Fase 2 (plateau-fasen): Næsten samtidig med åbningen af kaliumkanalerne i fase 1 åbnes vedvarende calciumkanaler (Ca2 ), hvorved calcium strømmer ind i cellen. Indstrømningen af calcium er konstant og giver anledning til plateaufasen, hvis lang varighed forklarer, hvorfor langt størstedelen af det ventrikulære myokardium trækker sig sammen samtidig (på et eller andet tidspunkt under sammentrækningen).
- Fase 3 (repolarisering): Calciumkanaler (Ca2 ) lukker, og kaliumkanaler (K ) åbner igen, og udstrømningen af kalium repolariserer cellen.
Absolutte og relative refraktærperioder under aktionspotentialet
Under størstedelen af aktionspotentialet er myokardiecellen absolut refraktær over for stimulering, hvilket betyder, at en yderligere stimulus ikke kan udløse et nyt aktionspotentiale, uanset stimulusens intensitet. Den absolutte refraktærperiode efterfølges af en relativ refraktærperiode, hvor en stærk stimulering kan udløse et nyt aktionspotentiale. De absolutte og relative refraktærperioder vises i figur 1 (ovenfor) og figur 2 (nedenfor).
Som det ses i figur 2, falder den relative refraktærperiode sammen med T-bølgetoppen. Denne fase er traditionelt blevet beskrevet som en sårbar fase i hjertecyklussen, fordi elektrisk stimulering i denne fase kan fremkalde et andet aktionspotentiale, som kan føre til potentielt livstruende ventrikulære arytmier (ventrikelflimren). Dette sker af og til i klinisk praksis. Stimulansen er typisk et for tidligt ventrikelslag (dvs. et ektopisk slag inde fra ventriklerne) eller uhensigtsmæssig stimulering fra en kunstig pacemaker. Når en sådan ventrikulær depolarisering overlejres på T-bølgen, siger man, at der er opstået et R-on-T-fænomen. Det skal dog bemærkes, at R-on-T-fænomener er meget almindelige, og at risikoen for ventrikelflimmer er lille, medmindre der er elektrisk ustabilitet i ventriklerne (som ved akut myokardieinfarkt, langt QT-syndrom osv.). Figur 3 (nedenfor) viser til tilfælde af R-on-T-fænomenet.
Log in to view image, video, quiz, text
Hvad viser EKG’et?
Figur 4 viser de klassiske EKG-bølgeformer. Den første afbøjning (herefter kaldet bølge) er P-bølgen, som repræsenterer atrieaktivering (depolarisering). Repolariseringen af atrierne er normalt ikke synlig, fordi den sker samtidig med ventrikelaktivering (depolarisering), som genererer væsentligt større elektriske potentialer og derfor dominerer dette øjeblik i hjertecyklussen. Ventrikulær depolarisering er synlig som QRS-komplekset. QRS-komplekset består af tre bølger: Q, R og S. Forskelle i retningen af disse bølger skyldes ændringer i retningen af den elektriske impuls under ventrikulær depolarisering. T-bølgen repræsenterer ventriklens repolarisering.
Bemærk den lige linje mellem P-bølgen og QRS-komplekset (figur 4). Denne linje kaldes PR-segmentet, og den repræsenterer impulsforsinkelsen i den atrioventrikulære knude.
Det er vigtigt at kende disse bølgeformers oprindelse, og det kræver viden om de elektriske vektorer, der findes i løbet af hjertecyklussen. Vektorteori er en ret kompleks sag, og derfor vil diskussionen nedenfor udelukke alt for komplicerede aspekter og fokusere på de vigtigste elektriske vektorer, og hvordan de påvirker EKG-kurven.
Elektriske vektorer
En vektor er en fysisk størrelse, der har både størrelse og retning i rummet. Bevægelsen af elektrisk ladede partikler – som sker under spredning af hjertets aktionspotentiale – genererer en elektrisk vektor. Depolariseringen forplanter sig gennem myokardiet på samme måde som spredningen af en bølgefront i vand. På ethvert givet tidspunkt er der mange små depolariserende bølgefronter, der breder sig gennem myokardiet (figur 5, venstre side). Gennemsnittet af alle individuelle bølgefronter på et givet tidspunkt repræsenterer den elektriske hovedvektor (figur 5, højre side). Den elektriske vektor er således impulsens gennemsnitlige retning. De EKG-bølgeformere, der vises i figur 5, repræsenterer faktisk de elektriske vektorer i hjertecyklussen.
Log in to view image, video, quiz, text
For at forstå, hvordan en elektrisk vektor genererer en bølge på EKG-kurven, er det afgørende at forstå, hvordan EKG-afledninger er konstrueret. Bemærk, at EKG-afledningerne vil blive diskuteret i detaljer i næste kapitel; her nævner vi kun aspekter, der er relevante for elektriske vektorer. Elektrokardiografen (EKG-maskinen) bruger elektroder til at beregne en EKG-kurve (figur 6). Dette gøres ved at sammenligne de elektriske potentialer, der registreres af hver af elektroderne. Den ene elektrode er defineret som positiv (også kaldet udforskningselektrode), og den anden er negativ (også kaldet referenceelektrode). Elektrokardiografen sammenligner de elektriske potentialer, der registreres af den undersøgende elektrode og referenceelektroden. Maskinen er konstrueret sådan, at en vektor, der går mod den undersøgende elektrode, giver en positiv afbøjning (bølge) på EKG-kurven. En vektor på vej væk fra den udforskende elektrode giver en negativ bølge (figur 6).
Traditionelt lærer man, at den udforskende elektrode er den, der “ser” hjertet, og denne opfattelse letter EKG-fortolkningen. Det fysiologiske rationale bag dette forklares nedenfor.
Nu hvor forholdet mellem elektriske vektorer og EKG-bølger er afklaret, er det tid til at studere hjertets vigtigste vektorer, og hvordan de giver anledning til den klassiske EKG-kurve. Afledningerne V1 og V5 er valgt af pædagogiske årsager. V1 og V5 registrerer primært vektorer, der bevæger sig i det horisontale plan. Dette skyldes placeringen af den undersøgende elektrode og referencen. Den undersøgende elektrode placeres anteriort på brystvæggen. Referencen er lidt mere kompliceret, fordi den udledes ved at tage gennemsnittet af de potentialer, der registreres af lemmeelektroderne (højre arm, venstre arm, venstre ben), og dette giver en reference, der er placeret i brystet (figur 7). Dette vil blive diskuteret mere detaljeret i næste kapitel, men for den nuværende diskussion er det tilstrækkeligt at bemærke, at den udforskende elektrode er placeret forrest på brystet, og at referencepunktet er placeret inde i brystet (figur 7). Vi vil nu undersøge de vigtigste elektriske vektorer i hjertet, og hvordan de afspejles i V1 og V5. Studer denne figur omhyggeligt, da den forklarer tilblivelsen og udseendet af P-, Q-, R- og S-bølgerne på EKG-kurven.
Log in to view image, video, quiz, text
Den første vektor: atrierne
Den første vektor stammer fra atrial depolarisering. Depolariseringen starter i sinoatrialknuden, hvorfra den spreder sig gennem det højre atrium og derefter til det venstre atrium. Under aktivering af højre atrium er vektoren rettet anteriort og mod venstre (og nedad). Vektoren drejer til venstre og lidt bagud, når depolariseringen går mod venstre atrium. Den atriale vektor er således let buet (figur 7). Afledning V1 registrerer den oprindelige vektor, der er på vej mod den, og viser en positiv afbøjning, P-bølgen. V1 kan også registrere, at vektoren går væk fra den, når venstre atrium aktiveres, og det kan give en lille negativ afbøjning på den terminale del af P-bølgen (Figur 7). Afledning V5 registrerer derimod kun vektorer, der er på vej mod den (omend med varierende vinkler) i løbet af atrieaktiveringen og viser derfor en ensartet positiv P-bølge.
Den anden vektor: den ventrikulære (interventrikulære) skillevæg
Ventrikelseptumet modtager Purkinje-fibre fra den venstre bundtgren, og fortsætter derfor depolariseringen fra dens venstre side mod dens højre side. Vektoren er rettet fremad og mod højre. Ventrikelseptumet er relativt lille, og derfor viser V1 en lille positiv bølge (r-bølge), og V5 viser en lille negativ bølge (q-bølge). Det er altså den samme elektriske vektor, der resulterer i en r-bølge i V1 og en q-bølge i V5.
Den tredje vektor: den ventrikulære frie væg
De vektorer, der opstår ved aktivering af de frie ventrikelvægge, er rettet mod venstre og nedad (figur 7). Forklaringen på dette er som følger:
- Den vektor, der opstår vedaktivering af højre ventrikel, kommer ikke til udtryk, fordi den drukner i den mange gange større vektor, der genereres af venstre ventrikel. Således er vektoren under aktivering af ventriklens frie vægge faktisk den vektor, der genereres af den venstre ventrikel.
- Aktiveringen af ventriklens frie væg fortsætter fra endokardiet til epikardiet. Det skyldes, at Purkinje-fibrene løber gennem endokardiet, hvor de leverer aktionspotentialet til de kontraktile celler. Den efterfølgende spredning af aktionspotentialet sker fra en kontraktil celle til en anden, startende i endokardiet og på vej mod epikardiet.
Som det fremgår af figur 7, er vektoren i den frie ventrikelvæg rettet mod venstre (og nedad). Afledning V5 registrerer en meget stor vektor, der er på vej mod den, og viser derfor en stor R-bølge. Afledning V1 registrerer det modsatte og viser derfor en stor negativ bølge kaldet S-bølge.
Den fjerde vektor: basale dele af ventriklerne
Den sidste vektor stammer fra aktiveringen af de basale dele af ventriklerne. Vektoren er rettet bagud og opad. Den går væk fra V5, som registrerer en negativ bølge (s-bølge). Afledning V1 registrerer ikke denne vektor.
Vektorer for T-bølgen
T-bølgen repræsenterer den hurtige repolariseringsfase (fase 2). T-bølgen skal være konkordant med QRS-komplekset, hvilket betyder, at den skal have samme retning som QRS-kompleksets nettoretning. Et QRS-kompleks, der er nettonegativt, skal efterfølges af en negativ T-bølge, mens et QRS-kompleks, der er nettopositivt, skal efterfølges af en positiv T-bølge. Hvis QRS-komplekset og T-bølgen har modsatte retninger, siger man, at T-bølgen er diskordant (figur 8).
Det kan virke ulogisk, at QRS-komplekset og T-bølgen skulle have samme retning, eftersom ionstrømmene under de- og repolarisering er modsatrettede. Det virker mere logisk, at de- og repolarisering skulle have modsatte retninger. Det er tydeligvis ikke tilfældet, for det er ikke kun ionstrømmene, der er modsatrettede, det er også retningen på den elektriske vektor. Husk på, at depolarisering af ventriklens frie væg går fra endokardiet til epikardiet. Repolarisering starter derimod i epikardiet og er rettet mod endokardiet (figur 9). Dette forklares med, at epikardieceller har kortere aktionspotentialer og derfor begynder at repolarisere tidligere end endokardieceller. Se figur 9 for en illustreret forklaring.
Konklusionen er, at da både (1) ionflowet og (2) vektorens retning er modsatrettet under repolarisering, er der ingen nettoeffekt på EKG-kurven, og T-bølgen vil være i overensstemmelse med QRS-komplekset.
T-bølge-vektoren er normalt rettet fremad og lidt til venstre og nedad. Børn og unge kan dog have en T-bølgevektor, der er rettet mere mod venstre og bagud, hvilket giver negative T-bølger i de højresidede brystafledninger (V1-V4). Disse bliver normaliseret (dvs. positive) i løbet af puberteten. Bemærk dog, at en negativ T-bølge i afledning V1 er et almindeligt fund, og at den er i overensstemmelse med QRS-komplekset, som generelt er negativt i V1 (disse aspekter diskuteres senere).
Log in to view image, video, quiz, text
Bemærk endelig, at P-bølgen og T-bølgen er glatte bølger, mens QRS-komplekset har skarpe spidser. Det skyldes, at P- og T-bølger genereres af lavfrekvente signaler, mens QRS-komplekset har en meget højere frekvens.