ЕКГ Пояснена: Як Хвиля P-QRS-T Кодує Серцебиття

Що насправді вимірює ЕКГ

Кожен серцебиття починається з імпульсу іонного струму, а не механічного стиснення. Сіноатріальний (SA) вузол – це невелика ділянка самопідіймаючихся клітин у правій предсердної камері, яка спонтанно деполяризується приблизно один раз на секунду і відправляє хвильовий фронт електричної активації по всій передсердній м’язі. Цей хвильовий фронт накопичується в атріальному (AV) вузлі, навмисно затримується на 0,1 с, щоб передсердя спочатку повністю спорожніли у серцеві порожнини, а потім з шаленою швидкістю пробігає по пучку Гіса та пуркінців, деполяризуючи обидві шлуночки майже одночасно. Кожен з цих рухомих фронтів деполяризації та реполяризації тканин створює невеликий, часорозріджений напружений двійник у грудях, порядку мілівольт на шкірі – невеликий, але легко виявляється електродами та підсилюється до траси, яку читає лікар.

Створення траси з п’яти Гаусових пагорбів

Реальний ЕКГ генерується шляхом розв’язування рівнянь для мільйонів взаємопов'язаних кардіальних клітин, що є надмірним для інтерактивної демонстрації. Стандартний метод, популяризований McSharry et al. у 2003 році – динамічною ЕКГ моделлю, полягає в тому, що кожне зсунення хвилі серцевого ритму — хвиля P (атриальна деполяризація), комплексна QRS (швидка двостулково-сердечна деполяризація) і хвиля T (реполяризація серця) – виглядає достатньо схоже на дзвіночкову криву, щоб можна було побудувати весь ритм як суму п’яти асиметричних Гаусів, по одному для кожного знакового моменту:

z(θ) = Σ_i a_i · exp( -Δθ_i² / (2 b_i²) ) i ∈ {P, Q, R, S, T} Δθ_i = θ - θ_i (кут між моментом і знаковим моментом i на серцевому циклі) a_i = амплітуда цієї хвилі (R найвища, ~1 мВ; P і T менші та ширші) b_i = ширина цієї хвилі (QRS вузька та гостра; T широка та низька) Амплітуда, ширина та зсув у часі кожного Гаусса від піку R налаштовуються для відповідності типовому ЕКГ-запису — вузкий, високий пік R, який супроводжується невеликим негативним зсувом Q і S, м’яким пагорбом P перед цим та широким пагорбом T після нього. Сумуйте п'ять Гауссів і повторіть один раз на кожні інтервали R-R, і результат візуально не відрізняється від чистої смуги лідера II. Додайте повільний базовий зсув та трохи гаусівського електричного шуму, і це виглядає точно як справжній монітор.

z(θ) = Σ_i  a_i · exp( -Δθ_i² / (2 b_i²) )      i ∈ {P, Q, R, S, T}

Δθ_i = θ - θ_i     (angular distance from landmark i on the cardiac cycle)
a_i   = amplitude of that wave  (R is tallest, ~1 mV; P and T are smaller and wider)
b_i   = width of that wave       (QRS is narrow and sharp; T is broad and low)

12 лідів, один серце, 12 кутів

Стандартний клінічний ЕКГ не використовує одну пари електродів, а використовує дванадцять одночасних оглядів основної кардіальної вектори. Лимбідні ліди I, II та III утворюють трикутник Вінтовенa навколо тулуба; aVR, aVL та aVF є математично отриманими "підсиленими" лімбірними лідами; а V1-V6 охоплюють грудну клітку від правої ключиці до лівого реберного хряща. Оскільки кожен лід насправді є проекцією одного й того ж 3D електричного диполя на різні осі, хвильове фронт, що рухається до позитивного електрода ліда, піднімає трацію, а той, що віддаляється, опускає її — таким чином одна й та сама серцева дія утворює дванадцять різних за виглядом, взаємосумісних хвиль, і порівнювання їх є способом для лікарів локалізувати, де в серці виникає проблема.

Від стабільного ритму до фібриляції

Нормальний синусовий ритм – це просто повторення одного й того ж P-QRS-T комплексу з постійним фізіологічним темпом, де завжди одна хвиля P передує кожному QRS. Синусова тахікардія та брадикардія – це один і той же організований ритм, просто швидший або повільніший за нормальний. Атриальна фібриляція є суттєво відмінною: атріали припиняють узгоджене проведення хвилі та замість цього хаотично скорочуються з багатьох конкуруючих реентрійних кілець, тому хвиля P зникає у тонкій, нерегулярній фібрильній базовій лінії, а серцевий ритм – непередбачувано регулюється AV-узлом – стає нерегулярним. Тантрацилія може замінити вузький QRS широкою, швидкою, мономорфічною хвилею, що генерується з аномального венозного фокусу замість системи Пункжери. Фібриляція серця є найсерйознішою: вентрикили втрачають будь-яку організовану активність, тремтять замість скорочення, і форма сигналу колапсує у хаотичну, нерозрізнену коливання без вихідного капіталу – медична надзвичайність, що лікується лише дефібриляцією.

Обчислювальне моделювання аритмій

Гаусове-сума моделювання відтворює кожну з цих попередніх налаштувань, спотворюючи одну й ту саму п’ятидолинну модель, замість того, щоб моделювати кожну клітину. Тахікардія та брадикардія просто скорочують або подовжують інтервал R-R. Атриальна фібриляція усуває Gaussian P-хвилі та замінює їх на шум з низькою амплітудою високої частоти, а потім випадково змінює інтервал R-R від удару до удару. Гемодинамічна тахікардія розширює та переформує Gaussian QRS та значно прискорює темп. Гемодинамічна фібриляція повністю відмовляється від моделі, заснованої на ознаках, на користь скінченно-розрідженого хаотичного шуму без повторюваної структури — що, не дивно, точно відповідає електричній активності, коли вона втрачає організацію.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте ECG Simulator і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.