Sách:Điện từ sinh học/Tim
6.1. Giải phẫu và sinh lý của tim
6.1.1 Vị trí của tim
Tim nằm ở vùng ngực giữa phổi và đằng sau xương ức và nằm ở phía trên cơ hoành. Nó được bao bọc bởi màng ngoài của tim. Kích thước của nó to bằng 1 nắm đấm và có khối lượng trong khoảng từ 250g đến 300g. Tâm của nó đặt cách 1,5cm về phía bên trái của mặt đối xứng dọc tim. Vị trí phía trên tim là các mạch lớn, bao gồm các tĩnh mạch cấp cao và cấp thấp, tĩnh mạch và động mạch phổi cũng như là các động mạch chủ. Các đường bao quanh động mạch nằm đằng sau tim. Vùng phân bố này của tim sẽ được chỉ ra trong hình 6.1.
6.1.2. Giải phẫu của tim
Vách tim gồm các cơ tim được gọi theo tiếng Anh là myocardium. Nó cũng có các vết nhăn giống như các tế bào cơ xương. Nó bao gồm 4 thành phần: Tâm nhĩ phải và tâm nhĩ trái, tâm thất phải và tâm thất trái. Hình 6.2 sẽ mô tả toàn bộ cấu tọa của tim. Các sợi cơ tim có hình dạng xoắn ốc và được phân chia thành 4 nhóm. Hai nhóm sợi cơ ức bao quanh toàn bộ hai tâm thất phải và trái. Thấp hơn là nhóm thứ ba chỉ bao quanh tâm thất trái. Thực tế là các tế bào cơ tim có phương tiếp tuyến nhiều hơn so với phương hướng tâm và trở kháng của các sợi cơ này nhỏ hơn theo hướng cảu cá sợi cơ có tác dụng quan trọng trong điện tâm đồ và từ tâm đồ.
Tim có 4 van. Giữa tâm nhĩ trái và tâm thất là van ba lá và giữa tâm nhĩ trái và tâm thất là van hai lá. Van động mạch phổi nằm giữa tâm thất phải và động mạch phổi trong khi van động mạch chủ nằm tại ống luồng ra của tâm thất trái (điều khiển lưu lượng của động mạch chủ).
Máu trở về từ các hệ thống lưu thông ở tâm nhĩ phải và từ đó đi qua van ba lá đến tâm thất phải. Nó được đẩy ra từ tâm thất phải qua van động mạch phổi vào phổi. Máu chứa nhiều oxy trở về từ phổi đến tâm nhĩ trái, và từ đó thông qua van hai lá sang tâm thất trái. Cuối cùng máu được bơm qua van động mạch chủ vào động mạch chủ và hệ thống lưu thông ..
6.2. Hoạt động điện của tim
6.2.1 Tế bào cơ tim
Trong tế bào cơ tim, hay tế bào cơ, hoạt động điện giữ vai trò ý nghĩa như cơ chế trong tế bào thần kinh – đó là, từ dòng chảy vào của các ion natri qua màng tế bào. Biên độ của điện thế hoạt động cũng tương tự, là khoảng 10 mV cho cả tế bào thần kinh và tế bào cơ. Tuy nhiên khoảng thời gian của một xung cơ tim là dài hơn hai bậc so với tế bào thần kinh hay cơ xương. Một pha ổn định theo sau quá trình khử cực, và sau đó là quá trình tái khử cực. Như trong tế bào thần kinh, quá trình tái khử cực là hậu quả của dòng chảy ra ngoài của các ion kali. Khoảng thời gian của xung hoạt động là khoảng 300 ms, như được thể hiện ở hình 6.4 (Netter, 1971).
Liên quan tới hoạt động điện của tế bào thần kinh cơ tim là sự co cơ của nó, xuất hiện sau một chút. Với mục đích so sánh, hình 6.5 minh họa hoạt động điện và sự co cơ của cơ may ếch, cơ tim ếch và cơ trơn của tử cung chuột. (Ruch và Patton, 1982).
Một sự phân biệt quan trọng giữa mô cơ tim và cơ xương là trong cơ tim, hoạt động có thể kích hoạt từ một tế bào tới các tế bào khác theo mọi hướng. Kết quả là, mặt sóng hoạt động có một dạng khá phức tạp. Ngoại lệ duy nhất là ranh giới giữa tâm nhĩ và tâm thất, đó là nơi sóng hoạt động thường không thể đi qua ngoại trừ đi theo một hệ thống dẫn đặc biệt, bởi vì có một tấm chắn không dẫn là mô xơ ở đây.
Trong
mỗi
phần
đường
cong
trên
biểu
thị
trạng
thái
điện
áp
xuyên
màng,
trong
đó
đường
cong
phía
dưới
mô
tả
sự
co
cơ
liên
quan
tới
nó.
6.2.2 Hệ thống dẫn của tim
Nằm tại tâm nhĩ phả tại tĩnh mạch chủ trên là nút xoang (xoang tâm nhĩ hay nút SA) bao gồm các tế bào cơ đặc biệt. Nút xoang tâm nhĩ của con người có hình dạng lưỡi liềm và dài khoảng 15 mm rộng khoảng 5mm (xem hình 6.6). Các tế bào nút SA là các tế bào tự kích thích, là các tế bào dẫn tốc điều nhịp. Nó phát sinh một điện thế hoạt động với tốc độ là khoảng 70 trên một phút. Từ nút xoang, xung hoạt động truyền thông qua tâm nhĩ, nhưng không thể truyền thẳng qua ranh giới giữa tâm nhĩ và tâm thất, như đã lưu ý ở trên.
Nút nhĩ thất (nút AV) nằm tại ranh giới giữa tâm nhĩ và tâm thất; nó có một tần số đặc trưng khoảng 50 xung/phút. Tuy nhiên, nếu nút AV được khởi động bởi một tần số cao hơn, nó hoạt động theo tần số cao hơn đó. Trong tim bình thường, nút AV chỉ cung cấp đường dẫn truyền từ tâm nhĩ tới tâm thất. Vì vậy, dưới các điều kiện bình thường, tâm thất có thể chỉ được hưng phấn bởi xung truyền qua nó.
Sự lan truyền từ nút AV tới tâm thất được cung cấp bởi một hệ thống dẫn truyền đặc biệt. Thực chất, hệ thống này bao gồm các bó chung, gọi là bó His (tên của nhà vật lý Wilhelm His, Jr. , 1863-1934). Xa hơn, nó chia thành hai bó nhánh truyền dọc theo mỗi bên của vách ngăn, tạo thành bó nhánh phải và trái (nhánh trái sau đó chia thành nhánh trước và nhánh sau). Xa hơn nữa, các nhánh phân ra thành sợi Purkinje (đặt tên theo Jan Evangelista Purkinje, (Séc, 1787-1869)) mà phân ra vào thành bên trong của tâm thất. Truyền dọc theo hệ thống truyền dẫn diễn ra với một tốc độ tương đối cao một khi nó nằm trong vùng tâm thất, nhưng trước đó (truyền qua nút AV) vận tốc là cực kỳ thấp.
Từ phía bên trong của thành tâm thất, có rất nhiều vị trí hoạt động hình thành nên một mặt sóng mà được truyền qua khối tâm thất tới thành bên ngoài. Quá trình này là kết quả của hoạt động từ tế bào tới tế bào. Sau khi mỗi một vùng cơ tâm thất được khử cực, sự tái khử cực xuất hiện. Sự tái khử cực không phải là một hiện tượng truyền dẫn, và bởi vì khoảng thời gian của một xung hoạt động là ngắn hơn rất nhiều tại màng ngoài tim (phía bên ngoài của cơ tim) so với tại màng trong tim (phía bên trong của cơ tim). Sự kết thúc của hoạt động xảy ra khi nó truyền từ màng ngoài tim tới màng trong tim.
Bởi
vì
tốc
độ
thực
chất
của
nút
xoang
là
lớn
nhất,
nó
đặt
một
tần
số
hoạt
động
khắp
cả
tim.
Nếu
liên
kết
giữa
tâm
nhĩ
và
nút
AV
bị
hỏng,
nút
AV
hoạt
động
theo
tần
số
thực
chất
của
nó.
Nếu
hệ
thống
truyền
dẫn
hỏng
tại
bó
His,
tâm
thất
sẽ
đập
với
tốc
độ
được
xác
định
bởi
vùng
của
nó
mà
có
tần
số
thực
chất
cao
hơn.
Hiện
tượng
điện
của
tim
được
tóm
tắt
ở
bảng
6.1.
Dạng
sóng
của
xung
hoạt
động
được
quan
sát
trong
các
mô
tim
đặc
biệt
khác
nhau
được
thể
hiện
ở
hình
6.7.
- Tái khử cực tâm nhĩ xuất hiện trong suốt quá trình khử cực tâm thất; vì vậy, nó không thường được thấy ở điện tim đồ.
Một
nghiên
cứu
cơ
bản
của
quá
trình
truyền
hưng
phấn
trong
tim
người
được
thực
hiện
bởi
Durrer
và
các
đồng
nghiệp
của
ông
(Durrer
và
các
đồng
sự,
1970).
Họ
cách
ly
tim
từ
một
xác
người
chết
vì
một
số
điều
kiện
về
não
khác
nhau
và
là
người
không
có
tiền
sử
bệnh
về
tim.
Tim
được
lấy
đi
trong
khoảng
30
phút.
Có
tới
870
điện
cực
được
đặt
vào
cơ
tim;
hoạt
động
điện
được
ghi
lại
bởi
một
máy
ghi
băng
và
được
chạy
lại
với
tốc
độ
thấp
hơn
bởi
máy
ghi
ECG;
vì
vậy
tốc
độ
giấy
tác
động
là
960
mm/s,
cho
một
độ
phân
giải
thời
gian
tốt
hơn
1
ms.
Hình 6.8 được vẽ lại từ dữ liệu thí nghiệm. Tâm thất được vẽ với thành phía trước của thất trái và kết hợp với thành tâm thất bên phải được mở. Bề mặt đẳng thời cho thấy rõ ràng rằng hoạt động tâm thất bắt đầu từ thành bên trong của tâm thất trái và nhanh chóng xử lý tới màng trong tim. Trong phần cuối của hoạt động tâm thất, mặt sóng hưng phấn hoạt động hời hợt hơn. Hiên tượng đó và tác động của nó tới tín hiệu điện tim đồ và từ tim đồ được mô tả chi tiết hơn sau đây.
6.3. Nguồn gốc của điện tâm đồ
6.3.1. Dòng điện hoạt động trong tế bào tim
Mục 6.2.1 vừa thảo luận về các trường hợp điện xảy ra tại tim ở mức nội bào. Giống như các tín hiệu điện được minh hoạ trong các hình 6.4, 6.5 và 6.7 có thể được ghi lại bởi các siêu điện cực được đặt bên trong một tế bào cơ tim. Tuy nhiên điện tâm đồ (ECG) là một phép ghi thế tĩnh điện được phát ra từ các hoạt động điện của tim trên bề mặt lồng ngực.
Hình 6.9 A và B biểu diễn một phần tế bào tim truyền sự khử cực (A) và tái phân cực (B) và như vậy các mặt sóng được truyền qua. Trong hình ảnh minh hoạ này, các mặt sóng di chuyển từ phải qua trái, tức là trục thời gian trỏ về bên phải. Có hai đặc tính quan trọng của tế bào tim chúng ta sẽ áp dụng để phân tích sự phân bố dòng điện và điện thế kết hợp với quá trình truyền sóng. Thứ nhất, các tế bào liên kết với nhau bởi các đường trở kháng nhỏ (các mối nối chỗ hở), kết quả là dòng điện chảy trong môi trường nội mô của một tế bào sẽ chảy tự do sang tế bào tiếp theo. Thứ hai, không gian giữa các tế bào rất hạn chế (theo tính toán là nhỏ hơn 25% tổng thể tích). Kết quả là cả dòng điện nội mô và ngoại mô đều được hạn chế theo hướng song song với quá trình truyền các mặt sóng.
Những điều kiện kể trên là chính xác với mô hình vật dẫn bản chất tuyến tính, được giới thiệu trong mục 3.4; nghĩa là cả dòng điện nội mô và ngoại mô chảy theo hướng tuyến tính. Cụ thể là khi sử dụng điều kiện Ii¬ + I ¬o = 0 và phương trình 3.41
Từ phương trình 6.3 chúng ta sẽ nhận được mối liên hệ quan trọng thích hợp với các điều kiện của vật dẫn bản chất tuyến tính như sau:
Những phương trình này mô tả các điều kiện bộ chia điện thế và lần đầu tiên được chỉ ra bởi Hodgkin và Rushton (1946). Chú ý là các phương trình này phụ thuộc vào sự đúng đắn của phương trình 3.36. Nói cách khác những phương trình này yêu cầu không có dòng điện ngoài (dòng phân cực) trong vùng đang nghiên cứu.
6.3.2 Sóng khử cực
Chúng ta có thể sử dụng phương trình 6.5 để nghiên cứu quá trình truyền sóng. Sự biến thiên trong giá trị của Vm (x) dễ dàng suy luận từ hình6.9C (đường chấm gạch), bởi vì trong vùng hoạt hóa điện thế thường ổn định ở mức +40mV, trong khi đó điện thế ở vùng nghỉ khoảng -80mV. Vùng chuyển tiếp thường rất hẹp (khoảng 1mm tương ứng với quá trình khử cực khoảng 1ms và vận tốc < 1m/s), như hình vẽ mô tả. Áp dụng phương trình 6.4 cho kết quả trạng thái thế năng ngoại mô được biểu diễn như hình 6.9C (đường nét đậm).
Trong hình 6.9, tỉ số ro/ (ro + ri) = 0.5 được chọn dựa trên nền tảng chứng minh thực nghiệm về quá trình truyền dọc treo trục sợi tim. (Kléber and Riegger, 1986). Dòng xuyên màng Im có thể được ước lượng từ Vm(x) trong hình 6.9C bằng cách áp dụng phương trình cáp tổng quát (phương trình 3.45):
Dòng điện này được hạn chế trong vùng khử cực. Như được biểu diễn trong hình 6.9A, về phía bên phải đường trục đó là hướng vào trong (mũi tên dày), và ở phía bên trái là hướng ra ngoài (mũi tên mỏng). Phần hướng vào trong tương ứng với dòng Na vào, được hoạt hóa bởi sự tăng nhanh, đột biến tính thấm của Na. Dòng ra là dòng cục bộ khử cực ban đầu các mô nghỉ và đang tiến dần về bên trái (trong hướng lan truyền ). Chiều hướng của dòng xuyên màng gần đúng như hình 6.9E khi sử dụng phương trình 6.6.
Khảo sát thế năng ngoại mô Φo cho kết quả giống nhau ngoại trừ sự thay đổi nhanh ngang qua mặt sóng. Như vậy sự thay đổi từ dương sang âm là sự thay đổi được dự đoán ở nguồn lớp kép nơi mà hướng lưỡng cực từ phải sang trái (thay đổi từ âm sang dương được giải thích như trong mục 11.2). Do đó chúng ta có thể kết luận rằng: đối với sự khử cực (hoạt hóa) của mô tim, một lớp kép xuất hiện ở mặt sóng với định hướng lưỡng cực theo hướng lan truyền. Lớp kép này có thể gần đúng như một nguồn tỷ lệ thuận với dòng xuyên màng – được đánh giá bởi một nguồn điểm âm tổng hợp (phía bên phải) và nột nguồn điểm dương tổng hợp (phía bên trái). Hai nguồn này được đặt cùng nhau tạo thành một lưỡng cực theo hướng lan truyền (hướng bên trái).
Kết quả, phía tích điện dương của một lớp kép đang trỏ tới điện cực ghi phía bên trái sẽ tạo ra một tín hiệu ECG dương (hình 6.9G).
6.3.3 Sóng tái phân cực
Về mặt nguồn gốc, bản chất của sóng tái phân cực khác với sóng khử cực. Không giống như sự phân cực, sự tái phân cực không phải là một hiện tượng lan truyền. Nếu chúng ta xem xét vị trí của các tế bào tái phân cực tại những thời điểm liên tiếp nhau thì sự tái phân cực có thể gần đúng với hiện tượng sóng tiếp diễn.
Như đã trình bày ở phần trước, khi một tế bào khử cực, tiếp sau đó các tế bào khác gần nó khử cực và sinh ra điện trường hoạt hóa hiện tượng khử cực. Theo cách này, quá trình khử cực tiếp diễn giống như sự lan truyền sóng bên trong mô tim.
Quá trình tái phân cực trong một tế bào xảy ra do xung hoạt động chỉ có một khoảng thời gian nhất định; vì vậy tế bào tái phân cực tại một thời điểm nào đó sau quá trình khử cực, chứ không phải do sự tái phân cực của một tế bào gần đó. Nếu xung hoạt động của tất cả các tế bào là các khoảng thời gian bằng nhau thì sự tái phân cực sẽ theo chiều hướng nối tiếp nhau như sự khử cực. Tuy nhiên, trong thực tế, đây không phải trường hợp ở trong cơ tâm thất. Các xung hoạt động của các tế bào thượng tâm vị (trên bề mặt phía bên ngoài) ngắn hơn các xung của tế bào màng trong tim (trên bề mặt phía trong). Bởi vậy đường đẳng thời của các tế bào tái phân cực tiếp diễn từ lá tạng màng ngoài tim đến màng trong tim, dẫn đến ảo tưởng rằng sự tái phân cực tiếp diễn giống như sóng truyền từ lá tạng màng ngoài tim đến màng trong tim.
Nếu hình dạng các xung hoạt động của tim giống nhau, sau quá trình khử cực từ phải qua trái thì quá trình khôi phục (tái phân cực) cũng tiếp diễn từ phải qua trái. Trường hợp này được mô tả trong hình 6.9B được lý tưởng hóa cao, tại đó các tế bào hoạt hóa sớm nhất cần phải khôi phục đầu tiên. Quá trình khôi phục các tế bào tim tương đối chậm, cần đến 100 ms (so với thời gian cần thiết để hoạt hóa hoàn toàn – xấp xỉ 1ms). Vì lí do này, trong hình 6.9B chúng ta mô tả khoảng thời gian khôi phục rộng hơn nhiều khoảng thời gian hoạt hóa.
Cực tính của Vm(x) giảm từ giá trị ổn định +40mV ở phía bên trái xuống giá trị nghỉ -80mV ở phía bên phải (hình 6.9D đường chấm gạch). Một lần nữa phương trình 6.5 được áp dụng trong trường hợp này để biểu diễn thế năng ngoại bào Φo (đường nét đậm) tăng từ âm sang dương. Và nó trải ra trên một vùng cơ tim khá rộng. (trong thực tế nếu sự hoạt hóa chiếm 1mm, tiếp đó sự khôi phục chiếm 100mm thì mối quan hệ được thừa nhận trong hình 6.9B, bởi vì trên thực tế nó bao gồm toàn bộ tim).
Dòng xuyên màng Im có thể được suy ra từ Vm(x) trong hình 6.9D bằng cách áp dụng phương trình 6.6. Được biểu diễn như hình 6.9B, về phía bên phải đường trục đó là hướng ra ngoài (mũi tên dày), và ở phía bên trái là hướng vào trong (mũi tên mỏng). Phần hướng ra ngoài tương ứng với dòng K ra, dựa trên sự tăng nhanh tính thấm của K. Dòng vào là dòng cục bộ. Chiều hướng của dòng xuyên màng trong suốt quá trình tái phân cực gần đúng như hình 6.9F.
Vì vậy, trong suốt quá trình tái phân cực, một lớp kép được hình thành giống như lớp kép được quan sát trong quá trình khử cực. Tuy nhiên, lớp kép trong quá trình tái phân cực có chiều ngược với chiều lớp kép trong quá trình khử cực. Do đó mặt âm của lớp kép trỏ tới điện cực ghi, kết quả là tín hiệu (ECG) âm được ghi (hình 6.9H). Trong cơ tim thật, vì khoảng thời gian thế năng hoạt động tại lá tạng mặt ngoài tim thực sự ngắn hơn ở màng trong tim, pha khôi phục xuất hiện và dịch chuyển từ màng ngoài tim đến màng trong tim ngược với quá trình hoạt hóa (ngược hướng như ví dụ trên).Hệ quả là lưỡng cực khôi phục cùng hướng với lưỡng cực hoạt hóa (ngược lại so với hình 6.9B). Do lưỡng cực khôi phục và hoạt hóa cùng hướng nên ta có thể giải thích rằng tín hiệu ECG khôi phục và hoạt hóa là cùng chiều.
Tài liệu tham khảo
- Durrer D, van Dam RT, Freud GE, Janse MJ, Meijler FL, Arzbaecher RC (1970): Total excitation of the isolated human heart. Circulation 41:(6) 899-912.
- Fozzard HA, Haber E, Jennings RB, Katz AM, Morgan HI (eds.) (1991): The Heart and Cardiovascular System, 2193 pp. Raven Press, New York.
- Hodgkin AL, Rushton WA (1946): The electrical constants of a crustacean nerve fiber. Proc. R. Soc. (Biol.) B133: 444-79.
- Kléber AG, Riegger CB (1986): Electrical constants of arterially perfused rabbit papillary muscle. J. Physiol. (Lond.) 385: 307-24.
- Netter FH (1971): Heart, Vol. 5, 293 pp. The Ciba Collection of Medical Illustrations, Ciba Pharmaceutical Company, Summit, N.J.
- Ruch TC, Patton HD (eds.) (1982): Physiology and Biophysics, 20th ed., 1242 pp. W. B. Saunders, Philadelphia.
- Williams PL, Warwick R (eds.) (1989): Gray's Anatomy, 37th ed., 1598 pp. Churchill Livingstone, Edinburgh.
- Hurst JW, Schlant RC, Rackley CE, Sonnenblick EH, Wenger NK (eds.) (1990): The Heart: Arteries and Veins, 7th ed., 2274 pp. McGraw-Hill, New York.
- Macfarlane PW, Lawrie TDV (eds.) (1989): Comprehensive Electrocardiology: Theory and Practice in Health and Disease, 1st ed., Vols. 1, 2, and 3, 1785 pp. Pergamon Press, New York.
| trang trước | Tim | Trang tiếp |
