Promieniowanie elektromagnetyczne prosto z serca!

Wydział Fizyki Politechniki Warszawskiej to zabytkowy, stary, monumentalny budynek, z bardzo (!) wysokimi piętrami. Wejście na jego drugie piętro potrafi zmęczyć, ale to nic przy laborkach z elektrofizjologii – kiedy prowadzący każe studentom biegać góra-dół kilka razy tam i z powrotem. Nie, nie za karę. Trzeba było po prostu zebrać dane pomiarowe z własnego ciała. Norman Jefferies Holter byłby z nas dumny!

Oczywiście z samej bieganiny dużo by nie wynikło, gdyby nie mała kosteczka wręczana studentom, czyli właśnie „Holter” – urządzenie służące do wielogodzinnego (docelowo 24- lub 48-godzinnego) monitorowania czynności elektrycznej serca. Taki przenośny zestaw do EKG z kartą pamięci, w wersji pro wysyłający dodatkowo dane automatycznie na serwer. Przebyliśmy długą drogę od wbijania elektrod w serce żaby w połowie XIX wieku do telemedycyny w wieku XXI. Przyjrzyjmy się kilku etapom tej drogi!

Duch, maszyna czy prąd?

O tym, że funkcjonowanie żywego organizmu jest jakoś powiązane ze zjawiskami elektrycznymi, wiadomo od niecałych trzystu lat. Wcześniej (1662 r.) Kartezjusz postulował, że ruch ciała związany jest z czystą mechaniką dźwigni napędzanych duchem. Ale już kilka lat później Jan Swammerdam fragmentując żabę wykazał, że to nieprawda – mięśnie ewidentnie martwej żaby reagowały na dotyk metalowego skalpela, drżąc (dziś wiemy, że pod wpływem drobnego ładunku elektrostatycznego).

Prace te przeszły bez echa, a przez następne sto lat w temacie prawie nic się nie wydarzyło – poza odrzuceniem hipotezy Edwarda Bancrofta z 1769 r., że pewna ryba z rzędu drętwokształtnych razi prądem. No bo skąd w żywym organizmie wzięłyby się ładunki? Dopiero schwytanie węgorza elektrycznego przez Johna Walsha i pokazywanie ludziom na oczy jak strzela iskrami przekonało ludzi do tej koncepcji! W tym momencie nadchodzi Luigi Galvani, który pokazuje eksperymentalnie w 1786 roku nie tylko, że mięśnie żaby się kurczą gdy przepływa przez nie prąd, ale też dokonuje obserwacji, że mięśnie te kurczą się, gdy w okolicy jest burza z piorunami! Do odkrycia „fal elektromagnetycznych” przez Herza minie jeszcze kolejnych 100 lat.

EKG – od żab do Holtera

Galvani to punkt zwrotny – bo skonstruował galwanometr, bardzo czuły przyrząd do pomiaru elektryczności. Chwilę potem Alessandro Volta robi pierwsze ogniwo galwaniczne. Zaczyna się wiek XIX i prace nad elektrycznością gwałtownie przyspieszają. W 1838 Carlo Matteucci pokazuje, że przepływ prądu towarzyszy biciu serca! Wiecie, co było detektorem elektrycznym? Wycięty z nogi żaby nerw, podłączony jednym końcem do mięśnia. Dużo się wydarzyło w dalszej części stulecia, w zakresie ulepszania aparatury pomiarowej, aż w 1887 roku Augustuts D. Water zaprezentował pierwszy zapis czynności elektrycznej ludzkiego serca, a w 1893 Willem Einthoven wprowadza pojęcie elektrokardiogramu, czyli EKG (po angielsku: ECG). Później wprowadzając stosowany do dziś zapis PQRST.

Przeskakując o 50 lat dalej – Norman Jeffries Holter wpada na pomysł, żeby EKG wykonywać w sposób ciągły. W 1949 publikuje pracę, w której opisuje zbudowaną przez siebie aparaturę ważącą 38 kg. Dziś mamy holtery za 500 zł ważące 106 gramów (bez baterii). Jest postęp! Ale nie tylko w samej technologii urządzeń, również w analizie otrzymywanych danych: pierwsze holtery odsłuchiwało się przez radio! Lekarz słuchał rytmu nagrania, 24h słuchało się w godzinę, przyspieszając pięćdziesięciokrotnie nagranie i zwalniając na odstające fragmenty. Co zmieniło się od tego czasu?

Obliczeniowe EKG i bijące serce płodu

Długotrwałe zapisy EKG to duże pliki i bardzo duża ilość danych. Oczywiście, że lekarz „słuchający” nagrania wyłapie tylko względnie duże zmiany w rytmie. Lekarz patrzący na wyniki drukowane rysikiem na papierze milimetrowym powie dużo więcej. Może nawet wziąć linijkę i zmierzyć czas pomiędzy skurczami, mierzyć ich częstotliwość i amplitudę. Ale dopiero wrzucenie tych danych do komputera sprawia, że możemy robić porządne analizy statystyczne. Dziś ilościową analizą sygnałów EKG zajmują się specjaliści od analizy danych, w tym fizycy.

Przykład – na Wydziale Fizyki Politechniki Warszawskiej działa Zakład Fizyki Układu Krążenia, współpracujący między innymi z Instytutem Kardiologii w Aninie. Analiza EKG pacjentów poddawanych testom pionizacyjnym (czyli obserwowaniu jak ludzie przywiązani do stołu mdleją po gwałtownym przekręceniu stołu) wyjaśnia czy pacjent ma zaburzenie kardiologiczne czy neurologiczne. Zwężanie aorty czy arytmię można wykryć w sygnałach jeszcze zanim schorzenia te dadzą jakiekolwiek zewnętrzne objawy zauważalne przez pacjenta lub lekarza. Tworzone są modele serca pozwalające wykonywać symulacje takich procesów, jak powstawanie nierytmicznych skurczy serca wokół blizny pooperacyjnej lub zawałowej. Serce płodu też bije – można odczytać je robiąc EKG przez brzuch matki, eliminując numerycznie z sygnału bicie serca matki. Wszystko to nie byłoby możliwe, bez nie tylko rozwoju sprzętu do pomiaru, ale przede wszystkim bez rozwoju metod komputerowej analizy danych.

A wszystko to i tak tylko nakładające się pola elektryczne.

Źródła:

1. Artykuł Holtera: Rocky Mountain medical journal, Rocky Mt Med J. 1949 Sep;46(9):747-51. Remote recording of physiological data by radio. HOLTER NJ, GENERELLI JA.
2. Holter – jego historia i historia urządzenia: Cardiology Journal, 2009, Vol. 16, No. 4, pp. 386–387, Copyright © 2009 Via Medica ISSN 1897–5593
3. Gawłowska, Joanna; Jerzy Krzysztof Wranicz (2009). „Norman J. „Jeff” Holter (1914–1983)” (PDF). Cardiology Journal. 16 (4): 1–2.
4. Konkurs na EKG płodu: https://physionet.org/content/challenge-2013/1.0.0/
5. Praca Piotrka Podziemskiego i Janka Gierałtowskiego: http://www.cinc.org/archives/2013/pdf/0333.pdf
6. Zakład Fizyki Układu Krążenia: http://www.if.pw.edu.pl/~zak1www/index.php?page=pracownia-fizyki-ukadu-krenia-czowieka
7. Historia EKG: https://ecglibrary.com/ecghist.html, https://link.springer.com/article/10.1023/A:1023667812925