Uhonorowanie odkrywcy EKG

Inicjatywę wbudowania i odsłonięcia owej tablicy podjęła światowa organizacja o nazwie IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers, czyli Instytut Inżynierów Elektryków i Elektroników), odgrywająca wiodącą rolę w rozwoju nauki i techniki związanej z elektrotechniką i elektroniką, ale także z informatyką i telekomunikacją, a obecnie również z inżynierią biomedyczną. IEEE inspiruje techniczne nowości, zwłaszcza w informatyce i telekomunikacji, oraz ustanawia normy, które potem są przestrzegane na całym świecie, dzięki czemu komputer wyprodukowany na Tajwanie współpracuje bez kłopotów z amerykańskim dyskiem i niemiecką drukarką.

IEEE wydaje wiele fachowych czasopism, organizuje konferencje na najwyższym poziomie i przejawia ogromną liczbę różnych profesjonalnych aktywności, dzięki którym nasza cywilizacja techniczna wygląda dzisiaj tak, a nie inaczej. Nie mam tu miejsca, żeby nawet w wielkim skrócie opisać, czym jest i co robi IEEE, ale wiedzmy o tym, że m.in. dzięki tej organizacji nasze wyposażenie informatyczne tak dobrze nam służy.

Kamienie milowe IEEE

Obok innych form aktywności IEEE przyznaje także różne odznaczenia i wyróżnienia. Ja sam otrzymałem w 2004 r. medal „For pioneer of neural networks in Poland” przyznany przez IEEE. Ale szczególnie cenionymi wyróżnieniami są IEEE Milestones – tablice upamiętniające osoby, które szczególnie przyczyniły się do rozwoju cywilizacji. W Polsce mamy dwie takie tablice. Jedna upamiętnia dzieło polskich matematyków Mariana Rejewskiego, Henryka Zygalskiego i Jerzego Różyckiego, którzy złamali kod Enigmy i przyczynili się do zwycięstwa aliantów w II wojnie światowej. Druga podkreśla zasługi prof. Jana Czochralskiego, który opracował technikę wytwarzania czystych monokryształów krzemu, niezbędnych do produkcji układów scalonych.

Tablica IEEE Milestone, odsłaniana dzisiaj w Lejdzie, uwiecznia wybitnego holenderskiego fizjologa Willema Einthovena, który opracował metodę elektrycznego śledzenia aktywności serca, będącą podstawą obecnej elektrokardiografii. Odkrywca ten musiał być ogólnie bardzo zdolny, bo gdy w 1885 r. ukończył studia medyczne na uniwersytecie w Utrechcie, to niemal zaraz potem (w 1886 r.) został profesorem na Uniwersytecie w Lejdzie. Ale dziełem jego życia była elektrokardiografia.

Serce i elektryczność

O tym, że pracujące serce wytwarza (jako efekt uboczny swej mechanicznej aktywności) także zjawiska elektryczne, wiedziano już przed pracami Einthovena. Jednak możliwości rejestracji tej elektrycznej aktywności wymagały dołączenia elektrod pomiarowych wprost do serca. Pierwsze takie rejestracje uzyskał w 1887 r. Augustus Waller. Rejestrowanie potencjałów serca przez elektrody umieszczane na tym sercu (przy otwartej klatce piersiowej) było możliwe w przypadku zwierząt doświadczalnych, ale nie w przypadku człowieka. U człowieka podstawą badania musiało być to, co dawało się zarejestrować na powierzchni ciała. Jednak potencjały elektryczne, jakie generuje na powierzchni ciała człowieka pracujące serce, są bardzo słabe. Dzisiaj rejestrujemy je bez trudu, bo mamy elektroniczne wzmacniacze. Ale w 1901 r., kiedy Einthoven prowadził swoje badania, elektronika jeszcze nie istniała.

Holenderski uczony poradził sobie z tym problemem, budując nadzwyczaj czuły miernik prądu elektrycznego, tzw. galwanometr strunowy. Wbrew temu, co można wyczytać w niektórych opisach jego sukcesu, nie był on wynalazcą tego przyrządu. Galwanometr strunowy wynalazł w 1800 r. i zastosował w telegrafii francuski inżynier łączności Clement Adair. Einthoven jednak tak go ulepszył, że mógł on wykrywać nawet słabe prądy pochodzące od potencjałów na kończynach pacjenta, których źródłem było pracujące serce. Był to sukces techniczny, dlatego Einthoven – zgodnie z dzisiejszymi kryteriami – powinien być zaliczony do badaczy uprawiających inżynierię biomedyczną.

W jego przyrządzie badany prąd elektryczny przepuszczano przez cienką strunę umieszczoną w silnym polu magnetycznym. Na skutek znanego już wtedy oddziaływania płynącego prądu i pola magnetycznego (zjawisko to odkrył w 1829 r. Hans Christian Ørsted) struna przesuwała się w szczelinie magnesu, rejestrując natężenie i kierunek płynącego w niej prądu. Te przesunięcia można było rejestrować, ponieważ do struny przymocowane było małe i bardzo lekkie lusterko oświetlone wąskim promieniem świetlnym. Odbity od ruchomego lusterka promień przemieszczał się wraz z jego ruchem i rysował ślad na przesuwanej równomiernie światłoczułej taśmie filmowej. Po chemicznym wywołaniu i utrwaleniu owej taśmy ukazywał się rysunek podobny do tych, jakie kreślą na taśmie papierowej albo na komputerowym ekranie współczesne elektrokardiografy.

Willem Einthoven (1860–1927)

alamy/be&w

Trudności do pokonania

Brzmi to wszystko bardzo prosto, ale szczegóły realizacji tej idei były w 1901 r. niezwykle trudne.

Struna, przez którą przepuszczano prąd, musiała być bardzo cienka (żeby nawet bardzo mała siła ją wyginała), lekka (żeby nie wprowadzała bezwładności do rejestrowanego ruchu) i sprężysta. Wytworzenie drutu metalowego o takich właściwościach było dla metalurgów na początku XX stulecia praktycznie niewykonalne. Einthoven postanowił użyć struny z włókna szklanego pokrytego srebrem (żeby taka struna dobrze przewodziła prąd). Musiał jednak najpierw opracować metodę wytwarzania włókna szklanego o wymaganych właściwościach: bardzo cienkiego, lekkiego i sprężystego.

Nie było to łatwe. Włókna szklane uzyskuje się, zanurzając w tyglu z roztopionym szkłem jakiś pręt, a następnie wyciągając go bardzo szybko. W ten sposób uzyskuje się włókno ciągnące się między powierzchnią roztopionego szkła a końcówką tego pręta. Ponieważ szkło po wyciągnięciu z tygla, gdzie jest topione, i po kontakcie z powietrzem natychmiast zastyga, najważniejsza była duża szybkość wyciągania. Im szybszy ruch, tym cieńsze włókno! Po wielu próbach stwierdzono, że nie da się tak szybko ciągnąć szkła, żeby dostać włókno o tak małej grubości, jaka była potrzebna w galwanometrze do rejestracji potencjałów serca.

I wtedy Einthoven wpadł na pomysł. Zaprosił do laboratorium łucznika, który po naciągnięciu łuku zanurzył koniec strzały w roztopionym szkle i niezwłocznie wystrzelił strzałę przez całą długość pomieszczenia. Po wielu próbach udało się: szybko lecąca strzała pociągnęła za sobą najcieńsze włóko szklane, jakie kiedykolwiek wytworzono. To był centralny element galwanometru Einthovena! Jednak na tym kłopoty się nie kończyły.

Ogromne magnesy i wiaderka dla pacjenta

Żeby przy bardzo słabych prądach (bo te wywoływane przez pracę serca były naprawdę małe!) uzyskać czytelne wychylenia struny, trzeba było stosować bardzo silne pola magnetyczne. Einthoven zlecił wykonanie ogromnych elektromagnesów. Niestety, zużywały one dużo prądu, paskudnie się grzały (wymagały chłodzenia wodnego) i ważyły łącznie – bagatela! – 270 kg. Do ich obsługi potrzebnych było aż pięciu ludzi.

Pacjent też nie miał lekko. Dzisiaj, przy nowoczesnych wzmacniaczach elektronicznych, na obie ręce i lewą nogę pacjenta zakłada się zgrabne elektrody w postaci plastikowych cęgów z metalowymi powierzchniami od strony kontaktu ze skórą. Czasem stosuje się dodatkowo specjalny żel przewodzący, ale to głównie przy tzw. odprowadzeniach przedsercowych, których Einthoven nie stosował. Natomiast żeby używana w badaniach Einthovena aparatura miała dobry kontakt z ciałem badanego pacjenta, obie jego ręce oraz lewa noga umieszczane były w dużych wiadrach z solanką, czyli roztworem dobrze przewodzącym prąd. To z tych wiader doprowadzano napięcie do opisanego wyżej galwanometru i obserwowano przepływ prądu.

Układ wskazanych trzech odprowadzeń do dziś nazywa się „trójkątem Einthovena”. Mierząc zmienne w czasie różnice potencjałów między lewą i prawą ręką, otrzymuje się pierwszy zapis, oznaczony przez Einthovena rzymską cyfrą I. To oznaczenie stosuje się do dziś. Analogiczna zmienna w czasie różnica potencjałów między lewą nogą a prawą ręką tworzy zapis opisywany symbolem II, a zapis oparty na różnicy potencjałów między lewą nogą i lewą ręką oznacza się III. Dodatkowo można tworzyć zapisy aVF, aVL, aVR, które także wymyślił Einthoven, wykorzystywane do dziś, których jednak nie będę tu opisywał, bo wymagałoby to przekazania dodatkowo pewnej wiedzy o elektryczności, na którą nie ma tu miejsca.

Struktura elektrokardiogramu

Zarejestrowanie aktywności elektrycznej serca to jedno, a zrozumienie, co z niej wynika, to drugie. Ogromną zasługą Einthovena było to, że wskazał on elementy EKG związane z kolejnym fazami kompletnej ewolucji serca, tzw. załamki. Symbole wprowadzone przez niego dla poszczególnych załamków (P, Q, R, S, T) są używane do dziś, a ich interpretacja (P – skurcz przedsionków, QRS – skurcz komór, T – repolaryzacja komór), podana także przez Einthovena, była od początku prawidłowa i dlatego jest podstawą elektrokardiografii do dziś.

Odkrywca był utalentowanym i pomysłowym konstruktorem aparatury (ta sztuczka z wyciąganiem włókna szklanego przez lecącą strzałę do dziś zadziwia!), ale głównie był fizjologiem i lekarzem. Gdy tylko uzyskał możliwość rejestracji elektrycznej aktywności serca i zaczął rozumieć, jakie procesy w sercu wiążą się z poszczególnymi elementami tych rejestracji, podjął prace zmierzające do tego, żeby na podstawie sygnału EKG wyciągać wnioski diagnostyczne. Te prace są kontynuowane i doskonalone do dziś.