Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA & Štefánikova hvězdárna v Praze Číslo 7 (vyšlo 16. února), ročník 5 (2007) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

7/2007

Vítězslav Kříha: Defibrilace

Česká republika se pomalu zařazuje mezi země, kde se můžeme na veřejně přístupných místech s očekávaným větším množstvím osob setkat se symbolem srdce v kroužku s bleskem v popředí. Tímto symbolem se označuje umístění automatického externího defibrilátoru (AED)AED – Automatický Externí Defibrilátor, malý kufřík, se kterým se můžete setkat na letištích nebo ve větších institucích a obchodních domech, který je označen symbolem srdce v kroužku s bleskem v popředí. Slouží k obnově funkce srdce za pomoci elektrického impulzu. Použití je usnadněno pomocí hlasových pokynů. Úkolem zachránce je správně přilepit elektrody na tělo pacienta. AED sám změří a vyhodnotí elektrickou aktivitu srdce pacienta a umožní průchod proudu tělem pacienta jen v případě, kdy to bude mít léčebný efekt.. Do stavu, kdy bychom však na těchto místech AED předpokládali stejně samozřejmě, jako toalety, hasicí přístroje či únikové východy je však zatím daleko. Má-li být rozmístění AED smysluplné, musí totiž v případě potřeby jejich použití vedle jejich dostupnosti být po ruce někdo, kdo ví, k čemu se používají, nebojí se je použít a má alespoň hrubou představu o tom, jak je má použít.

Při včasném použití AED při poskytování předlékařské první pomoci pacientům se srdečním selháním se výrazně zlepšuje šance nejen na přežití, ale i na nezměněnou kvalitu života. Už to samo o sobě činí fyziku spojenou s defibrilací tématem hodným zájmu.

Pochopení funkce defibrilátoruDefibrilátor – lékařský přístroj schopný za pomoci elektrického impulzu obnovit funkci srdce. Srdeční sval musí být okysličený a nepříliš poškozený například infarktem či zraněním. Jeho použití je součástí kardiopulmonální resuscitace. se odvíjí od porozumění činnosti zdravého srdce. U fyziologieFyziologie – vědní obor studující podstatu funkce živých organismů z hlediska fyzikálního, molekulárně-biologického, biochemického a kybernetického. obecně, u elektrofyziologie zvláště, je velice obtížné najít hranici mezi fyzikou a biologickými vědami. Naštěstí pro všechny, kterým včasná defibrilace zachránila život, ji tvůrci defibrilátorů nehledali. Nebudu ji tedy hledat ani já.

Mechanická činnost zdravého srdce

Srdce je dutý svalový orgán, který plní funkci tlakového a objemového čerpadla krve. Ve skutečnosti jde o čtveřici čerpadel, kdy paralelně pracují dvě dvojice čerpadel zapojené do série. Z žil velkého (tělesného) oběhu je odkysličená krev pumpována pravou síní do pravé komory, souběžně s tím z plicních žil (malého oběhu) je okysličená krev pumpována levou síní do levé komory. Následuje stah obou komor, kdy pravá komora vypudí odkysličenou krev do malého oběhu a levá komora okysličenou krev do tepen velkého oběhu včetně koronárních tepen, které okysličenou krví zásobují samotné srdce.

Všemi čtyřmi čerpadly musí pochopitelně za delší časový úsek protéci stejný objem krve, jinak by docházelo k jejímu hromadění. Rozdíl mezi nimi je však v tlaku, který musí vyvinout. Komory krev nasávají v době, kdy jsou uvolněné a stah síní napomáhá jejich plnění. Síně při svém stahu prakticky nevytvářejí tlakový rozdíl. Pravá komora musí vyvinout zhruba přetlak 3,3 kPa, levá komora 16 kPa. Tomu odpovídá i tloušťka svaloviny jednotlivých oddílů srdce i nároky na zásobení kyslíkem. Vzhledem k tlaku vyvíjenému při stahu je pro krevní zásobení komor důležité uvolnění stahu srdeční svaloviny.

Kyslík z okysličené krve v dutině levé komory mohou čerpat pouze nejvnitřnější vrstvy její svaloviny, ostatní svalovina je zvnějšku zásobena cévami jako jakýkoli jiný orgán v těle. Komora sama je tak vlastně z hlediska zásobení kyslíkem závislá na své vlastní činnosti. Při přerušení dodávky kyslíku části srdečního svalu nejprve ustává schopnost buněk stahovat se, pokud poté nedojde k jejímu obnovení, dochází postupně k odúmrtí buněk.

Svalové buňky si lze v prvním přiblížení představit jako válce, které jsou svými základnami pevně spojeny se základnami sousedních válcových buněk. Buňky jsou schopny zkracovat se podél své osy a výsledně tvoří dlouhé vlákno, které může měnit svoji délku díky zkracování jednotlivých buněk. V druhém přiblížení zjistíme, že není vzácná situace, kdy srdeční svalové buňky se na konci rozštěpí a spojují se nejen se základnou buňky ve svém vláknu, ale i se základnou buňky v sousedním vláknu a vytvářejí tak příčné můstky.

Při plnění komor a při jejich vyprazdňování se směr proudění krve obrací, neboť vtokové a výtokové části se nacházejí vedle sebe. Ve vtokových částech komor jsou cípaté chlopně, tyto zabraňují při stahu vypuzování krve do síní, ve výtokových chlopně poloměsíčité, jež zabraňují mimo stah návratu krve do komory z velkých tepen. Síně mají zhruba polokulovitý tvar a při stahu jednotlivých buněk se krev pohybuje směrem k cípatým chlopním. Komory tvoří zhruba kužel, který se při stahu nejprve zkracuje. Chlopně poloměsíčité i cípaté se tím posouvají směrem k vrcholu. Dutina levé komory se přibližuje ke kouli, což v souladu s Laplaceovým zákonemLaplaceův zákon – napětí stěny roztaženého dutého tělesa je přímo úměrné součinu tlaku uvnitř telesa a poloměru křivosti tělesa a nepřímo úměrné tloušťce stěny. Pro kulovou vrstvu má tvar T = Pr/2h, kde T je napětí stěny, P je tlak uvnitř dutiny, r je poloměr dutiny a h je tloušťka stěny. snižuje práci potřebnou k vytlačení krve. Cirkulární stahování svaloviny poté postupuje od vrcholu k základně. Při překročení tlaku v plicniciPlicnice – hlavní tepna plicního oběhu a srdečniciAorta – srdečnice, největší tepna s vnitřním průměrem až 10 milimetrů. se otevírají poloměsíčité chlopně a krev začíná proudit do velkých tepen.

Elektrická činnost zdravého srdce

Srdeční svalovina si sama vytváří a rozvádí elektrické vzruchy, které vyvolávají stahy svaloviny. To pochopitelně neznamená, že by činnost srdce nebyla ovlivňována nervovým systémem. (Což by ostatně bylo v rozporu s empirickými zkušenostmi, jakou je například zrychlení pulsu pod vlivem emocí. Toto ovlivnění se odehrává nepřímo, podněty z nervové soustavy mění vlastnosti svalových buněk.) Důležitou vlastností srdeční svaloviny je skutečnost, že její buňky jsou navzájem spojeny vodivými můstky ve svých základnách, což umožňuje přenos elektrického vzruchu podél vlákna a díky příčným můstkům i na vlákna sousední.

Vnitřek buňky srdeční svaloviny (kardiomyocytu) je vodivým prostorem ohraničeným relativně nevodivou buněčnou membránou. I na druhé, mimobuněčné, straně membrány je vodivá tekutina. Změna potenciálu na membráně se uskutečňuje na molekulární úrovni selektivním přesunem vybraných druhů iontů na jednu či druhou stranu membrány. Membrána přechází mezi dvěma důležitými elektrickými stavy: klidovým, kdy je potenciál uvnitř buňky o několik desítek milivolt nižší než vně a aktivovaným, kdy je potenciál uvnitř kardyomyocytu o jednotky milivoltů vyšší než vně buňky. Vzhledem k tomu, že polarita napětí na buněčné membráně se mění, budeme nadále bez ohledu na hodnotu potenciálu pod depolarizací membrány rozumět kladnou změnu potenciálu uvnitř buňky a pod repolarizací zápornou změnu tohoto potenciálu.

K přechodu membrány do aktivovaného stavu dochází, jestliže se velikost záporného potenciálu uvnitř buňky depolarizací zmenší pod určitou prahovou hodnotu, spouštěcí úroveň. Názorně si to můžeme ukázat na příkladu s konkrétními čísly: Výchozí klidový nitrobuněčný potenciál polarizované membrány je −80 mV. Velikost tohoto potenciálu se v absolutní hodnotě sníží až na −65 mV. V tomto okamžiku se dosáhne spouštěcí úrovně a buňka přejde do aktivovaného stavu s překmitem potenciálu do +30 mV. Potenciál se poté postupně ustálí na +8 mV, které odpovídají depolarizovanému stavu buňky. Referenčním bodem potenciálu je tekutina vně buňky. Pro přechod buňky do aktivovaného stavu je důležitý rozdíl potenciálů na buněčné membráně, nikoli absolutní potenciál vůči vzdálenému bodu.

V aktivovaném stavu membrána setrvává po určitou dobu (od desítek do 200 až 300 milisekund) a poté samovolně přejde zpět do polarizovaného stavu. Zatímco přechod do aktivovaného stavu je velice rychlý (jednotky milisekund) a změna stavu membrány pobíhá prakticky skokem, návrat do klidového stavu, repolarizace, probíhá během desítek milisekund a stupeň polarizace membrány se postupně mění.

Dominantními nosiči náboje, které uskutečňují děje depolarizaceDepolarizace – depolarizace buněčné membrány. Uvnitř buňky v klidovém stavu je potenciál nižší než v prostředí vně buňky. Depolarizace buněčné membrány je děj, při kterém se snižuje rozdíl potenciálů na vnitřní a vnější straně buněčné membrány. V průběhu tohoto děje může dojít k transpolarizaci, kdy je uvnitř buňky vyšší potenciál než vně. Depolarizace membrány je obvykle spojena s aktivací buňky. i repolarizaceRepolarizace – repolarizace buněčné membrány. Repolarizace buněčné membrány je děj následující po depolarizaci, vedoucí k obnovení záporného potenciálu uvnitř buňky vůči vněbuněčné tekutině. V průběhu tohoto děje může dojít k hyperpolarizaci, kdy je uvnitř buňky nižší potenciál než je potenciál buňky v klidovém stavu. jsou kladné ionty, které proudí buď do buňky (depolarizace) nebo ven z buňky (repolarizace). Přesun kationtu z mimobuněčné tekutiny do buňky depolarizuje membrány dvojím způsobem: přibyl kladný náboj uvnitř buňky a zároveň ubyl kladný náboj vně buňky. Úbytek kladného náboje vně zároveň depolarizuje i přilehlé membrány všech okolních buněk, které tento mimobuněčný prostor sdílejí. Ovlivnění okolních buněk však probíhá i díky nadbytku kladného náboje uvnitř buňky. Vzhledem k vodivému spojení kardiomyocytů vzniká rozdíl potenciálů mezi sousedními buňkami, následovaný lokálními proudy, které přenáší kladný náboj do okolních buněk. Lokální proudy pochopitelně tečou i pod účinkem gradientu potenciálu v mimobuněčné tekutině. Lokální proudy uvnitř i vně buněk sice z jedné strany umožňují šíření depolarizace (i repolarizace) do okolí, na druhé straně se výchozí nerovnovážný náboj v čase rozprostírá do většího objemu a tím se snižuje jeho účinek. Vnitřek buňky je v tomto ohledu díky uspořádání buněk do vláken do určité míry zvýhodněn oproti mimobuněčné tekutině.

Výsledný efekt depolarizace membrány je otázkou míry podnětu a stavu membrány. Aktivovaná membrána je již depolarizována a na další depolarizaci nereaguje. U membrány v klidovém stavu je možný dvojí vývoj: Pokud depolarizace membrány nestačí na přechod membrány do aktivovaného stavu, účinkují lokální proudy jako záporná zpětná vazba a zabraňují skládání v čase náhodně vzniklým depolarizacím. Pokud depolarizace překročí spouštěcí úroveň, rychlý a masivní přesun kationtů do buňky vyvolá přechod do aktivovaného stavu jak přilehlých částí membrány téže buňky, tak i membrán okolních buněk. Lokální proudy pak spolu s aktivací membrán účinkují jako kladná zpětná vazba a do okolí se šíří vlna depolarizace. Zajímavé je chování membrány při přechodu z aktivovaného stavu zpět do klidového stavu. V časných stádiích se chová stejně jako aktivovaná membrána a na jakoukoli depolarizaci nereaguje. V pozdějších fázích je možný přechod zpět do aktivovaného stavu, ale depolarizace nutná k této změně stavu musí být výraznější.

Pro názornost si lze situaci představit jako hořící pole s obilím: jakmile dojde k změně stavu, požár se šíří od místa vzniku (→ vlna depolarizace). Spáleniště nezapálí ani velký žár (→ depolarizovaná membrána). Dokud obilí klíčí v zemi, stále nehoří (→ časná repolarizace). K zapálení zeleného obilí je potřeba vyšší teploty (→ pozdní repolarizace).

Svalové buňky jsou specializovány buď na tvorbu a vedení depolarizační vlny, ty tvoří převodní systém srdeční, nebo na své zkrácení, pak tvoří pracovní svalovinu. Membrána buňky převodního systému se v klidovém stavu samovolně depolarizuje a po dosažení spouštěcí úrovně se přechodem do aktivního stavu stává zdrojem vlny depolarizace. Ve směru obvyklého vedení vlny depolarizace postupně narůstá doba, po kterou se membrána samovolně depolarizuje až do spouštěcí úrovně. Tím se vytváří hierarchické uspořádání převodního systému: vlna depolarizace vybuzená hierarchicky nadřazenými buňkami převodního systému převede do aktivovaného stavu podřízené buňky. Pokud vlny depolarizace z nadřazené oblasti srdce nepřicházejí, membrána buňky již má dostatek času na depolarizaci do spouštěcí úrovně a sama se stává nadřazeným centrem, ovšem frekvence, se kterou vznikají vlny depolarizace, je nižší.

Vrátíme-li se k naší analogii s hořícím polem, převodní systém odpovídá staré navrstvené slámě, ve které může dojít k samovznícení. V kterémkoli místě může vzniknout požár, ohnisko se vytvoří tam, kde se v důsledku tlení nejdříve překročí zápalná teplota. Ostatní slámu zapálí již vzniklý požár. V závislosti na složení se podél slámy požár může šířit jak rychleji, tak pomaleji než mezi volně rostoucími klasy.

Buňky pracovní svaloviny při příchodu depolarizační vlny přecházejí z klidového stavu do aktivovaného, takže se účastní šíření depolarizační vlny, ale za normálních okolností se samovolně nedepolarizují a nevytvářejí zdroj depolarizační vlny. Přechod z klidového stavu do aktivovaného je spouštěcím signálem pro zahájení stahu svalové buňky pracovní svaloviny. Místa pracovní svaloviny, do kterých přišla vlna depolarizace, se začínají stahovat. Samotné trvání stahu již není dáno stavem polarizace buňky.

Až dosud jsme předpokládali, že membrána kardiomyocytů reaguje na překročení spouštěcí úrovně v libovolné místě. Ve skutečnosti tento pohled odpovídá zhruba rozlišení světelného mikroskopu. Je pochopitelné, že na rozměrech v řádu desítek nanometrů tento předpoklad platit nemůže. Jednak by bylo obtížné realizovat membránu s potřebnými vlastnostmi, především by však tento systém byl velice nestabilní díky citlivosti k malým fluktuacím. Buněčná membrána na svoji depolarizaci reaguje diskrétně v místech nazývaných napěťově řízené iontové kanály. Toto diskrétní uspořádání spouštěcích míst umožňuje lokálním proudům realizovat zápornou zpětnou vazbu.

Šíření vzruchů v srdeční svalovině

Nejvýše nadřazená část převodního systému s nejkratší dobou samovolné depolarizace se nachází ve stěně pravé síně a označuje se jako SA (sinoatriální) uzel. Z tohoto místa se vzruchy šíří po svalovině srdečních síní jak podél provazců z buněk převodního systému, tak pracovní svalovinou. Zamyslíme-li se nad mechanickou činností srdce, je jasné, že vzruch z síní se nemůže šířit bezprostředně ze síní na komory a to ze dvou důvodů. Prvním z nich je, že stah síní musí předcházet stah komor. Druhým je skutečnost, že komory se při stahu jak zkracují, tak zužují. Svalové buňky vytvářejí vlákna a při stahu každé jednotlivé buňky se délka těchto vláken zkracuje. K zajištění potřebných pohybů ve svalovině komor vlákna musí být uspořádána buď v jedné vrstvě podélně a v druhé cirkulárně nebo musí být vlákna uspořádána do zužující se šroubovice. Pokud by se kužel srdečních komor zaškrcoval od základny k vrcholu, přinejmenším by zvyšoval odpor proudění krve od vrcholu k základně. Především by byly neúměrně namáhány buňky v oblasti vrcholu kužele – srdečního hrotu.

Nepřekvapí nás proto, že svalovina komor je od svaloviny síní oddělena vazivovou tkáni, která zabraňuje šíření vlny depolarizace ze síní na komory. Převod vzruchu na komory se uskutečňuje prostřednictvím vodivého můstku z buněk převodního systému. Projděme si šíření vzruchů ve svalovině zdravého srdce na schématické animaci (na těchto obrázcích nejsou zohledněny tvarové změny srdce ani šíření vzruchu vrstvou srdeční stěny). Depolarizovaná oblast je označena zeleně:

Ve výchozím stavu jsou všechny buňky v klidovém stavu Buňky v SA (sinoatriálním) uzlu se samovolně depolarizují. Začíná se šířit vlna depolarizace od SA uzlu ve stěnách svaloviny síní. Depolarizace se rozšířila po celé svalovině síní. V buňkách převodního systému, označovaném jako AV (atrioventrikulární) uzel se vlna depolarizace šíří pomaleji něž svalovinou, což zajišťuje zpoždění stahu komor oproti stahu síní. Depolarizace se šíří skrz vazivovou přepážku. Rychlost šíření depolarizační vlny je zde nejnižší z celého převodního systému. Dále se vlna depolarizace šíří přepážkou mezi oběma komorami. Depolarizace mezikomorové přepážky umožňuje zkrácení srdečních komor. Depolarizace se šíří po svalovině komor od hrotu k výtokové časti. Síně se začínají repolarizovat. Celé komora je depolarizovaná, síně se postupně repolarizují. Komory se postupně depolarizují do výchozího stavu.

Defibrilace

Defibrilace je léčebný úkon, který je určený k přerušení nezdravé elektrické aktivity srdeční svaloviny s cílem vytvořit podmínky pro obnovení funkční elektrické aktivity srdce. Cílem je dosáhnout depolarizace srdeční svaloviny jako celku při zachované schopnosti srdeční svaloviny vytvářet a vést elektrické vzruchy a vykonávat mechanickou práci. Tento stav umožní pravidelné vytváření vzruchů v převodním systému, jejich převod na komory a následné pravidelné stahy srdeční svaloviny. Defibrilace nemůže pomoci, pokud již srdce není schopno vlastní elektrické aktivity. (Byť je to v seriálech z lékařského prostředí oblíbené.)

Příklady nezdravé elektrické aktivity srdce jsou komorová tachykardie a fibrilace komor. Při komorové tachykardii se srdce stahuje s vysokou frekvencí, která může dosahovat i hodnot, kdy se srdce nestačí plnit dostatečným množstvím krve. Mechanizmus jejího vzniku si lze představit kroužením vzruchu po komoře: vlna depolarizace dospěje do místa, které je již v pozdní fázi repolarizace a při příchodu vlny depolarizace se znovu depolarizuje. Komorová fibrilace je stav, kdy se vlny depolarizace šíří po komoře zcela chaoticky, náhodně se sčítají a aktivují oblasti v pozdní fázi repolarizace. Tento stav vede ke zcela nefunkčním stahům svaloviny. Komorová tachykardie může spontánně přejít do normálního srdečního rytmu, ale také může vyústit ve fibrilaci komor. Neléčená fibrilace komor vede k smrti.

Při defibrilaci přes srdeční sval prochází elektrický proud, obvykle z elektrod umístěných na hrudník pacienta. Je pochopitelné, že makroskopický proud přes srdeční sval omezí vliv lokálních proudů, které napomáhaly udržení nezdravé elektrické aktivity. Při průtoku proudu srdcem se vytváří gradient potenciálu a tím se jednak změní polarizace membrán, jednak je elektrické pole orientováno ve směru fyziologického průchodu depolarizační vlny, což napomáhá blokovat kroužení depolarizační vlny.

V první generaci defibrilátorů se výboj uskutečňoval pouhým vybíjením kondenzátoru přes tělo pacienta. Současné přístroje mění polaritu výboje (bifázické , trifázické, případně polyfázické defibrilátory), zohledňují impedanci hrudníku pacienta, používají optimálně řízené pulsy. Všechna tato zlepšení směřují ke snížení napětí a energie potřebných k zajištění léčebného efektu, a tím omezují případné poškození buněčných struktur následkem průchodu proudu.

Přes široké rozšíření defibrilátorů v klinické praxi a úspěšnost léčby v rámci předlékařské první pomoci při použití automatických externích defibrilátorů, musíme konstatovat, že přesný mechanismus defibrilace není dosud znám a je stále předmětem výzkumu. Využití defibrilátorů se tedy značnou měrou opírá o empiricky získané poznatky. Výzkum je orientován jednak na experimentální a numerické modely defibrilace, jednak na zpracování záznamů z provedených defibrilací.

Velice důležitým při použití defibrilátorů je časový faktor. Srdce, jehož elektrická aktivita nestačí k zajištění oběhu, se samo ocitá v bludném kruhu. Při nedostatečném zásobení kyslíkem svalovina přestává být schopna vlastního energeticky náročného provozu a to jak mechanické práce (buňky se přestávají stahovat a tím nemohou vypuzovat okysličenou krev, kterou samy potřebují pro to, aby se mohly stahovat) tak i vytváření rozdílných koncentrací iontů uvnitř a vně buňky (což mění elektrické vlastnosti svaloviny). Čím později je defibrilace provedena, tím nižší je pravděpodobnost její úspěšnosti. Zároveň s tím trpí nedostatkem kyslíku mozek a záhy v něm dochází k nevratným poškozením. Z tohoto hlediska je velice důležité správné provádění umělého dýchání a nepřímé srdeční masáže před vlastním použitím defibrilátoru.

Z tohoto hlediska je vhodné rozmístění automatické externí defibrilátorů významným organizačním opatřením, neboť umožňuje aplikovat léčebný puls v prvních minutách, kdy jde o všechno. Zkušenosti lékaře v tomto případě nahrazuje expertní systém přístroje. Zachránci přístroj dává slovní pokyny, kterými jej provází při poskytování pomoci. Po nalepení elektrod na hrudník pacienta je přístrojem vyhodnocena elektrická aktivita srdce a o spuštění léčebného pulsu rozhoduje přístroj, nikoli zachránce. (O neuskutečnění doporučeného výboje teoreticky může záchrance rozhodnout, neboť některé přístroje z bezpečnostních důvodu spouštějí doporučený puls až po stisknutí tlačítka, kdy je jisté, že se pacienta nikdo ze zachránců nedotýká. Prakticky je AED na místě jediný, kdo mluví klidným hlasem, takže jej záchrance poslechne.) Vzhledem k závažné prognóze pozdě léčené komorové fibrilace je chybou AED nepoužít, pokud je k dispozici.

Klip týdne: Srdce

Srdce. Záznam z chirurgické operace srdce. Dobře jsou patrné pohyby lidského srdce, neúnavné pumpy rozvádějící krev po těle. Animace je vhodná jen pro dostatečně otrlé čtenáře. (avi, 5 MB). Zdroj: Dr. D. John Doyle, Cleveland Clinic, Cleveland, Ohio.

Odkazy

Fórum – diskuze k tomuto bulletinu