Biopotenciais e o ECG

Prof. Theo Z. Pavan Departamento de Física - Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras de Ribeirão Preto-USP

Introdução à Instrumentação Biomédica

Introdução

Monitoramento de fenômenos bioelétricos é usado como método diagnóstico.

Entre esses métodos podemos citar:

Eletroencefalograma (EEG)

Eletrocardiograma (ECG)

Eletromiograma (EMG)

Eletroretinograma (ERG)

Membrana celular

As células são envolvidas por uma membrana com espessura de 7 a 10 nm que separa o meio intra e extra celular. Essa membrana é composta por uma bicamada de lipídeos impermeável a ânions orgânico. O lipídeo é composto de uma porção polar e uma porção apolar. Nas membranas existem proteínas responsáveis pela permeabilidade da membrana plasmática a diferentes íons (K+, Na+, Cl-, Ca++ ,etc...). Isso permite à célula manter diferentes concentrações iônicas entre os meios intra e extracelular.

O interior de uma célula tem um potencial menor que o seu exterior.

Potencial de membrana

Membrana

Meio exterior

Os íons mais relevantes são K+, Na+ e Cl-. O

K+ é mais concentrado no meio intracelular e

Na+ e Cl- mais concentrados no meio

extracelular.

(mM)

Potencial de membrana

No estado de repouso, a membrana é pouco permeável ao íon Na+ e quase livremente permeável aos íons K+ e Cl-. A permeabilidade de uma membrana em repouso ao íon potássio (PK) é aproximadamente 50 a 100 vezes maior do que sua permeabilidade ao íon sódio (PNa). Suponha que temos uma célula cuja membrana seja permeável somente ao íon K+. Como o K+ está mais concentrado dentro da célula, esse íon tende a sair por difusão seguindo seu gradiente de concentração (gradiente químico), resultando na saída de cátions do interior da célula.

Potencial de membrana

O gradiente químico do K+ gera um gradiente elétrico (separação de cargas) através da membrana.

Quanto maior o efluxo de K+, maior será esse gradiente elétrico.

Portanto, aumento na força que tende a restringir a saída de K+. Essa força é de origem elétrica e surge da atração que as cargas negativas do lado interno da membrana exercem sobre as cargas positivas.

Potencial de membrana

Esse íon (K+) sai da célula até que a força de difusão que o empurra para fora se iguala à força elétrica que o atrai.

O processo de saída de K+ é auto limitante, pois cria uma outra força (atração eletrostática) que o limita e também que esse processo gera uma diferença de potencial elétrico.

Adaptado de apostila do Laboratório de Biofísica de Membranas

Potencial de membrana

Eletricamente, a membrana pode ser considerada um capacitor.

Possui carga e seu interior é composto por um material dielétrico lipoproteico.

O que inibe o fluxo de K+ para seu exterior e o fluxo de Cl- para seu interior.

Equação de Nernst

O potencial de membrana no equilíbrio para um íon específico pode ser calculado por meio da equação de Nernst:

EK é o potencial de equilíbrio para o íon K+, R é a constante dos gases, T

a temperatura em graus Kelvin, z a valência do íon, F a constante de Faraday

e [K+]ext e [K+]int são as concentrações de K+ fora e dentro da célula,

respectivamente.

Potencial de membrana

O potencial de membrana será mais próximo ao potencial de Nernst para os íons possuem maior permeabilidade.

Para membrana permeável somente a K+, o potencial de membrana seria de -75 mV. Esse é o potencial de equilíbrio do K+.

Mas a membrana é permeável a mais íons.

Equação de Goldman, Hodgkin e Katz

Para membrana permeáveis a dois ou mais íons usa-se a equação de Goldman, Hodgkin e Katz (GHK) para calcular o potencial de membrana:

PK é a permeabilidade ao íon K+, PNa é a permeabilidade ao íon Na+, PCl é

a permeabilidade ao íon Cl- e suas respectivas concentrações nos meios

intra e extracelular.

Bomba de sódio e potássio

Para manter o estado de repouso é preciso que íons sejam transportados contra o gradiente eletroquímico.

Bomba de Sódio e Potássio.

Esse é um transporte ativo de Na+ para fora da célula e K+ para dentro. (Razão 3Na+:2K+).

Uso de ATP.

Potencial de ação

Em seu estado de repouso, uma célula é dita polarizada.

Uma célula excitável pode conduzir um potencial de ação quando adequadamente estimulada.

Potencial de ação é conhecido como potencial “tudo ou nada”, pois acontece somente se um determinado limiar é atingido.

Potencial de ação

Uma característica das células excitáveis é que uma despolarização (alteração da voltagem transmembrana para valores menos negativos) aumenta a permeabilidade da membrana ao sódio (PNa).

A permeabilidade ao potássio também depende do potencial de membrana.

Este aumento no número de cargas positivas no intracelular despolariza ainda mais a membrana, aumentando probabilidade de abertura dos canais para Na+. Este ciclo se repete num “feedback positivo”. Esse fenômeno é transitório.

Potencial de ação

Nesse sentido o potencial tenderia a atingir o potencial de Nernst para o Na+.

Aproximadamente 60 mV.

Isso não acontece:

A permeabilidade do sódio é também dependente do tempo.

Mais lentamente ocorre um pequeno aumento na permeabilidade do K+.

Potencial de ação

Propagação do potencial de ação

Portanto, uma alteração no potencial transmembrana, se constitui em um sinal elétrico.

Esse sinal não fica restrito ao sítio do estímulo; ao contrário, se propaga à distância.

Anatomia e fisiologia básica do coração

Átrios Cavidades responsáveis

por armazenar sangue.

Ventrículos Cavidade de onde o

sangue é bombeado a todo corpo.

Diástole Fase de repouso, na

qual o coração é preenchido por

sangue.

Sístole Fase de contração, na

qual o sangue é bombeado.

Anatomia e fisiologia básica do coração

Átrios devem se contrair de cima para baixo para levar o sangue para os ventrículos.

Os ventrículos se contraem de baixo para cima para bombear o sangue para o corpo.

Nó SA - Marcapasso

O nó sinoatrial ou nó SA é o marcapasso do coração.

As células do nó SA são responsáveis pela excitação inicial responsável pela propagação do potencial de ação pelo coração. Isso acontece de maneira bem sincronizada.

Potencial de ação de células do miocárdio

http://www.youtube.com/watch?v=FdIpQB9-yq4&feature=relmfu

Propagação do potencial de ação no miocárdio

A propagação desse potencial de ação possui um caminho bem particular.

A despolarização dos átrios tem um sentido bem determinado. Se propaga lateralmente e em direção aos ventrículos.

A despolarização dos ventrículos se propaga de maneira que os ventrículos se contraiam de “baixo para cima”.

Despolarização dos átrios

http://www.youtube.com/watch?v=uQICEUZtI14&feature=relmfu

Átrio direito

Átrio esquerdo

Nó átrio ventricular (AV)

Responsável por transmitir o potencial de ação dos átrios

para os ventrículos Tecidos fibrosos

não conduz

Vetor resultante

Septo do miocárdio

O vetor resultante da despolarização dos ventrículos é o maior durante o processo de propagação do potencial de ação. Isso porque os ventrículos e suas paredes são consideravelmente maiores que os átrios. Sendo a parede do ventrículo esquerdo a maior delas.

Após a despolarização dos ventrículos,

ocorre sua repolarização.

Potenciais de superfície

Essa sequência de ativações levam ao aparecimento de correntes que fluem na região torácica.

O ECG representa os potenciais medidos na superfície do corpo nessa região.

O coração é visto como um dipolo elétrico equivalente.

Triângulo de Einthoven Lead I

Lead II Lead III

Por convenção

Derivação Eletrodo positivo

Eletrodo negativo

Eletrodo referência

I Braço esquerdo

Braço direito

Perna esquerda

II Perna esquerda

Braço direito

Braço esquerdo

III Perna esquerda

Braço esquerdo

Braço direito

http://www.cvphysiology.com/Arrhythmias/A013a.htm

A atividade elétrica do coração pode ser aproximadamente representada por um vetor cardíaco a cada instante.

Da carga negativa para a positiva com a magnitude determinada pela quantidade de carga.

Voltagem em

uma derivação

Por que o triângulo de Einthoven?

Voltagem em

uma derivação A componente M na

direção a2 é nula. São

perpendiculares.

A medida do ECG de M usando somente uma das derivações não descreveria o vetor cardíaco corretamente.

Usando 2 derivações em um mesmo plano do vetor cardíaco descreve corretamente a atividade elétrica do coração.

Para descrever o ECG pelo menos 3 eletrodos são usados: triângulo de Einthoven. Pela Lei de Kirchhof:

I – II + III = 0

Triângulo de Einthoven Curva do ECG

Complexo QRS

Corresponde a despolarização ventricular. É maior que a onda P pois a massa muscular dos ventrículos é maior que a dos átrios, os sinais

gerados pela despolarização ventricular são mais fortes do quê os sinais gerados pela repolarização atrial.

Onda P Corresponde à despolarização

atrial.

Onda T Corresponde a repolarização

ventricular.

Problemas

Outros equipamentos podem estar conectados ao paciente durante um ECG. Esses equipamentos possuem seus próprios terras.

Um laço de terra (ground loop) pode ocorrer quando um eletrodo terra de um segundo equipamento está no paciente.

Se os terras estão em potenciais diferentes, pode ser induzida corrente no paciente.

Voltagem de Modo Comum.

Problema de segurança.

Problemas

Alta voltagem devido a desfibrilação.

Problemas

Sistema elétrico de potência.