Il controllo elettrofisiologico del cuore


Il controllo elettrofisiologico del cuore


Gli antichi avevano la consapevolezza che due tipi di pesci manifestavano proprietà elettriche. Questi erano il pesce gatto elettrico ed il pesce torpedo. I Greci conoscevano queste creature e tentarono di sfruttare le loro capacità elettriche per la cura del mal di testa e nella gestione dell’epilessia o del dolore. Anche l’ambra era nota ai Greci. L’ambra ha una proprietà unica. Quando viene sfregata essa si elettrifica cosicché attrae e trattiene su di sé oggetti leggeri. Questa proprietà spinse i Greci a chiamala elettrone. Gli Arabi in seguito le diedero il nome di anbar. I Greci non furono i primi a scoprire tale proprietà. Alcuni storici asseriscono che durante il regno dell’imperatore Hoang-Ti durante il 2635 a.c. tale caratteristica era già nota.
Quando Lucrezio descrisse le proprietà del magnetite, egli notò che a volte le particelle di ferro si respingevano invece che attrarsi. Ciò lo portò a formulare quella che appare la prima base teoretica del magnetismo. Egli attribuì l’attrazione alla presenza di una sorta di vuoto attorno al magnetite che spinge le particelle di ferro a cadervi dentro e riempirlo. La relazione storica del magnetite con la bussola si avvolge nell’oscurità. Alcuni autori suggeriscono che tale relazione era nota ai cinesi già nel 2600 a.c. Altri sostengono che la bussola è di origine italiana o araba e che fu introdotta in Cina intorno al XIII secolo.
Le prime ricerche sistematiche sui fenomeni elettrici interessarono il magnetismo ed iniziarono con Petrus Peregrinus de Maricourt nella Piccardia. Questo crociato francese del XIII secolo fu il primo a descrivere i fenomeni associati al magnetismo naturale. Egli usò il magnetite, un magnete naturale, come modello dei suoi studi. De Maricourt fu il responsabile dello sviluppo delle nozioni di polo nord e sud e della polarizzazione; nozioni che ancora sopravvivono e che hanno un ruolo importante nell’elettromagnetismo.
Altri esperimenti sul magnetismo non vennero condotti a nessun livello significativo fino all’arrivo di William Gilbert alla fine del XVI secolo. Egli fu un prodotto di Cambridge, uno dei primi grandi scienziati di questa università. Gilbert riconobbe che lo stesso pianeta Terra è un magnete a causa della sua somiglianza di comportamento ad un magnetite sferico. Fu lui a coniare i termini “elettrico” e “corpo carico”. Egli può essere considerato come il padre dell’elettromagnetismo. Gilbert attribuì l’elettrificazione di un corpo attraverso la frizione alla rimozione di “umori” che lasciavano un “effluvio” intorno al corpo. “Umore” è l’equivalente di quella che oggi si chiama “carica” ed “effluvio” è stato rinominato con la dicitura “campo elettrico”.
La prima macchina elettrica fu partorita dal genio del tedesco Otto von GuerickeEssa era una semplice macchina costituita da un globo rotante, inizialmente di zolfo e dopo di vetro, che si elettrificava mediante lo sfregamento con la mano. I conduttori elettrici furono scoperti dall’inglese Stephen Gray nel 1729, il quale mostrò che erano molto differenti dagli isolanti. Molti anni dopo, Benjamin Franklin, il genio peripatetico di Filadelfia, suggerì a Priestley la possibilità che, quando si elettrifica un tubo conduttore cavo, nessuna forza elettrica agisce sugli oggetti al suo interno. Quando Priestley riuscì a mostrare che ciò era vero, propose la tesi che

l’attrazione dell’elettricità è soggetta alle stesse leggi della gravitazione, ed è in accordo perciò con l’inverso del quadrato della distanza”.

Tale scoperta completò le leggi dell’elettrostatica.
Il giardiniere del re di Francia, Charles Francois de Cisternay du Fay, mostrò che per elettrificare i conduttori essi devono essere isolati o supportati da non-conduttori. Ma cosa più importante, egli sviluppò la tesi che esisteva una forza elettrica repellente oltre quella di attrazione già nota. Queste osservazioni furono in seguito organizzate e sistematizzate dall’autodidatta americano Benjamin Franklin. Egli enunciò la legge nota come la conservazione della carica. Questa afferma che la somma delle cariche (positive e negative) all’interno di una regione è sempre costante.
Il vescovo della Pomerania, Edwald von Kleist, dimostrò nel 1745 che la carica di una macchina elettrica può essere trasferita in una bottiglia di vetro ed immagazzinata dentro. Anche i fisici dell’Università di Leida condussero ricerche con bottiglie cariche sotto la direzione di Pieter van Musschenbroek (1692-1761). Sia il vescovo che i fisici di Leida subirono molti incidenti dovuti a scosse elettriche per il passaggio di corrente involontario su parti anatomiche dei loro corpi. La notizia di queste esperienze richiamò l’attenzione dell’abate Nollet che, nello stesso periodo, studiò le possibili cause di questi incidenti. Jean-Antoine Nollet chiamò la bottiglia di vetro “bottiglia di Leida” e da allora quel nome si è conservato. La bottiglia di Leida divenne un importante strumento di ricerca negli anni successivi.
La codificazione, la chiarificazione e l’espressione matematica delle varie leggi dell’elettricità furono realizzate da Henry CavendishCharles-Augustin Coulomb e Poisson durante il XVIII secolo e nella prima parte del XIX. Ohm pubblicò la sua famosa e semplice legge nel 1827.
Leopoldo Caldani (1725-1813), professore di anatomia all’Università di Bologna passò alle rane per i suoi esperimenti. Egli riuscì ad eccitare il preparato nervo isolato e muscolo di una rana con una scintilla della bottiglia di Leida. Un suo studente, Luigi Galvani, partecipò a questi studi. Circa 24 anni dopo Galvani, diventato professore di anatomia a Bologna, iniziò una serie di propri esperimenti che lo portarono a passare la maggior parte del tempo nell’aula settoria. In realtà gli studi di Galvani furono un’estensione del lavoro di Caldani con la macchina elettrica ed i tessuti animali.L’esperimento di Galvani fu cruciale nel confermare l’osservazione che lo stimolo elettrico poteva indurre una contrazione muscolare. La spiegazione di Galvani per i meccanismi sottostanti agli effetti dei metalli diversi fu avversata da Alessandro Volta e divenne materia del contendere nella diatriba tra Galvani ed il suo contemporaneo dell’Università di Pavia. Galvani era dell’opinione che i muscoli immagazzinavano l’elettricità e che questa elettricità accumulata causava lo stimolo elettrico dopo essere stata rilasciata attraverso il contatto con i diversi metalli. Volta rifiutò questo meccanismo e lo sostituì con l’opinione che lo stimolo elettrico fosse causato dall’accoppiamento diretto dei diversi metalli, e non ad ogni scarica dell’elettricità immagazzinata. Il tempo ha mostrato come avessero ragione tutti e due anche se non si rendevano conto di parlare di due fenomeni diversi. Volta affermò correttamente che la stimolazione elettrica di Galvani con due diversi metalli era dovuta all’accoppiamento bi-metallico, invece Galvani sostenne giustamente che gli animali avevano un proprio carico di elettricità mentre non fu corretta la sua opinione secondo cui questa fosse la fonte della stimolazione elettrica nel caso dell’accoppiamento bi-metallico. Alexander von Humboldt pose in rilievo tale situazione nel suo Versuche uber die gereizte Muskel und Nervenfaser. L’interesse di Volta verso le proprietà elettrofisiche dei metalli lo condusse a seguire una strategia di ricerca che lo avrebbe portato alla creazione della sua famosa pila, dando inizio ad una nuova scienza chiamata elettrochimica. Egli scoprì che con una pila si poteva ottenere una scossa elettrica toccando il primo piatto di rame e l’ultimo di zinco.
Il primo a muoversi in direzione dell’elettrofisiologia muscolare con il moltiplicatore fu il fiorentino Leopoldo Nobili (1784-1834). Egli lo modificò con un sistema astatico che permetteva di neutralizzare la forza del magnetismo terrestre, e riuscì a moltiplicare il potere del modello originario di Schweigger. Ora era possibile misurare la quantità di corrente che passa attraverso un preparato di Galvani con zampe di rana; e ciò fu quanto fece Nobili. Le sue osservazioni con tale strumento furono fondamentali per le ricerche di Carlo Matteucci, che usò anche lui delle rane. Matteucci trovò una corrente elettrica di contrazione sia nel muscolo scheletrico che in quello cardiaco della rana. Questo esperimento fu in seguito confermato da Emile Du Bois-ReymondLa sua rana “reoscopica” fu unica. In questo esperimento egli riuscì a mostrare che quando il nervo di un preparato nervo-muscolo di rana veniva posto a diretto contatto con il muscolo in contrazione di un altro preparato, anche il muscolo donatore del nervo si contraeva. Ciò dimostrò in modo molto energico che una forza elettrica veniva trasmessa dal muscolo in contrazione a quello inattivo attraverso il nervo del muscolo a riposo. Il suo secondo contributo arrivò qualche anno dopo con l’invenzione del reotomo o interruttore di corrente. Esso era un congegno con un deviatore a due posizioni operato da una leva capace di interrompere velocemente lo stimolo al tessuto osservato. Un galvanometro, precedentemente collegato al tessuto, era ora in grado di percepire ogni corrente elettrica dopo l’abolizione dello stimolo. Ovviamente, la percezione di qualsiasi corrente significava che essa si era prodotta nello stesso tessuto. Lo strumento può essere considerato come il primo congegno in grado di quantificare ed analizzare graficamente il tempo, il corso e l’ampiezza dell’azione della corrente nel nervo e nel muscolo. R. Marchand nel 1877 e T. W. Englemann, un anno dopo, lo utilizzarono per registrare l’elettrocardiogramma su carta.
L’influenza inibitrice del nervo vago fu scoperta nel 1845 da Edward ed Ernst WeberA questo punto, iniziava ad emergere un meccanismo di controllo neurogeno del battito cardiaco in vivo. Nel 1831, Faraday aveva posto le basi per la loro invenzione di uno strumento capace di produrre ripetute scosse elettriche. I fratelli Weber capitalizzarono l’invenzione di Faraday usandola come modello per progettare una macchina rotatoria ad induzione elettromagnetica. Basandosi su una serie di esperimenti ben congegnati, essi avanzarono la tesi che il sistema simpatico, agendo attraverso i gangli intracardiaci, spingesse il cuore a battere mentre il nervo vago rallentasse e stoppasse perfino il battito cardiaco.
Il concetto del periodo refrattario aiutò a spiegare la base della natura periodica del battito cardiaco e abolì ogni necessità di dover confidare nella spiegazione di Muller. Moritz Schiff (1823-1896), un pupillo di Magendie, fu il primo a dimostrare l’esistenza del periodo refrattario. Hugo Kronecker (1839-1914), mentre si trovava nel famoso laboratorio di Ludwig a Lipsia, mostrò che il cuore di rana è refrattaria allo stimolo durante la sistole. Anche Jules Marey confermò l’esistenza del periodo refrattario.
Michael Foster, direttore del laboratorio di fisiologia a Cambridge tra il 1853 ed il 1903, e Dew-Smith presentarono la prova sperimentale che

le fibre del cuore di lumaca sono un continuum dal punto di vista fisiologico”. 

Romanes espresse il concetto di continuità fisiologica tra tessuto muscolare e nervoso nella medusa.
W. H. Gaskell (1847-1914), allievo di Foster oltre che frequentatore del laboratorio di Ludwig a Lipsia per un certo periodo, concluse dai suoi esperimenti che i battiti cardiaci nella tartaruga dipendono dal rilascio ritmico di impulsi da parte di cellule muscolari in prossimità delle gradi vene o del seno venoso e non da parte delle cellule gangliali; che altre regioni del cuore possono generare impulsi a frequenze più basse; e che le onde di contrazione si diffondono negli atri e nei ventricoli attraverso il tessuto muscolare con frequenze variabili a seconda della regione. Gaskell produsse un blocco tra gli atri ed i ventricoli attraverso compressione meccanica. Robert Tigerstedt, mentre lavorava nel laboratorio di Ludwig, estese le osservazioni di Gaskell sul blocco AV (atrio-ventricolare) e sulla indipendenza della ritmicità ventricolare ai cuori dei mammiferi. Egli produsse il blocco comprimendo il bordo atriale con un atriotomo.
Le osservazioni di Jan Evangelista Purkinje comparvero una prima volta nel 1839, ed in seguito nel 1854. Dopo un lungo iato, ci fu nel 1893 un’esplosione di nuove scoperte innescata dai contributi di His, Tawara e Keith. Nei successivi 14 anni la base anatomica della conduzione degli impulsi fu determinata in modo preciso e dettagliato. Il microscopio fu il fondamento di queste ricerche.
Johannes Evangelista Purkinje descrisse le fibre specializzate che sono ora conosciute come parte integrale del sistema di conduzione. Egli riuscì a trovarle solo negli ungulati e non nell’uomo. Egli si accontentò semplicemente di descriverle senza entrare nel merito della loro ragione d’essere.
La questione bruciante nell’ultima decade del XIX secolo fu se i gangli cardiaci fossero i centri dell’automaticità. Englemann ad Utrecht e Gaskell a Cambridge tentarono di mostrare ripetutamente che il muscolo cardiaco poteva innescare da sé il proprio battito. In quel periodo lo svizzero Wilhelm His si occupò dello sviluppo embriologico del sistema nervoso cardiaco in tutte le classi dei vertebrati. Egli riuscì a provare che il cuore iniziava a battere prima della comparsa dei nervi cerebro-spinali o dei gangli. Perciò, l’automaticità intrinseca sembrò essere una certezza. His dimostrò anche l’esistenza di una sorta di ponte muscolare tra atri e ventricoli successivamente noto come fascio di His. Una certa controversia sorse riguardo alla priorità della scoperta del fascio atrio-ventricolare. Altri tre uomini, oltre His, sono coinvolti nella disputa. Essi sono gli inglesi Kent e Gaskell, e l’italiano Paladino. Da allora l’eponimo fascio di His viene usato riguardo alla via di conduzione primaria mentre il fascio di Kent fa riferimento a quella accessoria. In seguito vennero descritte altre vie accessorie da Mahaim James, che sono ora note con il loro rispettivo eponimo.
Il contributo di Sunao Tawara (1873-1952), giapponese che lavorava in Germania, comparve nel 1906, 13 anni dopo la descrizione di His. Tawara mostrò che le fibre descritte da Purkinje erano collegate al fascio di His per formare il sistema di conduzione dei ventricoli. Tawara ampliò le descrizioni istologiche di His. Nel far ciò attirò l’attenzione sul fatto che la parte prossimale del fascio di His consisteva di una rete compatta di fibre simile ad un nodo, e che le fibre di Purkinje che provenivano dal fascio di His si dividevano in una branca sinistra ed una destra. Non c’è dubbio che il nodo compatto che egli descrisse, e che ora si chiama nodo atrio-ventricolare sia stata una grande scoperta. Ma l’aspetto fondamentale fu il raggiungimento della consapevolezza che il nodo atrio-ventricolare con il fascio di His e le fibre di Purkinje erano tutte parti del sistema di conduzione che permetteva agli impulsi elettrici di diffondersi dagli atri ai ventricoli. Egli sintetizzò, dunque, i reperti anatomici conosciuti in un coerente scenario fisiologico. Il collegamento mancante era il nodo seno-atriale. Tale collegamento fu fornito nel 1907da Arthur Keith (1866-1955) ed il suo allievo-aiutante, lo studente in medicina Flack. 
La scienza dell’elettrocardiografia era ancora nella sua infanzia, almeno dal punto di vista clinico. Lewis sviluppò il suo concetto di via dell’onda di eccitazione attraverso i suoi numerosi esperimenti sul cuore di cane. Questo lavoro fu presentato in un articolo pubblicato con Rothschild nel 1915. Lewis e Rothschild mostrarono che l’onda di eccitazione seguiva il percorso del tessuto di conduzione piuttosto che la disposizione delle fibre muscolari e che l’impulso viaggiava ad una maggior velocità attraverso il fascio di His ed il sistema di Purkinje rispetto al tessuto muscolare circostante. 
Gli studi iniziali con elettrocardiogrammi intracavitari furono condotti da Scher ed il suo gruppo nel 1957. Anche il messicano Sodi-Pollares utilizzò elettrodi intracavitari nel corso dello stesso anno per dimostrare la direzione dell’onda di eccitazione nel setto. La quantificazione accurata della pendenza e della durata del potenziale d’azione fu resa possibile con l’introduzione delle registrazioni transmembrana attraverso l’uso del microelettrodo congegnato da Ling Gerard nel 1949. Essi utilizzarono tale strumento per misurare le modificazioni nelle fibre del muscolo sartorio di rana. Con i progressi del microelettrodo, le ricerche iniziali del gruppo di Cambridge sull’assone di calamaro si estesero da altri al muscolo cardiaco. Nel 1951 comparvero i lavori di Woodbury,Hecht Christopherson sui potenziali di riposo e d’azione di singole fibre cardiache del ventricolo di rana. Nello stesso anno anche Draper Weidmann descrissero le loro registrazioni del potenziale transmembrana nelle fibre di Purkinje isolate di cane e capra.
L’incredibilmente minuscolo elettrodo congegnato da Ling e Gerard rese possibile, con l’ausilio del microscopio elettronico, la comprensione delle modificazioni infinitesimali delle forze elettromotrici misurate in termini di millivolts. La più recente modifica dell’elettrodo di Ling-Gerard è il filo di tungsteno montato su capillare di vetro. Le modificazioni elettriche sono ampliate da un tubo a raggi catodici.
Weidmann, nel 1957 mostrò che il potenziale d’azione del tessuto pacemaker è caratterizzato da una lenta componente di depolarizzazione che è registrata come una curva con una graduale convessità verso l’alto. Egli definì “prepotenziale” il graduale passaggio dal riposo alla fase attiva.


ELETTROCARDIOGRAFIA


Tre fattori importanti furono necessari prima che l’elettrocardiografia venisse accettata come un accurato metodo non invasivo per scoprire e valutare le anomalie cardiache. Questi includono 1) lo sviluppo di un galvanometro adatto all’uso clinico, 2) una solida base anatomica riguardante la conduzione degli impulsi elettrici attraverso il cuore, e 3) il riconoscimento dei meccanismi elettrofisiologici che controllano e regolano il battito cardiaco.
Il primo modello commerciale venne venduto nel 1908. Questo era stato costruito dalla Cambridge Scientific Instrument Company of England. La macchina era un complesso di pezzi resa funzionante dalla combinazione di nuove e differenti idee che utilizzavano delle componenti che neanche esistevano due decadi prima della sua introduzione. La sua parte più delicata era un galvanometro a corda, invenzione di William Einthoven. Questa presentava anche un filamento di quarzo, una componente che era stata costruita per la prima volta solo 20 anni prima del galvanometro di Einthoven. Il galvanometro a corda deve la sua origine all’oscilloscopio. Questo strumento in origine era stato sviluppato per l’industria del rifornimento energetico.
Il primo oscilloscopio pratico fu creato da Eugene Blondel (1863-1938) che era professore di elettrotecnologia sia all’Ècole des Ponts et Chaussees che all’Ècole des Mines. Il progetto apparve in un articolo pubblicato nel 1893. Questo presentava una parte mobile che poteva oscillare in accordo con le variazioni della corrente che l’attraversava. Le oscillazioni venivano registrate per mezzo di uno strumento fotografico. Il risultato cruciale dal punto di vista elettrocardiografico fu lo sviluppo di uno strumento che registrava in modo soddisfacente il minimo e rapidamente alternante voltaggio generato dal cuore. Sebbene l’oscilloscopio, che è dal punto di vista funzionale un congegno galvanometrico, non fosse ideale per questo proposito, ciononostante, la sua invenzione aprì la strada allo sviluppo del galvanometro a corda di Einthoven.
Johannes S. G. Schweigger della Università di Halle inventò il galvanometro originale che servì da modello per quelli successivi. Il primo galvanometro a corda singola fu progettato da Clement Ader nel 1897. Il galvanometro a corda di Ader, sospeso tra i poli di un magnete, era un sottile filo metallico del diametro di solo 0,02 mm. Ader era consapevole che la massa della spirale dei fili tra i magneti dei precedenti galvanometri limitava la sensibilità ed il tempo di risposta degli strumenti. È per questa ragione che eliminò la spirale e la sostituì con un filo singolo. Le oscillazioni venivano trasmesse ad una penna collegata al filo. La traccia del movimento della penna durante le vibrazioni del filo ricadeva su un nastro telegrafico sensibilizzato e la registrazione diventava permanente posizionando il nastro a bagno nel fissante. Lo strumento era stato progettato inizialmente per la trasmissione dei dati telegrafici ad alta velocità. Per aumentare la sua sensibilità era necessario un adeguato incremento dei movimenti della corda. La Cambridge Company raggiunse questo risultato ricorrendo ad un sistema ottico. Questo richiedeva l’uso di una lente apocromatica poiché l’aberrazione cromatica costituiva un serio problema. La lente apocromatica fu il risultato degli sforzi di Otto Schott, un produttore di lenti della Westfalia.
Nonostante tutti gli sviluppi e progressi, il galvanometro a corda non era stato ancora provato per le registrazioni elettrocardiografiche. Le prime ricerche nel campo furono sviluppate da Thompson con il “siphon recorder” e da Lippmann con l’elettrometro capillare.
Il “siphon recorder” di William Thompson fu utilizzato da Alexander Muirhead, del St Bartholomew’s Hospital, nel 1869 o 1870. Questo strumento era stato inventato da William Thompson per registrare i segnali passanti attraverso il cavo transoceanico di recente installazione. Utilizzando questo congegno, Muirhead sembra stato essere colui che per primo registrò con successo un elettrocardiogramma umano. Muirhead, egli divenne successivamente un ingegnere telegrafico di successo e non portò nuovi contributi al mondo della scienza medica.
Durante il XIX secolo e prima di questo secolo, potenziali elettrici cardiaci erano stati ottenuti su cuori animali esposti. Questi esperimenti avevano le loro radici nelle osservazioni originali di Luigi Galvani (1737-1798) alla fine del XVIII secolo ed in quelle di Carlo Matteucci nel 1842. Il metodo preferito per la dimostrazione visiva della corrente elettrica associata all’attività muscolare, durante il XIX secolo, era il preparato di nervo sciatico-gastrocnemio ottenuto nella rana e chiamato “reocorda”.
Stimolando il nervo sciatico con scosse elettriche si aveva la contrazione del muscolo collegato. Questo era un esperimento semplice e facilmente riproducibile.
L’attività elettrica associata al muscolo cardiaco non era nota prima del 1856 quando fu scoperta per caso da due scienziati tedeschi, Rudolf Albert von Kollicker (1817-1905) e Johannes Peter Muller (1801-1858). Essi prepararono una reocorda da una rana ed esposero il cuore intatto e battente da un’altra. Mentre facevano queste operazioni essi lasciarono, inavvertitamente, che il nervo sciatico entrasse in contatto con il cuore. Per una qualche ragione, essi lasciarono i loro preparati sul tavolo di lavoro, e si resero al loro ritorno conto che il muscolo gastrocnemio, ancora attaccato al suo nervo sciatico si contraeva in sincronia con il cuore. Questo è un altro esempio di fortuna nel mondo della scienza.
Nel 1887, ed ancora nel 1888, Auguste Desire Waller (1856-1922), figlio dello scienziato Volney Waller (noto per la degenerazione nervosa cosiddetta walleriana), pubblicò le sue ricerche sui potenziali elettrici ottenuti su animali vivi, e sugli arti e sul torace di esseri umani. Egli utilizzò l’elettrometro capillare di Lippmann per registrare queste forze elettriche. L’elettrometro capillare di Lippmann era di gran lunga un congegno migliore per la misurazione dell’attività elettrica rispetto al il “siphon recorder”.
Gabriel Lippmann descrisse la sua invenzione in un articolo pubblicato nel 1873 mentre lavorava nel laboratorio di Fisica di Kirchoffs a Berlino. Questo strumento era costituito da un sottile tubo di vetro parzialmente riempito con mercurio e ricoperto con acido solforico. Il posizionamento del tubo in serie elettrica con la superficie corporea causa il flusso di corrente attraverso il mercurio. Le variazioni del flusso di corrente portavano il mercurio ad espandere e contrarre. I movimenti oscillatori della colonna di mercurio erano ampliati con l’aiuto di un microscopio, e l’immagine veniva proiettata su carta fotografica. Il suo tempo di risposta era lento e perciò non poteva registrare i potenziali ad alta frequenza. Nonostante questa ed altre deficienze che infastidirono parecchio Einthoven, l’elettrometro di Lippmann giocò un ruolo importante durante gli anni formativi dell’elettrocardiografia.
Anche se Muirhead può essere stato colui che registrò per primo un elettrocardiogramma umano, fu Waller colui che per primo fece ciò in un ambito clinico-fisiologico, e fu il primo a pubblicare un report sulle sue ricerche, e fu un pioniere nell’acquisizione di un’estesa esperienza con questa nuova modalità diagnostica. Egli chiamò il tracciato “elettrogramma”. Nel 1917, egli presentò davanti al Physiological Society of London un articolo intitolato “A preliminary survey of 2000 electrocardiograms”. Come si può notare dal titolo, egli cambiò il nome del tracciato in “elettrocardiogrammi”.
Nei suoi esperimenti iniziali anche Willem Einthoven utilizzò l’elettrometro capillare di Lippmann. Nel 1895 egli pubblicò un articolo in cui definiva la sua capacità di misurare anche piccole correnti elettriche. Col passare del tempo, invece, Einthoven divenne sempre più disincantato verso l’elettrometro capillare. Una delle sue principali deficienze era la sua estrema sensibilità alle vibrazioni. Lo stesso laboratorio di Einthoven costituiva un problema in questo senso. Esso era localizzato al piano terra di una vecchia costruzione con struttura in legno adiacente ad una strada pavimentata con ciottoli. Ogni volta che una schiera di cavalli la attraversava, tirando un carretto carico, l’intero edificio veniva scosso con il rischio di creare artefatti elettrocardiografici. Einthoven a cercare un galvanometro senza un difetto così frustrante. Inizialmente egli sperimentò il galvanometro d’Arsonval, che però aveva un grosso limite. Esso utilizzava una spirale tra i magneti che limitava la sua sensibilità e risposta. Einthoven riprese la tesi del suo maestro, Johannes Bosscha (1831-1911), espressa nel 1854 con “The differential galvanometer”. Bosscha era professore a Leida. La sua tesi, che trattava delle forze coinvolte nella misurazione di piccole quantità di elettricità, metteva in rilievo i vantaggi del galvanometro in cui la parte che si muove è costituita da un singolo ago che è attaccato ad un filo di seta. Einthoven conosceva anche il galvanometro a corda singola di Ader, e non è inconcepibile pensare che lo strumento di Ader possa essere stato il frutto del concetto di Bosscha. Einthoven abbandonò la spirale del congegno di Arsonval e la sostituì con filo sottile. Esso era abbastanza simile al galvanometro introdotto da Ader come ricevitore per telegrafo e lo stesso Einthoven riconobbe il contributo di Ader quando pubblicò il suo fondamentale articolo nel 1901.
È interessante notare, molti anni dopo, come lo stesso Waller ammettesse la superiorità tecnologica dell’invenzione di Einthoven, al punto che, durante il suo incarico di consulente cardiologo del National Heart Hospital, egli utilizzasse lo strumento di Einthoven piuttosto che l’elettrometro capillare di Lippmann.
Il galvanometro di Einthoven era costruito con un singolo fascio di quarzo rivestito d’argento e sospeso tra i poli di un campo magnetico creato da calamite a forma di ferro di cavallo. La stringa di quarzo aveva un diametro di solo ìm ed era molto più sottile di quella di Ader che aveva un diametro di 0.02 mm. L’estrema sottigliezza della stringa con la sua piccolissima massa assicurava una sensibilità ed un tempo di risposta capace di registrare la rapida deflessione dei potenziali cardiaci con un alto grado di affidabilità. Le oscillazioni del filo venivano registrate con un sistema fotografico, dopo che erano state ingrandite con l’aiuto di un microscopio. Einthoven usò un fascio di luce diretto, attraverso un foro, ai poli del magnete e riflesso su una membrana fotografica da uno specchio collegato alla corda. I. Ershaler riporta come fu possibile ottenere l’incredibile sottigliezza della corda.

La parte terminale di una freccia fu attaccata attraverso un elemento di quarzo alla corda di un arco teso con forza. Il quarzo venne riscaldato e, mentre si scioglieva, la freccia veniva scagliata attraverso la stanza così da trascinare il quarzo e renderlo un fascio sottile. A volte, la corda veniva svuotata d’aria mentre nella stanza si bloccavano le correnti d’aria”.

Senza dubbio questa abile manipolazione fu eseguita dall’assistente di laboratorio, Van de Woert, dal momento che Einthoven era alquanto incapace di assemblare i dettagli tecnici del congegno. Nonostante gli evidenti vantaggi della corda, l’intero congegno di Einthoven era ancora troppo grande e complicato per l’uso nella routine diagnostica. Esso occupava due stanze e richiedeva cinque persone per essere messo in funzione. Un importante problema era costituito dal sovrariscaldamento dell’elettromagnete che si tentava di evitare con un continuo flusso d’acqua. Se non si eseguiva bene tale operazione il calore generato determinava una rapida variazione della conduttanza della corda. Una lampada, che necessitava di continui aggiustamenti, era utilizzata per proiettare l’ombra della corda su una membrana fotografica. Grandi vassoi o secchi di soluzione salina erano utilizzati come elettrodi con il soggetto che vi immergeva le sue mani ed i suoi piedi. Bosscha suggerì di collegare l’ospedale al laboratorio di Einthoven per via telefonica. In questo modo fu realizzato un comodo accesso per i pazienti ospedalizzati dando modo ad Einthoven di porre le basi all’uso clinico dell’elettrocardiografia.
Solo cinque anni dopo il suo fondamentale articolo, nel 1906, Einthoven riuscì a descrivere le applicazioni cliniche dell’elettrocardiogramma ottenuto attraverso la linea telefonica in un lavoro intitolato “Le Telecardiogramme”. La realizzazione del consiglio di Bosscha fu raggiunta grazie agli sforzi della Società Olandese delle Scienze dopo che Einthoven informò i suoi membri di tale accesso clinico della tecnica elettrocardiografica. Venne raccolto dalla società abbastanza denaro per pagare l’installazione di fili sotterranei, richiusi dentro cavi di piombo, che collegavano l’elettrocardiografo di Einthoven all’ospedale, ad una distanza di 1,5 Km. La compagnia telefonica locale impose una conto annuale per l’uso della linea. Il suo costo doveva essere diviso in maniera paritaria tra il laboratorio di Einthoven ed il dipartimento di Medicina. La serenità di questo accordo si ruppe subito dopo che la pubblicazione dell’articolo di Einthoven Le Telecardiogramme. Roso dall’invidia ed ossessionato dal successo che Einthoven andava raccogliendo per l’introduzione di questa tecnica, il professor Nolen, capo del dipartimento di Medicina, si rifiutò di pagare la sua metà di bolletta. Il diniego di Nolen creò un impasse che fu d’ostacolo all’uso del sistema telefonico per molti anni.
Ci furono altre difficoltà tecniche con il modello di Einthoven. Questi comprendevano l’inclusione di un rivestimento che avrebbe dovuto creare un ambiente a tenuta d’aria per la corda e fornire protezione per le fibre che la componevano. Nel tentativo di superare questo ed altri problemi di natura tecnica, si sviluppò ben presto un accordo lavorativo tra Einthoven e la Cambridge Scientific Instrument Company of England, che era stata fondata nel 1881 da Albert George Dew-Smith e Horace Darwin (figlio del celeberrimo Charles), entrambi membri del Trinity College, che fu per molti anni il principale centro di attività scientifica di Cambridge. Tutte le comunicazioni preliminari tra Einthoven e la compagnia si trovano al Museo Boerhave dell’Università di Leida. Alla compagnia fu richiesto di riprogettare, produrre e commerciare lo strumento.
Dudell, l’inventore del loro oscillografo, svolse un ruolo fondamentale nella costruzione del prodotto finale. La sua dimensione era notevolmente ridotta rispetto al modello di Einthoven, grazie al rimodellamento del magnete. Il campo magnetico era stato concentrato nella regione della corda. Vennero utilizzati degli strumenti ottici raffinati così da poter praticare un foro più piccolo attraverso il magnete. Il sistema di raffreddamento ad acqua venne reso più piccolo e maneggevole. Ulteriori migliorie del design furono necessari per ridurre la massa e perfezionare la semplicità d’uso. La Cambridge Company era fermamente impegnata alla realizzazione di questi obiettivi. Essa produsse un prototipo nel 1911, che fu affittato a Thomas Lewis della University Hospital di Londra. Un drastico calo delle dimensioni si ebbe nel 1926 con l’introduzione da parte della Cambridge del primo elettrocardiografo portatile. Esso era una macchina pesante ancora 80 libbre, che richiedeva un carrello per il trasporto, ma notevolmente più piccolo rispetto allo strumento di Einthoven. La riduzione della grandezza fu raggiunta grazie all’uso di nuove leghe magnetiche capaci di produrre lo stesso campo di forze dei vecchi elettromagneti più grandi. Un altro progresso fu la sostituzione della membrana fotografica con un tamburo fatto ruotare con un motorino e rivestito a modo di pellicola. La fine degli anni trenta del novecento vide l’introduzione strumento elettronico o a “valvola”. Esso fu pubblicizzato dalla Cambridge come un modello portatile che pesava solo 30 libbre ed era chiamato “valigetta” poiché lo strumento, con l’utilizzo di elettrodi a strappo, poteva essere contenuto in una custodia facilmente trasportabile.
Gli elettrodi erano già stati introdotti nel 1926 con il galvanometro a doppio fascio. I monitor elettrocardiografici elettronici sono ora diffusi nelle Unità Coronariche e nelle Unità di Terapia Intensive, così come nei reparti ospedalieri di Medicina e i quelli chirurgici. La NASA sviluppò le tecniche di telemetria come parte del suo programma spaziale. Nel 1959 i tecnici della NASA registrarono gli elettrocardiogrammi di Able e Baker, due piccole scimmie che fecero il primo viaggio intorno alla terra.
Il progresso dell’elettrocardiografia come uno strumento clinico deve essere, dunque, attribuito ad Einthoven. I contributi iniziali di Waller furono prettamente di natura fisiologica, e dovettero passare molti anni prima che anche lui iniziasse ad apprezzarne le potenzialità e l’utilità in ambito clinico.
Waller si occupò della sistemazione delle derivazioni, e descrisse in dettaglio quale disposizione era secondo lui più favorevole. Egli elaborò anche i concetti di campo elettrico e dei vettori delle forze elettriche. La maggior parte di queste descrizioni derivarono da studi condotti mentre egli usava ancora l’elettrometro capillare. In questo articolo che compare durante l’inizio delle sue ricerche (1889) ed era intitolato “On the electromotive changes connected with the beat of the mammalian heart, and of the human heart in particolar”, egli commise degli errori d’interpretazione sull’origine delle deflessioni.
Egli credeva che la prima deflessione corrispondesse alla negatività all’apice del cuore e che la seconda deflessione riflettesse la negatività alla base del cuore. Il suo errore è dovuto all’assunto che le forze elettriche muovessero dall’apice alla base del cuore e non viceversa.
Waller utilizzò le lettere A, B, C, D per designare le deflessioni ottenute con l’elettrometro capillare. Einthoven utilizzò invece le lettere P, Q, R, S, T. Questa nomenclatura ebbe subito successo e da allora rimase inalterata. Si può comprendere la nomenclatura di Einthoven dal paragrafo di apertura di questo articolo:

In alto … Una semplice ispezione della curva, ottenuta con questo strumento, determina una rappresentazione fallace delle variazioni di potenziale, che esistono realmente. Se si desidera una accurata comprensione, la forma della curva registrata deve essere corretta in base alla grandezza del tubo capillare usato, del tipo d’ingrandimento, e della velocità della membrana fotosensibile. Con questi mezzi si arriva alla costruzione di una nuova curva, il cui contorno rappresenta realmente le variazioni di potenziale … Per spiegare questo fatto offrirò il seguente esempio.
La figura in alto rappresenta la curva registrata del Sig. v. d. W. con le derivazioni a livello delle mani destra e sinistra, mentre la figura in mezzo rappresenta la curva corretta. Le differenze sono ben visibili. Si possono paragonare le deflessioni C e D della curva registrata alle corrispondenti deflessioni R e T della curva costruita. Solo la seconda rappresenta in modo accurato l’altezza delle deflessioni … Ciò che è vero per l’elettrocardiogramma, è, in generale, vero per ogni curva ottenuta con l’elettrometro capillare…


L’articolo era scritto in tedesco ed il termine “elektrokardiogramm” divenne la fonte dell’abbreviazione universalmente adottata “EKG”. Con la Seconda Guerra Mondiale il fervore patriottico in America portò alla modificazioni dei termini dell’abbreviazione in “ECG”. Secondo Cooper l’uso di Einthoven della seconda parte dell’alfabeto per l’utilizzo delle lettere fu dovuto alla convenzione dei geometri del tempo di etichettare tutte le linee curve iniziando dalla P, mentre i punti sulle linee diritte venivano contrassegnati partendo dalla lettera Q.
Le ramificazioni cliniche dell’elettrocardiografia furono ben presto evidenti. Il monitoraggio fetale elettrocardiografico fu introdotto nel 1906. Nello stesso articolo, Cremer riportò le sue ricerche su registrazioni eseguite dall’interno dell’esofago. Cremer registrò l’elettrocardiogramma fetale applicando elettrodi d’argento alla parete addominale e alla vagina. La sua pubblicazione non generò nessun interesse e non vennero fatte altre importanti ricerche fino al 1936 finché Strassman dimostrò le caratteristiche dell’elettrocardiogramma fetale con derivazioni standard sugli arti della madre. Anche questo articolo non riuscì ad attirare l’interesse clinico. Nel 1957Southern descrisse la possibile relazione l’anossia fetale e le alterazioni dell’elettrocardiogramma fetale prenatale. In conclusione, l’elettrocardiogramma fetale sembrò avere un qualche valore clinico ma le modificazioni del tracciato non erano sufficientemente specifiche per poterlo ancora accettare come uno strumento clinico.
I segni del suo futuro ruolo nella diagnosi e gestione della patologia delle arterie coronariche divennero evidenti intorno al 1910. In quel periodo fu identificata l’associazione tra inversione dell’onda T con l’angina e l’aterosclerosi. Subito dopo vennero pubblicati numerosi studi legati ai meccanismi del battito cardiaco. L’elettrocardiografia soppiantò rapidamente il poligrafo nell’elucidazione e comprensione delle aritmie.
Nel 1913, Einthoven, in collaborazione con G. Fahr e A. De Waart, pubblicarono un altro articolo di riferimento in questa direzione, misurando la grandezza delle variazioni di potenziale del cuore umano e l’influenza della posizione del cuore sulla forma dell’elettrocardiogramma. Questa era un’analisi teorica in cui il corpo veniva considerato un solido conduttore e si poteva registrare la grandezza e la direzione delle correnti elettriche generate dal cuore. Anche Waller vedeva il corpo come un solido conduttore, essendo consapevole delle leggi che governano la distribuzione delle differenze di potenziale all’interno dei solidi conduttori, formulate da Helmholtz nel 1853.
Waller intendeva il campo elettrico del cuore come un tetraedro e ottenne 5 derivazioni cardinali da questa figura. I dettegli si possono ricavare dalla sua monografia sull’azione elettrica del cuore umano pubblicata nel 1922.
L’articolo di Einthoven del 1913 analizzava la differenza della direzione del potenziale solo sul piano frontale del corpo così come ottenuta con tre derivazioni degli arti. L’assunzione di base era che le forze elettromotrici del cuore sul piano frontale possono essere rappresentate da un vettore singolo nel centro di un triangolo equilatero. Altre assunzioni sussidiarie erano implicite in questo schema. Per più di 30 anni dopo l’articolo originale di Einthoven ci fu un considerevole dibattito sulla validità di queste assunzioni. Nonostante tutte le controversie, il triangolo di Einthoven rimane ancora di uso corrente come base pratica per determinare la deviazione dell’asse.
Frank N. Wilson (1890-1952) ed i suoi collaboratori della University of Michigan furono tra coloro che diedero maggiori contributi alla comprensione dei fenomeni coinvolti descrivendo più precisamente le leggi che governano la distribuzione delle forze elettromotrici nei conduttori solidi. Il lavoro di Wilson portò all’introduzione del terminale centrale, derivazioni V, derivazioni unipolari degli arti e aumentò le derivazioni unipolari degli arti. Questo lavoro fu eseguito tra il 1931 ed il 1946.
Nel 1942Emanuel Goldberger (1913-1994) descrisse un elettrodo elettrocardiografico indifferente, con potenziale zero, ed una tecnica per ottenere derivazioni delle estremità aumentate. Queste sono le derivazioni aVR, aVL e aVF.
Burger vide il diagramma di Einthoven come un’assurdità. Le sue osservazioni sulla conduttività elettrica dei tessuti umani e sui voltaggi ottenuti da un dipolo contenuto all’interno di un modello in vetro di corpo umano gli permisero di fare ciò. Nell’arco di alcuni anni, Burger, completamente coinvolto dal suo progetto, venne considerato come un’autorità delle basi teoretiche dell’elettrocardiografia. Nel 1946, insieme al suo collaboratore Van Milaan, introdusse i vettori delle derivazioni per rimpiazzare le linee geometriche delle derivazioni contenute nel triangolo di Einthoven. Un anno dopo essi introdussero il concetto di “immagine di superficie”. Il semplice piano frontale del triangolo di Einthoven fu soppiantato da complicate rappresentazioni di “campi di derivazione” ed i loro andamento di flusso di corrente.
Un altro importante percorso nell’evoluzione dell’elettrofisiologia clinica riguardò il fenomeno della lesione miocardica. C’è un effetto diretto sia sulla depolarizzazione che sulla ripolarizzazione. L’elettrocardiogramma è diventato un elemento insostituibile nella diagnosi e gestione della lesione miocardica di qualsiasi origine, ma specialmente nella malattia delle arterie coronariche e nelle miocarditi. Wilson e colleghi svolsero un ruolo prominente nel definire la presenza di onde Q o QS come risultato di infarto miocardico transmurale. Le alterazioni del pattern di attivazione come altro effetto della lesione miocardica furono descritte da First ed i suoi colleghi nel 1950.
Il primo manuale completo di elettrocardiografia clinica fu scritto da Thomas Lewis nel 1913. Il testo era il prodotto di un’esperienza che abbracciava solo quattro brevi anni, ma fu scritto con la convinzione che l’elettrocardiografia sarebbe diventata essenziale nella diagnosi e nel trattamento moderno delle patologie cardiache.
Il monitoraggio degli eventi cardiaci con l’elettrocardiogramma è stato una conseguenza naturale dell’interesse creato dall’evoluzione dell’anestesia nella prima parte del XX secolo.
La prima documentazione elettrocardiografica di aritmie cardiache verificatesi durante o immediatamente dopo anestesia con etere furono i report di Heard e Strauss nel 1918 Samuel A. Levine (1891-1966) nel 1920. Due anni dopo, Levine in collaborazione con Lennox e Graves dimostrò la praticabilità del monitoraggio elettrocardiografico dei pazienti durante l’anestesia. Ziegler, nel 1948, fu il primo a dimostrare l’uso della scrittura diretta durante l’anestesia. L’introduzione del monitoraggio continuo senza il bisogno di materiale cartaceo o fotografico fu acquisito come un valido strumento clinico durante l’anestesia. Il suo uso divenne pressoché routinaria allorchè studi successivi misero in evidenza il verificarsi di aritmie ed ischemia miocardica sotto anestesia. L’articolo di Cannard nel 1960 e quello di Russell nel 1969 furono utili nell’allertare gli anestesiologi riguardo al verificarsi di vari tipi di aritmie. L’applicazione dell’elettrocardiogramma per individuare ischemia miocardica durante anestesia fu proposta per la prima volta da Kaplan e King nel 1976.
Il passo successivo del monitoraggio elettrocardiografico fu la registrazione dei dati elettrocardiografici del paziente in movimento. Essa ora porta l’eponimo “Monitor Holter”. Il suo inventore, Norman J. Holter, studiò fisica e chimica, ricevendo la laurea in entrambe le discipline. Inizialmente, nel 1936, si interessò alla biotelemetria mentre lavorava come assistente di Lawrence Detrick, studiando gli effetti della vitamina C sul muscolo di rana affaticato. Successivamente lavorò con Joseph A. Gengerelli, e nel 1939 intraprese degli esperimenti sulla stimolazione nervosa della rana. Però non fu prima del 1961 che i due ricercatori, utilizzando equipaggiamenti molto sofisticati, riuscirono a mostrare come possa si possa rilevare un campo magnetico emanato da un nervo attivo. Prima di loro, la telemetria doveva affidarsi su strumenti relativamente primitivi. Holter aveva deciso, fondando un centro di ricerche nel 1947, di proseguire i suoi esperimenti sui fenomeni di elettrofisiologia umana. La Holter Research Foundation, come si chiamava, fu inizialmente sostenuta finanziariamente da Holter in persona. Paul D. White, come sempre avanti nei tempi, fu il primo cardiologo a prevedere l’impatto che l’invenzione di Holter avrebbe avuto sulla pratica della cardiologia. Robert e Silver citano White mentre dice ad Holter in un momento di sconforto riguardo ai progressi del suo device: “Continua a lavorare perché costruirai un grande strumento che salverà la vita delle persone”.



FONTI
 
Articolo tratto da



Autore: dott. Concetto De Luca (novembre 2011)


 

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