Các học thuyết về khử rung tim

Giới thiệu

Mục tiêu cơ bản trong khử rung tim là can thiệp về mặt điện với các mạch lặp lại làm cho kích thích điện ngừng lại. Các mạch lặp lại nằm trong quả tim, để đạt được mục tiêu này yêu cầu phải có đầy đủ trường kích thích ở mọi điểm trong tim. Trái ngược với tạo nhịp tim, các kích hoạt thích hợp yêu cầu chỉ có tại một vùng. Với tạo nhịp tim, mật độ phù hợp cho các kích thích là 5.0 mA/cm2, giả sử điện trở riêng của mô là 500 Ωcm, điện trường đặt vào là 2.5 V/cm. So sánh này với các tính toán khác 1V/cm. Nhưng với khử rung tim, kinh nghiệm nghiên cứu cho thấy cần khoảng 8 V/cm trong cả quả tim.

Nghiên cứu cần được suy xét để có thể áp dụng trường điện tích gấp 3 -6 lần ngưỡng bình thường của các mô chống lại cũng như các mô tái sinh và có thể đối mặt với sóng bề mặt tăng lên. Khối này được kích hoạt đồng bộ và thường xuyên gây lên những biến đổi lớn kích hoạt mẫu có thể nảy sinh những vấn đề khác. Tuy vậy, cơ cấu khử rung đóng lại được hiểu ở khoảng thời gian này. Mặc dù ở trạng thái này, nhiều điều được biết từ thí nghiệm về sự khử rung ở động vật đã được thực hiện. Trong phần này chúng ta chỉ tóm tắt những ý chính.

Giả thiết về khối giới hạn

Trong giả thiết về khối giới hạn, cơ cấu của khử rung được giả định là sự gián đoạn của các kích hoạt bề mặt bởi khử cực của các mô kháng lại và các mô tái sinh từ trường khử rung. Tuy nhiên giả định xa hơn cho rằng không phải tất cả các mô phải nhất thiết được kích hoạt để khử rung, thay đổi, chỉ một số giới hạn được đáp ứng ( thường đề nghị là khoảng 75% hoặc hơn). Nghiên cứu toàn diện của giả thiết này được thực hiện bởi Witkowski và các đồng nghiệp (Witkowski, Penkoske và Plonsey, năm 1990). Các tác giả lưu ý rằng khoảng cách giữa các kích hoạt trong quá trình khử rung là không đồng đều, nó xác định theo quy luật thống kê mô tả. Điều này đã được thử nghiệm, sau một cú sốc điện, kích hoạt điện diễ ra liên tiếp và sự rung đã được khử thành công. Các cú sốc điện này được kiểm nghiệm ở 120 vị trí đặt điện cực bề mặt. Cú sốc điện lớn (có điện trường lớn) cũng được ước lượng ở mỗi điện cực. Các nhà nghiên cứu kết luận rằng, sự khử rung không thành công tại một vùng của tâm thất được xác định mà không thể khử rung được. Nhưng với trường hợp khử rung thành công khi tất cả các vùng đều không có kích hoạt rung ở chu kì chống sốc hoặc một vùng đơn mà có thể tự kết thúc rung. Sau đó vùng đơn được xác định ở khu vực có sự sử rung là nhỏ nhất. Từ đó chúng ta có thể kết luận rằng khối giới hạn nhỏ hơn 100% có thể khử cực thành công.

Một giả thiết khác thay thế được gọi là giả thiết về giới hạn trên của sự tổn thương được nâng lên bởi Chen và các đồng nghiệp của ông (Chen, Wolf, và Ideker, năm 1991). Trên các bài báo, họ đã tranh cãi về các kết luận của Witkowski và đề nghị rằng với dữ liệu tương tự (bao gồm các thử nghiệm của họ) yêu cầu đưa ra một lời giải thích khác. Họ đồng ý với Witkowski rằng sự khử rung diễn ra thất bại ở vị trí kích hoạt yếu nhất, đó là vùng mà trường lực khử rung là thấp nhất. Tuy nhiên các phân tích thống kê của họ chỉ ra rằng , trạng thái điện sinh học ở vị trí này chắc chắn bị ảnh hưởng bởi các cú sốc điện. Họ kết luận rằng các cú sốc đã làm trên thực tế có thể hồi phục nhịp đập bình thường của tim. Tuy nhiên, nếu không có những cú sốc điện với cường độ đủ lớn thì sự rung sẽ không được hồi phục lại.

Đây là một số quy chuẩn trên một vài điểm quan trọng. Đầu tiên, những cú sốc đặc trưng tạo ra trường lực trong cả quả tim hoàn toàn có thể thay đổi được. Vị trí đặt điện cực khử rung ở bên phải tâm nhĩ và bên trái tâm thất, Ideker (1987) đã tìm thấy gradient trường điện thế thay đổi trên phạm vi 15:1 ở lá tạng ngoại tâm mạc. Thứ hai là vị trí kích hoạt yếu nhất đo được ứng với vùng mà sự khử rung không thành công trùng với vùng mà trường lực sốc là yếu nhất. Những kết luận này hỗ trợ ý tưởng mục tiêu của hệ thống điện cực khử rung là tạo ra một trường lực như nhau ở các vị trí của quả tim. Điện trường nhỏ nhất mà sự khử rung diễn ra thành công nằm trong khoảng 3- 9 V/cm.

Trong khi các nghiên cứu ở trên rất có giá trị trong việc phát triển và hiểu về sự rung, họ không thực sự làm sáng tỏ cơ cấu trong cảm biến điện sinh học. Cách duy nhất mà một cú sốc có thể ảnh hưởng đến trạng thái của các sợi tế bào là gây ra một điện thế xuyên màng. Kết quả là sự kích hoạt của các tế bào có liên quan đến chu kì phản xạ. Tuy nhiên các tế bào dạng sợi không hoạt động như các tế bào bình thường. Hơn nữa câu hỏi không chỉ đơn giản là chuyện gì xảy ra với các tế bào riêng lẻ mà là sự ảnh hưởng của các tế bào này được thay đổi như thế nào.

Kích hoạt một chiều/ Mô hình sự khử rung.

Như đã nêu ở trên, hiệu ứng về điện sinh học được tạo ra bởi áp dụng một kích thích (cú sốc) trên nhóm các tế bào sợi cơ tim. Đây là vấn đề khó khăn để mô hình. Với nó, không có một mô hình màng tâm thất khỏe mạnh đầy đủ, mà chỉ có một sợi màng phù hợp với mọi khía cạnh. Thứ hai, nó cũng không chắc chắn, mô hình cấu trúc là cần thiết để phản ánh tương ứng kết nối về mặt điện của các tế bào cũng như các khe không gian cần thiết để phản ánh thay đổi nồng độ ion. Và cuối cùng đó là vấn đề điều khiển, xử lí các cấu trúc ba chiều lớn với máy tính hiện đại có tốc độ tính toán nhanh. Vấn đề đơn giản hơn rất nhiều được diễn thuyết bởi Plonsey, Barr, Wiskowski (1991), trong đó đáp ứng một chiều bó tim với luồng kích thích được xem xét. Ở đây, nó được giả định rằng các màng được coi là thụ động và dưới điều kiện trạng thái bền vững. (Các cú sốc với khoảng thời gian thông thường từ 3 đến 10 ms mang trạng thái bền vững với các điều kiện các ngưỡng nhỏ là đạt được (Cartee, 1991, Cartee và Plonsey năm 1992)).

Như phần tham khảo ở các chương khác, giả định cho rằng quả tim có thể coi như gồm những sợi giống nhau song song chạy từ đỉnh tới đáy và một phần của nó được ứng dụng cho dòng khử rung (cũng từ đỉnh tới đáy) phân chia bằng nhau giữa các sợi. Như vậy từ trạng thái của tim có thể kiểm tra được trạng thái của các sợi điển hình. Đáp ứng của một sợi đơn từ nguồn được áp dụng ở nó được xem xét ở phần 9.4. Chiều dài của một sợi tim tương đương có thể là 14cm, và với cơ tim khoảng 650µm (Ideker, 1987). Nó được chỉ ra ở phần 9.4 (ví dụ như phương trình 9.11 và 10.12) xa hơn 5λ từ cuối ΔVm là không và trục dòng là giống nhau và chia tỉ lệ nghịch với trục cản trở. Đó là

Trong đó

I_i = dòng hướng trục bên trong tế bào

I_o = dòng hướng trục bên ngoài tế bào

r_o = điện trở hướng trục ngoại bào trên một đơn vị chiều dài

r_i = điện trở hướng trục nội bào trên một đơn vị chiều dài

Điều này có nghĩa là 95% các tế bào riêng lẻ tạo thành sợi tim không bị ảnh hưởng bởi các kích hoạt. Nhưng kết quả này phụ thuộc vào sự đồng đều của các sợi và bỏ qua các liên kết nội bào. Nếu như chỗ nối được xem như là liên kết giữa các tế bào liền kề trong môi trường nội bào, thì mỗi tế bào đều có trạng thái như nhau, được mô tả ở hình 24.4.

Ở hình 24.4, mỗi tế bào được sao chép trong một dãy khoảng 1200 tế bào tạo thành một sợi tổng hợp, sau đó thì điện thế và dòng điện phải tuần hoàn với chu kì của một tế bào. Ví dụ, Ii vào ở bên trái phải bằng với Ii ra ở bên phải, chúng chính xác với chiều dài một tế bào về một bên. Bây giờ, nếu điện trở ghép nối Rj bằng 0 thì các sợi sẽ như nhau và dòng xuyên màng sẽ tỉ lệ với đạo hàm bậc 2 của Vm bởi phương trình 9.10. Do dó nó cũng tiến về không từ 5λ ở phía cuối. Hiệu quả của Rj hữu hạn là dẫn tới thay đổi một lượng nhỏ của dòng điện bên trong và bên ngoài tế bào, và sự dịch chuyển này được kết hợp với Vm khác không trong mỗi tế bào. Trong thực tế, có Rj vì sự gián đoạn trong Φi bang với điện áp rơi tên là IiRj. Điều này cũng cho thấy sự gián đoạn ở Vm. Sự có mặt của Rj ảnh hưởng tới dòng nội bào của tế bào trên nửa bên phải, nhưng để chờ đợi nhưng chu kì đạt được từ dòng này phải thêm những tế bào ở nửa bên trái. Như vậy cả Im và Vm phải phản đối xứng.

Core-conductor mạng điện đối với một tế bào đơn là thành phần của sợi tim tương ứng. Tế bào được kết nối với tế bào bên cạnh bởi điện trở ghép nối nội bào Rj ở cuối mỗi tế bào. Trạng thái ổn định điều kiện ngưỡng con (subthreshold) được giả định.

Một biểu thức toán học diễn tả Vm trên phạm vi rộng các tế bào bắt đầu với phương trình vi phân 9.4. Nếu chúng ta chọn nguồn gốc ở trung tâm tế bào, sau đó giải phương trình 9.4 với các điều kiện của sinh(x/λ) để thu được kết quả phản đối xứng. Từ phương trình 24.1, bao gồm cả những điện trở kết nối trong mạng nội bào trên một đơn vị chiều dài, chúng ta có

Trong đó

I_i = dòng hướng trục nội bào bên trong tế bào

I_o = dòng hướng trục ngọa bào bên ngoài tế bào

r_o = điện trở hướng trục ngoại bào trên một đơn vị chiều dài

r_i = điện trở hướng trục nội bào trên một đơn vị chiều dài

R_j = điện trở kết nối giữa các tế bào

l = chiều dài của một tế bào

Do đó, từ điểm giới hạn ở cuối mỗi tế bào yêu cầu Vm(x = ± l/2) = IiRj, chúng ta được

Ở phương trình 24.2, sinh(l/2λ) là không đổi, nó yêu cầu điều kiện biên. Một ước tính được đặt vào dòng điện bên trong các sợi tương đương, Io , có thể tạo bởi tổng dòng đặt vào máy khử rung. Từ mô hình chúng ta giả định rằng các phần nhỏ được liên kết với sợi tương đương là phần nằm ngang của sợi và nó được liên kết cùng các khe phân chia bởi phần nằm ngang (cross-section) của toàn bộ quả tim. Sử dụng các giá trị sinh lý đặc trưng, thu được kết quả khử cực tế bào trong khoảng (6-30)mV. Ở trong khoảng này chắc chắn ảnh hưởng tới trạng thái điện sinh học của các tế bào.

Các thử nghiệm ở trên về ảnh hưởng của điện trở liên kết nội bào trong việc tạo ra Vm từ trường kích hoạt điện đồng đều chứng minh rằng ảnh hưởng này có thể sinh ra từ sự gián đoạn bên trong các mô giống nhau. Các mô không đồng đều khác là quan trọng trong viêc chuyển đổi (converting) một mô giống nhau được đặt trường điện trong điện thế xuyên màng cảm ứng. Nghiên cứu gần đây cho thấy rằng vài trò như vậy có thể thực hiện được bởi các sợi xoắn bên trong cơ tim.