Kalbin Özelleşmiş Bir Haritası: Elektrokardiyogram (EKG)
Selen EMİRHANOĞLU - Biyomühendislik, Mühendislik Fakültesi, Marmara Üniversitesi
Tıpta klinik bilimlere önemli ölçüde katkısı olan elektrokardiyogramın, kısaca EKG’nin icadı günümüzde yaygın olarak kullanılan pek çok buluşta olduğu gibi, kümülatif bilgi ve deney süreçleriyle gerçekleşmiştir.
1842’de İtalyan fizikçi ve nörofizyolog Carlo Matteucci’nin hayvanlar üzerinde yaptığı deneyler, her kalp atışı öncesinde bir elektrik akımı olduğunu göstermiştir[1].
Nörofizyolog Carlo Matteucci, kendisi gibi İtalyan olan fizikçi Luigi Galvani üzerinde çalıştığı ve arkadaşı Alessandro Volta’nın katkıda bulunduğu kurbağa deneylerinden yola çıkarak kalpte gerçekleşen elektriksel iletim konusunda hayvanlar üzerinde çalışmalar yapmıştır. Galvani, tıp öğrenimi gördüğü Bologna Üniversitesinde, kurbağaların arka bacaklarına uygulanan statik elektriğe kasların tepkisini incelediği deneyleri sırasında, kas ve sinir dokularının elektriksel bir sıvıya benzer bir sıvı içermesi fikrinin aksine Volta’nın deneyler esnasında kullanılan metallerin kurbağanın nemli vücut yüzeyi ile etkileşim halinde bulunmasından kaynaklı metaller arasında elektriksel iletim olduğu düşüncesi üzerine tartışmaları sonucunda Volta pilinin keşfi ve Galvani’nin kendi adıyla anılan kas ve sinir doku hücreleri üzerinde gerçekleştirilen elektriksel iletimin etkisi yani galvanism olayı ortaya çıkmıştır. Bu keşif ve tartışmalardan etkilenen Matteucci, bir kurbağanın bacak kasına bağlı kesilen sinirini kullanarak sinirdeki akımı ölçebilen biyolojik bir akımölçer tasarlamıştır[1].
Çok geçmeden, 19. yüzyılda pek çok bilim insanı bu elektrik akımlarını ölçmeye çalışmıştır.
İngiliz fizyolog Augustus Desire Waller, Londra’da St Mary’s Tıp Fakültesi Hastanesi’nde çalışırken yıllar önce kendisi gibi fizyolog olan babasının da ilgisini çeken sinir dejenerasyonu üzerinde araştırmalar yapmıştır. Bu araştırmalar sırasında keşfettiği Nobel Fizik Ödüllü Fransız fizikçi Gabriel Lippmann’ın kılcal elektrometresinden yararlanarak sağlıklı bir hayvanın ve insanın kalbindeki elektriksel aktiviteyi ölçebileceğini düşünmüştür. Kalp atışını başlatan elektrik akımı oldukça küçük olduğundan Lippmann’ın kılcal elektrometresini ilk kez kullanım açısından oldukça elverişliydi[2].
Şekil 1: Lippmann elektrometresi ve elektrometrenin hastaya bağlanması[2].
Lippmann’ın kılcal elektrometresi düşük seviye elektrik akım dalgalanmalarını tespit etmek için tasarlanmış; bir tarafı kalın diğer tarafı oldukça ince olan borudan ibarettir. Kılcal tüp gibi davranan ince tarafta cıvanın üzerine az miktarda seyreltik sülfürik asit ve cıva karışımı ile yarı doldurulmuştur. Kalın tarafta cıvaya, ince tarafta sülfürik aside bağlanan metal teller, elektrotlardan gelen elektriksel sinyalin iletimini sağlamıştır, böylece cıvanın borudaki yükselişi gözlenebilmiştir[3].
Şekil 2: Lippmann’ın kılcal elektrometresinden alınan sinyallerin kaydedildiği sistem[2].
Lippmann’ın fotoğrafçılık üzerine yaptığı çalışmaları da inceleyen Waller, el yapımı oyuncak bir trenin şasesine kakılan fotoğrafik bir plaka ve dağ keçisi derisi kaplı çinko elektrotlar ile basit bir elektrokardiyogram donanımı oluşturmuştur. Waller, elektrotlardan gelen sinyalle borudaki cıvanın seviyesinde oluşan hareketliliğin fotoğrafik plakaya yansıtılması amaçlamıştır[2].
İlk basit EKG kaydı…
Waller, 1887’de laboratuvarında teknisyenlik yapan Thomas Goswell ile sensör de denilebilecek elektrotların dördünü uzuvlara (kol ve bacaklara), beşincisini ise ağza yerleştirerek ilk basit elektrokardiyogram (EKG) kaydını yapmıştır[1].
Şekil 3: Lippmann’ın kılcal elektrometresinden kaydedilen ilk basit elektrokardiyogram.
t: Saniye cinsinden zaman, h: Kardiyografi, e: Elektrometre [2].
20. yüzyılın başlarında Felemenk fizyolog Willem Einthoven, alanında klasik kalmış bir çalışma örneği olan Waller’ın basit elektrokardiyogramının kapsamlı incelemesini yaparak elektrokardiyogramın çalışma prensibinin dayandığı fotoğrafik kaydın matematiksel hatalarını belirlemiştir. Bu icadın çok çeşitli klinik vakada fizyologlar tarafından kullanılabilmesi için oldukça hassas ve uyarlanabilir olması gerekiyordu; bu amaçla yaylı (telli) galvanometreyi tasarlamıştır. Yaylı galvanometre, gümüş kuvars kaplı iki telden içeriyordu; elektriği daha iyi iletebilmesi için elektrokardiyogramı çekilecek hastanın ellerini ve ayaklarını tuzlu suya sokması gerekiyordu[3].
Einthoven, Waller’in basit elektrokardiyogram çalışmasındaki sinyallerin fotoğrafik plakaya aktarılması sırasındaki hataları düzeltmeye çalışırken görüntüsü alınan elektrik akımında P,Q,R,S ve T adını verdiği beş farklı fazın (sapma) ayırt edilmesini sağlamıştır. Günümüzde de son teknoloji elektrokardiyogram cihazlarında kullanılan bu harfler; kulakçıkların kasılması (P), karıncıkların kasılması (QRS) ve karıncıkların gevşemesi (T) sırasındaki sinyalleri belirlemede kullanılmaktadır. Willem Einthoven, bu çalışmasıyla 1924’te Nobel Ödülü’nü kazanmıştır[3].
Şekil 4: Waller’ın deneyler sırasında elde ettiği dalgalar (üstte), Einthoven’ın geliştirdiği Lippmann kılcal elektrometresinden kaydedilen dalgalar (ortada), yaylı (telli) galvanometre kullanılarak elde edilen elektrokardiyografik izlem (altta)[3].
Einthoven’ın tasarladığı yaklaşık 270 kilogram olan elektrokardiyogram cihazı günümüz teknolojisinde neredeyse 1 kilogramlık kütlesiyle kalbin kulakçıklarının ve karıncıklarının kasılıp gevşeme sırasında uyarılma-iletim süreci boyunca ortaya çıkan elektriksel aktivitenin bir milimetrik kağıt üzerinde haritalandırılmasında yaygın olarak kullanılan klinik tetkik yöntemidir[3]. Ekstremitelerden veya doğrudan kalpten yapılan ölçümlerle, gelişmiş teknolojilerle 2-3 dakikalık ağrısız ve acısız ölçüm yapabilen cihazlarından 24 saat boyunca ölçüm yapabilen tiplerine kadar pek çok çeşidi bulunan elektrokardiyogram cihazları Einthoven’ın belirlediği gibi P,Q,R,S ve T fazlarında sağlıklı birey referansına göre gözlemlenen dalgasal değişiklikler hekimlere hastanın kalp sağlığı hakkında ve hayati olabilen hastalıkların veya ani gelişen olguların (aritmi, koroner arter, iskemi, miyokard enfarktüsü vb.) erken teşhisi sırasında önemli ipuçları sağlamaktadır.
Referanslar
1. Craft, N. (2015). Elektrokardiyogram (EKG). Tıpta Çığır Açan Buluşların Küçük Kitabı, TÜBİTAK Popüler Bilim Kitapları., 82-83.
2. Besterman, E., & Creese, R. (1979). Waller--pioneer of electrocardiography. British heart journal, 42(1), 61. 20 Ağustos 2021 tarihinde,
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC482113/pdf/brheartj00209-0069.pdf adresinden erişilmiştir.
3. Rivera-Ruiz, M., Cajavilca, C., & Varon, J. (2008). Einthoven's string galvanometer: the first electrocardiograph. Texas Heart Institute Journal, 35(2), 174. 22 Ağustos 2021 tarihinde,
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2435435/pdf/20080600s00014p174.pdf adresinden erişilmiştir.