Tracciati ECG, EEG ed EMG
Definizione
L’elettrocardiogramma (ECG) consiste nella misura, tramite elettrodi cutanei, delle differenze di potenziale che si instaurano tra punti distinti del corpo quando il potenziale d’azione si propaga nelle fibre muscolari cardiache, che sono amieliniche. L’elettromiografia (EMG), impiegata per la valutazione della funzionalità del muscolo scheletrico, registra analogamente l’attività bioelettrica associata alla propagazione dei potenziali d’azione nelle fibre muscolari. L’elettroencefalogramma (EEG), invece, rileva differenze di potenziale sulla superficie cranica originate prevalentemente da correnti sinaptiche e potenziali postsinaptici delle cellule nervose corticali, cui si somma il contributo, minore, dei potenziali d’azione assonali.
In (Figura 06.18-01) sono confrontati i potenziali d’azione di neuroni, muscolo scheletrico e miocardio: la diversa morfologia dell’onda e la durata dell’evento riflettono le proprietà specifiche di membrana, in particolare la composizione dei canali ionici e la cinetica delle correnti.
Per mettere in relazione il potenziale d’azione locale e le differenze di potenziale rilevate a distanza sulla superficie corporea è necessario considerare il tessuto biologico come un conduttore di volume quasi omogeneo. Il contributo di una sorgente elementare può essere approssimato da un dipolo elettrico con momento \(\mathbf{p}\); il potenziale in un punto a distanza \(r\), in mezzo conduttivo isotropo di conducibilità \(\sigma\), è descritto da:
\[ \phi(\mathbf{r}) = \frac{1}{4\pi \sigma} \frac{\mathbf{p}\cdot \mathbf{\hat{r}}}{r^{2}}, \]
dove vale il principio di sovrapposizione: il segnale osservato da un elettrodo è la somma dei contributi generati da un gran numero di sorgenti attive in tempi e posizioni differenti.
In generale, quindi, il tracciato misurato sulla cute risulta dalla somma temporale e spaziale di molte unità attive, ciascuna caratterizzata da una fase di depolarizzazione seguita da ripolarizzazione. Nel cuore, i miociti sono organizzati in fasci con orientamento coerente e conduzione relativamente sincrona lungo vie preferenziali; ne consegue che i dipoli elementari tendono ad allinearsi e a sommare i loro effetti. In tali condizioni la d.d.p. registrata dall’elettrodo raggiunge ampiezze dell’ordine dei mV, in genere 0,5–3 mV. Il segnale, opportunamente amplificato e filtrato dall’elettrocardiografo, aziona il sistema di scrittura che produce il tracciato sul supporto o su monitor (Figura 06.18-02).
La situazione è differente per l’EEG: i neuroni corticali presentano orientamenti variabili e le loro attività sono spesso scarsamente sincrone su vasta scala. Inoltre, la scatola cranica introduce attenuazione e dispersione del campo elettrico. La risultante è una somma di contributi positivi e negativi, in gran parte asincroni e a geometria non allineata, che riduce l’ampiezza complessiva del segnale a valori tipicamente nell’ordine dei microvolt. La risultante tendenza alla cancellazione parziale è illustrata in (Figura 06.18-03).
Queste considerazioni consentono di spiegare le differenze principali tra i tre tracciati:
- ECG: origine nel miocardio con attivazione coordinata di grandi masse muscolari, geometria dei fasci favorevole alla sommazione vettoriale, ampiezze nell’ordine dei mV;
- EMG: somma di potenziali d’azione di unità motorie; con elettrodi di superficie le ampiezze tipiche sono decine–centinaia di µV, con elettrodi ad ago possono raggiungere alcuni mV;
- EEG: attività prevalentemente sinaptica di popolazioni neuronali con sincronia limitata e attenuazione cranica, ampiezze nell’ordine dei µV e forte suscettibilità ai disturbi ambientali.
I segnali elettroencefalografici, per la loro bassissima ampiezza, sono confrontabili con interferenze a radiofrequenza e con disturbi elettromagnetici presenti nell’ambiente (emittenti radio-televisive, telefonia, commutazioni elettriche). Ne deriva la necessità di adottare robuste misure di reiezione del rumore: schermatura dell’ambiente di registrazione (ad esempio con gabbia di Faraday delle pareti), cavi schermati, amplificatori con elevatissima impedenza d’ingresso e reiezione di modo comune, nonché filtri selettivi per le frequenze di rete.
Infine, la relazione tra sorgenti bioelettriche e segnale registrato dipende anche dalla disposizione degli elettrodi (“campi di derivazione”) e dalla conducibilità anisotropa dei tessuti. La scelta delle configurazioni di derivazione in ECG, EMG ed EEG mira a massimizzare il rapporto segnale/rumore e a privilegiare i contributi di interesse clinico, mantenendo al contempo una rappresentazione affidabile della dinamica di depolarizzazione e ripolarizzazione che sottende i tracciati mostrati in (Figura 06.18-01), (Figura 06.18-02) e (Figura 06.18-03).
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