심장의 전기적 활동
심장에는 극히 미량의 전기를 리드미컬하게 분명히 ! 일으키고 있습니다. 그 리듬은 심장의 규칙적인 움직임의 원친이 되고 있습니다.
이것을 심장의 "전기적 활동(electical activity)라고 합니다. 이 전기적 활동을 받아 심근의 수축이나 이완과 같은 "기계적 활동"이 일어나는 것이죠. 그러나 이 전기적 활동은 매우 미량의 전기로 일어나기 때문에 그 상태를 알기 위해서는 심장의 극히 작은 전기적 활동을 포착하여 체외의 증폭 장치로 증폭해야 확인할 수 있습니다.
각 심근세포의 전기적 활동
심장은 심근세포가 많이 모여서 이루어진 장기입니다. 따라서, 심장 전체를 보기 전에 우선 1개의 심근세포에서는 어떠한 전기적 활동이 일어나는지 관찰해봅시다.
심근세포의 전기적 활동에는 칼륨이온, 나트륨이온, 칼슘이온이 크게 관여하고 있습니다.
심근세포가 "정지상태"에 있을 때 세포내외의 이온 상태를 보면 세포내에는 세포외 농도의 약 30배나 되는 칼륨이온(K+)이 있고 세포외에는 세포내 농도의 약 10배가 되는 나트륨이온(NA+)이 있습니다.
또한 칼슘이온(Ca2+)은 세포내보다는 세포외에 많은 상태입니다. 그러나 이들 세포내외의 이온은 세포막을 사이에 두고 균형을 이루고 있으며, 그 전기적 상태는 세포막의 바로 안쪽이 마이너스로, 바깥쪽이 플러스로 하전되어 있습니다.
이 상태를 전기적으로 "분극되어 있다"라고 표현합니다.
칼륨이온(K+):
세포 내에 가장 풍부한 양이온입니다. 세포막 전위를 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. 칼륨 채널을 통해 세포막을 가로질러 이동하며, 이는 활동 전위의 재분극 단계에서 중요합니다. 세포 내 효소 기능, 단백질 합성 및 세포 용적 조절에 관여합니다.
나트륨이온(Na+):
세포 외액에 가장 풍부한 양이온입니다. 나트륨-칼륨 펌프(Na+/K+ ATPase)에 의해 능동적으로 세포 밖으로 이동합니다. 활동 전위의 상승 단계(탈분극)에서 중요한 역할을 합니다. 세포막을 가로질러 다양한 물질의 수송에 관여하는 공동수송체(co-transporter)와 교환수송체(exchanger)의 기능에 필수적입니다.
칼슘이온(Ca2+):
세포 외액에 더 높은 농도로 존재합니다. 근육 수축, 신경 전달물질 방출 및 세포 내 신호 전달에 매우 중요한 역할을 합니다. 심근세포에서 칼슘은 근소포체(sarcoplasmic reticulum)에 저장되어 있다가 활동 전위 동안 방출되어 수축을 유발합니다. 칼슘 채널과 교환수송체를 통해 세포막을 가로질러 이동합니다.
이 정지상태일 때 자극이 가해지면(전기적 흥분이 더해지면) 세포막의 투과성에 변화가 생겨 이온의 이동이 일어납니다.
우선, 세포외의 나트륨이온이 급속하게 세포내로 밀려들어갑니다. 이 때 세포내 전위는 일시적으로 +25mV 정도로 상승하는데 이것을 "탈분극(depolarization)"이라고 합니다.
나트륨이온이 다 밀려들어가면 세포내 전위는 0mV 정도에서 안정되고 이어서 칼슘이온이 천천히 세포외에서 세포내로 들어갑니다. 그 다음에는 지금까지 세포내에 있던 칼륨이온이 세포외로 나오게됩니다. 그리고 세포내 전위는 다시 -85mV 정도로 다시 돌아가는데 이것을 "재분극(repolarization)"이라고 합니다.
이렇게 되면 나트륨이온이나 칼슘이온이 세포내로 들어오기만 하고 칼륨이온은 세포외로 나가기만 하는 상태가 되어 버리기 때문에 다음의 단계에서 각각의 이온을 본래의 상태로 되돌리려는 세포막펌프가 작용하여 다시 정지상태가 되는 것입니다.
1. 나트륨이온이 세포내로 밀려들어간다.
2. 칼슘이온이 천천히 세포내로 들어간다.
3. 칼륨이온이 세포외로 나온다.
4. 세포막펌프의 작용으로 본래의 상태로 돌아가 정지상태가 된다.
심전도의 기본 파형과 파형의 의미
P파 : 심장의 전기적 활동이 시작되고 가장 먼저 나타나는 파로서, 양성(위쪽)의 작은 봉우리 모양이 'P파'라고 부릅니다.
P파는 심방의 전기적 흥분을 의미합니다. 정확하게는 먼저, 우심방의 흥분이 시작되고 바로 다음으로 좌심방이 흥분하는데, 보통의 심전도에서는 1개의 봉우리로 밖에 보이지 않습니다.
-> 정상 P파는 폭이 0.09~0.11초, 높이가 2.5mm 이하입니다.
QRS 군집 : P파가 끝나고 조금 지나면 이번에는 음성(아래 방향)의 작은 움직임이 보이는데, 이 파를 "Q파" 라고 합니다. 그리고 곧바로 높고 날카로운 양성의 움직임으로 바뀌는데 이를 "R파"라고 합니다. R파는 재빠르게 기선으로 되돌아와 다시 음성의 움직임을 보이는데 이것을 "S파" 라고 합니다.
Q R S 각각의 파형은 떨어지지 않고 항상 1개의 움직임으로 보이기 때문에 "QRS군"으로 통합해서 다루고 있습니다.
왜냐하면 이 QRS군은 심실의 탈분극(depolarization, 탈분극은 신경세포나 근육세포에서 일어나는 중요한 생리학적 과정입니다)을 나타내기 때문입니다.
세포막 전위(Membrane potential): 세포막 내외부의 이온 농도 차이로 인해 세포막에는 전위차가 존재합니다. 보통 세포 내부는 음전하를, 외부는 양전하를 띱니다.
안정 상태(Resting state): 자극이 없을 때, 세포는 안정 상태를 유지합니다. 이때 세포막 전위를 휴지 전위라고 합니다.
탈분극 자극(Depolarizing stimulus): 세포에 특정 자극이 가해지면, 세포막의 나트륨 통로가 열리고 나트륨 이온이 세포 내로 유입됩니다. 이로 인해 세포 내부의 전위가 점차 양전하로 변하는데, 이를 탈분극이라고 합니다.
활동 전위(Action potential): 탈분극이 임계값에 도달하면 세포막 전위는 급격히 상승하여 일시적으로 양전하가 됩니다. 이를 활동 전위라고 하며, 신경 신호나 근육 수축을 유발합니다.
재분극(Repolarization): 활동 전위 이후, 칼륨 통로가 열리고 칼륨 이온이 세포 외부로 유출되면서 세포막 전위는 다시 음전하로 변합니다. 이를 재분극이라고 합니다.
과분극(Hyperpolarization): 재분극 과정에서 세포막 전위가 휴지 전위보다 더 낮아질 수 있는데, 이를 과분극이라고 합니다. 이후 세포막 전위는 다시 휴지 전위로 돌아옵니다.
QRS군이 이와 같이 날카로운 형태를 나타내는 것은 심실의 근육에서는 자극이 매우 빨리 전달된다는 것을 의미하는 것입니다. QRS군의 폭은 정상에서는 0.10초를 넘지 않습니다.
높이는 기록 방법에 따라 달라지는데, 심장이 배대해지면 R파의 높이는 대체로 높아집니다.
QRS군의 움직임이 끝나고 잠시 동안 거의 평탄하게 달리다가, 완만한 경사의 산이 나타납니다. 이것을 "T파"라고 하는데 심실의 "재분극(repolarization)"을 나타냅니다. 가끔, T파 다음에 매우 완만한 언덕과 같은 파형이 보이는 경우가 있는데 이를 "U파"
라고 합니다.
PR간격 또는 PQ간격 : 심방 탈분극(심방의 전기적 활성화)을 나타내는 구간입니다. 동방결절에서 생성된 전기 자극이 심방을 통과하는 데 걸리는 시간을 반영합니다. 정상 범위는 0.12초에서 0.20초 사이입니다.
QT간격 : 심실 탈분극과 재분극을 포함하는 전체 시간을 나타냅니다. Q파의 시작부터 T파의 끝까지를 측정합니다. QT 간격은 심박수에 따라 달라지므로 보정된 QT 간격(QTc)을 사용하기도 합니다. 정상 QTc 값은 0.36초에서 0.44초 사이입니다.
ST 부분 : 심실 탈분극이 끝나고 재분극이 시작되는 구간입니다. 이 부분은 일반적으로 등전위선(isoelectric line)에 위치해야 합니다. ST 부분은 심근 상태에 관해서 매우 중요한 정보를 제공해 주는 부분입니다. 예를 들어서 심근의 혈류가 부족한 "심근허혈(myocardial ischemia)" 상태라면 ST부분이 기선의 아랫방향으로 이동하고 심근경색이 일어나면 ST부분이 상승합니다.
심전도 파형과 심실의 수축, 확장과의 관계
심실이 수축되거나 확장되는 것은 심근의 수축이나 이완이라는 기계적 활동의 결과로 발생하는 움직임입니다.
또한 이것은 선행된 전기적 활동에 의해 발생된 것이죠. 위의 그림을 통해 심전도 파형과 심실의 수축 및 확장의 관계에 대해서 살펴볼 수 있습니다.
심실의 수축은 QRS군의 중간부터 일어나기 시작하여 곧 대동맥판막(arotic valve)이 열리고 혈액을 보내기 시작하는데, T파가 끝날 무렵에 대동맥판막이 닫히고 심실의 수축기가 끝납니다. 그리고 곧 승모판막(mitral valve)이 열리고 심실로 혈액이 유입되기 시작하는데, 다음의 QRS군의 중간까지가 심실의 확장기가 됩니다.