100. rocznica Nagrody Nobla za zapis ekg

13 listopada 1924 r. Władysław Reymont otrzymał literacką Nagrodę Nobla za powieść „Chłopi”. W tym samym roku noblistą z medycyny został Willem Einthoven (21.05.1860-29.09.1927) ‒ profesor fizjologii i histologii urodzony w Holenderskich Indiach Wschodnich (dziś Indonezja). Akademia uhonorowała go za odkrycie mechanizmu zapisu elektrokardiogramu.

Magdalena Mazurak

Fot. 1. Dyplom noblowski Willema Einthovena (źródło: domena publiczna)

Willem Einthoven urodził się w 1860 r. w Semarangu ‒ mieście portowym na północnym wybrzeżu indonezyjskiej wyspy Jawa. Jego dziadek, Salomon Jurdan, był wnukiem żydowskiego handlarza, który w 1750 r. osiedlił się w holenderskim mieście Eindhoven, a po przeprowadzce do Hagi nazywał siebie Enthoven, podkreślając miejsce, z którego pochodził. Gdy w 1806 r. Bonaparte podbił Europę i zajął Niderlandy, przepisy Kodeksu Napoleona wymusiły na mieszkańcach tych terenów posiadanie nazwisk. Przodkowie Willema wybrali nazwisko Enthoven, część rodziny przyjęła skróconą formę ‒ Hoven, a inni (tak jak dziadek Willema) wprowadzili drobną korektę ‒ z Enthoven na Einthoven. Salomon Jurdan Einthoven dołączył, jako chirurg, do armii niemieckiej i walczył przeciwko wojskom napoleońskim (także pod Waterloo). Żona urodziła mu pięcioro dzieci, w tym Jakuba, ojca Willema. Po jej śmierci (10 lat po ślubie ‒ w wyniku gorączki połogowej) Salomon Jurdan Einthoven ożenił się z jej młodszą siostrą.

Ojciec Willema, Jakub Einthoven, po skończeniu studiów medycznych, znalazł się na terenie Holenderskich Indii Wschodnich, by ‒ zgodnie ze zobowiązaniem ‒ w ciągu 10 lat  odpracować stypendium rządowe, przyznane mu na naukę. Jego ostatnim miejscem pracy był szpital wojskowy w Semarangu. Jak wielu mężczyzn przybyłych w tropiki, także i on związał się z miejscową kobietą ‒ swoją gosposią, która początkowo prowadziła mu dom, a jako jego partnerka została matką czworga dzieci, by ostatecznie rozstać się z Einthovenem. Kolejną kobietą, z którą związał się ojciec Willema, była Holenderka. Miał z nią sześcioro dzieci, z których ostatnie (dziewczynka) przyszło na świat już po jego śmierci (zmarł na udar mózgu w 1866 r., osierociwszy m.in. 6-letniego wówczas Willema). W tropikach możliwości edukacyjne były wtedy ograniczone. Wyższych uczelni nie było, dlatego zwykle cała rodzina powracała do Holandii lub wysyłano do Europy same dzieci, w celu dalszego kształcenia na uniwersytecie. Dlatego też w 1870 r. wdowa po Jakubie Einthovenie wraz z dziećmi przeniosła się do Holandii. Willem rozpoczął studia na uniwersytecie w Utrechcie i, podobnie jak ojciec, otrzymał stypendium rządowe, które wymagało od niego przepracowania dekady w zamorskiej kolonii. Planował pójść w ślady ojca i powrócić do Holenderskich Indii Wschodnich jako okulista.

Willem Einthoven był wyróżniającym się studentem. Już w czasie nauki w Utrechcie dwukrotnie opublikował własne artykuły. Jedna z tych prac dotyczyła fizjologii ruchu w stawie. Einthoven złamał nadgarstek, więc chcąc przywrócić sprawność ręki, wziął lekcje fechtunku. Ta czasowa niepełnosprawność zwróciła jego uwagę na mechanizm ruchu w stawie łokciowym, który wnikliwie obserwował u siebie, studiując geometrię stawu. Rezultatem tych autoanaliz była publikacja Kilka uwag o stawie łokciowym, która stanowi analizę anatomii, a w połączeniu z regułami matematyki i fizyki obejmuje studium przywodzenia i odwodzenia kończyny górnej, badanie wpływu ćwiczeń na napięcie mięśni i funkcjonowanie stawu. W swoim artykule, dotyczącym funkcjonowania stawu łokciowego, Willem Einthoven podkreślał istotną rolę stawu barkowego, co było nowatorskie w stosunku do poglądów jego nauczycieli.

W szpitalu okulistycznym w Utrechcie Einthoven pracował razem z Hermanem Snellenem (którego nazwisko zostało utrwalone dzięki tablicom Snellena do badania ostrości wzroku). W 1885 r. Einthoven obronił pracę doktorską poświęconą stereoskopii. Przeprowadził serię badań z udziałem 32 ochotników, którym częściowo zasłaniał źrenicę. Mimo że rozprawa liczyła zaledwie 32 stronice, otrzymał notę cum laude. Po studiach Willem Einthoven miał zamiar wyruszyć w podróż do Holenderskich Indii Wschodnich, podobnie jak uczynił to jego ojciec przed laty. Te plany nigdy nie zostały zrealizowane, bo pierwsza posada, którą otrzymał, pozwoliła mu spłacić uzyskane stypendium. Jego kandydaturę zaproponowano na stanowisko kierownika Katedry Fizjologii w Lejdzie (Leiden), pomimo że Einthoven był jeszcze studentem. Dopiero więc następnego roku, gdy ukończył studia, mógł przyjąć tę posadę (miał wówczas 25 lat). Żony daleko nie szukał. Ożenił się ze swoją cioteczną siostrą, Frederique Jeanne Louise de Vogel (matka Willema i ojciec jego żony byli rodzeństwem). Małżeństwo doczekało się czwórki dzieci: trzech córek oraz syna Willema Jr, który został inżynierem elektrykiem i udoskonalił model galwanometru strunowego, zbudowanego przez ojca.

W 1887 r. w Londynie dr August Waller, angielski fizjolog, zademonstrował elektrokardiogram wykonany u technika laboratoryjnego przy zastosowaniu elektrometru kapilarnego. Waller prezentował to badanie, korzystając z pomocy swojego psa, buldoga Jimmiego, którego cztery łapy zanurzał w roztworze soli fizjologicznej. Co ciekawe, jeszcze długo później sam Waller nie doceniał możliwości diagnostycznych tej techniki. Tak mówił w 1911 r.: Nie wyobrażam sobie, żeby elektrokardiografia znalazła szersze zastosowanie w szpitalnictwie. Co najwyżej zastosuje się ją w okazjonalnych przypadkach, gdzie pozwoli na zarejestrowanie rzadkich nieprawidłowości czynności serca. W 1889 r. w Szwajcarii odbył się I Międzynarodowy Kongres Fizjologów. Na to spotkanie przybyli naukowcy z całej Europy. Jedynym reprezentantem Holandii był Willem Einthoven. Właśnie tam zobaczył zaprezentowaną przez Wallera technikę rejestracji ekg przy pomocy elektrometru kapilarnego. Wywarło to na nim duże wrażenie.

Pięć wychyleń, rejestrowanych w zapisie ekg przed wprowadzeniem w 1890 r. tzw. formuły poprawki oznaczono, zgodnie z pomysłem Einthovena, kolejnymi literami alfabetu: ABCDE, a po dokonaniu tej matematycznej poprawki pięć pochodnych wychyleń zakodowano literami PQRST. Litera P została wybrano celowo, zaplanowano bowiem użycie liter z drugiej połowy alfabetu, a litera N w matematyce miała już swoje znaczenie (określa zbiór liczb naturalnych). Natomiast literę O stosuje się do oznaczania początku układu współrzędnych kartezjańskich (xoy). Tak więc kolejną literą w alfabecie, możliwą do użycia, była litera P. Matematyczna poprawka dla obserwowanych fluktuacji elektrometru pozwoliła uwidocznić prawdziwy kształt fali, ale niestety wymagało to długich, czasochłonnych obliczeń. W 1893 r. Willem Einthoven wprowadził pojęcie: elektrokardiogram. Stwierdził jednak, że rejestracja zapisów ekg przy użyciu elektrometru kapilarnego jest żmudna, pracochłonna i uciążliwa.

Większe możliwości dawał galwanometr, który Einthoven ulepszył, używając posrebrzanej kwarcowej struny. W 1902 r. opublikował pierwszy graficzny zapis czynności elektrycznej serca wykonany przy pomocy galwanometru strunowego. Skonstruował kilka prototypów tego aparatu. Najważniejszym elementem urządzenia był cienki drut (struna) umieszczony między bardzo silnymi elektromagnesami. Prąd płynął przez drut, a pole elektromagnetyczne powodowało ruch (odchylenie) tej struny. Jasne świecenie drutu powodowało zacienienie na kręcącej się rolce papieru fotograficznego, w ten sposób powstawała ciągła linia krzywa. Urządzenie zużywało wodę do chłodzenia, wymagało silnych elektromagnesów i aż pięciu silnych mężczyzn do obsługi, ważyło bowiem aż 600 funtów (czyli około 300 kg). Co dziś wydaje się niewiarygodne, cała aparatura zajmowała dwa pomieszczenia. Konsekwencją takich rozmiarów i masy była immobilność urządzenia i konieczność przesyłania na odległość sygnału ekg ze szpitala od pacjenta, którego kończyny zanurzone były w roztworze soli fizjologicznej, do Laboratorium Fizjologicznego, kierowanego przez Einthovena. W 1905 r. Willem Einthoven rozpoczął transmisję sygnału ekg z kliniki do oddalonego o 1,5 km swojego laboratorium przez kabel telefoniczny, a rok później przedstawił prawidłowe i nieprawidłowe zapisy wykonane na galwanometrze strunowym u pacjentów z różnymi problemami (Le télécardiogramme). Zaprezentowane przez Einthovena charakterystyczne obrazy ekg fizjologiczne i patologiczne dotyczyły przerostu lewej i prawej komory, przerostu lewego i prawego przedsionka, fali U, zespołu QRS, przedwczesnych pobudzeń komorowych, bigeminii komorowej, trzepotania przedsionków oraz całkowitego bloku serca. W 1912 r. Willem Einthoven przedstawił koncepcję trójkąta równoramiennego, utworzonego przez standardowe odprowadzenia I, II i III. Dzięki takiemu ustawieniu można było obserwować wzajemne relacje między odprowadzeniami i określić oś serca. Ta właśnie figura geometryczna ‒ trójkąt ‒ unieśmiertelniła jego nazwisko w postaci eponimu: trójkąt Einthovena.

Z okazji 25. rocznicy konstrukcji galwanometru stunowego, do Lejdy nadszedł list z pozdrowieniami. Adresatem był… galwanometr, a nadawcą przyjaciel Willema Einthovena. Nadawca prosił, by list ten został przeczytany jubilatowi-galwanometrowi, który umie przecież pisać, ale nie umie wszak czytać. W odpowiedzi Einthoven napisał: Wypełniłem dokładnie twoją prośbę i przeczytałem twój list galwanometrowi. Słuchał i cieszył się ze wszystkich słów, które do niego napisałeś. Nie przypuszczał, że tak wiele zrobił dla ludzkości. Ale w miejscu, w którym napisałeś, że nie umie czytać, wybuchnął z wściekłością alarmując całą moją rodzinę. Krzyczał: Co, ja nie umiem czytać?! To okropne kłamstwo. Czyż nie czytam tajemnic serca? Uspokoiłem go i poradziłem, żeby w przyszłości robił, ile może dla dobra ludzkości, ale żeby nie liczył na jej wdzięczność.

Willem Einthoven jeszcze za życia doczekał się uhonorowania najwyższą nagrodą, jaka istnieje w nauce ‒ został laureatem Nagrody Nobla w dziedzinie medycyny za 1924 r. Otrzymanymi pieniędzmi chciał podzielić się ze swoim asystentem, a gdy dowiedział się, że ten nie żyje, przekazał ekwiwalent jego siostrze. W wykładzie noblowskim, wygłoszonym w grudniu 1925 r. (tytuł: The string galvanometer and the measurement of the action currents of the heart) powiedział: Wielu badaczy położyło swoje zasługi dla elektrokardiografii. Nie wymienimy teraz ich wszystkich z nazwiska, ale musimy zauważyć te szczęśliwe okoliczności, że naukowcy z całego świata pracują razem. Otworzył się nowy rozdział w kardiologii, nie z powodu działalności jednego badacza, ale wielu zdolnych ludzi, na których pracę nie miały wpływu granice polityczne, a którzy propagując idee na całą planetę poświęcili swoje siły na idealny cel, na postęp wiedzy, który ostatecznie posłużył całej cierpiącej ludzkości.

Willem Einthoven władał biegle czterema językami, co miało ogromny wpływ na popularyzację jego pomysłów. Świat zawdzięcza mu standaryzację zapisu ekg, ujednolicenie procesu rejestracji. Na uniwersytecie w Lejdzie pracował ponad 40 lat, aż do śmierci. Zmarł z powodu nowotworu w wieku 67 lat. Został sportretowany przez Diego Riverę na wielkim muralu w Instytucie Kardiologii w Meksyku. Ma ulicę swego imienia w Lejdzie i swój krater na Księżycu. Był bohaterem znaczka pocztowego, a pięć lat temu został bohaterem Google Doodle (grafika na specjalne okazje).

Prawdopodobnie pierwszy w Polsce artykuł, dotyczący zapisu ekg, zamieściła „Gazeta Lekarska” 16.04.1910 r. (Nr 16; tom XXX). Jest to publikacja Kazimierza Rzętkowskiego O elektrokardiogramie (Referat wygłoszony w Towarzystwie Lekarskiem Warszawskiem d. 1-go marca 1910 r.). Tak autor rozpoczyna swój artykuł: Ze wszystkich metod badania czynności serca niewątpliwie najoryginalniejszą i najbardziej obiecująca jest metoda elektrokardiograficzna, zapoczątkowana w 1889 r. przez fizjologa angielskiego A. Wallera, rozwinięta i spopularyzowana przez Einthoven’a dzięki zastosowaniu do badań elektrokardiograficznych galwanometru nitkowego. Dalej autor dokładnie opisuje złożoność aparatury „Herzstation”, jej budowę, zasadę działania i duży koszt, bo około 4 tys. marek, tj. tyle, ile wówczas kosztował samochód. Napoleon Cybulski (odkrywca adrenaliny) jako pierwszy w Polsce zastosował elektrokardiograf i w 1910 r. swoimi doświadczeniami podzielił się w „Gazecie Lekarskie:j (nr 17) w tekście pt. Kilka uwag o elektrokardiogramach na podstawie własnych doświadczeń podał Prof. N. Cybulski. W artykule znaleźć można pierwszy zapis ekg 20-letniej panny. W tym samym numerze ten sam autor zamieścił również pierwszy zapis polikardiograficzny, tj. jednoczasowy zapis ekg i fonokardiogram.

Elektrokardiogram jest najstarszym i nadal najszerzej stosowanym badaniem w kardiologii. Na podstawie zapisu ekg lekarze (nie tylko kardiolodzy) podejmują ważne decyzje diagnostyczno-terapeutyczne. Jego zaletą jest nieinwazyjność, prostota rejestracji i niewielki koszt, stąd popularność tej metody badania mimo upływających właśnie 100 lat od przyznania Nagrody Nobla dla Willema Einthovena.