LỊCH SỬ MÁY ĐIỆN TIM

Ngày nay, máy đo điện tim (ECG) là một thiết bị hết sức thông dụng tại các cơ sở y tế. Tuy nhiên, để có thể trở thành một thiết bị tiện dụng trong ngày hôm nay, máy điện tim đã trải qua quá trình phát triển hàng trăm năm cùng với quá trình khám phá kiến thức của loài người.

Những khám phá đầu tiên về điện sinh học và điện tạo từ trái tim

Những kiến thức đầu tiên về điện sinh học được bắt đầu với quan sát của nhà giải phẫu học người Italia L. Galvani năm 1787. Galvini nhận thấy cơ đùi của con ếch co lại khi trải qua quá trình phóng điện. Galvani đã đặt giả thiết về dòng điện trong động vật, ý tưởng này đã vấp phải sự phản đối của nhiều người. Chỉ sau khi những điện kế (galvanometer) có độ nhạy cao được chế tạo bởi Nobili năm 1825, người ta mới có thể chứng minh có sự phóng điện và dòng điện trong cơ thể con ếch.

Năm 1843, Matteucci chứng minh rằng có thể đo dòng điện từ cơ tim nghỉ. Sau đó, DuBois -  Reymond đã nghiên cứu kỹ hơn về hiện tượng này và phát hiện sự liên hệ giữa sự thay đổi dòng điện với sự co cơ, họ gọi hiện tượng này bằng thuật ngữ “thế hoạt động” (action potential). Năm 1878, Engelmann là người đầu tiên giới thiệu biểu đồ theo thời gian sự dao động điện thế của tim ếch. Augustus Desiree Waller là người đầu tiên ghi được điện thế tương ứng với nhịp đập của tim từ bề mặt cơ thể người vào khoảng năm 1887 – 1888. Waller đã sử dụng điện kế mao dẫn do nhà vật lý người Pháp Gabriel Lippmann phát minh năm 1873.

Nguyên lý hoạt động của thiết bị này được thể hiện trong hình sau

Điện kế mao dẫn được chế tạo bởi Lippmann năm 1873.Thiết bị hoạt động dựa trên sự phân cực và sức căng  bề mặt tại nơi tiếp xúc của thủy ngân và axit sunfuric. Điện thế được đặt vào hai đầu ống bằng dây nối với thủy ngân và axit sunfuric. Nếu hiệu điện thế 2 đầu thay đổi, bề mặt cong của cột thủy ngân sẽ di động theo. Ta có thể quan sát sự thay đổi này bằng kính lúp hoặc chiếu lên một màn hình.

Quá trình phát triển thiết bị ghi điện tim

Năm 1890, George J. Burch phát minh ra một phương pháp số học để hiệu chỉnh sự dao động quan sát được của điện kế. Điều này cho phép xem được dạng sóng thực nhưng phải trải qua các tính toán rất phức tạp. Năm 1893, nhà khoa học người Hà Lan Willem Einthoven đã đưa ra một phương pháp hiệu chỉnh khác để dự đoán một dạng sóng gần với dạng sóng điện tim “thực”, dạng sóng này gồm 5 điểm uốn mà ông đặt tên là P, Q, R, S, T (hình dưới đây).

Ông cũng đưa ra khái niệm đồ thị điện tim (electrocardiograph) và biểu diễn của ông được sử dụng cho đến ngày nay. Chúng ta nên nhớ là dạng sóng điện tim lúc này do Einthoven “đoán ra” dựa trên các tính toán, một thời gian sau đó ông mới ghi được sóng thực và chứng minh các tính toán của mình là đúng.

Tại sao lại là PQRST? 4 điểm uốn trước khi chuẩn hóa được đặt là ABCD, 5 điểm uốn sau khi chuẩn hóa được đặt là PQRST. P được lựa chọn vì một quy ước toán học do Decartes đặt ra, đó là dùng các ký tự ở nửa sau bảng chữa cái để ký hiệu trong các phương pháp toán mà Einthoven đã sử dụng. Tuy nhiên, N có một ý nghĩa khác trong toán học, O là điểm gốc trên hệ tọa độ Decartes, P đơn giản chỉ là chữ cái tiếp theo.

Năm 1900, Einthoven tiếp tục phát triển một loại điện kế mới mà ông gọi là “string galvanometer” (điện kế dây) cho phép ghi tín hiệu điện tim hoặc các tín hiệu biến đổi theo thời gian khác tốt hơn. Thiết bị ghi điện tim đầu tiên của Einthoven gồm một điện kế dây, bóng đèn cong, hệ thống chiếu và camera. Nó nặng khoảng 300 kg và cần 5 người vận hành. Sau đó, nhiều công ty tìm cách thiết kế lại hệ thống này để có thể đưa ra thị trường, một trong các thiết kế được nhiều người biết nhất là của công ty Cambridge Scientific Instrument (Anh) (xem hình sau)

Sử dụng các kiến thức từ nghiên cứu của Einthoven, Sir Thomas Lewis và các đồng nghiệp đã nghiên cứu để tìm hiểu ý nghĩa của đồ thị điện tim. Năm 1913, họ đã cùng xuất bản một công trình khoa học đặt ra các tiêu chuẩn về điện cực điện tim cũng như mở đầu cho việc sử dụng đồ thị điện tim như là một công cụ không xâm lấn trong chẩn đoán chức năng tim mạch. Năm 1924, Einthoven được tặng giải Nobel Y học cho  những phát hiện về cơ chế của đồ thị điện tim. Sau đó, các nhà khoa học đã tiếp tục nghiên cứu nhằm hoàn thiện lý thuyết về tín hiệu điện tim cũng như phát triển các thiết kế máy điện tim mới.

Khuếch đại tín hiệu

Sau khi ống chân không được phát minh, các tín hiệu điện nhỏ từ trái tim có thể được khuếch đại lên nhiều lần hơn. Năm 1928, Ernestine và Levine báo cáo trong Tạp chí tim mạch Mỹ về việc sử dụng ống chân không để khuếch đại tín hiệu điện tim thay thế cho các “string galvanometer” do Einthven thiết kế. Trong năm đó, công ty của Frank Sanborn đã sản xuất thành công máy điện tim có thể xách tay với khối lượng khoảng 25kg và được cấp nguồn bằng ắc quy 6V.

Ngay sau đó, các công ty khác cũng bắt tay vào thiết kế, chế tạo máy điện tim kiểu này. Việc phát minh ra ống tia ca-tốt giúp gia tăng đáng kể việc ghi, biểu diễn tín hiệu điện tim. Ngoài ra các phát minh về thiết bị ghi như pen-writing, hệ thống ghi ink-jet trong thập kỷ 1930, 1940 giúp cho máy điện tim được sử dụng một cách rộng rãi. Cùng với sự tiến bộ của kỹ thuật, máy in nhiệt rồi máy in laser được sử dụng để giúp việc ghi tín hiệu điện tim trở nên dễ dàng hơn.

Điện cực

Chế tạo điện cực cũng là một việc rất quan trọng để có thể ghi nhận được tín hiệu điện tim. Trong thời kỳ đầu tiên, người ta phải nhúng các tay, chân vào trong các dung dịch chất điện phân (bạn đọc có thể nhìn thấy trong hình trên). Với sự phát triển ngành hóa học và vật lý, người ta có thể hiểu rõ hơn về các quá trình xảy ra khi truyền tín hiệu từ da đến các điện cực. Từ những kiến thức này, năm 1974, Glatzke đã đưa ra mô hình hoàn chỉnh của giao diện điện cực da và các vấn đề liên quan. Ngày nay, các điện cực được chế tạo nhỏ gọn và dễ sử dụng.

Các đạo trình

Năm 1912, Einthoven mô tả một tam giác đều tạo bởi các đạo trình tiêu chuẩn I, II, II gọi là “tam giác Einthoven”. Năm 1934, Frank Wilson nối các dây từ tay phải, tay trái và chân trái vào một điện cực trung tính, sau này được gọi là “điện cực trung tâm Wilson”. Từ đây, Wilson định nghĩa các đạo trình chi đơn cực VR, VL và VF (V viết tắt từ voltage có nghĩa là hiệu điện thế).

Sau một số nghiên cứu, năm 1938, hiệp hội tim mạch Mỹ và Anh định nghĩa các vị trí tiêu chuẩn cho các đạo trình ngực V1 – V6. Năm 1942, Emanuel Goldberger tăng điện áp trên các đạo trình chi đơn cực của Wilson lên 50% và tạo nên các đạo trình chi được gia tăng aVR, aVL, aVF (a được viết tắt từ augmented). Sau khi thêm 3 đạo trình ngoại biên của Einthoven và 6 đạo trình ngực, ta có 12 đạo trình sử dụng cho đến ngày nay. Năm 1993, giáo sư Robert Zalenski người Mỹ đã xuất bản một bài báo trong đó đề nghị sử dụng hệ thống 15 đạo trình với các đạo trình bổ sung là V4R, V8, V9.

Máy khử rung tim, máy tạo nhịp, holter và điện tim gắng sức

Ngoài việc tìm cách ghi tín hiệu điện từ trái tim, các nhà nghiên cứu cũng tìm hiểu những hiện tượng xảy ra ở chiều ngược lại, tức là khi tác động điện lên trái tim. Năm 1899, Jean-Luois Prevost và Frederic Batelli là các giáo sư của Đại học Geneva (Thụy Sĩ) phát hiện ra khi áp một hiệu điện thế lớn dọc theo trái tim của động vật thì có thể làm ngừng sự rung thất (ventricular fibrillation). Họ cũng phát hiện ra có thể tạo ra sự rung thất bằng hiệu điện thế nhỏ (40V).

Các thiết bị họ chế tạo được gọi là máy khử rung tim (defibrillator). Những điều này được thử nghiệm trên chó, nhưng mãi tới năm 1947, bác sĩ Claude Beck người Mỹ mới thực hiện thành công trên cơ thể một bệnh nhân nam 14 tuổi. Sau thành công này, máy khử rung tim bắt đầu được sử dụng rộng rãi. Năm 1956, Paul Zoll sử dụng một máy khử rung mạnh hơn trong khử rung ngực kín (closed-chest).

Năm 1931, Albert Hyman được cấp bằng phát minh sáng chế cho thiết bị “tạo nhịp tim nhân tạo” (artificial cardiac pacemaker) mặc dù việc sử dụng thiết bị tương tự đã được một bác sĩ giấu tên tại Úc thực hiện từ năm 1926. Đây là thiết bị với kích thước có thể đặt trong túi khám của bác sĩ, kích thích vùng tâm nhĩ của tim với một cây kim thích hợp.

Năm 1950, kỹ sư điện tử người Canada John Hopps chỉ ra rằng có thể kích thích cơ co tim bằng cách tác động các xung điện lên nút  xoang nhĩ (sino-atrial node hay SA node). Năm 1958, giáo sư Ake Senning người Thụy Điển đã lần đầu tiên đưa một máy tạo nhịp dạng cấy ghép (implant) vào trong cơ thể một bệnh nhân 43 tuổi. Ngày nay người ta sử dụng cả máy tạo nhịp không xâm lấn và máy tạo nhịp dạng cấy ghép.

Để theo dõi bệnh nhân liên tục, măm 1949, nhà vật lý người Mỹ Norman Jeff Holter đã phát minh ra thiết bị ghi điện tim dạng túi đeo có khả năng ghi và truyền tín hiệu điện tim của người đeo nó. Thiết bị này sau đó được đặt tên là “holter monitor” hay đơn giản là "holter" để ghi nhớ công lao nhà phát minh. Ngày nay, holter được thiết kế rất nhỏ gọn kèm các bộ nhớ, bộ phát tín hiệu để sử dụng đo ECG trong cấp cứu.

Ở một hướng khác, để kiểm tra tình trạng của tim trong trường hợp vận động, năm  1942 , Arthur Master đã tiêu chuẩn hóa 2 bước kiểm tra tim mạch trong trường hợp vận động (còn được gọi là phương pháp Master two-step) nhưng phương pháp này có nhiều điểm hạn chế. Nhằm nâng cao độ an toàn cho bệnh nhân và sự chính xác, năm 1963, Robert Bruce và các đồng nghiệp đã giới thiệu hệ thống bàn chạy kiểm tra nhiều gian đoạn, sau đó được gọi là giao thức Bruce (Bruce protocol). Các hệ thống ghi điện tim trong trường hợp này được gọi là stress ECG (máy điện tim gắng sức).

Có thể thấy, các kiến thức cơ bản nhất về điện tim đã được các nhà khoa học hoàn thiện trong nửa đầu thế kỷ 20. Hiện nay các nhà khoa học và các công ty sản xuất vẫn tiếp tục nghiên cứu ứng dụng những thành tựu công nghệ mới để phát triển các máy điện tim mới độ chính xác, an toàn cao hơn đồng thời tiện lợi hơn cho người sử dụng cũng như bệnh nhân. Một trong những hướng đó là tăng cường khả năng lưu trữ cũng như trao đổi thông tin.