Bases physiques de l'électrocardiogramme

Introduction

La cellule cardiaque est caractérisée par ses propriétés d'EXCITATION, de CONDUCTION, d'AUTOMATISME et de CONTRACTILITÉ, à l'origine de phénomènes électriques. Son caractère excitable crée à distance des effets analogues à un DIPÔLE ÉLECTRIQUE — et c'est cette assimilation, purement biophysique, qui rend l'électrocardiogramme intelligible. L'ÉCG constitue le moyen de choix pour la mesure du signal électrique et l'évaluation de l'électrophysiologie cardiaque. Sa lecture apporte les renseignements nécessaires au diagnostic des troubles ISCHÉMIQUES, des troubles de CONDUCTION et des HYPERTROPHIES. Ce chapitre en donne le fondement physique : comment un phénomène de membrane devient un tracé sur papier. Nous verrons les rappels anatomiques, l'électrophysiologie de la cellule cardiaque, les bases physiques — dipôle et feuillet électrique —, l'enregistrement du tracé — dérivations et ondes — puis son interprétation par la théorie des dipôles.

I. Rappels d'anatomie et d'histologie

Par leur nature histologique et leur fonction physiologique, on distingue DEUX types de tissu cardiaque :

• Le TISSU NODAL — NŒUD SINUSAL, NŒUD AURICULO-VENTRICULAIRE, TRONC et BRANCHES du FAISCEAU DE HIS, RÉSEAU DE PURKINJE. Il joue un rôle essentiel dans l'ÉLABORATION et la CONDUCTION de l'influx.
• Le TISSU MYOCARDIQUE, dont la fonction essentielle est la CONTRACTION.

Dans les conditions physiologiques, le trajet de l'influx est le suivant :

• Il NAÎT PÉRIODIQUEMENT du NŒUD SINUSAL, de façon AUTOMATIQUE.
• Il se propage dans les DEUX OREILLETTES jusqu'à leur base, provoquant leur CONTRACTION.
• Il CONVERGE ensuite vers le NŒUD AURICULO-VENTRICULAIRE (NAV).
• À partir du NAV, il progresse dans les DEUX VENTRICULES SIMULTANÉMENT, empruntant les voies conductrices TRÈS RAPIDES que sont le FAISCEAU DE HIS et le RÉSEAU DE PURKINJE, jusqu'à la POINTE du cœur, provoquant la CONTRACTION des ventricules.
• Nomenclature classique : le NŒUD DE KEITH-FLACK est le NŒUD SINUSAL, petit amas situé dans la paroi des oreillettes ; le NŒUD DE TAWARA est le NŒUD AURICULO-VENTRICULAIRE, suivi des deux branches du faisceau de His qui se terminent par le réseau de Purkinje.

II. Électrophysiologie de la cellule cardiaque

A. Le potentiel de repos

• Comme toute cellule excitable, la membrane de la cellule cardiaque est POLARISÉE au repos : l'INTÉRIEUR est NÉGATIF par rapport à l'extérieur.
• Le POTENTIEL DE REPOS est TOUJOURS NÉGATIF ; il est dû à une INÉGALITÉ DE RÉPARTITION DES IONS de part et d'autre de la membrane.

B. Le potentiel d'action et ses cinq phases

Lorsqu'elle est stimulée, la cellule cardiaque SE DÉPOLARISE : la membrane devient NÉGATIVE à l'extérieur et POSITIVE à l'intérieur, suite à une variation brutale de la répartition ionique. La ddp transmembranaire se positive : c'est le potentiel d'action.

• La PHASE 2, dite de PLATEAU, est propre à la cellule cardiaque : elle allonge considérablement la durée du potentiel d'action par rapport à celui de la cellule nerveuse, et rend compte de la longue période réfractaire du myocarde.

III. Les bases physiques — dipôle et feuillet électrique

A. Le dipôle électrique

• L'ÉCG est l'ENREGISTREMENT CONTINU AU COURS DU TEMPS DE L'ACTIVITÉ ÉLECTRIQUE DU CŒUR, au moyen d'électrodes placées généralement à la SURFACE DU CORPS.
• Un DIPÔLE est constitué de DEUX charges électriques ponctuelles +q et −q, séparées par une distance l. Il crée en un point P éloigné d'une distance d un potentiel Vp = k·q·l·cos θ / (ε·d²), où θ est l'angle entre l et d et ε la constante diélectrique.
• À chaque instant, le dipôle peut être représenté par un VECTEUR ayant un pôle POSITIF et un pôle NÉGATIF. On peut alors écrire Vp = k·M·Up / (ε·d²) — le potentiel est proportionnel à la PROJECTION du vecteur M sur la direction d'observation.

B. Le feuillet électrique

• Toute membrane cellulaire excitable est en réalité un FEUILLET ÉLECTRIQUE, assimilable à un dipôle. Un feuillet électrique est une LAME D'ÉPAISSEUR e, portant sur ses DEUX FACES des charges électriques ÉGALES EN VALEUR ABSOLUE mais DE SIGNES OPPOSÉS.
• Une cellule AU REPOS ne produit PAS de potentiel à distance : elle est uniformément polarisée, et le premier feuillet produit un potentiel POSITIF tandis que le second en produit un NÉGATIF — leur somme est NULLE.
• C'est donc le FRONT D'EXCITATION, et lui seul, qui est enregistrable.

C. Le recueil des potentiels dans un milieu conducteur

• Fibre entièrement AU REPOS : tous les points sont au potentiel de repos — PAS de ddp entre deux électrodes extérieures.
• Fibre dans laquelle l'EXCITATION SE PROPAGE : PRÉSENCE d'une ddp — c'est le front de dépolarisation qui la crée.
• Fibre ENTIÈREMENT DÉPOLARISÉE : PAS de ddp entre les deux électrodes.
• Conséquence fondamentale : seuls les phénomènes de TRANSITION — dépolarisation et repolarisation — sont visibles sur l'ECG. Les états stables, qu'ils soient de repos ou de dépolarisation complète, correspondent à la LIGNE ISOÉLECTRIQUE.

IV. L'enregistrement du tracé

A. Les douze dérivations

• Une DÉRIVATION est l'ensemble des DEUX POINTS entre lesquels existe la ddp ; la valeur de la dérivation est la valeur de cette ddp.
• L'ECG standard est enregistré sur 12 DÉRIVATIONS : 6 dérivations DES MEMBRES, dites FRONTALES — aVR, aVL, aVF et DI, DII, DIII — et 6 dérivations PRÉCORDIALES, de V1 à V6.
• Conditions d'enregistrement : vitesse de déroulement du papier de 25 mm/s et amplitude de 10 mm pour 1 mV.

B. L'emplacement des électrodes

Les 3 dérivations UNIPOLAIRES AMPLIFIÉES des membres (aVR, aVL, aVF). Le centre du cœur étant au potentiel électrique ZÉRO, ces dérivations mesurent la ddp entre le membre considéré et le centre du cœur.

• ROUGE au poignet DROIT — aVR.
• JAUNE au poignet GAUCHE — aVL.
• VERT à la cheville GAUCHE — aVF.
• NOIRE à la cheville DROITE — électrode de référence.

Les 3 dérivations STANDARD ou BIPOLAIRES des membres (DI, DII, DIII), créées par EINTHOVEN :

• DI : mesure bipolaire entre BRAS DROIT et BRAS GAUCHE — DI = aVL − aVR.
• DII : mesure bipolaire entre BRAS DROIT et JAMBE GAUCHE — DII = aVF − aVR.
• DIII : mesure bipolaire entre BRAS GAUCHE et JAMBE GAUCHE — DIII = aVF − aVL.
• On en déduit la relation d'EINTHOVEN : DII = DI + DIII, puisque (aVF − aVR) = (aVL − aVR) + (aVF − aVL).

Les 6 dérivations PRÉCORDIALES, dans un plan HORIZONTAL :

• V1 : 4ᵉ espace intercostal DROIT, au bord du sternum. V2 : 4ᵉ espace intercostal GAUCHE, au bord du sternum.
• V3 : à MI-DISTANCE de V2 et V4. V4 : 5ᵉ espace intercostal gauche, sur la verticale MÉDIO-CLAVICULAIRE.
• V5 : 5ᵉ espace intercostal gauche, sur la ligne AXILLAIRE ANTÉRIEURE. V6 : 5ᵉ espace intercostal gauche, sur la ligne AXILLAIRE MOYENNE.

C. Le tracé obtenu en DII

• Le SEGMENT ST est isoélectrique parce que les ventricules sont ALORS ENTIÈREMENT DÉPOLARISÉS : il n'existe plus de front, donc plus de ddp — ce qui explique la valeur sémiologique majeure de son sus- ou sous-décalage.

V. L'interprétation par la théorie des dipôles

A. Les hypothèses de base

• Les points R (bras droit), L (bras gauche) et F (jambe gauche) constituent un TRIANGLE ÉQUILATÉRAL, dont le CENTRE est le CENTRE ÉLECTRIQUE DU CŒUR, de POTENTIEL ZÉRO : c'est le TRIANGLE D'EINTHOVEN.
• L'ensemble des dipôles élémentaires est remplacé par un VECTEUR M UNIQUE, ayant pour origine le centre électrique du cœur (V = 0) et dont la direction, le sens et l'intensité varient en fonction de la révolution cardiaque.
• La COURBE décrite par l'extrémité de M au cours du cycle est le VECTOCARDIOGRAMME.

B. Relations entre M et les dérivations

• VR, VL et VF sont PROPORTIONNELS À CHAQUE INSTANT aux PROJECTIONS de M sur les trois axes OR, OL et OF : VR = (k/ε·r²)·(projection de M sur OR), et de même pour VL et VF.
• Relation entre les trois dérivations unipolaires : le triangle étant ÉQUILATÉRAL, la SOMME des trois projections est NULLE — VR + VL + VF = 0.
• Relations bipolaires : DI = VL − VR, DII = VF − VR, DIII = VF − VL, d'où DI + DIII = DII — c'est la loi d'EINTHOVEN, qui permet de vérifier la cohérence d'un tracé.

C. La borne centrale de Wilson

• Le centre électrique du cœur est INACCESSIBLE : on le CONSTRUIT à l'extérieur de l'organisme, en un point O' tel que V(O') = 0.
• Constitution : les DEUX POIGNETS et la CHEVILLE GAUCHE sont reliés à O' par des RÉSISTANCES DE MÊME VALEUR, d'environ 5 000 Ω.
• Fonctionnement : la LOI D'OHM donne les intensités IR, IL et IF ; leur somme étant nulle, le point O' se trouve bien au potentiel ZÉRO. C'est cette borne qui sert de référence aux dérivations UNIPOLAIRES.

D. Le système des six axes de Bailey

• On projette M sur les 3 CÔTÉS du triangle — dérivations bipolaires DI, DII, DIII — et sur les 3 HAUTEURS — dérivations unipolaires aVR, aVL, aVF.
• Au total, on obtient un ensemble de SIX DIRECTIONS DE PROJECTION faisant entre elles des angles de 30° : c'est le SYSTÈME DES SIX AXES DE BAILEY.
• C'est ce système qui permet de déterminer l'AXE ÉLECTRIQUE DU CŒUR dans le plan frontal, en comparant les amplitudes recueillies dans les six dérivations.

Conclusion

L'ECG repose sur une idée unique : une membrane excitable est un FEUILLET ÉLECTRIQUE, assimilable à un DIPÔLE qui crée à distance un potentiel proportionnel à sa PROJECTION sur la direction d'observation. Il en découle une conséquence décisive : ni la cellule au repos ni la cellule entièrement dépolarisée ne produisent de ddp — seul le FRONT de dépolarisation ou de repolarisation est enregistrable. C'est pourquoi le tracé n'est fait que d'ondes séparées de segments isoélectriques. L'influx, né automatiquement du nœud sinusal, gagne les oreillettes — onde P —, franchit le nœud auriculo-ventriculaire — espace PR —, puis les ventricules par le faisceau de His et le réseau de Purkinje — complexe QRS —, avant leur repolarisation — onde T. Les 12 dérivations, enregistrées à 25 mm/s et 10 mm/mV, projettent le vecteur M — dont la trajectoire est le vectocardiogramme — sur le triangle équilatéral d'EINTHOVEN, avec la borne centrale de WILSON comme zéro construit et le système des six axes de BAILEY, espacés de 30°, pour déterminer l'axe électrique. La relation DII = DI + DIII en assure la cohérence. Le chapitre suivant traitera de la biophysique de la respiration.