Intermediate Physics for Medicine and Biology - Russell K. Hobbie & Bradley J. Roth
.pdf184 7. The Exterior Potential and the Electrocardiogram
vi(x) = vrest + vdepol(x). The second term in Eq. 7.25 is |
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−2vrest(x2 − x1). The third term of Eq. 7.25 is |
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v |
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x2 |
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vdepol(x) dx + 2(x2 − x1)vrest. |
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t |
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x1 |
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Adding these gives |
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2πa2σi |
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1 |
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3 cos2 θ − 1 |
x2 |
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0 |
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v(R) = |
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[v |
(x) |
− |
v |
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] dx. |
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4πσo |
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R3 |
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2 |
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x1 |
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i |
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rest |
(7.27) |
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Again, we saw a special case of this as Eq. 7.16. |
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Note the progression in these results. When we are |
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looking at one corner of a depolarization pulse, we have a |
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current source or sink, and the potential is proportional |
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to 1/R [Eq. 7.1]. We do not find this situation in phys- |
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iology, because the potential would have to keep rising |
FIGURE 7.14. Depolarization and repolarization of a myocar- |
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forever. When we consider the entire depolarization por- |
dial cell. The upstroke takes about 1 ms. The depolarization |
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tion of the wave form, the potential is proportional to |
lasts 200–300 ms. The resting potential is about −90 mV. |
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1/R2, as in Eqs. 7.11 or 7.26. (We will find that this is |
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a good model for the electrocardiogram because the re- |
The line approximation is quite good if the radius of the |
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polarization does not commence until the entire heart is |
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axon is much smaller than the distance along the axon |
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depolarized.4) When the entire pulse is considered, the |
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over which the depolarization takes place. |
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potential is proportional to 1/R3 as in Eqs. 7.16 or 7.27. |
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This is a good model for nerve conduction. The poten- |
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tial is considerably less in this case because of the 1/R3 |
7.5 Electrical Properties of the Heart |
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dependence. |
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This is an example of a technique called a multipole |
There are many similarities between myocardial cells and |
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expansion. Generally, defining ξ = x/R, one can make |
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the expansion |
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nerve cells: a membrane separates extracellular and intra- |
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cellular fluids; the concentrations of the principal ions are |
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= P0 + ξP1 + ξ |
2 |
P2 + ξ |
3 |
P3 |
+ · · · , |
about the same; except for a small amount of charge on |
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(1 |
− |
2ξ cos θ + ξ2)1/2 |
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the membrane, the extracellular and intracellular fluids |
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(7.28) |
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are electrically neutral; and selective ion channels are re- |
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where the Pn are functions of cos θ and are called Legen- |
sponsible for the initiation and propagation of the action |
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dre polynomials.5 The first few Legendre polynomials are |
potentials. There are also major di erences: myocardial |
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P0 = 1, |
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cells in mammals are about 100 µm long and 10 µm in |
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diameter. The interiors of neighboring cells are connected |
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P1 = cos θ, |
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(7.29) |
through gap junctions, so current and ions flow directly |
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P |
2 |
= 1 (3 cos2 θ |
− |
1), |
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from one cell to another [Delmar et al. (2004)]. This con- |
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1 |
2 |
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P3 = |
2 |
(5 cos |
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θ − 3 cos θ). |
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tinuum of cells is called a syncytium. There are also im- |
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All of these calculations are based on a model in which |
portant di erences in the details of the ion currents. We |
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the current flows parallel to the axis of the axon, passes |
continue for now to use the simple model of long, one- |
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through the membrane, and then returns in the extracel- |
dimensional cells. Refinements to this model are discussed |
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lular conducting medium. This model is called the line |
in Sec. 7.9. |
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approximation. It is, of course, impossible for current in- |
In the resting state, the potential inside an atrial cell |
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side the axon to pass out through the membrane if it |
is at about −70 mV, while that in a ventricular cell is at |
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always flows parallel to the axis of the axon. It is possible |
about −90 mV. When a cell depolarizes, the action po- |
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to do an exact calculation in which j has a radial compo- |
tential lasts for 100–300 ms, depending on the species. A |
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nent as well as one parallel to the axis of the axon. (See |
“typical” action potential is shown in Fig. 7.14. There are |
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Sec. 7.9 for a description of how this is done.) Trayanova |
variations in pulse shape between species and also in dif- |
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et al. (1990) have compared the exact solution with two |
ferent parts of the heart. The initial rapid depolarization |
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approximations, one of which is the line approximation. |
in heart muscle cells is caused by an inward sodium cur- |
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rent (phase 0 on the curve) and takes about 1 ms. The |
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fall at phase 1 is caused by a transient outward potas- |
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4This is not strictly true. Atrial repolarization begins before the |
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sium current. This current is small in endocardium (near |
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ventricular depolarization is complete. |
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the inside of the heart) but is prominent enough in the |
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5Legendre polynomials are discussed in many books on di eren- |
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tial equations or, for example, in Harris and Stocker (1998). |
epicardium (outer layers of the heart) so that there can |