Pravý unipolární EKG přístroj pro měření Wilsonova centrálního terminálu
Abstrakt
Moderní elektrokardiografie od svého vynálezu (před více než 80 lety) používá pro polovinu signálů údajně stabilní referenční napětí (s malými změnami během srdečního cyklu). Tato reference, známá pod názvem „Wilsonova centrální svorka“ na počest svého vynálezce, se získává zprůměrováním napětí tří aktivních končetinových elektrod měřených vzhledem ke zpětné zemní elektrodě. Výzkumníci však vyjádřili obavy z problémů (zkreslení a chybná diagnóza) spojených s nejednoznačnou hodnotou a chováním tohoto referenčního napětí, které pro správnou funkci vyžaduje dokonalý a vyvážený kontakt nejméně čtyř elektrod. Wilsonově centrální svorce byla v posledních několika desetiletích věnována jen malá pozornost výzkumu, přestože úvahy o nedávné rozšířené lékařské praxi (končetinové elektrody se při klidové elektrokardiografii přemisťují blíže k trupu) rovněž vyvolaly obavy o platnost a diagnostickou vhodnost svodů, které nejsou odkázány na Wilsonovu centrální svorku. Pomocí skutečného unipolárního elektrokardiografického přístroje schopného přesně měřit Wilsonův centrální terminál ukazujeme jeho nepředvídatelnou variabilitu během srdečního cyklu a potvrzujeme, že integrita kardinálních svodů je narušena stejně jako Wilsonův centrální terminál, když jsou končetinové elektrody umístěny blízko trupu.
1. Úvod
Povrchová elektrokardiografie je podle definice časová reprezentace elektrické aktivity bijícího srdce uvnitř hrudníku, měřená jako změna napětí v čase pomocí povrchových elektrod umístěných v kontaktu s kůží. Povrchová elektrokardiografie je reprezentována vektorovou veličinou () rotující kolem pevného bodu (elektrického středu srdce) ve frontální rovině těla a svírající úhel () s pevným směrem identifikovaným pomyslnou čarou protínající ramena . Tuto definici původně nastínil v roce 1908 E. Einthoven, později ji v roce 1931 revidoval F. N. Wilson, který pevný bod pojmenoval jako „centrální terminál“, a dále ji v roce 1942 upravil E. Goldberger, který vynalezl rozšířené svody . Z uvedené definice a souvisejících pokynů pro záznam vznikl od roku 1942 tzv. 12svodový EKG systém, který je v současnosti považován za nejlepší praxi .
Dvanáctisvodový EKG se tak nazývá proto, že vytváří dvanáct EKG signálů. Používá referenční elektrodu umístěnou na pravé noze (RL) a devět průzkumných elektrod: tři končetinové elektrody umístěné na pravé paži (RA), levé paži (LA) a levé noze (LL) a šest elektrod umístěných nad trupem v blízkosti srdce . Umístění elektrod a signály zaznamenatelné ze šesti elektrod nad trupem byly nazvány prekordiálními svody (prekordiály) a jsou také označovány jednoduše jako „hrudní svody“ (viz obrázek 1(a)) nebo jako svody, zatímco signály zaznamenatelné z končetin byly nazvány kardinálními (nebo základními) Einthovenovými svody (viz obrázek 1(b)) a jsou označovány jako svody I, svody II a svody III nebo jednoduše jako „končetinové svody“: Svod I: ; Svod II: ; Svod III: ;přičemž napětí svodu I; napětí svodu II; napětí svodu III; potenciál na levé paži*; potenciál na pravé paži*; potenciál na levé noze* *vztaženo k elektrodě na pravé noze ().
(a) Prekordiální umístění
(b) Končetinové svody a elektrody
(a) Prekordiální umístění
(b) Končetinové svody a elektrody
Rozšířené svody se měří jako rozdíl napětí mezi každým z končetinových potenciálů a průměrem dalších dvou končetinových potenciálů. Například rozšířený svod se měří jako
Protože všechny končetinové potenciály jsou implicitně vztaženy k potenciálu pravé nohy, je možné odvodit, že kardinální svody jsou zaznamenány jako dvojnásobný rozdíl napětí. Například za předpokladu, že potenciál pravé nohy je měřen vzhledem k bodu na neutrálním potenciálu (tj, uzemnění), lze svod I přepsat jako
Ačkoli se na první pohled může zdát, že se potenciály vyruší; vzhledem k neideální (nikoli nekonečné) schopnosti odmítat společné signály, které jsou přítomny současně na vstupech, známé jako CMRR (Common Mode Rejection Ratio) použitých zesilovačů, může jakákoli nerovnováha kontaktů mezi třemi elektrodami způsobit zhoršení kvality signálu a nepředvídatelný drift pomalých složek. Vliv nevyváženosti kontaktní impedance se intuitivně zhoršuje při uvažování rozšířených vodičů, protože vyžadují dokonale vyvážený kontakt všech čtyř končetinových elektrod . To je neintuitivní, protože obvod, který tvoří v lidském těle, je rovnostranný trojúhelník, který vůbec nebere v úvahu napětí RL (viz obrázek 1b).
Podobně se od každého z elektrodových potenciálů prekordiálů odečítá napětí virtuálního bodu zvaného Wilsonův centrální terminál (WCT). WCT se získá zprůměrováním potenciálu na končetinách vztažených k referenční elektrodě na pravé noze pomocí tří identických rezistorů (5 kΩ nebo vyšších) připojených k jednomu bodu :
Ačkoli sám Wilson označoval prekordiály jako „unipolární“ , bylo na to opakovaně poukazováno jako na nesprávné označení vzhledem k opakovanému rozdílu napětí potřebnému k jejich získání. Bylo také prokázáno, že WCT nelze považovat za „nulový“ potenciál ani by neměl být zaměňován se skutečným středem srdečního potenciálu, protože EKG signály procházejí různými kmeny nehomogenního objemového vodiče a mohou být vystaveny různým zdrojům šumu, jako jsou různé expozice VF polím a artefakty . V roce 1954 Frank jako první vyjádřil obavy z možných fluktuací WCT během srdečního cyklu a z toho, jak mohou zkreslovat měření EKG . Předpověděl, že během několika let vznikne nová, zdokonalená teorie srdečního vedení a EKG systém schopný pracovat bez WCT . V počátcích moderní elektrokardiografie se i dalším badatelům podařilo potvrdit, že WCT není během srdečního cyklu konstantní. Potvrzení chyb a variability WCT během srdečního cyklu bylo měřeno s využitím „integrační elektrody“. Tento postup vyžaduje, aby bylo celé lidské tělo během měření EKG uzavřeno do kovové konstrukce a následně ponořeno do vody (neutrální reference). Bohužel vzhledem k těžkopádnosti procesu měření byla tato technika použita pouze pro několik experimentálních pokusů . V posledních letech se také diskutuje o významu WCT a dokonce i o jeho fyzickém umístění . Nicméně kromě pozoruhodných pokusů ve 40. a 50. letech minulého století , až do naší studie, nebyla WCT nikdy správně změřena bez těžkopádného postupu a opakovatelným způsobem.
V této souvislosti je třeba zmínit, že v posledních několika desetiletích byla WCT věnována nejen malá pozornost výzkumu, ale také obecně chybí moderní studie o obecném umístění elektrod a o vlivu, který může mít nesprávné umístění elektrod (zejména pokud je úmyslné) na diagnózu. Současná běžná rozšířená lékařská praxe spočívá v přesouvání končetinových elektrod do poloh blíže k trupu (ramena a boky nebo strany pupku). Předpokládá se, že to snižuje obtěžování EKG záznamem, protože kabely nejsou rozprostřeny po celém těle, což je výhodné zejména při zátěžových záznamech. Existují však důkazy, že umístění končetinových elektrod, které ovlivňuje QRS, ovlivňuje diagnostiku ischemických (včetně chronických) srdečních onemocnění . Ačkoli existují určité důkazy, že u zdravých osob lze odchylky v EKG vynucené změnou polohy končetinových elektrod klasifikovat pouze jako statisticky významné, nikoli jako klinicky relevantní , vzhledem k významnému posunu srdeční osy a amplitudy křivky, který lze pozorovat v obou rovinách EKG, pokud jsou končetinové elektrody v polohách odlišných od standardních , standardizovaná doporučení pro klinickou EKG praxi potvrzují, že nesprávnému umístění končetinových elektrod je třeba se vyhnout nebo je používat pouze v nezbytně nutných případech (tj. v případech, kdy je to nezbytně nutné), zátěžový test) a vždy zaznamenat na záznamu .
V průběhu posledních dvou let jsme vyvinuli nové elektrokardiografické zařízení, které umožňuje vizualizaci a přesné měření amplitudy, tvaru a odchylek WCT v reálném čase; pomocí tohoto zařízení jsme prokázali, že WCT vykazuje klinicky významné odchylky (>0,1 mV nebo >1 mm ) napříč různými záznamy i v průběhu stejného záznamu. Pro hodnocení prezentované v tomto článku jsme částečně znovu použili unipolární EKG data, která byla zaznamenána u malé populace zdravých osob, které se dobrovolně přihlásily během předchozí studie a souhlasily s tím, že data budou pro účely publikace analyzována odbornými kardiology. Soubor subjektů zahrnuje pět mužů pokrývajících věkové rozpětí 29-36 let s průměrným věkem 32,5 roku. Žádný ze subjektů neměl v anamnéze srdeční onemocnění a všechny záznamy vykazovaly normální sinusový rytmus. Znovu jsme také zaznamenali údaje od jednoho dobrovolníka, přičemž jsme provedli dva záznamy po sobě, abychom ukázali vliv umístění končetinových elektrod v blízkosti trupu na kardinální svody.
2. Experimentální část
Naše hlavní hypotézy pro tuto studii jsou následující: (1) WCT není stabilní napěťová reference vykazující klinicky významné kolísání napětí.(2)Přemístění končetinových elektrod do polohy blízko trupu může ovlivnit tvar a amplitudu kardinálních svodů i WCT.
Pro demonstraci našich hypotéz nejprve představíme skutečný unipolární přístroj a techniku měření, která nám umožňuje spolehlivě měřit a ukládat WCT; poté představíme zpracování dat s úplným příkladem variability WCT v průběhu srdečního cyklu a v průběhu záznamu. Nakonec ukážeme, jaký vliv má umístění končetinových elektrod v blízkosti trupu (od kotníků a zápěstí po boky, strany pupku a ramena) na končetinové svody a WCT .
2.1. Vývoj hardwaru
Náš hardwarový front-end a jeho pilotní vyhodnocení jsou řádně popsány v . Pro úplnost však v této části uvádíme stručný přehled měřicího hardwaru použitého v této studii. Na obrázku 2 uvádíme funkční blokové schéma zesilovače EKG (jeden jediný kanál). V zásadě považujeme unipolární měření EKG za kombinované pozorování šumu a užitečného signálu. Je tedy možné měřit lokální zájmový signál odečtením lokálního šumu (nebo toho, co je za něj považováno) od měřeného signálu. Jak je možné pozorovat na obrázku 2, měřený signál (měřicí elektroda) se přivádí do přístrojového zesilovače, který od signálu odečítá dolnopropustnou verzi téhož signálu (mezní frekvence dolní propusti je nastavena na 0,1 Hz). Touto technikou se dosáhne pseudovysoké propusti se stejnosměrnou vazbou na přední část EKG, přičemž se zachová ultravysoký vstup zesilovače, což umožňuje použití suchých elektrod. Experimenty potvrdily, že dolnopropustný filtr použitý k dosažení pseudovysokopropustného filtru lze realizovat pomocí pasivních součástek a jeho mezní frekvenci lze umístit na velmi nízkou frekvenci (tj. 0,01 Hz), přičemž se použijí kondenzátory a rezistory s vysokou hodnotou. To je možné, protože ultravysoká vstupní impedance použitého přístrojového zesilovače si poradí s impedancí několika MΩ.
Referencování zesilovače se provádí prostřednictvím referenční svorky přístrojového zesilovače označené jako „Ref.“. Do svorky Ref se přivádí tlumená verze (s nízkým průchodem) součtu signálů všech elektrod a RL elektrody. Touto technikou, která je také známá jako „modifikovaný zemní bootstrapping“ , podobně jako standardní zemní bootstrapping , se dosahuje potlačení šumu napájecího vedení a elektrodového šumu bez použití techniky poháněné pravé nohy .
Signály zaznamenané pomocí tohoto přístroje lze považovat za vztažené přímo k pravé noze. Proto jednoduché odečítání bod po bodu mezi zaznamenanými signály umožňuje výpočet 12svodového EKG v reálném čase. Na obrázku 3 je uveden příklad výpočtu pro svod I. V tomto příkladu byly jednoduše odečteny předem zaznamenané signály levého a pravého ramene, aby se získal svod I. Při této technice záznamu lze WCT jednoduše vypočítat z bodového průměru zaznamenaných končetinových potenciálů. Aby bylo možné rekonstruovat tradiční prekordiály (získané prostým odečtením WCT bod po bodu), jsou naše prekordiály také přímo vztaženy k potenciálu RL . V naší předchozí pilotní studii jsme prokázali , že korelace mezi rekonstruovanými signály a paralelním záznamem tradičních signálů přesahuje 90 % s minimálními rozdíly, které jsou způsobeny tolerancí komponent .
2.2. Rekonstrukce EKG svodů z unipolárních svodů (odečítání od bodu k bodu) Měření
Pro tuto studii jsme WCT vypočítali zprůměrováním předem zaznamenaných končetinových potenciálů. Jak jsme ukázali v naší předchozí analýze, WCT se u jednotlivých subjektů hluboce liší a může mít tvar EKG svodů s někdy velmi dobře vyznačenými charakteristickými průběhy, jako je vlna P, komplex QRS a vlna T. V případě, že se jedná o svodový EKG svod, je WCT u jednotlivých subjektů hluboce odlišný. Z tohoto důvodu měříme amplitudu WCT v jejím největším rysu, který by se měl normálně shodovat s komplexem podobným QRS. Jinými slovy, tuto amplitudu měříme jako amplitudu od vrcholu k vrcholu. V této studii ukazujeme, že amplituda WCT se během záznamu mění a že podobně jako již bylo prokázáno u standardních EKG svodů , její tvar a amplituda jsou ovlivněny polohou končetinových elektrod. Pomocí případové studie se nám také podařilo zdůvodnit běžně pozorovaný posun srdeční osy ve vertikálním směru .
3. Výsledky a diskuse
(1)WCT vykazuje klinicky relevantní (>0,1 mV nebo >1 mm) variabilitu amplitudy během každého srdečního cyklu i klinicky významné změny během záznamu. Abychom tuto variabilitu ukázali stručně, zvolili jsme v záznamu náhodný počáteční bod a změřili amplitudu WCT pro 10 po sobě jdoucích kmitů po tomto bodě. Jak je možné pozorovat z obrázku 4, všech 10 uvažovaných tepů má amplitudu větší než 0,1 mV; navíc mezi tepem č. 3 a 6 je největší velký rozsah variability (0,12 mV) mezi srdečními cykly. 2)Podobné analýzy provedené u ostatních subjektů naší databáze přinášejí podobné výsledky. 3)Naše obecné amplitudy WCT jsou v souladu s hodnotami uváděnými v literatuře. Připomínáme, že amplitudy pro WCT v řádu 0,2 mV byly naměřeny již během historického experimentu, který využíval těžkopádný postup. Během experimentu byl dobrovolník ponořen do vody, přičemž byl uzavřen v kovové konstrukci zvané „integrační elektroda“ . Naše zařízení místo toho umožňuje kontinuální přesné měření WCT záznamem přímo z končetinových elektrod.(4) Úroveň šumu WCT je přímo ovlivněna všemi třemi končetinovými potenciály; proto pohybové artefakty na některé z končetin nebo jakákoli nerovnováha kontaktní impedance mezi končetinovými elektrodami přímo ovlivní kvalitu signálu WCT a případně zhorší prekordiály. Vzhledem k tomu, že skutečný unipolární přístroj zaznamenává končetinové složky, lze šum ovlivňující jednu z končetin vyhodnotit předem, a proto se operátoři mohou rozhodnout, že WCT nepoužijí, pokud je ohrožena, aniž by došlo ke ztrátě celé sady prekordiálů. V tomto rozsahu se zdá, že amplitudě WCT dominuje komponenta pravé paže (RA) (což je největší komponenta pozorovatelná z obrázku 5b); podobná pozorování byla provedena i u ostatních subjektů zařazených do naší pilotní studie, a proto můžeme potvrdit předchozí hypotézu, že WCT může zhoršovat exploraci hrudníku v důsledku zkreslení způsobeného pravou paží . 5)Poloha končetinových elektrod přímo ovlivňuje tvar svodů a WCT. Jednoduché srovnání obrázků 5 a 6 ukazuje, že QRS rys WCT je zkreslený. Při přesunu elektrod na ramena a boky (viz obr. 6) se vlna S zmenšuje ve prospěch větší vlny R, což je patrné zejména ve svodu III, kde je QRS zřetelně větší (6)U unipolárních složek dochází k výraznému zvýšení amplitudy složky LL a k obrácení polarity složky LA. Z těchto důvodů je možné říci, že nárůst informace nesené dolním tělískem (LL) a současné zkreslení informace nesené horním tělískem (LA) ospravedlňují odchylku srdeční osy ve prospěch více vertikálních směrů, jak je pozorováno v literatuře . Toto zjištění je podpořeno intuitivní analýzou správného vzorce pro výpočet srdeční osy. Připomeňme si, že srdeční osa se vypočítává pomocí, kterou lze vyjádřit v unipolárních složkách, neboť je snadné dojít k závěru, že výrazné zvýšení samotné LL zvýší vertikální složku vektoru reprezentujícího srdeční činnost a posune hodnotu jejího úhlu směrem ke strmější hodnotě; lze poznamenat, že obrácení polarity LA může rovněž přispět ke zvýšení čitatele vzorce pro výpočet srdeční osy, což je při posunutí končetinových elektrod blíže k trupu vždy doprovázeno také snížením hodnoty Lead I (jmenovatel), což může dále zvýšit posun směrem k vertikální ose.
Nakonec, protože signály zaznamenané pravým unipolárním zařízením jsou lineárně nezávislé, podobně jako je tomu u záznamu EEG, je možné zvětšit prostor signálů pomocí reference. Konkrétně se počet signálových stop, které lze získat z deseti umístěných elektrod, zvýší z dvanácti na nejméně třicet (devět nezávislých unipolárních, devět vztažených ke společnému průměru a dvanáct tradičních signálů), čímž se zvýší redundance informací přítomných v EKG, o což se usiluje od jeho vynálezu před více než 80 lety . Jinými slovy, důsledkem této nové metody je, že současná praxe je zároveň zdokonalena (větší odolnost vůči šumu, větší redundance informace a vizualizace WCT) a zachována (tradiční signál a diagnostická metoda jsou rovněž použitelné). Je pozoruhodné, že rekonstrukce 12svodového EKG založená na odečítání komponent od bodu k bodu může být robustnější vůči šumu. Je to proto, že analytici signálu (praktičtí lékaři anotující EKG s pomocí automatizovaných postupů nebo bez nich) budou schopni odhadnout poměr signálu k šumu každé jednotlivé složky (např. šumu siločar a artefaktů) a před rekonstrukcí signálu na složky působit individuálními diferencovanými a přizpůsobenými softwarovými filtry .
4. Závěry
Předložili jsme experimentální důkaz, že WCT není stabilní referencí pro EKG svody v průběhu srdečního cyklu, že jeho tvar a amplituda (měřená od píku k píku) jsou srovnatelné s amplitudou ostatních EKG svodů a hlavně že vykazuje klinicky významnou variabilitu amplitudy během záznamu. Touto studií také ukazujeme, že WCT je stejně jako končetinové svody přímo ovlivněn změnou polohy elektrod, a proto může toto dodatečné zkreslení přenášet na prekordiální svody s nepředvídatelným dopadem na diagnózu.
Pomocí našeho zařízení jsme v této studii také dokázali zdůvodnit posun srdeční osy směrem k vertikále, který byl pozorován v několika nezávislých studiích při umístění končetinových elektrod blíže k trupu (tj. při zátěžovém EKG). Protože tedy naše analýza a experiment potvrzují obavy ze změny všech standardních svodů při umístění končetinových elektrod blíže k trupu, dospěli jsme k závěru, že tomuto postupu je třeba se vyhnout nebo jej používat pouze v nezbytně nutných případech (tj. když záznam není možný jinak).
Nakonec naše technika měření EKG signálů, umožňující výpočet WCT a standardního 12svodového EKG, nabízí konstrukci většího prostoru signálů, což přidává EKG redundanci, o kterou se usilovalo od jejího vynálezu před více než 80 lety . V současné době usilujeme o etické schválení rozsáhlé studie, která by potvrdila rozsah a dopad našich zjištění, zejména pokud jde o vliv v současné době rozšířené praxe umísťování končetinových elektrod blíže k trupu.
Konflikt zájmů
Autor prohlašuje, že není ve střetu zájmů.
.