(a) Colocación precordial

(b) Cables y electrodos de las extremidades

(a) Colocación precordial
(b) Cables y electrodos de las extremidades

Las derivaciones aumentadas se miden como la diferencia de voltaje entre cada uno de los potenciales de las extremidades y la media de los otros dos potenciales de las extremidades. Por ejemplo, la derivación aumentada se mide como

Debido a que todos los potenciales de las extremidades están implícitamente referidos al potencial de la pierna derecha, es posible inferir que las derivaciones cardinales se registran como el doble de la diferencia de voltaje. Por ejemplo, suponiendo que el potencial de la pierna derecha se mide con respecto a un punto a un potencial neutro (es decir, tierra), la derivación I puede reescribirse como

Aunque a primera vista pueda parecer que el potencial se cancelará; debido a la capacidad no ideal (no infinita) de rechazar las señales comunes que están presentes simultáneamente en las entradas, conocida como la relación de rechazo en modo común (CMRR) de los amplificadores empleados, cualquier desequilibrio de contacto entre los tres electrodos puede causar una degradación de la calidad de la señal y una deriva imprevisible de los componentes lentos. Intuitivamente, el efecto del desequilibrio de la impedancia de contacto empeora cuando se consideran los cables aumentados, ya que requieren un contacto perfectamente equilibrado de los cuatro electrodos de las extremidades. Esto es contrario a la intuición, ya que el circuito que forman en el cuerpo humano es un triángulo equilátero que no tiene en cuenta en absoluto el voltaje RL (véase la Figura 1(b)).

De forma similar, el voltaje de un punto virtual llamado Terminal Central de Wilson (WCT) se resta de cada uno de los potenciales de los electrodos precordiales. El WCT se obtiene promediando el potencial en las extremidades referido al electrodo de referencia de la pierna derecha utilizando tres resistencias idénticas (5 kΩ o más) conectadas a un único punto :

Aunque el propio Wilson solía referirse a las precordiales como «unipolares» , esto se ha señalado repetidamente como un término erróneo debido a la repetida diferencia de voltaje necesaria para obtenerlas . También se ha demostrado que el ECG no puede considerarse un potencial «nulo» ni debe confundirse con el centro real del potencial cardíaco, ya que las señales del ECG viajan a través de diferentes troncos de un conductor de volumen no homogéneo y pueden estar expuestas a diferentes fuentes de ruido, como diferentes exposiciones a campos de RF y artefactos . En 1954, Frank fue el primero en plantear su preocupación por las posibles fluctuaciones del ECM durante un ciclo cardíaco y por cómo podrían sesgar la medición del ECG . Predijo que en pocos años surgiría una nueva y refinada teoría de la conducción cardíaca y un sistema de ECG capaz de funcionar sin el WCT. En los primeros tiempos de la electrocardiografía moderna, otros investigadores también pudieron confirmar que la WCT no es constante durante el ciclo cardíaco. La confirmación de los errores y la variabilidad de la WCT durante el ciclo cardíaco se ha medido empleando un «electrodo integrador». Este procedimiento requiere que todo el cuerpo humano esté envuelto en una estructura metálica y que se sumerja en agua (referencia neutra) durante la medición del ECG. Desgraciadamente, debido a lo engorroso del proceso de medición, esta técnica sólo se utilizó en pocos ensayos experimentales. En los últimos años, también se ha debatido la importancia del ECM e incluso su ubicación física . Sin embargo, aparte de los notables intentos realizados en las décadas de 1940 y 1950, hasta nuestro estudio, la ECM nunca se ha medido correctamente sin un procedimiento engorroso y de forma repetible.

En este contexto, hay que mencionar que no sólo la ECM ha recibido escasa atención de la investigación en las últimas décadas, sino que también hay una falta generalizada de estudios modernos sobre la colocación general de los electrodos y el impacto que la mala colocación de los mismos (especialmente cuando es intencionada) puede tener en el diagnóstico. La práctica médica generalizada actual consiste en desplazar los electrodos de las extremidades a posiciones más cercanas al torso (hombros y caderas o lados del ombligo). Se cree que esto reduce la molestia del registro del ECG, ya que los cables no están repartidos por todo el cuerpo, lo que resulta especialmente ventajoso durante los registros de esfuerzo. Sin embargo, existen pruebas de que la colocación de los electrodos en las extremidades que afectan al QRS influye en el diagnóstico de las cardiopatías isquémicas (incluidas las crónicas). Aunque existen pruebas de que en sujetos sanos la variación en los ECG impuesta por la alteración de los electrodos de las extremidades puede clasificarse sólo como estadísticamente relevante y no como clínicamente relevante , debido al significativo desplazamiento del eje cardíaco y de la amplitud de la forma de onda que puede observarse en ambos planos del ECG cuando los electrodos de las extremidades están en posiciones diferentes de las estándar , la recomendación estandarizada para la práctica clínica del ECG confirma que la mala colocación de los electrodos de las extremidades debe evitarse o utilizarse sólo cuando sea estrictamente necesario (es decir, En los últimos dos años, hemos desarrollado un nuevo dispositivo electrocardiográfico que permite la visualización en tiempo real y la medición precisa de la amplitud, la forma y las variaciones del ECG; con este dispositivo demostramos que el ECG presenta una variación clínicamente significativa (>0,1 mV o >1 mm ) en diferentes registros y durante el transcurso del mismo. Para la evaluación presentada en este artículo hemos reutilizado parcialmente los datos de ECG unipolar que han sido registrados de una pequeña población de sujetos sanos que se ofrecieron como voluntarios durante un estudio anterior y aceptaron que los datos fueran analizados con fines de publicación por cardiólogos expertos. La población de sujetos comprende cinco varones que cubren el rango de edad de 29 a 36 años, con una edad media de 32,5 años. Ninguno de los sujetos tenía antecedentes de enfermedad cardíaca y todos los registros presentaban ritmos sinusales normales. También registramos datos de un sujeto voluntario de nuevo, realizando dos registros consecutivos para mostrar el efecto de la colocación de los electrodos de las extremidades cerca del torso en las derivaciones cardinales.

2. Sección experimental

Nuestras principales hipótesis para este estudio son las siguientes.(1)El ECM no es una referencia de tensión estable que presente una variación de tensión clínicamente significativa.(2)El desplazamiento de los electrodos de las extremidades a una posición cercana al torso puede afectar a la forma y la amplitud de las derivaciones cardinales, así como a la WCT.

Para demostrar nuestras hipótesis, introducimos en primer lugar el verdadero equipo unipolar y una técnica de medición que nos permite medir y almacenar la WCT de forma fiable; a continuación, presentamos el procesamiento de datos con un ejemplo completo de la variabilidad de la WCT a lo largo del ciclo cardíaco y a través de un registro. Por último, mostramos el efecto que tiene la colocación de los electrodos de las extremidades cerca del torso (desde los tobillos y las muñecas hasta las caderas, los lados del ombligo y los hombros) sobre las derivaciones de las extremidades y la WCT.

2.1. Desarrollo del hardware

Nuestro front-end de hardware y su evaluación piloto se describen adecuadamente en Sin embargo, en aras de la exhaustividad, en esta sección damos un breve resumen del hardware de medición empleado en este estudio. En la Figura 2, mostramos un diagrama de bloques funcional del amplificador de ECG (un solo canal). En principio, consideramos la medición del ECG unipolar como una observación combinada de ruido y señal útil. Así, es posible medir la señal local de interés restando el ruido local (o lo que se considera como tal) de la señal medida. Como se puede observar en la figura 2, la señal medida (electrodo de medición) se alimenta a un amplificador de instrumentación que sustrae de la señal una versión de paso bajo de la misma (la frecuencia de corte de paso bajo se fija en 0,1 Hz). Con esta técnica se consigue un front-end de ECG acoplado a CC de paso pseudo-alto, preservando la entrada ultra-alta del amplificador, lo que permite el uso de electrodos secos. Los experimentos confirmaron que el filtro de paso bajo utilizado para lograr el filtro de paso pseudo-alto puede implementarse con componentes pasivos y su frecuencia de corte puede situarse en una frecuencia muy baja (es decir, 0,01 Hz), empleando condensadores y resistencias de alto valor. Esto es posible porque la impedancia de entrada ultra alta del amplificador de instrumentación empleado puede hacer frente a varios MΩ de impedancia.

Figura 2

Diagrama de bloques del sistema de ECG propuesto.

La referenciación del amplificador se realiza a través del terminal de referencia del amplificador de instrumentación etiquetado como «Ref». El terminal Ref recibe una versión amortiguada (de paso bajo) de la suma de todas las señales de los electrodos y del electrodo RL. Esta técnica, que también se conoce como «bootstrapping de tierra modificado» , similar al bootstrapping de tierra estándar, consigue la supresión del ruido de la línea eléctrica y del ruido electrodérmico sin el uso de una técnica de pierna derecha conducida .

Las señales registradas con este instrumento pueden considerarse referidas directamente a la pierna derecha. Por lo tanto, una simple sustracción punto por punto entre las señales registradas permite el cálculo en tiempo real del ECG de 12 derivaciones. En la Figura 3, se muestra un ejemplo del cálculo para la derivación I. En este ejemplo, las señales pregrabadas del brazo izquierdo y del brazo derecho han sido simplemente sustraídas para obtener la derivación I. Con esta técnica de grabación, el ECG es simplemente calculable a partir de un promedio punto por punto de los potenciales registrados de las extremidades. Para permitir la reconstrucción de las precordiales tradicionales (obtenidas por simple sustracción punto a punto del WCT), nuestras precordiales también están directamente referidas al potencial de RL . En nuestro estudio piloto anterior , demostramos que la correlación entre las señales reconstruidas y el registro paralelo de las señales tradicionales supera el 90% con diferencias mínimas, que se deben a la tolerancia de los componentes .

Figura 3

Ejemplo de una reconstrucción de derivación de ECG tradicional a partir de derivaciones unipolares (sustracción punto a punto) (los datos utilizados para trazar la imagen se registraron para el estudio ).

2.2. Medición

Para este estudio, calculamos el WCT promediando los potenciales de extremidades pregrabados. Como hemos demostrado en nuestro análisis anterior, el WCT es profundamente diferente entre los sujetos y puede tener la forma de las derivaciones del ECG con formas de onda características a veces muy bien marcadas, como una onda P, un complejo QRS y una onda T. Por esta razón, medimos la amplitud del WCT en su característica más grande que se espera que coincida normalmente con el complejo QRS. En otras palabras, medimos esta amplitud como la amplitud pico a pico. En este estudio, demostramos que la amplitud del WCT varía durante un registro y que, de forma similar a lo que ya se ha demostrado para las derivaciones estándar del ECG , su forma y amplitud se ven afectadas por las posiciones de los electrodos de las extremidades. Mediante un estudio de caso, también hemos podido justificar el desplazamiento comúnmente observado del eje cardíaco hacia la dirección vertical.

3. Resultados y discusión

(1)El WCT presenta una variabilidad de amplitud clínicamente relevante (>0,1 mV o >1 mm) durante cada ciclo cardíaco, así como una variación clínicamente significativa durante el registro. Para mostrar esta variabilidad de forma concisa, seleccionamos un punto de partida aleatorio dentro de la grabación y medimos la amplitud de la ECM para 10 latidos consecutivos después de ese punto. Como se puede observar en la Figura 4, todos los 10 latidos considerados tienen una amplitud superior a 0,1 mV; además, entre el latido nº 3 y el nº 6 se da la mayor amplitud de variabilidad (0,12 mV) entre ciclos cardíacos.(2)Análisis similares realizados para los demás sujetos de nuestra base de datos arrojan resultados parecidos.(3)Nuestras amplitudes generales de la WCT están en consonancia con los valores presentados en la literatura. Recordamos que ya se midieron amplitudes para el WCT del orden de 0,2 mV durante un experimento histórico que hizo uso de un procedimiento engorroso. Durante el experimento se sumergía a un voluntario en agua mientras se le encerraba en una estructura metálica llamada «electrodo integrador» . En cambio, nuestro dispositivo permite una medición continua y precisa de la WCT mediante el registro directo de los electrodos de las extremidades.(4)El nivel de ruido de la WCT está influenciado directamente por los tres potenciales de las extremidades; por lo tanto, los artefactos de movimiento en cualquiera de las extremidades o cualquier desequilibrio de impedancia de contacto entre los electrodos de las extremidades afectarán directamente a la calidad de la señal de la WCT y posiblemente degradarán las precordiales. Dado que el dispositivo unipolar real registra los componentes de las extremidades, el ruido que afecta a una de las extremidades puede evaluarse de antemano y, por lo tanto, los operadores pueden decidir no utilizar la ECM si está comprometida sin experimentar la pérdida de todo el conjunto de precordiales. En este sentido, la amplitud de la WCT parece estar dominada por el componente del brazo derecho (RA) (que es el componente más grande que se puede observar en la Figura 5(b)); se realizaron observaciones similares en los demás sujetos incluidos en nuestro estudio piloto y, por lo tanto, podemos confirmar la hipótesis anterior de que la WCT puede perjudicar la exploración torácica debido al sesgo impuesto por el brazo derecho.(5)La posición de los electrodos de las extremidades afecta directamente a la forma de las derivaciones y la WCT. Una simple comparación de las figuras 5 y 6 revela que la característica del QRS de la WCT está distorsionada. Cuando los electrodos se desplazan hacia los hombros y las caderas (véase la figura 6), la onda S disminuye en favor de una onda R más grande y esto es particularmente visible en la derivación III, donde el QRS es claramente más grande.(6)En los componentes unipolares, hay un marcado aumento de la amplitud del componente LL y una reversión de la polaridad del componente LA. Por estas razones es posible afirmar que el aumento de la información transportada por el cuerpo inferior (LL) y la simultánea distorsión de la información transportada por el cuerpo superior (LA) justifican la desviación del eje cardíaco a favor de direcciones más verticales, como se observa en la literatura . Esta constatación se apoya en un análisis intuitivo de la fórmula correcta para el cálculo del eje cardíaco. Recordando que el eje cardíaco se calcula mediante lo que puede expresarse en componentes unipolares, ya que es fácil concluir que un aumento marcado de la LL por sí solo aumentará el componente vertical del vector que representa la actividad cardíaca, desplazando el valor de su ángulo hacia un valor más pronunciado; se puede observar que una reversión de la polaridad de la LA también puede contribuir a un aumento del numerador de la fórmula de cálculo del eje cardíaco, que, cuando los electrodos de las extremidades se acercan al torso, también se acompaña siempre de una reducción del plomo I (el denominador), que puede aumentar aún más el desplazamiento hacia el eje vertical.

Figura 4

Variación de la amplitud de la WCT medida a lo largo de 10 latidos consecutivos seleccionados a partir de un latido aleatorio dentro del registro (véase el texto).

Figura 5

Comparación directa de la WCT (c) con las derivaciones cardinales de las extremidades (a) y los componentes unipolares verdaderos (b) cuando los electrodos de las extremidades se colocan en las muñecas y los tobillos. El punto fiduciario del QRS está marcado (línea vertical fina) utilizando la derivación II como referencia.

Figura 6

Comparación directa del WCT (c) con las derivaciones cardinales de las extremidades (a) y los componentes unipolares verdaderos (b) cuando los electrodos de las extremidades se colocan en las caderas y los hombros. El punto fiduciario del QRS está marcado (línea vertical fina) utilizando la derivación II como referencia.

Por último, dado que las señales registradas con el dispositivo unipolar verdadero son linealmente independientes, de forma similar a lo que se hace con las grabaciones de EEG, es posible aumentar el espacio de las señales a través de la rereferencia. A saber, el número de trazos de señales obtenibles a partir de los 10 electrodos colocados aumentará de doce a por lo menos treinta (nueve unipolares independientes, nueve referidas a la media común, y las doce señales tradicionales), aumentando así la redundancia de información presente en el ECG, como se ha buscado desde su invención hace más de 80 años . En otras palabras, un corolario de este nuevo método es que la práctica actual es, al mismo tiempo, mejorada (mayor robustez al ruido, mayor redundancia de información y visualización del ECG) y preservada (la señal tradicional y el método de diagnóstico también son utilizables). Cabe destacar que la reconstrucción del ECG de 12 derivaciones basada en la sustracción punto a punto de los componentes puede ser más robusta al ruido. Esto se debe a que los analistas de la señal (médicos que anotan el ECG con o sin la ayuda de procedimientos automatizados) podrán estimar la relación señal/ruido de cada componente individual (como el ruido de la línea eléctrica y los artefactos) y operar filtros de software individuales diferenciados y personalizados en los componentes antes de reconstruir la señal .

4. Conclusiones

Presentamos pruebas experimentales de que la WCT no es una referencia estable para las derivaciones del ECG a lo largo del ciclo cardíaco, que su forma y amplitud (medida de pico a pico) son comparables con la amplitud de otras derivaciones del ECG y, lo que es más importante, que muestra una variabilidad de amplitud clínicamente significativa durante el registro. Con este estudio también demostramos que el ECM, al igual que las derivaciones de las extremidades, se ve directamente afectado por la alteración de la posición de los electrodos y, por lo tanto, puede transmitir este sesgo adicional a las precordiales con efectos imprevistos sobre el diagnóstico.

Usando nuestro dispositivo, en este estudio, también hemos podido justificar el desplazamiento del eje cardíaco hacia la dirección vertical que se ha observado en varios estudios independientes cuando los electrodos de las extremidades se colocan más cerca del torso (es decir, el ECG de esfuerzo). Por lo tanto, dado que nuestro análisis y nuestro experimento confirman la preocupación por la alteración de todas las derivaciones estándar cuando los electrodos de las extremidades se colocan más cerca del torso, concluimos que esta práctica debe evitarse o utilizarse sólo cuando sea estrictamente necesario (es decir, cuando el registro no sea posible de otro modo).

Por último, nuestra técnica para la medición de las señales de ECG, que permite el cálculo del WCT y del ECG estándar de 12 derivaciones, ofrece la construcción de un espacio mayor de señales, lo que añade redundancia al ECG, como se ha buscado desde su invención hace más de 80 años . Actualmente estamos buscando la autorización ética para realizar un gran ensayo que confirme el alcance y el impacto de nuestros hallazgos, especialmente en lo que respecta al efecto de la práctica actualmente extendida de colocar los electrodos de las extremidades más cerca del torso.

Conflicto de intereses

El autor declara no tener ningún conflicto de intereses.