True Unipolar EKG Machine for Wilson Central Terminal Measurements
Abstract
A modern elektrokardiográfia feltalálása óta (több mint 80 évvel ezelőtt) a jelek feléhez egy feltételezhetően stabil (a szívciklus alatt alig változó) feszültségreferenciát használ. Ezt a feltalálója tiszteletére “Wilson Central Terminal” néven ismert referenciát a három aktív végtagelektróda feszültségének a visszatérő földelektródához képest mért átlagolásával kapjuk. A kutatók azonban aggályokat fogalmaztak meg az e referenciafeszültség nem egyértelmű értékével és viselkedésével kapcsolatos problémákkal (torzítás és téves diagnózis) kapcsolatban, mivel a megfelelő működéshez legalább négy elektróda tökéletes és kiegyensúlyozott érintkezése szükséges. A Wilson központi terminál az elmúlt évtizedekben kevés kutatási figyelmet kapott, annak ellenére, hogy a közelmúltban elterjedt orvosi gyakorlat (a végtagelektródákat nyugalmi elektrokardiográfiához közelebb helyezik a törzshöz) figyelembe vétele szintén aggodalmakat keltett a Wilson központi terminálra nem hivatkozott elvezetések érvényességével és diagnosztikai alkalmasságával kapcsolatban. Egy valódi egypólusú, a Wilson Central Terminal pontos mérésére alkalmas elektrokardiográfiás eszközzel bemutatjuk annak kiszámíthatatlan változékonyságát a szívciklus során, és megerősítjük, hogy a kardinális elvezetések integritása a Wilson Central Terminalhoz hasonlóan sérül, ha a végtagelektródákat a törzshöz közel helyezik el.
1. Bevezetés
A felületi elektrokardiográfia definíció szerint a mellkas belsejében dobogó szív elektromos aktivitásának időtartománybeli ábrázolása, amelyet a bőrrel érintkezve elhelyezett felületi elektródák által a feszültség időbeli változásaként mérnek. A felszíni elektrokardiográfiát egy vektormennyiség () reprezentálja, amely a test elülső síkjában egy fix pont (a szív elektromos középpontja) körül forog, és egy szöget () ír le egy fix iránnyal, amelyet a vállakat keresztező képzeletbeli vonal azonosít. Ezt a meghatározást eredetileg 1908-ban E. Einthoven vázolta fel, később 1931-ben F. N. Wilson felülvizsgálta, aki a fix pontot “központi terminálnak” nevezte, majd 1942-ben E. Goldberger tovább módosította, aki feltalálta az augmentált elvezetéseket . Az említett definíció és a hozzá kapcsolódó rögzítési irányelvek 1942-től az úgynevezett 12 elvezetéses EKG-rendszert eredményezték, amelyet jelenleg a legjobb gyakorlatnak tartanak .
A 12 elvezetéses EKG-t azért nevezik így, mert tizenkét EKG-jelet állít elő. A jobb lábon (RL) elhelyezett referenciaelektródát és kilenc feltáró elektródát használ: három végtagelektródát a jobb karon (RA), a bal karon (LA) és a bal lábon (LL), valamint hat elektródát a törzsön, a szív közelében . Az elektródok elhelyezését és a törzs feletti hat elektródáról rögzíthető jeleket prekordiális elvezetéseknek (prekordialis) nevezték el, és egyszerűen “mellkasi elvezetéseknek” (lásd az 1. a) ábrát) vagy elvezetéseknek is nevezik, míg a végtagokról rögzíthető jeleket kardinális (vagy alapvető) Einthoven elvezetéseknek (lásd az 1. b) ábrát) nevezték el, és az I., II. és III. elvezetésnek vagy egyszerűen “végtagi elvezetéseknek” nevezik: Vezeték I: ; Vezeték II: ; Vezeték III: ;a következőkkel: a Vezeték I feszültsége; a Vezeték II feszültsége; a Vezeték III feszültsége; a bal karon lévő potenciál*; a jobb karon lévő potenciál*; a bal lábon lévő potenciál* *a jobb lábon lévő elektródára utalva ().
(a) Prekordiális elhelyezés
(b) Végtagvezetékek és elektródák
(a) Precordialis elhelyezés
(b) Végtagvezetékek és elektródák
A megnövelt elvezetéseket az egyes végtagi potenciálok és a másik két végtagi potenciál átlaga közötti feszültségkülönbségként mérjük. Például az augmentált elvezetést a következőképpen mérjük:
Mivel az összes végtagpotenciál implicit módon a jobb láb potenciáljára vonatkozik, arra lehet következtetni, hogy a kardinális elvezetéseket a feszültségkülönbség kétszereseként rögzítjük. Például, feltételezve, hogy a jobb láb potenciálját egy semleges potenciálon lévő ponthoz viszonyítva mérjük (azaz, földelés), az I. vezeték átírható
Bár első pillantásra úgy tűnhet, hogy a potenciálok kioltják egymást; az alkalmazott erősítők nem ideális (nem végtelen), a bemeneteken egyidejűleg jelen lévő közös jelek visszautasítására szolgáló, CMRR (Common Mode Rejection Ratio) néven ismert képessége miatt a három elektróda közötti bármilyen érintkezési kiegyensúlyozatlanság a jelminőség romlását és a lassú komponensek kiszámíthatatlan sodródását okozhatja. Intuitív módon az érintkezési impedancia kiegyensúlyozatlanságának hatása rosszabbá válik, ha kiterjesztett vezetékeket veszünk figyelembe, mivel ezek tökéletesen kiegyensúlyozott érintkezést igényelnek mind a négy végtagelektródától. Ez ellenkező értelmű, mivel az áramkör, amelyet az emberi testben alkotnak, egy egyenlő oldalú háromszög, amely egyáltalán nem veszi figyelembe az RL feszültséget (lásd az 1. ábra b) pontját).
Hasonlóképpen, a Wilson Central Terminal (WCT) nevű virtuális pont feszültségét kivonjuk az egyes prekordiális elektródapotenciálokból. A WCT-t a jobb lábon lévő referenciaelektródára vonatkoztatott végtagok potenciáljának átlagolásával kapjuk, három azonos ellenállás (5 kΩ vagy nagyobb) segítségével, amelyek egyetlen ponthoz vannak csatlakoztatva :
Bár maga Wilson a precordialisokat “unipolárisnak” szokta nevezni , ezt többször rámutattak, mint téves elnevezést, a megszerzésükhöz szükséges ismételt feszültségkülönbség miatt . Azt is kimutatták, hogy a WCT nem tekinthető “nulla” potenciálnak, és nem szabad összetéveszteni a szívpotenciál valódi középpontjával, mivel az EKG-jelek egy inhomogén térfogatvezeték különböző törzsein keresztül haladnak, és különböző zajforrásoknak, például RF-mezőknek és artefaktumoknak való különböző kitettségnek lehetnek kitéve . 1954-ben Frank volt az első, aki aggályokat vetett fel a WCT lehetséges ingadozásaival kapcsolatban egy szívciklus alatt, és azzal, hogy ezek hogyan torzíthatják az EKG-mérést . Megjósolta, hogy néhány éven belül egy új, kifinomult szívvezetési elmélet és EKG-rendszer fog megjelenni, amely képes a WCT nélkül működni. A modern elektrokardiográfia korai időszakában más kutatók is meg tudták erősíteni, hogy a WCT nem állandó a szívciklus alatt. A WCT hibáinak és a szívciklus alatti változékonyságának megerősítését “integrátor elektróda” alkalmazásával mérték. Ez az eljárás megköveteli, hogy az egész emberi testet egy fémszerkezetbe burkolják, majd az EKG mérése során vízbe (semleges referencia) merítsék. Sajnos a mérési folyamat nehézkessége miatt ezt a technikát csak néhány kísérleti vizsgálatnál alkalmazták. Az utóbbi években a WCT jelentőségét, sőt fizikai helyét is vitatták . Azonban az 1940-es és 1950-es években tett figyelemre méltó kísérletektől eltekintve , a mi tanulmányunkig a WCT-t soha nem mérték helyesen, nehézkes eljárás nélkül és megismételhető módon.
Ezzel összefüggésben meg kell említeni, hogy nemcsak a WCT kapott kevés kutatási figyelmet az elmúlt évtizedekben, hanem általánosságban is hiányoznak a modern tanulmányok az elektródák általános elhelyezéséről és arról, hogy az elektródák rossz elhelyezése (különösen ha szándékos) milyen hatással lehet a diagnózisra. A jelenlegi általános, széles körben elterjedt orvosi gyakorlat az, hogy a végtagelektródákat a törzshöz közelebbi pozícióba helyezik (vállak és csípő vagy a köldök oldala). Úgy gondolják, hogy ez csökkenti az EKG-felvétel zavaró jellegét, mivel a kábelek nem terjednek szét az egész testen, ami különösen előnyös a stresszfelvételek során. Vannak azonban bizonyítékok arra, hogy a QRS-t befolyásoló végtagi elektródák elhelyezése befolyásolja az iszkémiás (beleértve a krónikus) szívbetegségek diagnózisát . Bár van némi bizonyíték arra, hogy egészséges személyeknél a végtagelektródák megváltoztatása által az EKG-kban okozott eltérés csak statisztikailag relevánsnak és nem klinikailag relevánsnak minősíthető, a szívtengely és a hullámforma amplitúdó jelentős eltolódása miatt, amely mindkét EKG-síkban megfigyelhető, ha a végtagelektródák a standardtól eltérő helyzetben vannak, az EKG klinikai gyakorlatára vonatkozó szabványosított ajánlás megerősíti, hogy a végtagelektródák helytelen elhelyezése kerülendő vagy csak szigorúan szükséges esetben alkalmazható (azaz, stresszteszt), és mindig fel kell jegyezni a felvételen .
Az elmúlt két évben kifejlesztettünk egy új elektrokardiográfiás eszközt, amely lehetővé teszi a WCT amplitúdó, alak és variációk valós idejű megjelenítését és pontos mérését; az eszköz segítségével kimutattuk, hogy a WCT klinikailag jelentős variációt mutat (>0,1 mV vagy >1 mm ) a különböző felvételek között és ugyanazon felvétel során. Az ebben a tanulmányban bemutatott értékeléshez részben újra felhasználtuk azokat az egypólusú EKG-adatokat, amelyeket egy korábbi vizsgálat során önként jelentkező, kis létszámú egészséges alanyoktól rögzítettünk, akik beleegyeztek abba, hogy az adatokat publikációs céllal szakértő kardiológusok elemezzék. Az alanypopuláció öt férfiból áll, akik a 29-36 éves korosztályt fedik le, 32,5 éves átlagéletkorral. Az alanyok egyikének sem volt kardiológiai előzménye, és valamennyi felvétel normális szinuszritmust mutatott. Egy önkéntes alany adatait is újra rögzítettük, két felvételt végeztünk egymás után, hogy megmutassuk a végtagelektródák törzs közeli elhelyezésének hatását a kardinális elvezetésekre.
2. Kísérleti rész
A vizsgálat fő hipotézisei a következők: (1) A WCT nem stabil feszültségreferencia, amely klinikailag jelentős feszültségváltozást mutat.(2)A végtagelektródák áthelyezése a törzs közeli pozícióba befolyásolhatja a kardinális elvezetések alakját és amplitúdóját, valamint a WCT-t.
A hipotéziseink bizonyítására először bemutatjuk a valódi egypólusú gépet és egy mérési technikát, amely lehetővé teszi a WCT megbízható mérését és tárolását; majd bemutatjuk az adatfeldolgozást egy teljes példán keresztül a WCT variabilitásának a szívcikluson és egy felvételen keresztül történő bemutatásával. Végül bemutatjuk, hogy a végtagelektródák elhelyezése a törzs közelében (a bokától és a csuklótól a csípőig, a köldök oldaláig és a vállakig) milyen hatással van a végtagvezetékekre és a WCT-re .
2.1. Hardverfejlesztés
A hardveres front-endünket és annak kísérleti értékelését megfelelően ismertetjük a . A teljesség kedvéért azonban ebben a szakaszban röviden összefoglaljuk az ebben a tanulmányban alkalmazott mérési hardvert. A 2. ábrán az EKG-erősítő (egy egycsatornás) funkcionális blokkdiagramját mutatjuk be. Az egypólusú EKG-mérést elvileg a zaj és a hasznos jel kombinált megfigyelésének tekintjük. Így lehetséges az érdeklődésre számot tartó helyi jelet úgy mérni, hogy a helyi zajt (vagy az annak tekintett zajt) kivonjuk a mért jelből. Amint a 2. ábrán megfigyelhető, a mért jelet (mérőelektróda) egy műszeres erősítőbe tápláljuk, amely kivonja a jelből ugyanannak a jelnek egy aluláteresztő változatát (az aluláteresztő határfrekvencia 0,1 Hz-re van beállítva). Ezzel a technikával egy pszeudohigh-pass DC-kapcsolt EKG front-end érhető el, megőrizve az erősítő ultramagas bemenetét, ami lehetővé teszi a száraz elektródák használatát. A kísérletek megerősítették, hogy az álmagas átjárású szűrő eléréséhez használt aluláteresztő szűrő passzív alkatrészekkel megvalósítható, és a határfrekvenciája nagyon alacsony frekvencián (azaz 0,01 Hz-en) helyezhető el, nagy értékű kondenzátorok és ellenállások alkalmazásával. Ez azért lehetséges, mert az alkalmazott műszererősítő ultranagy bemeneti impedanciája több MΩ impedanciával is megbirkózik.
Az erősítő referenciázása a műszererősítő “Ref” feliratú referenciacsatlakozóján keresztül történik. A Ref terminál az összes elektródjel és az RL elektróda összegzett jelének csillapított (alacsony átmenettel rendelkező) változatát kapja. Ez a technika, amely “módosított földi bootstrapping” néven is ismert , hasonlóan a szabványos földi bootstrappinghez , a hálózati zaj és az elektródikus zaj elnyomását hajtott jobb lábas technika alkalmazása nélkül éri el .
Az ezzel a műszerrel rögzített jelek úgy tekinthetők, mintha közvetlenül a jobb lábra vonatkoznának. Ezért a rögzített jelek közötti egyszerű pontonkénti kivonás lehetővé teszi a 12 elvezetéses EKG valós idejű kiszámítását. A 3. ábrán az I. elvezetésre vonatkozó számítási példa látható. Ebben a példában az előzetesen rögzített bal kar és jobb kar jeleket egyszerűen kivonták, hogy megkapják az I. elvezetést. Ezzel a felvételi technikával a WCT egyszerűen kiszámítható a rögzített végtagi potenciálok pontonkénti átlagából. Annak érdekében, hogy a hagyományos prekordiálisok rekonstrukcióját lehetővé tegyük (amelyeket a WCT egyszerű pontonkénti kivonásával kapunk), a mi prekordiálisaink is közvetlenül az RL potenciálra vonatkoznak. Korábbi kísérleti vizsgálatunkban kimutattuk, hogy a rekonstruált jelek és a hagyományos jelek párhuzamos rögzítése közötti korreláció meghaladja a 90%-ot, minimális eltérésekkel, amelyek a komponensek toleranciájának köszönhetőek.
2.2 . Mérés
Ebben a vizsgálatban a WCT-t az előzetesen rögzített végtagpotenciálok átlagolásával számítjuk ki. Amint azt korábbi elemzésünkben kimutattuk, a WCT mélységesen különbözik az egyes alanyok között, és az EKG elvezetések alakja néha nagyon jól jelölt jellegzetes hullámformákkal, például P-hullámmal, QRS-komplexussal és T-hullámmal rendelkezhet. Emiatt a WCT amplitúdóját a legnagyobb jellemzőjénél mérjük, amely várhatóan általában egybeesik a QRS-szerű komplexszel. Más szóval ezt az amplitúdót a csúcstól csúcsig terjedő amplitúdóként mérjük. Ebben a tanulmányban megmutatjuk, hogy a WCT amplitúdója változik a felvétel során, és hogy – hasonlóan a standard EKG-vezetékek esetében már kimutatottakhoz – alakját és amplitúdóját befolyásolja a végtagelektródák helyzete. Egy esettanulmány segítségével igazolni tudtuk a szívtengely általánosan megfigyelt függőleges irányú eltolódását is .
3. Eredmények és vita
(1)A WCT klinikailag releváns (>0,1 mV vagy >1 mm) amplitúdó-változást mutat az egyes szívciklusok során, valamint klinikailag jelentős változékonyságot a felvétel során. Annak érdekében, hogy ezt a változékonyságot tömören bemutassuk, kiválasztottunk egy véletlenszerű kezdőpontot a felvételen belül, és megmértük a WCT amplitúdóját az ezt követő 10 egymást követő ütésen. Amint a 4. ábrán megfigyelhető, a 10 figyelembe vett ütés mindegyike 0,1 mV-nál nagyobb amplitúdóval rendelkezik; ráadásul a 3. és a 6. ütés között van a legnagyobb nagyfokú (0,12 mV) variabilitás a szívciklusok között.(2)Az adatbázisunk többi alanyán végzett hasonló elemzések hasonló eredményeket hoztak.(3)A WCT általános amplitúdói összhangban vannak az irodalomban bemutatott értékekkel. Emlékeztetünk arra, hogy 0,2 mV nagyságrendű WCT amplitúdókat már mértek egy történelmi kísérlet során, amely nehézkes eljárást alkalmazott. A kísérlet során egy önkéntes személyt vízbe merítettek, miközben egy “integrátor elektródának” nevezett fémszerkezetbe burkolták. A mi készülékünk ehelyett lehetővé teszi a folyamatos WCT pontos mérését, közvetlenül a végtagelektródákról történő rögzítéssel.(4)A WCT zajszintjét közvetlenül befolyásolja mindhárom végtagpotenciál; ezért bármelyik végtagon fellépő mozgáshiba vagy a végtagelektródák közötti érintkezési impedancia-egyenlőtlenség közvetlenül befolyásolja a WCT jelminőségét, és esetleg rontja a prekordialitást. Mivel a valódi egypólusú készülék a végtagkomponenseket rögzíti, az egyik végtagot érintő zaj előzetesen értékelhető, és így a kezelők dönthetnek úgy, hogy nem használják a WCT-t, ha az veszélyeztetett, anélkül, hogy a teljes prekordiális sorozat elvesztését tapasztalnák. Ennyiben úgy tűnik, hogy a WCT amplitúdóját a jobb kar (RA) komponense uralja (ez a legnagyobb komponens, amely az 5. ábra (b) alapján megfigyelhető); hasonló megfigyeléseket tettünk a kísérleti vizsgálatunkban részt vevő többi alany esetében is, és így megerősíthetjük azt a korábbi hipotézist, hogy a WCT a jobb kar által okozott torzítás miatt károsíthatja a mellkas feltárását .(5)A végtagelektródák helyzete közvetlenül befolyásolja az elvezetések és a WCT alakját. Az 5. és 6. ábra egyszerű összehasonlítása azt mutatja, hogy a WCT QRS-jellege torzul. Ha az elektródákat a vállakhoz és a csípőhöz helyezzük (lásd a 6. ábrát), az S-hullám csökken a nagyobb R-hullám javára, és ez különösen a III. elvezetésben látható, ahol a QRS egyértelműen nagyobb.(6)Az egypólusú komponensekben az LL komponens amplitúdójának jelentős növekedése és az LA komponens polaritásának megfordulása figyelhető meg. Ezen okok miatt elmondható, hogy az alsó test (LL) által hordozott információ növekedése és a felső test (LA) által hordozott információ egyidejű torzulása indokolja a szívtengely eltérését a függőlegesebb irányok javára, ahogy azt az irodalomban megfigyelték . Ezt a megállapítást alátámasztja a szívtengely kiszámítására szolgáló helyes képlet intuitív elemzése. Emlékeztetve arra, hogy a szívtengelyt úgy számítják ki, hogy az egypólusú komponensekben kifejezhető, mivel könnyen megállapítható, hogy a LL jelentős növekedése önmagában növeli a szívtevékenységet reprezentáló vektor függőleges komponensét, a szög értékét egy meredekebb érték felé tolva el; megjegyezhetjük, hogy az LA polaritásának visszafordulása szintén hozzájárulhat a szívtengely számítási képlet számlálójának növekedéséhez, ami, ha a végtagelektródákat közelebb helyezik a törzshöz, mindig együtt jár a Lead I (a nevező) csökkenésével, ami tovább növelheti a függőleges tengely felé történő eltolódást.
Végezetül, mivel a valódi unipoláris eszközzel rögzített jelek lineárisan függetlenek, hasonlóan ahhoz, ahogyan az EEG-felvételeknél történik, lehetőség van a jelek terének növelésére a referencia segítségével. Nevezetesen, a 10 elhelyezett elektródából nyerhető jelnyomok száma tizenkettőről legalább harmincra nő (kilenc független egypólusú, kilenc a közös átlagra vonatkoztatott, és a tizenkét hagyományos jel), ezáltal növelve az EKG-ban jelen lévő információk redundanciáját, ahogyan azt a több mint 80 évvel ezelőtti feltalálása óta keresik . Más szóval, ennek az új módszernek a következménye, hogy a jelenlegi gyakorlat egyszerre javul (nagyobb robusztusság a zajjal szemben, az információ nagyobb redundanciája és a WCT vizualizálása) és megmarad (a hagyományos jel és a diagnosztikai módszer is használható). Figyelemre méltó, hogy a 12 elvezetéses EKG-nak a komponensek pontról pontra történő kivonásán alapuló rekonstrukciója robusztusabb lehet a zajjal szemben. Ennek oka, hogy a jelelemzők (az EKG-t automatizált eljárásokkal vagy anélkül megjegyző orvosok) képesek lesznek megbecsülni az egyes komponensek jel-zaj arányát (például a hálózati zaj és a műtermékek), és a jel rekonstrukciója előtt egyedi differenciált és testre szabott szoftveres szűrőket működtetnek a komponenseken .
4. Következtetések
Kísérleti bizonyítékot mutattunk be arra vonatkozóan, hogy a WCT nem stabil referencia az EKG elvezetésekhez a szívciklus során, hogy alakja és amplitúdója (csúcsról csúcsra mérve) összehasonlítható más EKG elvezetések amplitúdójával, és ami a legfontosabb, hogy klinikailag jelentős amplitúdó-változást mutat a felvétel során. Ezzel a vizsgálattal azt is megmutatjuk, hogy a WCT-t, a végtagi elvezetésekhez hasonlóan, közvetlenül befolyásolja az elektródák helyzetének megváltoztatása, és ezért ezt a további torzítást a prekordiálisokra is átadhatja, ami előre nem látható hatással lehet a diagnózisra.
A készülékünket használva, ebben a vizsgálatban is igazolni tudtuk a szívtengely függőleges irányú eltolódását, amelyet több független vizsgálatban is megfigyeltek, amikor a végtagi elektródákat a törzshöz közelebb helyezik (pl. stressz EKG). Ezért, mivel elemzésünk és kísérletünk megerősíti az összes standard elvezetés megváltozásával kapcsolatos aggodalmakat, amikor a végtagelektródákat közelebb helyezik a törzshöz, arra a következtetésre jutunk, hogy ezt a gyakorlatot el kell kerülni, vagy csak akkor kell alkalmazni, ha feltétlenül szükséges (azaz, ha a felvétel másképp nem lehetséges).
Végezetül, az EKG jelek mérésére szolgáló technikánk, amely lehetővé teszi a WCT és a standard 12 elvezetéses EKG kiszámítását, nagyobb jeltér felépítését kínálja, ami növeli az EKG redundanciáját, amire több mint 80 évvel ezelőtti feltalálása óta törekedtek . Jelenleg etikai engedélyt kérünk egy nagyméretű vizsgálathoz, hogy megerősítsük eredményeink mértékét és hatását, különösen a végtagelektródáknak a törzshöz közelebbi elhelyezésének jelenleg széles körben elterjedt gyakorlatának hatását illetően.
Érdekütközés
A szerző nem áll összeférhetetlenségben.
A szerző kijelenti, hogy nem áll összeférhetetlenségben.