(a) Posizionamento precordiale

(b) Derivazioni ed elettrodi per arto

(a) Posizionamento precordiale
(b) Derivazioni ed elettrodi dell’arto

Le derivazioni aumentate sono misurate come la differenza di tensione tra ciascuno dei potenziali degli arti e la media degli altri due potenziali degli arti. Per esempio, la derivazione aumentata è misurata come

Perché tutti i potenziali degli arti sono implicitamente riferiti al potenziale della gamba destra, è possibile dedurre che le derivazioni cardinali sono registrate come il doppio della differenza di tensione. Per esempio, supponendo che il potenziale della gamba destra sia misurato rispetto a un punto a potenziale neutro (cioè terra), la derivazione I può essere riscritta come

Anche se a prima vista può sembrare che il potenziale si annulli; a causa della capacità non ideale (non infinita) di respingere i segnali comuni che sono presenti simultaneamente agli ingressi, nota come Common Mode Rejection Ratio (CMRR) degli amplificatori impiegati, qualsiasi squilibrio di contatto tra i tre elettrodi può causare una degradazione della qualità del segnale e una deriva imprevedibile dei componenti lenti. Intuitivamente, l’effetto dello squilibrio dell’impedenza di contatto peggiora quando si considerano le derivazioni aumentate, poiché richiedono un contatto perfettamente bilanciato da tutti e quattro gli elettrodi dell’arto. Questo è controintuitivo perché il circuito che formano nel corpo umano è un triangolo equilatero che non tiene affatto conto della tensione RL (vedi Figura 1(b)).

Similmente, la tensione di un punto virtuale chiamato Wilson Central Terminal (WCT) viene sottratta da ciascuno dei potenziali degli elettrodi precordiali. Il WCT è ottenuto facendo la media dei potenziali agli arti riferiti all’elettrodo di riferimento sulla gamba destra utilizzando tre resistenze identiche (5 kΩ o superiore) collegate ad un unico punto:

Anche se Wilson stesso si riferiva ai precordiali come “unipolari”, questo è stato ripetutamente sottolineato come un termine improprio a causa della differenza di tensione ripetuta necessaria per ottenerli. È stato anche dimostrato che il WCT non può essere considerato un potenziale “nullo” né deve essere confuso con il vero centro del potenziale cardiaco, perché i segnali ECG viaggiano attraverso diversi tronchi di un conduttore di volume disomogeneo e possono essere esposti a diverse fonti di rumore come diverse esposizioni a campi RF e artefatti. Nel 1954, Frank è stato il primo a sollevare preoccupazioni circa le potenziali fluttuazioni del WCT durante un ciclo cardiaco e come potrebbero distorcere la misurazione ECG. Egli predisse che entro pochi anni sarebbe emersa una nuova e raffinata teoria della conduzione cardiaca e un sistema ECG in grado di funzionare senza il WCT. Nei primi giorni della moderna elettrocardiografia, anche altri ricercatori furono in grado di confermare che il WCT non è costante durante il ciclo cardiaco. La conferma degli errori e della variabilità del WCT durante il ciclo cardiaco sono stati misurati utilizzando un “elettrodo integratore”. Questa procedura richiede che l’intero corpo umano sia racchiuso in una struttura metallica e poi immerso in acqua (riferimento neutro) durante la misurazione dell’ECG. Purtroppo, a causa della macchinosità del processo di misurazione, questa tecnica è stata utilizzata solo per poche prove sperimentali. Negli ultimi anni, il significato del WCT e anche la sua posizione fisica è stata anche discussa. Tuttavia, a parte i notevoli tentativi negli anni ’40 e ’50, fino al nostro studio, il WCT non è mai stato misurato correttamente senza una procedura ingombrante e in modo ripetibile.

In questo contesto, si deve menzionare che non solo il WCT ha ricevuto scarsa attenzione di ricerca negli ultimi decenni, ma c’è anche una mancanza generalizzata di studi moderni sul posizionamento generale degli elettrodi e l’impatto che il posizionamento sbagliato degli elettrodi (soprattutto quando intenzionale) può avere sulla diagnosi. L’attuale pratica medica diffusa è quella di spostare gli elettrodi degli arti in posizioni più vicine al tronco (spalle e fianchi o lati dell’ombelico). Si pensa che questo riduca l’invadenza della registrazione ECG, poiché i cavi non sono sparsi per tutto il corpo, il che è particolarmente vantaggioso durante le registrazioni sotto sforzo. Tuttavia, ci sono prove che il posizionamento degli elettrodi dell’arto che colpisce il QRS influenza la diagnosi delle malattie cardiache ischemiche (comprese quelle croniche). Anche se ci sono alcune prove che in soggetti sani la variazione negli ECG imposti da alterazione degli elettrodi degli arti può essere classificato solo come statisticamente rilevante e non come clinicamente rilevante , a causa dello spostamento significativo in asse cardiaco e ampiezza della forma d’onda che può essere osservato in entrambi i piani ECG quando gli elettrodi degli arti sono in posizioni diverse da quelle standard , raccomandazione standardizzata per la pratica clinica ECG conferma che il posizionamento sbagliato di elettrodi degli arti dovrebbe essere evitato o utilizzato solo se strettamente necessario (cioè,

Negli ultimi due anni, abbiamo sviluppato un nuovo dispositivo elettrocardiografico che permette la visualizzazione in tempo reale e la misurazione precisa dell’ampiezza, della forma e delle variazioni del WCT; utilizzando questo dispositivo dimostriamo che il WCT presenta una variazione clinicamente significativa (>0,1 mV o >1 mm) in diverse registrazioni e nel corso della stessa registrazione. Per la valutazione presentata in questo articolo abbiamo parzialmente riutilizzato i dati ECG unipolari che sono stati registrati da una piccola popolazione di soggetti sani che si sono offerti volontari durante uno studio precedente e hanno accettato di avere i dati analizzati per la pubblicazione da cardiologi esperti. La popolazione dei soggetti comprende cinque maschi che coprono l’intervallo di età di 29-36 anni con un’età media di 32,5 anni. Nessuno dei soggetti aveva una storia di malattia cardiaca e tutte le registrazioni presentavano ritmi sinusali normali. Abbiamo anche registrato di nuovo i dati di un soggetto volontario, eseguendo due registrazioni consecutivamente per mostrare l’effetto del posizionamento degli elettrodi degli arti vicino al tronco sulle derivazioni cardinali.

2. Sezione sperimentale

Le nostre ipotesi principali per questo studio sono le seguenti.(1)Il WCT non è un riferimento di tensione stabile che mostra una variazione di tensione clinicamente significativa.(2) Lo spostamento degli elettrodi dell’arto in una posizione vicina al tronco può influenzare la forma e l’ampiezza delle derivazioni cardinali così come il WCT.

Per dimostrare le nostre ipotesi, presentiamo prima la vera macchina unipolare e una tecnica di misurazione che ci permette di misurare e memorizzare in modo affidabile il WCT; poi, presentiamo l’elaborazione dei dati con un esempio completo della variabilità del WCT attraverso il ciclo cardiaco e una registrazione. Infine, mostriamo l’effetto che il posizionamento degli elettrodi dell’arto vicino al tronco (dalle caviglie e dai polsi ai fianchi, ai lati dell’ombelico e alle spalle) ha sulle derivazioni dell’arto e sulla WCT .

2.1. Sviluppo dell’hardware

Il nostro front-end hardware e la sua valutazione pilota sono adeguatamente descritti in . Tuttavia, per ragioni di completezza, in questa sezione diamo un breve riassunto dell’hardware di misurazione impiegato in questo studio. Nella Figura 2, mostriamo uno schema a blocchi funzionale dell’amplificatore ECG (un singolo canale). In linea di principio, consideriamo la misurazione ECG unipolare come un’osservazione combinata di rumore e segnale utile. È quindi possibile misurare il segnale locale di interesse sottraendo il rumore locale (o quello che viene considerato tale) dal segnale misurato. Come è possibile osservare nella figura 2, il segnale misurato (elettrodo di misura) viene alimentato ad un amplificatore strumentale che sottrae dal segnale una versione passa-basso dello stesso segnale (la frequenza di taglio passa-basso è impostata a 0,1 Hz). Con questa tecnica, si ottiene un front-end ECG pseudo-alto-passo DC-accoppiato, conservando l’ingresso ultra-alto dell’amplificatore, che permette l’uso di elettrodi asciutti. Gli esperimenti hanno confermato che il filtro passa-basso utilizzato per ottenere il filtro pseudo-alto può essere implementato con componenti passivi e la sua frequenza di taglio può essere posizionata a frequenza molto bassa (cioè, 0,01 Hz), utilizzando condensatori e resistenze di alto valore. Questo è possibile perché l’impedenza d’ingresso ultra-alta dell’amplificatore di strumentazione impiegato può far fronte a diversi MΩ di impedenza.

Figura 2

Schema a blocchi del sistema ECG proposto.

Il riferimento dell’amplificatore si ottiene tramite il terminale di riferimento dell’amplificatore di strumentazione etichettato come “Ref”. Il terminale Ref riceve una versione smorzata (passata bassa) della somma di tutti i segnali degli elettrodi e dell’elettrodo RL. Questa tecnica, che è anche conosciuta come “ground bootstrapping modificato”, simile al ground bootstrapping standard, raggiunge la soppressione del rumore della linea elettrica e del rumore elettrodico senza l’uso di una tecnica di gamba destra pilotata .

I segnali registrati con questo strumento possono essere considerati come riferiti direttamente alla gamba destra. Pertanto, una semplice sottrazione punto per punto tra i segnali registrati permette il calcolo in tempo reale dell’ECG a 12 derivazioni. Nella Figura 3, viene mostrato un esempio di calcolo per la derivazione I. In questo esempio, i segnali preregistrati del braccio sinistro e del braccio destro sono stati semplicemente sottratti per ottenere la derivazione I. Con questa tecnica di registrazione, il WCT è semplicemente calcolabile da una media punto per punto dei potenziali degli arti registrati. Per consentire la ricostruzione dei precordiali tradizionali (ottenuti per semplice sottrazione punto per punto del WCT), i nostri precordiali sono anche direttamente riferiti al potenziale di RL . Nel nostro precedente studio pilota, abbiamo dimostrato che la correlazione tra i segnali ricostruiti e la registrazione parallela dei segnali tradizionali supera il 90% con differenze minime, che sono dovute alla tolleranza dei componenti.

Figura 3

Esempio di ricostruzione di una derivazione ECG tradizionale da derivazioni unipolari (sottrazione punto a punto) (i dati utilizzati per tracciare l’immagine sono stati registrati per lo studio).

2.2. Misurazione

Per questo studio, calcoliamo il WCT facendo la media dei potenziali degli arti preregistrati. Come abbiamo dimostrato nella nostra analisi precedente, il WCT è profondamente diverso tra i soggetti e può avere la forma di derivazioni ECG con forme d’onda caratteristiche a volte molto ben marcate come un’onda P, un complesso QRS e un’onda T. Per questo motivo, misuriamo l’ampiezza del WCT nella sua caratteristica più grande che dovrebbe normalmente coincidere con il complesso QRS. In altre parole, misuriamo questa ampiezza come l’ampiezza da picco a picco. In questo studio, dimostriamo che l’ampiezza del WCT varia durante una registrazione e che, analogamente a quanto già dimostrato per le derivazioni ECG standard, la sua forma e ampiezza sono influenzate dalle posizioni degli elettrodi degli arti. Utilizzando un caso di studio siamo stati anche in grado di giustificare lo spostamento comunemente osservato dell’asse cardiaco verso la direzione verticale.

3. Risultati e Discussione

(1)Il WCT mostra una variabilità di ampiezza clinicamente rilevante (>0,1 mV o >1 mm) durante ogni ciclo cardiaco, nonché una variazione clinicamente significativa durante la registrazione. Per mostrare questa variabilità in modo conciso, abbiamo selezionato un punto di partenza casuale all’interno della registrazione e misurato l’ampiezza del WCT per 10 battiti consecutivi dopo quel punto. Come è possibile osservare dalla Figura 4, tutti i 10 battiti considerati hanno un’ampiezza maggiore di 0,1 mV; inoltre, tra il battito #3 e il battito #6 c’è la più grande ampiezza di variabilità (0,12 mV) tra i cicli cardiaci.(2)Analisi simili eseguite per gli altri soggetti del nostro database danno risultati simili.(3)Le nostre ampiezze WCT generali sono in accordo con i valori presentati in letteratura. Ricordiamo che ampiezze per il WCT dell’ordine di 0,2 mV sono già state misurate durante un esperimento storico che ha fatto uso di una procedura macchinosa. Durante l’esperimento un volontario veniva immerso in acqua mentre era racchiuso in una struttura metallica chiamata “elettrodo integratore”. Il nostro dispositivo invece permette una misurazione WCT continua e precisa registrando direttamente dagli elettrodi degli arti.(4)Il livello di rumore WCT è influenzato direttamente da tutti e tre i potenziali degli arti; quindi artefatti di movimento su uno qualsiasi degli arti o qualsiasi squilibrio di impedenza di contatto tra gli elettrodi degli arti influenzerà direttamente la qualità del segnale WCT ed eventualmente degradare i precordiali. Poiché il vero dispositivo unipolare registra le componenti degli arti, il rumore che colpisce uno degli arti può essere valutato in anticipo, e quindi gli operatori possono decidere di non utilizzare il WCT se è compromesso senza sperimentare la perdita dell’intero set di precordiali. In questa misura, l’ampiezza del WCT sembra essere dominata dal braccio destro (RA) componente (che è la componente più grande osservabile dalla Figura 5 (b)); osservazioni simili sono state fatte per gli altri soggetti arruolati nel nostro studio pilota e quindi possiamo confermare l’ipotesi precedente che WCT può compromettere l’esplorazione del torace a causa di bias imposti dal braccio destro . (5) La posizione degli elettrodi arto influenza direttamente la forma dei cavi e WCT. Un semplice confronto delle figure 5 e 6 rivela che la caratteristica QRS del WCT è distorta. Quando gli elettrodi vengono spostati sulle spalle e sui fianchi (vedi Figura 6), l’onda S diminuisce a favore di un’onda R più grande e questo è particolarmente visibile nella derivazione III, dove il QRS è chiaramente più grande.(6)Nelle componenti unipolari, c’è un netto aumento dell’ampiezza della componente LL e un’inversione della polarità della componente LA. Per questi motivi è possibile dire che l’aumento dell’informazione trasportata dalla parte inferiore del corpo (LL) e la simultanea distorsione dell’informazione trasportata dalla parte superiore del corpo (LA) giustificano la deviazione dell’asse cardiaco a favore di direzioni più verticali, come osservato in letteratura. Questa constatazione è supportata da un’analisi intuitiva della formula corretta per il calcolo dell’asse cardiaco. Ricordando che l’asse cardiaco è calcolato da che può essere espresso in componenti unipolari come è facile concludere che un aumento marcato in LL solo aumenterà la componente verticale del vettore che rappresenta l’attività cardiaca, spostando il valore del suo angolo verso un valore più ripido; si può notare che un’inversione della polarità del LA può anche contribuire ad un aumento del numeratore della formula di calcolo dell’asse cardiaco, che, quando gli elettrodi degli arti sono spostati più vicino al tronco, è anche sempre accompagnato da una riduzione del piombo I (il denominatore), che può aumentare ulteriormente lo spostamento verso l’asse verticale.

Figura 4

Variazione dell’ampiezza WCT misurata su 10 battiti consecutivi selezionati a partire da un battito casuale all’interno della registrazione (vedi testo).

Figura 5

Confronto diretto del WCT (c) con derivazioni cardinali degli arti (a) e componenti unipolari vere (b) quando gli elettrodi degli arti sono posizionati su polsi e caviglie. Il punto fiduciale QRS è segnato (linea verticale sottile) usando la derivazione II come riferimento.

Figura 6

Confronto diretto del WCT (c) con derivazioni cardinali degli arti (a) e componenti unipolari vere (b) quando gli elettrodi degli arti sono posizionati su fianchi e spalle. Il punto fiduciale QRS è segnato (linea verticale sottile) usando la derivazione II come riferimento.

Infine, poiché i segnali registrati con il vero dispositivo unipolare sono linearmente indipendenti, simile a quello che si fa con le registrazioni EEG, è possibile aumentare lo spazio dei segnali tramite la rilettura. Vale a dire, il numero di tracce di segnale ottenibili dai 10 elettrodi posizionati passerà da dodici ad almeno trenta (nove unipolari indipendenti, nove riferiti alla media comune, e i dodici segnali tradizionali), aumentando così la ridondanza delle informazioni presenti nell’ECG, come è stato cercato fin dalla sua invenzione più di 80 anni fa. In altre parole, un corollario di questo nuovo metodo è che la pratica attuale è allo stesso tempo migliorata (più robustezza al rumore, maggiore ridondanza di informazioni e visualizzazione del WCT) e conservata (il segnale tradizionale e il metodo diagnostico sono anche utilizzabili). È da notare che la ricostruzione dell’ECG a 12 derivazioni basata sulla sottrazione punto a punto delle componenti può essere più robusta al rumore. Questo perché gli analisti del segnale (medici che annotano l’ECG con o senza l’aiuto di procedure automatizzate) saranno in grado di stimare il rapporto segnale-rumore di ogni singolo componente (come il rumore della linea elettrica e gli artefatti) e operare singoli filtri software differenziati e personalizzati sui componenti prima di ricostruire il segnale.

4. Conclusioni

Abbiamo presentato prove sperimentali che il WCT non è un riferimento stabile per le derivazioni ECG attraverso il ciclo cardiaco, che la sua forma e ampiezza (misurata da picco a picco) sono paragonabili all’ampiezza di altre derivazioni ECG, e soprattutto che mostra una variabilità di ampiezza clinicamente significativa durante la registrazione. Con questo studio dimostriamo anche che il WCT, come le derivazioni degli arti, è direttamente influenzato dall’alterazione della posizione degli elettrodi e quindi può passare questo bias aggiuntivo ai precordiali con effetti imprevisti sulla diagnosi.

Utilizzando il nostro dispositivo, in questo studio, siamo stati anche in grado di giustificare lo spostamento dell’asse cardiaco verso la direzione verticale che è stato osservato in diversi studi indipendenti quando gli elettrodi degli arti sono posizionati più vicino al tronco (cioè, ECG da sforzo). Quindi, poiché la nostra analisi e l’esperimento confermano le preoccupazioni circa l’alterazione di tutte le derivazioni standard quando gli elettrodi degli arti sono posizionati più vicino al tronco, concludiamo che questa pratica dovrebbe essere evitata o utilizzata solo dove strettamente necessario (cioè, quando la registrazione non è possibile altrimenti).

Infine, la nostra tecnica per la misurazione dei segnali ECG, permettendo il calcolo del WCT e l’ECG standard a 12 derivazioni, offre la costruzione di uno spazio più ampio di segnali, che aggiunge ridondanza all’ECG, come è stato cercato dalla sua invenzione più di 80 anni fa. Attualmente stiamo cercando l’autorizzazione etica per un grande studio per confermare la portata e l’impatto dei nostri risultati, in particolare per quanto riguarda l’effetto della pratica attualmente diffusa di posizionare gli elettrodi degli arti più vicino al tronco.

Conflitto di interessi

L’autore non dichiara alcun conflitto di interessi.