Abstract

現代の心電図はその発明以来（80年以上前）、半分の信号に対して安定と思われる電圧基準（心周期中にほとんど変化しない）を採用している。 この基準は、発明者にちなんで「ウィルソン中央端子」と呼ばれ、帰還接地電極を基準として測定された3つの活動肢の電圧を平均化することによって得られます。 しかし、この基準電圧の曖昧な値や挙動に伴う問題（偏りや誤診）が研究者から指摘されており、正しく動作させるためには少なくとも4つの電極の完全かつバランスの取れた接触が必要とされています。 ウィルソン・セントラル・ターミナルは、最近広く行われている医療行為（安静時心電図のために四肢の電極を胴体の近くに配置し直す）を考慮しても、ここ数十年間はほとんど研究上の関心を集めていませんでしたが、ウィルソン・セントラル・ターミナルに接続されないリードの有効性と診断適合性に関する懸念も光っています。 我々は、Wilson Central Terminalを正確に測定できる真の単極性心電計を使用して、心周期中の予測できない変動を示し、四肢の電極を胴体近くに配置した場合、Wilson Central Terminalと同様に基幹電極の完全性が損なわれることを確認した

1． はじめに

表面心電図は、定義によれば、胸部内の拍動する心臓の電気活動を時間領域で表したもので、皮膚に接触させた表面電極により経時的な電圧変化として測定されるものである。 表面心電計は、体表平面上の固定点（心臓の電気的中心）の周りを回転するベクトル量（）が、肩を横切る仮想線によって特定される固定方向との角度（）を記述することによって表現される。 この定義は、1908年にE. Einthovenによって概説され、その後1931年にF. N. Wilsonによって修正され、固定点を「中心端子」と命名し、さらに1942年に拡張リードを発明したE. Goldbergerによって修正された … 。 1942年以降、前述の定義と関連する記録ガイドラインにより、いわゆる12誘導心電図システムが誕生し、現在ではこれがベストプラクティスとされている。 右脚（RL）に設置された基準電極と、右腕（RA）、左腕（LA）、左脚（LL）の3つの四肢電極、心臓近くの胴体上に設置された6つの電極の合計9つの探索電極を使用します。 電極の位置と胴体上の6つの電極から記録可能な信号は、心前部リード（precordial）と呼ばれ、単に「胸部リード」（図1（a）参照）またはリードとして知られており、四肢から記録できる信号はカーディナル（または基本）Einthovenリード（図1（b）参照）と呼ばれ、リードI、リードII、リードIIIまたは単に「四肢リード」であると言われています。 リードI： ; リードII： ; リードIII： ;リードIの電圧；リードIIの電圧；リードIIIの電圧；左腕の電位*；右腕の電位*；左脚の電位* *右脚の電極を指す().とする.

(a) 心房配置

(b) 四肢リードと電極

(a) 心前置
(b) 四肢リードと電極

増大リードは、各辺電位と他の2辺電位の平均値との電圧差として測定される。 例えば、増大したリードは

四肢電位のすべてが右脚の電位を暗黙的に参照しているので、枢軸リードが2倍の電圧差として記録されることを推測することが可能である。 例えば、右脚の電位が中性電位を基準に測定されていると仮定します。 一見、電位が相殺されるように見えますが、入力に同時に存在する共通信号を除去する非理想的な（無限ではない）能力（採用した増幅器の共通モード除去比（CMRR）として知られている）のために、3つの電極間の接触の不均衡は、信号品質の劣化と低速成分の予測できないドリフトの原因となる可能性があります。 直感的に、接触インピーダンスのアンバランスの影響は、4つの電極のすべてから完全にバランスのとれた接触を必要とする補強型リードを考慮するときに悪化します。 これは、人体で形成される回路がRL電圧を全く考慮しない正三角形であるため、直感に反します（図1（b）参照）。

同様に、ウィルソン中心端子（WCT）という仮想点の電圧が、各前庭電極電位から差し引かれます。 WCTは、右脚の参照電極を基準とした四肢の電位を、1点に接続した3つの同一抵抗(5kΩ以上)で平均化することで得られる :

Wilson自身は前庭を「単極」と呼んでいたが、これを得るには繰り返し電圧差を必要とするので、誤称と繰り返し指摘されてきた。 また、ECG信号は不均質な導体の異なる幹を通り、RFフィールドやアーチファクトなど異なるノイズ源にさらされるため、WCTは「ヌル」電位とはみなされず、本当の心電位の中心と混同されるべきでもないことが実証されている。 1954年、フランクは心周期中のWCTの潜在的な変動と、それがECG測定にどのような偏りをもたらすかについて、初めて懸念を表明した。 彼は、数年以内にWCTを使用しない新しい、洗練された心臓伝導理論とECGシステムが出現すると予言した。 近代的な心電計の初期には、他の研究者もWCTが心周期で一定でないことを確認することができた。 心周期中のWCTの誤差や変動は、”インテグレーター電極 “を用いて測定することで確認されている。 これは、人体全体を金属で包み、水（中性基準）に浸して心電図を測定する方法である。 残念ながら、この方法は測定が面倒なため、一部の実験にしか使用されていなかった。 近年では、WCTの意義やその物理的な位置についても議論されています。 しかし、1940 年代と 1950 年代の注目すべき試みを除けば、私たちの研究まで、WCT は、面倒な手順を踏まず、再現可能な方法で正しく測定されたことがありません。

この文脈では、WCT がこの数十年でほとんど研究対象とならなかったばかりか、一般的に電極の配置と電極誤配置（特に故意の場合）の診断への影響に関する最新の研究が不足していることに言及しなければならない。 現在、一般的に広く行われている医療行為は、四肢の電極を胴体に近い位置（肩と腰またはへその横）に移動させることです。 これは、ケーブルが体中に張り巡らされていないため、心電図記録の邪魔にならないと考えられており、特にストレス記録時には有利に働きます。 しかし、QRSに影響を与える四肢の電極位置が虚血性（慢性を含む）心疾患の診断に影響を与えるという証拠がある 。 健常者では、四肢電極の位置が標準的な位置と異なる場合、心軸と波形振幅が両方のECG平面で著しく変化するため、四肢電極の変更によって生じるECGの変動は、統計的に関連するだけで、臨床的に関連しないと分類できる証拠がいくつかありますが、ECG臨床実践の標準的勧告では、四肢電極の誤配置は避けるべきであると確認されています（すなわち、厳密に必要な場合にのみ使用することです）。

過去2年間、我々はWCT振幅、形状、および変動のリアルタイムでの視覚化と正確な測定を可能にする新しい心電図装置を開発しました。この装置を使用して、WCTは異なる記録間および同じ記録の過程で臨床的に有意な変動（>0.1mVまたは>1mm）を示すことを示しました。 この論文で紹介する評価では、以前の研究でボランティアとして参加し、専門家である心臓専門医が発表のためにデータを分析することに同意した少数の健康な被験者から記録されたユニポーラECGデータを一部再利用しています。 対象者は、29～36歳の男性5名で、平均年齢は32.5歳であった。 被験者には心疾患の既往はなく、記録されたデータはすべて正常な洞調律を呈していた。 また、四肢の電極を胴体近くのカーディナルリードに配置した場合の効果を示すため、1名のボランティア被験者のデータを再度記録し、2回連続して記録した。 実験編

この研究の主要な仮説は以下の通りである。 (1) WCTは臨床的に有意な電圧変動を示す安定した電圧基準ではないこと。(2)四肢の電極を胴体近くに移動させると、WCTだけでなくカーディナルリードの形状や振幅にも影響を与える。

我々の仮説を実証するために、まず真のユニポーラマシンとWCTを確実に測定・保存できる測定技術を紹介し、次に心周期にわたるWCT変動と記録によるデータ処理の全例を紹介する。 最後に、胴体付近（足首、手首から腰、へその横、肩まで）の四肢電極の配置が四肢のリードとWCTに与える影響を示す。 ハードウェアの開発

我々のハードウェアフロントエンドとそのパイロット評価は、.NETに適切に記述されている。 しかし、完全性のために、このセクションでは、本研究で採用した測定ハードウェアの簡単な概要を述べる。 図2に、ECGアンプ（1シングルチャンネル）の機能ブロック図を示す。 原理的には、単極性心電図の測定は、ノイズと有用信号の複合観測とみなす。 したがって、測定された信号から局所的なノイズ（またはそのようにみなされるもの）を減算することによって、関心のある局所的な信号を測定することが可能である。 図2からわかるように、測定信号（測定電極）は計装用増幅器に送られ、同じ信号のローパスバージョン（ローパスのカットオフ周波数は0.1Hzに設定されている）が信号から差し引かれる。 この手法により、擬似的にハイパスDC結合のECGフロントエンドが実現され、アンプの超高入力は維持されるため、ドライ電極の使用が可能になる。 擬似ハイパスフィルタを実現するためのローパスフィルタは、受動部品で実装でき、そのカットオフ周波数を大容量コンデンサと抵抗で超低周波（0.01 Hz）に位置づけられることを実験的に確認しました。 これは、採用した計装アンプの超高入力インピーダンスが数MΩに対応できるためです。

アンプのレファレンスは、”Ref “とラベル付けされた計装アンプのレファレンス端子を介して達成される。 Ref端子には、すべての電極信号とRL電極の和の減衰版(ローパスド)が入力されます。 この技術は、標準的なグランドブートストラップと同様に、「修正グランドブートストラップ」としても知られており、駆動右脚技術を使用せずに電力線ノイズと電気的ノイズの抑制を達成することができます。 したがって、記録された信号間の単純なポイントごとの減算は、12誘導心電図のリアルタイム計算を可能にする。 図3では、Lead Iの計算例を示している。 この例では、予め記録された左腕と右腕の信号を単純に減算してリードIを得ている。この記録技術では、記録された四肢電位のポイント毎の平均からWCTを単純に計算することが可能である。 従来の心房細動（WCTの単純なポイント・バイ・ポイント引き算で得られる）の再構成を可能にするために、我々の心房細動もRLの電位を直接参照する。 私たちの以前のパイロットスタディでは、再構成された信号と従来の信号の並列記録との間の相関は、成分の許容差に起因する最小限の差で90％を超えることを実証した。

2.2. 測定

本研究では、事前に記録した四肢電位を平均化することによりWCTを算出する。 以前の分析で示したように、WCTは被験者によって大きく異なり、P波、QRS複合、T波のような、時に非常によく特徴的な波形を持つECGリードの形状を持つことがある。 このため、通常QRS様複合体と一致すると予想される最大の特徴でWCTの振幅を測定する。 つまり、この振幅をpeak-to-peak振幅として測定する。 本研究では、WCTの振幅が記録中に変化すること、また、標準的なECGリードについて既に示されているのと同様に、その形状や振幅が四肢の電極の位置に影響されることを明らかにした。 また、一般的に観察される心軸の垂直方向へのシフトを、症例を用いて正当化することができた。 結果と考察

(1)WCT は、各心周期において臨床的に適切な（> 0.1mV または >1mm）振幅変動を示し、また記録中にも臨床的に有意な変動を示すことが分かった。 このばらつきを簡潔に示すために、記録内のランダムな開始点を選び、その点から連続する10拍のWCTの振幅を測定した。 図4から観察できるように、検討した10拍はすべて0.1mVより大きい振幅を持つ。さらに、3拍目と6拍目の間には、心周期間で最も大きな変動幅（0.12mV）がある(2)。我々のデータベースの他の被験者に対して行った同様の分析でも同様の結果が得られた(3)。我々の一般的なWCT振幅は、文献から示された値に沿っている。 0.2mVのオーダーのWCTの振幅は、面倒な手順を使った歴史的な実験で既に測定されていたことを思い出す。 この実験では、ボランティアは「積分電極」と呼ばれる金属製の構造物に包まれた状態で水に浸された。 4）WCT のノイズレベルは、3 つの肢電位すべてから直接影響を受けるため、肢の動きによるアーチファクトや肢電極間の 接触インピーダンスの不均衡は WCT 信号品質に直接影響し、プレコルディアルを低下させる可能性があります。 真のユニポーラ装置は四肢の成分を記録するため、四肢の1つに影響を与えるノイズを事前に評価することができ、従ってオペレータはプレコーディアルのセット全体を失うことなく、それが損なわれた場合WCTを使用しないように決定することができる。 このように、WCTの振幅は右腕（RA）成分（図5（b）から観察できる最大の成分）に支配されているようである。同様の観察は、パイロットスタディに登録された他の被験者に対しても行われ、したがって、WCTは右腕によって与えられるバイアスにより胸部探査を損なうかもしれないという以前の仮説を確認できる（5）四肢電極位置は直接リードの形状およびWCTに影響を与える。 図5と図6を単純に比較すると、WCTのQRS特徴が歪んでいることがわかる。 電極を肩や腰に移動すると（図6参照）、S波が減少してR波が大きくなり、これは特にリードIIIで顕著で、QRSは明らかに大きくなっている(6)。単極成分では、LL成分の振幅が著しく増加し、LA成分の極性が反転していることがわかる。 これらのことから、下半身（LL）が担う情報の増加と同時に上半身（LA）が担う情報の歪みが、文献的に観察されるような、より垂直な方向への心軸の偏倚を正当化すると言える。 この発見は、心軸の正しい計算式を直感的に分析することで裏付けられる。 心軸は単極成分で表すことができる式で計算されることを想起すると、LLだけが著しく増加すると、心活動を表すベクトルの垂直成分が増加し、その角度の値が急峻な方向にシフトすると容易に結論づけることができる。 LA極性の反転は、心軸計算式の分子の増加にも寄与し、四肢の電極を胴体に近づけると、常にリードI（分母）の減少を伴い、垂直軸へのシフトがさらに増加する可能性があることに注意する必要がある。

最後に、真のユニポーラ装置で記録された信号は、EEG記録で行われているのと同様に線形に独立しているので、再参照によって信号の空間を拡大することが可能である。 すなわち、10個の電極から得られる信号トレースの数は、12個から少なくとも30個（9個の独立したユニポーラ信号、9個の共通平均信号、12個の従来信号）に増え、80年以上前の発明以来求められてきた、ECGに存在する情報の冗長性が増加するのです . つまり、この新方式は、現在の診療の改善（ノイズに強い、情報の冗長性が高い、WCTの可視化）と保存（従来の信号や診断法も使える）を同時に実現するものである。 注目すべきは、12誘導心電図の再構成は、成分のポイントツーポイントサブトラクションに基づくことで、ノイズに対してよりロバストになることである。 これは、信号解析者（自動化された手順の助けを借りて、または借りずにECGに注釈を付ける医療従事者）が、信号を再構成する前に、個々の成分のS/N比（電力線ノイズやアーチファクトなど）を推定して、成分に対して個別に分化およびカスタマイズしたソフトウェアフィルターを操作できるためである。

4.結論

我々は、WCTが心周期を通してECGリードの安定した基準ではないこと、その形状と振幅（ピークからピークを測定）は他のECGリードの振幅と同等であり、最も重要なことは記録中に臨床的に有意な振幅変動を示すという実験結果を提示しました。 この研究で、我々はまた、WCTが四肢のリードと同様に、電極の位置の変更によって直接影響を受けること、したがって、診断時に予期しない影響を与える前胸部にこの追加のバイアスを渡すことができることを示す。 したがって、私たちの解析と実験では、四肢の電極を胴体に近づけて配置したときに、すべての標準的なリード線が変化するという懸念を確認したので、この方法は避けるか、厳密に必要な場合（つまり、他に記録が不可能な場合）だけに使用すべきだと結論づけた。 我々は現在、我々の発見の範囲と影響、特に四肢の電極を胴体に近づけるという現在広く行われている方法の影響について確認するために、大規模な試験の倫理的許可を求めている。