True Unipolaire ECG Machine voor Wilson Central Terminal metingen
Abstract
Sinds de uitvinding (meer dan 80 jaar geleden), heeft de moderne elektrocardiografie een zogenaamd stabiele spanningsreferentie (met weinig variatie gedurende de hartcyclus) gebruikt voor de helft van de signalen. Deze referentie, die bekend staat onder de naam “Wilson Central Terminal” ter ere van de uitvinder ervan, wordt verkregen door het gemiddelde te berekenen van de spanningen van de drie actieve elektrodehelften ten opzichte van de aarde-retourelektrode. Onderzoekers hebben echter hun bezorgdheid geuit over problemen (vertekening en verkeerde diagnose) in verband met de dubbelzinnige waarde en het gedrag van deze referentiespanning, die een perfect en evenwichtig contact van ten minste vier elektroden vereist om goed te werken. De Wilson Central Terminal heeft de laatste decennia nauwelijks aandacht gekregen in het onderzoek, hoewel de recente wijdverbreide medische praktijk (de elektroden in de ledematen worden dichter bij de romp geplaatst voor elektrocardiografie in rust) ook bezorgdheid heeft doen ontstaan over de geldigheid en de diagnostische geschiktheid van afleidingen die niet naar de Wilson Central Terminal zijn verwezen. Met behulp van een echte unipolaire elektrocardiografie-apparaat in staat om nauwkeurig te meten de Wilson Central Terminal, tonen we de onvoorspelbare variabiliteit tijdens de hartcyclus en bevestigen dat de integriteit van de cardinale leads wordt gecompromitteerd evenals de Wilson Central Terminal wanneer ledematen elektroden worden geplaatst dicht bij de torso.
1. Inleiding
Surface elektrocardiografie, per definitie, is de tijd-domein weergave van de elektrische activiteit van het kloppende hart in de borst, gemeten als spanning variatie in de tijd door oppervlakte-elektroden geplaatst in contact met de huid. Oppervlakte-elektrocardiografie wordt voorgesteld door een vectorgrootheid () die rond een vast punt (het elektrische centrum van het hart) in het frontale vlak van het lichaam draait en een hoek () beschrijft met een vaste richting die wordt aangegeven door een denkbeeldige lijn die door de schouders loopt. Deze definitie werd oorspronkelijk in 1908 geschetst door E. Einthoven, later herzien in 1931 door F. N. Wilson, die het vaste punt het “centrale eindpunt” noemde, en verder gewijzigd in 1942 door E. Goldberger, die de augmented leads uitvond . De genoemde definitie en de bijbehorende opnamerichtlijnen hebben vanaf 1942 geleid tot het zogenaamde 12-afleidingen-ECG-systeem, dat momenteel als de beste praktijk wordt beschouwd. Het 12-afleidingen-ECG wordt zo genoemd omdat het twaalf ECG-signalen produceert. Het maakt gebruik van een referentie-elektrode geplaatst op het rechterbeen (RL) en negen verkennende elektroden: drie ledemaat elektroden geplaatst op de rechterarm (RA), linkerarm (LA), en linkerbeen (LL) en zes elektroden geplaatst over de torso in de buurt van het hart . De plaatsing van de elektroden en de signalen die door de zes elektroden op de torso kunnen worden geregistreerd, worden precordiale afleidingen (precordials) genoemd en worden ook eenvoudig “borstafleidingen” genoemd (zie figuur 1 a)), terwijl de signalen die door de ledematen kunnen worden geregistreerd, cardinale (of fundamentele) Einthoven-afleidingen worden genoemd (zie figuur 1 b)) en worden aangeduid als afleiding I, afleiding II en afleiding III of eenvoudigweg als “ledemaatafleidingen”: Afleiding I: ; Afleiding II: ; Afleiding III: ;waarbij de spanning van afleiding I; de spanning van afleiding II; de spanning van afleiding III; de potentiaal aan de linkerarm*; de potentiaal aan de rechterarm*; de potentiaal aan het linkerbeen* *verwijst naar de elektrode aan het rechterbeen ().
(a) Precordiale plaatsing
(b) Ledemaatafleidingen en elektroden
(a) Precordiale plaatsing
(b) Ledemaatafleidingen en elektroden
De vergrote afleidingen worden gemeten als het spanningsverschil tussen elk van de ledemaatpotentialen en het gemiddelde van de andere twee ledemaatpotentialen. Bijvoorbeeld, de vergrote afleiding wordt gemeten als
Omdat alle ledemaatpotentialen impliciet naar de potentiaal van het rechterbeen worden verwezen, is het mogelijk af te leiden dat de kardinale afleidingen worden geregistreerd als tweemaal het spanningsverschil. Bijvoorbeeld, veronderstellend dat het potentieel van het rechterbeen wordt gemeten met betrekking tot een punt op een neutraal potentieel (d.w.z, aarding), kan afleiding I worden herschreven als
Hoewel het op het eerste gezicht lijkt dat de potentiëlen elkaar opheffen; wegens het niet-ideale (niet oneindige) vermogen om gemeenschappelijke signalen te verwerpen die gelijktijdig aan de ingangen aanwezig zijn, bekend als de Common Mode Rejection Ratio (CMRR) van de gebruikte versterkers, kan elke onbalans in het contact tussen de drie elektroden leiden tot kwaliteitsvermindering van het signaal en onvoorspelbare drift van langzame componenten. Intuïtief wordt het effect van onbalans in de contactimpedantie erger wanneer vergrote afleidingen in aanmerking worden genomen, omdat zij een perfect uitgebalanceerd contact van alle vier de elektroden in de ledematen vereisen. Dit is contra-intuïtief als het circuit dat zij vormen in het menselijk lichaam is een gelijkzijdige driehoek die geen rekening houdt met de RL spanning op alle (zie figuur 1 (b)).
Op dezelfde manier wordt de spanning van een virtueel punt genaamd de Wilson Central Terminal (WCT) afgetrokken van elk van de precordials ‘elektrode potentialen. De WCT wordt verkregen door het gemiddelde te nemen van de potentiëlen op de ledematen die zijn gerelateerd aan de referentie-elektrode op het rechterbeen met behulp van drie identieke weerstanden (5 kΩ of hoger) aangesloten op een enkel punt :
Hoewel Wilson zelf placht te verwijzen naar de precordials als “unipolair” , is dit herhaaldelijk naar voren gebracht als een verkeerde benaming als gevolg van het herhaalde spanningsverschil dat nodig is om ze te verkrijgen. Het is ook aangetoond dat de WCT niet kan worden beschouwd als een “nul” potentiaal, noch moet worden verward met het werkelijke centrum van het hart potentieel, omdat de ECG-signalen reizen door verschillende stammen van een inhomogene volume geleider en kan worden blootgesteld aan verschillende bronnen van ruis, zoals verschillende exposities aan RF-velden en artefacten . In 1954 was Frank de eerste die zijn bezorgdheid uitsprak over de mogelijke fluctuaties in de WCT tijdens een hartcyclus en hoe deze de ECG meting zouden kunnen vertekenen . Hij voorspelde dat er binnen enkele jaren een nieuwe, verfijnde hartgeleidingsleer en een ECG-systeem zouden komen dat zonder de WCT zou kunnen werken. In de begindagen van de moderne elektrocardiografie konden andere onderzoekers ook bevestigen dat de WCT niet constant is gedurende de hartcyclus. Bevestiging van fouten en variabiliteit van de WCT tijdens de hartcyclus werden gemeten met behulp van een “integrator elektrode”. Deze procedure vereist dat het gehele menselijke lichaam wordt ingekapseld in een metalen structuur en vervolgens wordt ondergedompeld in water (neutrale referentie) tijdens de meting van het ECG. Jammer genoeg werd deze techniek, wegens de omslachtigheid van het meetproces, slechts voor enkele experimentele proeven gebruikt. In de afgelopen jaren is ook gediscussieerd over de betekenis van de WCT en zelfs over de fysieke locatie ervan. Echter, afgezien van opmerkelijke pogingen in de jaren 1940 en 1950 , tot onze studie, de WCT is nooit correct gemeten zonder een omslachtige procedure en op een herhaalbare manier.
In deze context, moet men vermelden dat niet alleen de WCT heeft schaarse onderzoeksaandacht in de laatste paar decennia, maar ook is er een algemeen gebrek aan moderne studies over de algemene plaatsing van elektroden en de impact die elektrode misplaatsing (vooral wanneer opzettelijk) kan hebben op de diagnose. De huidige wijdverbreide medische praktijk bestaat erin de elektroden van de ledematen dichter bij de romp te plaatsen (schouders en heupen of zijkanten van de navel). Men gaat ervan uit dat dit de opdringerigheid van de ECG-opname vermindert omdat de kabels niet over het hele lichaam verspreid zijn, wat vooral bij inspanningsopnamen een voordeel is. Er zijn echter aanwijzingen dat de plaatsing van de elektrode in de ledematen die de QRS beïnvloedt, van invloed is op de diagnose van ischemische (inclusief chronische) hartziekten. Hoewel er aanwijzingen zijn dat bij gezonde proefpersonen de variatie in de ECG’s door wijziging van de ledemaatelektroden alleen als statistisch relevant en niet als klinisch relevant kan worden aangemerkt, vanwege de aanzienlijke verschuiving in de hartas en de golfvormamplitude die in beide ECG-vlakken kan worden waargenomen wanneer de ledemaatelektroden in andere dan de standaardposities staan, bevestigt de gestandaardiseerde aanbeveling voor de klinische ECG-praktijk dat een verkeerde plaatsing van ledemaatelektroden alleen moet worden vermeden of gebruikt wanneer dat strikt noodzakelijk is (d.w.z, In de afgelopen twee jaar hebben we een nieuw elektrocardiografisch apparaat ontwikkeld dat real-time visualisatie en nauwkeurige meting van de WCT amplitude, vorm en variaties mogelijk maakt; met behulp van dit apparaat tonen we aan dat de WCT een klinisch significante variatie vertoont (>0,1 mV of >1 mm ) over verschillende opnamen en in de loop van dezelfde opname. Voor de in dit artikel gepresenteerde evaluatie hebben wij de unipolaire ECG-gegevens gedeeltelijk hergebruikt, die zijn opgenomen van een kleine populatie gezonde proefpersonen die zich tijdens een eerdere studie vrijwillig hebben aangemeld en ermee hebben ingestemd dat de gegevens voor publicatiedoeleinden door deskundige cardiologen worden geanalyseerd. De proefpersonen bestonden uit vijf mannen in de leeftijdsgroep van 29-36 jaar met een gemiddelde leeftijd van 32,5 jaar. Geen van de proefpersonen had een voorgeschiedenis van hartziekte, en alle opnamen vertoonden normale sinusritmen. We hebben ook opgenomen gegevens van een vrijwilliger onderwerp opnieuw, het uitvoeren van twee opnames na elkaar om het effect van het plaatsen van de ledematen elektroden in de buurt van de romp op cardinale leads.
2. Experimentele Sectie
Onze belangrijkste hypothesen voor deze studie zijn als volgt.(1)De WCT is niet een stabiele spanning referentie vertoont een klinisch significante spanningsvariatie.(2) Het verplaatsen van de ledemaat elektroden naar een positie in de buurt van de romp kan invloed hebben op de vorm en amplitude van de cardinale leads en de WCT.
Om onze hypotheses aan te tonen, introduceren we eerst de echte unipolaire machine en een meettechniek die ons in staat stelt om betrouwbaar te meten en op te slaan de WCT, dan presenteren we de gegevensverwerking met een volledig voorbeeld van WCT variabiliteit over de hartcyclus en door middel van een opname. Tenslotte tonen we het effect dat de plaatsing van de ledemaat elektroden in de buurt van de romp (van enkels en polsen tot heupen, zijkanten van de navel, en schouders) heeft op ledemaat afleidingen en de WCT .
2.1. Hardware Development
Onze hardware front-end en de piloot evaluatie zijn goed beschreven in . Echter, voor de volledigheid, in deze sectie geven we een korte samenvatting van de meet-hardware die in deze studie. In figuur 2 zien we een functioneel blokschema van de ECG-versterker (één enkel kanaal). In principe beschouwen we de unipolaire ECG-meting als een gecombineerde waarneming van ruis en bruikbaar signaal. Het is dus mogelijk het plaatselijke signaal van belang te meten door de plaatselijke ruis (of wat als zodanig wordt beschouwd) van het gemeten signaal af te trekken. Zoals men in figuur 2 kan zien, wordt het gemeten signaal (meetelektrode) toegevoerd aan een instrumentatieversterker die een laagdoorlaatversie van hetzelfde signaal van het signaal aftrekt (de laagdoorlaat-afsnijfrequentie is ingesteld op 0,1 Hz). Met deze techniek wordt een pseudo-hoogdoorlaat DC-gekoppeld ECG-front-end verkregen, waarbij de ultrahoge ingang van de versterker behouden blijft, wat het gebruik van droge elektroden mogelijk maakt. Experimenten bevestigden dat het laagdoorlaatfilter dat wordt gebruikt om het pseudo-hoogdoorlaatfilter te bereiken, kan worden geïmplementeerd met passieve componenten en dat de afsnijfrequentie ervan kan worden geplaatst op een zeer lage frequentie (d.w.z. 0,01 Hz), met gebruikmaking van condensatoren en weerstanden met hoge waarde. Dit is mogelijk omdat de ultrahoge ingangsimpedantie van de gebruikte instrumentatieversterker een impedantie van verscheidene MΩ aankan.
De referentie van de versterker wordt verkregen via de referentieaansluiting van de instrumentatieversterker, aangeduid als “Ref”. De Ref-aansluiting ontvangt een gedempte versie (laagdoorgelaten) van de sommatie van alle elektrodesignalen en van de RL-elektrode. Deze techniek, die ook bekend staat als “modified ground bootstrapping” , vergelijkbaar met de standaard ground bootstrapping , bereikt power-line ruis en elektrodic ruis onderdrukking zonder het gebruik van een gedreven rechterbeen techniek .
Signalen opgenomen met dit instrument kunnen worden beschouwd als zijnde rechtstreeks naar het rechterbeen verwezen. Daarom maakt een eenvoudige puntsgewijze aftrekking tussen de opgenomen signalen een real-time berekening van het 12-afleidingen-ECG mogelijk. In figuur 3 wordt een voorbeeld van de berekening voor afleiding I getoond. In dit voorbeeld zijn de vooraf opgenomen linker- en rechterarmsignalen eenvoudigweg van elkaar afgetrokken om afleiding I te verkrijgen. Met deze opnametechniek kan de WCT eenvoudigweg worden berekend uit een punt-voor-puntgemiddelde van de opgenomen ledemaatpotentialen. Om reconstructie van traditionele precordialen (verkregen door eenvoudige punt-voor-punt aftrekking van de WCT) mogelijk te maken, worden onze precordialen ook rechtstreeks verwezen naar de potentiaal van RL . In onze vorige pilot-studie , toonden we aan dat de correlatie tussen de gereconstrueerde signalen en parallelle opname van traditionele signalen meer dan 90% met minimale verschillen, die te wijten zijn aan componenten ’tolerantie .
2.2. Meting
Voor deze studie berekenen we de WCT door het gemiddelde van de vooraf opgenomen ledemaat potentialen. Zoals wij in onze vorige analyse hebben aangetoond, verschilt de WCT sterk van proefpersoon tot proefpersoon en kan de vorm hebben van ECG-afleidingen met soms zeer goed gemarkeerde karakteristieke golfvormen zoals een P-golf, een QRS-complex, en een T-golf. Daarom meten wij de amplitude van de WCT bij zijn grootste kenmerk, waarvan wordt verwacht dat het normaliter samenvalt met het QRS-achtige complex. Met andere woorden, wij meten deze amplitude als de piek-tot-piek amplitude. In deze studie tonen we aan dat de amplitude van de WCT varieert tijdens een opname en dat, vergelijkbaar met wat reeds is aangetoond voor standaard ECG-afleidingen, de vorm en amplitude ervan worden beïnvloed door de posities van de elektroden in de ledematen. Met behulp van een case study zijn we ook in staat geweest om de algemeen waargenomen verschuiving van de hartas naar de verticale richting te rechtvaardigen.
3. Resultaten en Discussie
(1)De WCT vertoont klinisch relevante (>0,1 mV of >1 mm) amplitude variabiliteit tijdens elke hartcyclus, alsmede klinisch significante variatie tijdens de opname. Om deze variabiliteit te tonen op een beknopte manier, selecteerden we een willekeurig startpunt binnen de opname en gemeten de amplitude van de WCT voor 10 opeenvolgende beats na dat punt. Zoals uit figuur 4 blijkt, hebben alle 10 slagen een amplitude groter dan 0,1 mV; bovendien is er tussen slag 3 en 6 de grootste variabiliteit (0,12 mV) tussen de verschillende hartcycli.(2)Vergelijkbare analyses voor de andere proefpersonen in onze database leveren soortgelijke resultaten op.(3)Onze algemene WCT-amplituden komen overeen met in de literatuur vermelde waarden. Wij herinneren eraan dat amplitudes voor de WCT van de orde van 0,2 mV reeds werden gemeten tijdens een historisch experiment dat gebruik maakte van een omslachtige procedure. Tijdens het experiment een vrijwilliger werd ondergedompeld in water, terwijl wordt ingekapseld in een metalen structuur genaamd een “integrator elektrode” . Ons apparaat in plaats daarvan maakt continue WCT nauwkeurige meting door het opnemen van rechtstreeks van de ledematen elektroden. (4) Het WCT ruisniveau wordt direct beïnvloed door alle drie ledematen potentialen, dus beweging artefacten op een van de ledematen of een contact impedantie onbalans tussen de ledematen elektroden zal direct invloed hebben op de WCT-signaal kwaliteit en mogelijk degraderen de precordials. Omdat de echte unipolaire apparaat registreert ledematen componenten, lawaai invloed op een van de ledematen kan vooraf worden geëvalueerd, en dus exploitanten kunnen besluiten geen gebruik maken van de WCT als het wordt gecompromitteerd zonder ervaring verlies van de hele set van precordials. In dit opzicht lijkt de amplitude van de WCT te worden gedomineerd door de rechterarm (RA) component (dat is de grootste component waarneembaar uit figuur 5 (b)); soortgelijke waarnemingen werden gedaan voor de andere onderwerpen ingeschreven in onze pilot-studie en dus kunnen we bevestigen de vorige hypothese dat WCT kan borst exploratie als gevolg van vertekening opgelegd door de rechterarm .(5) De positie van de ledematen elektroden direct invloed op de vorm van de leads en WCT. Een eenvoudige vergelijking van figuren 5 en 6 blijkt dat de QRS kenmerk van de WCT is vervormd. Wanneer de elektroden naar de schouders en heupen worden verplaatst (zie figuur 6), neemt de S-golf af ten gunste van een grotere R-golf en dit is vooral zichtbaar in afleiding III, waar de QRS duidelijk groter is.(6)Bij unipolaire componenten is er een duidelijke toename van de amplitude van de LL-component en een omkering van de polariteit van de LA-component. Om deze redenen kan men stellen dat de toename van de informatie die door het onderlichaam (LL) wordt gedragen en de gelijktijdige vervorming van de informatie die door het bovenlichaam (LA) wordt gedragen, de afwijking van de hartas ten gunste van meer verticale richtingen rechtvaardigen, zoals in de literatuur is waargenomen. Deze bevinding wordt ondersteund door een intuïtieve analyse van de juiste formule voor de berekening van de hartas. Eraan herinnerend dat de hartas wordt berekend door die in unipolaire componenten kan worden uitgedrukt, is het gemakkelijk te concluderen dat een duidelijke toename van LL alleen de verticale component van de vector die de hartactiviteit weergeeft, zal doen toenemen, waardoor de waarde van de hoek naar een steilere waarde verschuift; men kan opmerken dat een omkering van de LA polariteit ook kan bijdragen tot een toename van de teller van de formule voor de berekening van de hartas, die, wanneer de elektroden van de ledematen dichter bij de romp worden gebracht, ook altijd gepaard gaat met een vermindering van afleiding I (de noemer), die de verschuiving van naar de verticale as verder kan vergroten.
Ten slotte, omdat de signalen opgenomen met de ware unipolaire apparaat lineair onafhankelijk zijn, vergelijkbaar met wat wordt gedaan met EEG-opnamen, is het mogelijk om de ruimte van de signalen te vergroten via rereferencing. Het aantal signaalsporen dat uit de tien geplaatste elektroden kan worden verkregen, zal namelijk toenemen van twaalf tot ten minste dertig (negen onafhankelijke unipolaire, negen die betrekking hebben op het gemeenschappelijke gemiddelde, en de twaalf traditionele signalen), waardoor de redundantie van de in het ECG aanwezige informatie toeneemt, zoals al sinds de uitvinding meer dan 80 jaar geleden wordt nagestreefd. Met andere woorden, een uitvloeisel van deze nieuwe methode is dat de huidige praktijk tegelijkertijd wordt verbeterd (grotere robuustheid tegen ruis, grotere redundantie van informatie, en visualisering van WCT) en behouden (het traditionele signaal en de diagnostische methode zijn ook bruikbaar). Het is opmerkelijk dat reconstructie van 12-afleidingen ECG op basis van punt-tot-punt aftrekking van componenten robuuster kan zijn tegen ruis. Dit komt omdat signaalanalisten (artsen die het ECG annoteren met of zonder de hulp van geautomatiseerde procedures) in staat zullen zijn om de signaal-ruisverhouding van elke afzonderlijke component (zoals power-line ruis en artefacten) te schatten en individuele gedifferentieerde en aangepaste softwarefilters op de componenten te bedienen alvorens het signaal te reconstrueren .
4. Conclusies
Wij hebben experimenteel bewijs geleverd dat de WCT geen stabiele referentie is voor ECG-afleidingen gedurende de hartcyclus, dat zijn vorm en amplitude (gemeten piek tot piek) vergelijkbaar zijn met de amplitude van andere ECG-afleidingen, en het belangrijkste dat hij klinisch significante amplitudevariabiliteit vertoont tijdens de opname. Met deze studie tonen we ook aan dat de WCT, net als de afleidingen van de ledematen, direct wordt beïnvloed door verandering van de elektrodepositie en daarom deze extra bias kan doorgeven aan precordials met onvoorziene gevolgen voor de diagnose.
Met behulp van ons apparaat, in deze studie, zijn we ook in staat geweest om de verschuiving van de hartas naar de verticale richting te rechtvaardigen die is waargenomen in verschillende onafhankelijke studies wanneer de elektroden van de ledematen dichter bij de torso zijn geplaatst (d.w.z. stress ECG). Aangezien onze analyse en ons experiment de bezorgdheid over de wijziging van alle standaard afleidingen bevestigen wanneer de elektroden van de ledematen dichter bij de romp worden geplaatst, concluderen wij dat deze praktijk moet worden vermeden of alleen moet worden gebruikt wanneer dit strikt noodzakelijk is (d.w.z. wanneer opname anders niet mogelijk is).
Ten slotte biedt onze techniek voor meting van ECG-signalen, die berekening van de WCT en het standaard 12-afleidingen-ECG mogelijk maakt, de constructie van een grotere ruimte van signalen, die redundantie toevoegt aan het ECG, zoals is nagestreefd sinds de uitvinding ervan meer dan 80 jaar geleden. We zijn momenteel op zoek naar ethische goedkeuring voor een groot onderzoek naar de omvang en de impact van onze bevindingen te bevestigen, met name met betrekking tot het effect van de momenteel wijdverbreide praktijk van het plaatsen van de ledematen elektroden dichter bij de torso.
Conflict of Interests
De auteur verklaart dat er geen belangenconflict.