True Unipolar ECG Machine for Wilson Central Terminal Measurements
Abstract
Od czasu swojego wynalezienia (ponad 80 lat temu), nowoczesna elektrokardiografia wykorzystuje rzekomo stabilne napięcie odniesienia (o niewielkich zmianach podczas cyklu serca) dla połowy sygnałów. Odniesienie to, znane pod nazwą „Wilson Central Terminal” na cześć jego wynalazcy, uzyskuje się przez uśrednienie trzech napięć elektrod aktywnych kończyn, mierzonych w odniesieniu do elektrody zwrotnej masy. Jednakże badacze wyrazili obawy dotyczące problemów (biasing i błędna diagnoza) związanych z niejednoznaczną wartością i zachowaniem tego napięcia referencyjnego, które wymaga idealnego i zrównoważonego kontaktu co najmniej czterech elektrod, aby działać prawidłowo. W ciągu ostatnich kilku dekad centralnemu terminalowi Wilsona poświęcono niewiele uwagi w badaniach naukowych, mimo że w związku z powszechną ostatnio praktyką medyczną (elektrody kończynowe są umieszczane bliżej tułowia w celu wykonania elektrokardiografii spoczynkowej) pojawiły się obawy co do ważności i przydatności diagnostycznej odprowadzeń, które nie są podłączone do centralnego terminala Wilsona. Używając prawdziwie unipolarnego urządzenia do elektrokardiografii, zdolnego do precyzyjnego pomiaru Centralnego Punktu Wilsona, wykazaliśmy jego nieprzewidywalną zmienność w trakcie cyklu serca i potwierdziliśmy, że integralność odprowadzeń kardynalnych jest zagrożona, podobnie jak Centralny Punkt Wilsona, gdy elektrody kończynowe umieszczane są bliżej tułowia.
1. Wprowadzenie
Elektrokardiografia powierzchniowa, z definicji, jest reprezentacją w dziedzinie czasu aktywności elektrycznej bijącego serca wewnątrz klatki piersiowej, mierzonej jako zmiany napięcia w czasie przez elektrody powierzchniowe umieszczone w kontakcie ze skórą. Elektrokardiografia powierzchniowa jest reprezentowana przez wielkość wektorową () obracającą się wokół stałego punktu (centrum elektrycznego serca) w płaszczyźnie czołowej ciała, opisującą kąt () o stałym kierunku określonym przez wyimaginowaną linię przecinającą ramiona. Definicja ta została pierwotnie nakreślona w 1908 roku przez E. Einthovena, później zmieniona w 1931 roku przez F. N. Wilsona, który nazwał ten punkt stałym „terminalem centralnym”, a następnie zmodyfikowana w 1942 roku przez E. Goldbergera, który wynalazł elektrody rozszerzone (augmented leads). Od 1942 roku, wspomniana definicja i związane z nią wytyczne dotyczące zapisu wytworzyły tak zwany 12-odprowadzeniowy system EKG, który jest obecnie uważany za najlepszą praktykę .
12-odprowadzeniowe EKG jest tak nazywane, ponieważ wytwarza dwanaście sygnałów EKG. Wykorzystuje elektrodę referencyjną umieszczoną na prawej nodze (RL) i dziewięć elektrod badających: trzy elektrody kończynowe umieszczone na prawym ramieniu (RA), lewym ramieniu (LA) i lewej nodze (LL) oraz sześć elektrod umieszczonych nad tułowiem w pobliżu serca . Pozycjonowanie elektrod i sygnały rejestrowane z sześciu elektrod umieszczonych na tułowiu nazwano odprowadzeniami przedsercowymi (precordialnymi) i są one również znane po prostu jako „odprowadzenia klatki piersiowej” (zob. rysunek 1(a)) lub jako odprowadzenia, natomiast sygnały rejestrowane z kończyn nazwano kardynalnymi (lub fundamentalnymi) odprowadzeniami Einthovena (zob. rysunek 1(b)) i są one określane jako odprowadzenia I, II i III lub po prostu jako „odprowadzenia kończynowe”: Lead I: ; Lead II: ; Lead III: ;przy czym są to: napięcie Lead I; napięcie Lead II; napięcie Lead III; potencjał na lewym ramieniu*; potencjał na prawym ramieniu*; potencjał na lewej nodze* *odnosi się do elektrody na prawej nodze ().
(a) Umiejscowienie przedsercowe
(b) Odprowadzenia kończynowe i elektrody
(a) Umiejscowienie przedsercowe
(b) Odprowadzenia i elektrody kończynowe
Przewody powiększone są mierzone jako różnica napięcia między każdym z potencjałów kończynowych a średnią dwóch pozostałych potencjałów kończynowych. Na przykład, augmented lead jest mierzony jako
Ponieważ wszystkie potencjały kończyn są implicite odnoszone do potencjału prawej nogi, możliwe jest wnioskowanie, że przewody kardynalne są rejestrowane jako dwukrotna różnica napięcia. Na przykład, zakładając, że potencjał prawej nogi jest mierzony w odniesieniu do punktu o potencjale neutralnym (tj, uziemienie), przewód I może być przepisany jako
Chociaż na pierwszy rzut oka może się wydawać, że potencjały się znoszą; z powodu nieidealnej (nie nieskończonej) zdolności do odrzucania wspólnych sygnałów, które są obecne jednocześnie na wejściach, znanej jako Współczynnik Odrzucania Sygnału Wspólnego (CMRR) zastosowanych wzmacniaczy, jakakolwiek nierównowaga styku pomiędzy trzema elektrodami może spowodować degradację jakości sygnału i nieprzewidywalny dryf wolnych składowych. Intuicyjnie, efekt braku równowagi impedancji kontaktowej pogarsza się, gdy rozważa się elektrody rozszerzone, ponieważ wymagają one idealnie zrównoważonego kontaktu ze wszystkich czterech elektrod kończyn. Jest to sprzeczne z intuicją, ponieważ obwód, który tworzą w ludzkim ciele, jest trójkątem równobocznym, który w ogóle nie uwzględnia napięcia RL (patrz Rysunek 1(b)).
Podobnie, napięcie wirtualnego punktu zwanego Centralnym Terminalem Wilsona (WCT) jest odejmowane od każdego z potencjałów elektrod prekordialnych. WCT uzyskuje się przez uśrednienie potencjałów w kończynach odniesionych do elektrody referencyjnej na prawej nodze za pomocą trzech identycznych oporników (5 kΩ lub wyższych) podłączonych do jednego punktu :
Aczkolwiek sam Wilson zwykł określać precordiale jako „jednobiegunowe” , wielokrotnie wskazywano to jako błędne określenie ze względu na powtarzającą się różnicę napięć wymaganą do ich uzyskania . Wykazano również, że WCT nie może być uważany za potencjał „zerowy”, ani nie powinien być mylony z rzeczywistym centrum potencjału serca, ponieważ sygnały EKG podróżują przez różne pnie niejednorodnego przewodnika objętościowego i mogą być narażone na różne źródła szumu, takie jak różne ekspozycje na pola RF i artefakty . W 1954 roku Frank jako pierwszy wyraził zaniepokojenie potencjalnymi fluktuacjami w WCT podczas cyklu serca i tym, jak mogą one wpływać na pomiar EKG. Przewidywał, że w ciągu kilku lat pojawi się nowa, udoskonalona teoria przewodzenia w sercu i system EKG zdolny do pracy bez WCT. We wczesnym okresie nowoczesnej elektrokardiografii inni badacze również byli w stanie potwierdzić, że WCT nie jest stałe podczas cyklu serca. Potwierdzenie błędów i zmienności WCT podczas cyklu pracy serca uzyskano stosując „elektrodę integrującą”. Procedura ta wymaga zamknięcia całego ciała człowieka w metalowej konstrukcji, a następnie zanurzenia go w wodzie (neutralny układ odniesienia) podczas pomiaru EKG. Niestety, ze względu na uciążliwość procesu pomiarowego, technika ta była wykorzystywana jedynie w nielicznych próbach eksperymentalnych. W ostatnich latach dyskutuje się również nad znaczeniem WCT, a nawet jego fizyczną lokalizacją. Jednak poza godnymi uwagi próbami w latach 40-tych i 50-tych, aż do naszego badania, WCT nigdy nie został prawidłowo zmierzony bez uciążliwej procedury i w sposób powtarzalny.
W tym kontekście należy wspomnieć, że nie tylko WCT otrzymał niewiele uwagi badawczej w ciągu ostatnich kilku dekad, ale również istnieje uogólniony brak nowoczesnych badań na temat ogólnego umiejscowienia elektrod i wpływu, że błędne umiejscowienie elektrody (zwłaszcza gdy celowe) może mieć na diagnozę. Obecnie powszechną praktyką medyczną jest przesuwanie elektrod kończynowych na pozycje bliższe tułowia (ramiona i biodra lub boki pępka). Uważa się, że zmniejsza to uciążliwość zapisu EKG, ponieważ kable nie są rozrzucone po całym ciele, co jest szczególnie korzystne podczas zapisów wysiłkowych. Istnieją jednak dowody na to, że pozycjonowanie elektrod na kończynach, które wpływa na zespół QRS, ma wpływ na diagnostykę niedokrwiennych (w tym przewlekłych) chorób serca. Chociaż istnieją pewne dowody na to, że u osób zdrowych zmienność EKG spowodowana zmianą położenia elektrod kończynowych może być klasyfikowana jedynie jako istotna statystycznie, a nie jako istotna klinicznie, ze względu na znaczne przesunięcie osi serca i amplitudy fali, które można zaobserwować w obu płaszczyznach EKG, gdy elektrody kończynowe znajdują się w położeniu innym niż standardowe, standardowe zalecenia dotyczące praktyki klinicznej EKG potwierdzają, że należy unikać niewłaściwego umiejscowienia elektrod kończynowych lub stosować je tylko wtedy, gdy jest to bezwzględnie konieczne (np,
W ciągu ostatnich dwóch lat opracowaliśmy nowe urządzenie elektrokardiograficzne, które umożliwia wizualizację w czasie rzeczywistym i precyzyjny pomiar amplitudy, kształtu i zmienności WCT; przy użyciu tego urządzenia wykazaliśmy, że WCT wykazuje istotną klinicznie zmienność (>0,1 mV lub >1 mm ) w różnych zapisach i w trakcie tego samego zapisu. Do oceny przedstawionej w niniejszej pracy częściowo ponownie wykorzystaliśmy jednobiegunowe dane EKG, które zostały zarejestrowane w niewielkiej populacji zdrowych osób, które zgłosiły się na ochotnika podczas poprzedniego badania i zgodziły się na analizę danych dla celów publikacji przez biegłych kardiologów. Populacja badanych składa się z pięciu mężczyzn w wieku 29-36 lat, ze średnią wieku 32,5 roku. U żadnego z badanych nie stwierdzono w wywiadzie choroby serca, a wszystkie zapisy przedstawiały prawidłowy rytm zatokowy. Zarejestrowaliśmy również ponownie dane od jednego ochotnika, wykonując kolejno dwa zapisy, aby pokazać efekt umieszczenia elektrod kończynowych w pobliżu tułowia na odprowadzeniach kardynalnych.
2. Część eksperymentalna
Nasze główne hipotezy dotyczące tego badania są następujące.(1)WCT nie jest stabilnym odniesieniem napięciowym wykazującym klinicznie istotne wahania napięcia.(2)Przesunięcie elektrod kończynowych do pozycji w pobliżu tułowia może wpłynąć na kształt i amplitudę odprowadzeń kardynalnych, jak również na WCT.
Aby zademonstrować nasze hipotezy, najpierw wprowadzamy prawdziwą maszynę unipolarną i technikę pomiarową, która pozwala nam wiarygodnie mierzyć i przechowywać WCT; następnie przedstawiamy przetwarzanie danych z pełnym przykładem zmienności WCT w całym cyklu sercowym i przez nagranie. Na koniec pokazujemy wpływ, jaki umieszczenie elektrod kończynowych w pobliżu tułowia (od kostek i nadgarstków do bioder, boków pępka i ramion) ma na odprowadzenia kończynowe i WCT .
2.1. Hardware Development
Nasz sprzętowy front-end i jego pilotażowa ocena są właściwie opisane w . Jednakże, dla kompletności, w tym rozdziale podajemy krótkie podsumowanie sprzętu pomiarowego zastosowanego w tym badaniu. Na rysunku 2 przedstawiono blokowy schemat funkcjonalny wzmacniacza EKG (jednokanałowego). W zasadzie jednobiegunowy pomiar EKG traktujemy jako połączoną obserwację szumu i sygnału użytecznego. Możliwy jest zatem pomiar lokalnego sygnału użytecznego poprzez odjęcie lokalnego szumu (lub tego, co jest za taki uważane) od sygnału mierzonego. Jak można zaobserwować na rysunku 2, mierzony sygnał (elektroda pomiarowa) jest podawany do wzmacniacza instrumentalnego, który odejmuje od sygnału niskoprzepustową wersję tego samego sygnału (niskoprzepustowa częstotliwość odcięcia jest ustawiona na 0,1 Hz). Dzięki tej technice uzyskuje się pseudo-wysokoprzepustowy, sprzężony DC front-end EKG, zachowując ultra-wysokie wejście wzmacniacza, co pozwala na stosowanie suchych elektrod. Eksperymenty potwierdziły, że filtr dolnoprzepustowy zastosowany do uzyskania filtru pseudo-wysokoprzepustowego może być zrealizowany z elementów pasywnych, a jego częstotliwość odcięcia może być ustawiona na bardzo niskiej częstotliwości (tj. 0,01 Hz), przy zastosowaniu kondensatorów i rezystorów o dużej wartości. Jest to możliwe dzięki ultra-wysokiej impedancji wejściowej zastosowanego wzmacniacza instrumentacyjnego, która może wynosić kilka MΩ impedancji.
Odniesienie wzmacniacza uzyskuje się poprzez zacisk referencyjny wzmacniacza oprzyrządowania oznaczony jako „Ref”. Zacisk Ref otrzymuje stłumioną wersję (nisko przepuszczoną) sumy wszystkich sygnałów elektrod i elektrody RL. Technika ta, która jest również znana jako „zmodyfikowane uziemienie” (modified ground bootstrapping), podobna do standardowego uziemienia (standard ground bootstrapping), osiąga tłumienie szumów linii energetycznej i szumów elektrodowych bez użycia techniki napędzanej prawej nogi .
Sygnały zarejestrowane przy użyciu tego przyrządu mogą być uważane za odnoszące się bezpośrednio do prawej nogi. Dlatego proste odejmowanie punkt po punkcie pomiędzy zarejestrowanymi sygnałami pozwala na obliczenie 12-odprowadzeniowego EKG w czasie rzeczywistym. Na rycinie 3 pokazano przykład obliczeń dla odprowadzenia I. W tym przykładzie wstępnie zarejestrowane sygnały z lewego i prawego ramienia zostały po prostu odjęte, aby uzyskać odprowadzenie I. Dzięki tej technice rejestracji, WCT można po prostu obliczyć na podstawie średniej punkt po punkcie zarejestrowanych potencjałów kończynowych. W celu umożliwienia rekonstrukcji tradycyjnych precordiali (uzyskanych przez proste odjęcie WCT punkt po punkcie), nasze precordiale są również bezpośrednio odnoszone do potencjału RL . W naszym poprzednim badaniu pilotażowym wykazaliśmy, że korelacja pomiędzy zrekonstruowanymi sygnałami a równoległym zapisem sygnałów tradycyjnych przekracza 90% przy minimalnych różnicach, które wynikają z tolerancji składowych.
2.2. Pomiar
W przypadku tego badania obliczamy WCT poprzez uśrednienie wstępnie zarejestrowanych potencjałów kończynowych. Jak wykazaliśmy w naszej poprzedniej analizie, WCT jest głęboko zróżnicowany u różnych osób i może mieć kształt odprowadzeń EKG z czasami bardzo dobrze zaznaczonymi charakterystycznymi przebiegami, takimi jak fala P, zespół QRS i fala T. Z tego powodu mierzymy amplitudę WCT w miejscu największej cechy, która normalnie powinna pokrywać się z kompleksem QRS. Innymi słowy, mierzymy tę amplitudę jako amplitudę od szczytu do szczytu. W niniejszej pracy pokazujemy, że amplituda WCT zmienia się w trakcie zapisu i że, podobnie jak to już wykazano dla standardowych odprowadzeń EKG, na jej kształt i amplitudę wpływa położenie elektrod kończynowych. Na podstawie studium przypadku udało nam się również uzasadnić powszechnie obserwowane przesunięcie osi serca w kierunku pionowym .
3. Wyniki i dyskusja
(1)WCT wykazuje klinicznie istotną (>0,1 mV lub >1 mm) zmienność amplitudy podczas każdego cyklu serca, jak również klinicznie istotną zmienność podczas zapisu. W celu przedstawienia tej zmienności w sposób zwięzły, wybraliśmy losowy punkt początkowy w obrębie nagrania i zmierzyliśmy amplitudę WCT dla 10 kolejnych pobudzeń po tym punkcie. Jak można zauważyć na rycinie 4, wszystkie z 10 rozważanych pobudzeń mają amplitudę większą niż 0,1 mV; co więcej, między pobudzeniem nr 3 a pobudzeniem nr 6 występuje największy zakres zmienności (0,12 mV) między cyklami serca.(2)Podobne analizy przeprowadzone dla innych osób z naszej bazy danych dają podobne wyniki.(3)Nasze ogólne amplitudy WCT są zgodne z wartościami prezentowanymi w literaturze. Przypominamy, że amplitudy dla WCT rzędu 0,2 mV były już mierzone podczas historycznego eksperymentu, w którym zastosowano kłopotliwą procedurę. Podczas eksperymentu ochotnik był zanurzony w wodzie i jednocześnie zamknięty w metalowej konstrukcji zwanej „elektrodą integrującą”. Nasze urządzenie umożliwia natomiast ciągły, precyzyjny pomiar WCT poprzez rejestrację bezpośrednio z elektrod kończynowych.(4)Na poziom szumu WCT wpływają bezpośrednio wszystkie trzy potencjały kończynowe; dlatego artefakty ruchowe na którejkolwiek z kończyn lub jakakolwiek dysproporcja impedancji kontaktowej pomiędzy elektrodami kończynowymi wpłynie bezpośrednio na jakość sygnału WCT i być może pogorszy jakość prekordialną. Ponieważ prawdziwe urządzenie unipolarne rejestruje składowe kończynowe, szumy wpływające na jedną z kończyn mogą być ocenione wcześniej, a zatem operatorzy mogą podjąć decyzję o nieużywaniu WCT, jeśli jest ona zagrożona, bez doświadczania utraty całego zestawu prekordiali. W tym zakresie amplituda WCT wydaje się być zdominowana przez składową praworamienną (RA) (która jest największą składową obserwowaną na rycinie 5(b)); podobne obserwacje poczyniono u pozostałych osób włączonych do naszego badania pilotażowego i stąd możemy potwierdzić wcześniejszą hipotezę, że WCT może upośledzać eksplorację klatki piersiowej z powodu biasingu narzuconego przez prawe ramię.(5)Położenie elektrod kończynowych bezpośrednio wpływa na kształt odprowadzeń i WCT. Proste porównanie rycin 5 i 6 ujawnia, że cecha QRS w WCT jest zniekształcona. Po przesunięciu elektrod na ramiona i biodra (patrz ryc. 6) fala S zmniejsza się na korzyść większej fali R i jest to szczególnie widoczne w odprowadzeniu III, gdzie QRS jest wyraźnie większy.(6)W składowych jednobiegunowych obserwuje się wyraźny wzrost amplitudy składowej LL i odwrócenie polaryzacji składowej LA. Z tych powodów można powiedzieć, że wzrost informacji przenoszonej przez dolną część ciała (LL) i jednoczesne zniekształcenie informacji przenoszonej przez górną część ciała (LA) uzasadniają obserwowane w literaturze odchylenie osi serca na korzyść kierunków bardziej pionowych. Wniosek ten potwierdza intuicyjna analiza poprawnego wzoru na obliczanie osi serca. Przypominając, że oś serca oblicza się za pomocą składowych jednobiegunowych, łatwo dojść do wniosku, że wyraźny wzrost samego LL zwiększy składową pionową wektora reprezentującego czynność serca, przesuwając wartość jego kąta w kierunku bardziej stromym; można zauważyć, że odwrócenie polaryzacji LA może również przyczynić się do zwiększenia licznika wzoru obliczeniowego osi serca, co przy przesunięciu elektrod kończyn bliżej tułowia zawsze wiąże się również ze zmniejszeniem Lead I (mianownika), co może dodatkowo zwiększyć przesunięcie w kierunku osi pionowej.
Wreszcie, ponieważ sygnały rejestrowane za pomocą urządzenia true unipolar są liniowo niezależne, podobnie jak ma to miejsce w zapisach EEG, możliwe jest zwiększenie przestrzeni sygnałów poprzez rereferencję. Mianowicie, liczba śladów sygnału możliwych do uzyskania z 10 umieszczonych elektrod wzrośnie z dwunastu do co najmniej trzydziestu (dziewięć niezależnych sygnałów unipolarnych, dziewięć odnoszących się do wspólnej średniej i dwanaście tradycyjnych sygnałów), zwiększając w ten sposób redundancję informacji obecnych w EKG, co było poszukiwane od czasu jego wynalezienia ponad 80 lat temu. Innymi słowy, konsekwencją nowej metody jest jednoczesne ulepszenie dotychczasowej praktyki (większa odporność na szumy, większa redundancja informacji, wizualizacja WCT) i jej zachowanie (tradycyjny sygnał i metoda diagnostyczna są również możliwe do wykorzystania). Warto zauważyć, że rekonstrukcja 12-odprowadzeniowego EKG oparta na punktowym odejmowaniu składowych może być bardziej odporna na szumy. Dzieje się tak dlatego, że analitycy sygnału (lekarze dokonujący adnotacji w EKG z pomocą lub bez pomocy zautomatyzowanych procedur) będą w stanie oszacować stosunek sygnału do szumu każdego indywidualnego składnika (takiego jak szum linii energetycznej i artefakty) i obsługiwać indywidualne zróżnicowane i dostosowane filtry oprogramowania na składnikach przed rekonstrukcją sygnału .
4. Wnioski
Przedstawiliśmy eksperymentalne dowody na to, że WCT nie jest stabilnym punktem odniesienia dla odprowadzeń EKG w cyklu pracy serca, że jego kształt i amplituda (mierzona od szczytu do szczytu) są porównywalne z amplitudą innych odprowadzeń EKG, a co najważniejsze, że wykazuje on klinicznie istotną zmienność amplitudy podczas zapisu. W tym badaniu pokazujemy również, że na WCT, podobnie jak na odprowadzenia kończynowe, bezpośredni wpływ ma zmiana położenia elektrody i dlatego może ono przekazywać ten dodatkowy błąd do odprowadzeń przedsercowych z nieprzewidzianymi skutkami dla diagnozy.
Używając naszego urządzenia, w tym badaniu byliśmy również w stanie uzasadnić przesunięcie osi serca w kierunku pionowym, które zostało zaobserwowane w kilku niezależnych badaniach, gdy elektrody kończynowe są umieszczone bliżej tułowia (tj. EKG wysiłkowe). W związku z tym, ponieważ nasza analiza i eksperyment potwierdzają obawy dotyczące zmiany wszystkich standardowych odprowadzeń, gdy elektrody kończyn są umieszczone bliżej tułowia, stwierdzamy, że należy unikać tej praktyki lub stosować ją tylko wtedy, gdy jest to absolutnie konieczne (tj. gdy rejestracja nie jest możliwa w inny sposób).
Na koniec, nasza technika pomiaru sygnałów EKG, umożliwiająca obliczenie WCT i standardowego 12-odprowadzeniowego EKG, oferuje konstrukcję większej przestrzeni sygnałów, co dodaje redundancji do EKG, co było poszukiwane od czasu jego wynalezienia ponad 80 lat temu . Obecnie staramy się o zgodę etyczną na przeprowadzenie dużego badania w celu potwierdzenia zakresu i wpływu naszych ustaleń, w szczególności dotyczących wpływu obecnie rozpowszechnionej praktyki umieszczania elektrod kończynowych bliżej tułowia.
Konflikt interesów
Autor deklaruje brak konfliktu interesów.
.