Máquina de ECG Unipolar Verdadeiro para Medições de Terminal Central Wilson
Abstract
Desde a sua invenção (há mais de 80 anos), a electrocardiografia moderna tem empregado uma referência de tensão supostamente estável (com pouca variação durante o ciclo cardíaco) para metade dos sinais. Essa referência, conhecida pelo nome de “Terminal Central Wilson” em homenagem ao seu inventor, é obtida através da média das três tensões de eletrodos de membros ativos medidas em relação ao eletrodo de retorno à terra. Entretanto, pesquisadores têm levantado preocupações sobre problemas (enviesamento e diagnóstico errôneo) associados ao valor ambíguo e comportamento dessa tensão de referência, que requer contato perfeito e equilibrado de pelo menos quatro eletrodos para funcionar adequadamente. O Terminal Central Wilson tem recebido pouca atenção de pesquisa nas últimas décadas, embora a consideração da recente prática médica generalizada (eletrodos de membros são reposicionados mais próximos do tronco para eletrocardiografia de repouso) também tenha despertado preocupações sobre a validade e aptidão diagnóstica dos eletrodos não referidos ao Terminal Central Wilson. Usando um verdadeiro dispositivo de eletrocardiografia unipolar capaz de medir com precisão o Terminal Central Wilson, mostramos sua imprevisível variabilidade durante o ciclo cardíaco e confirmamos que a integridade dos eletrodos cardinais está comprometida, assim como o Terminal Central Wilson quando os eletrodos de membros são colocados perto do tronco.
1. Introdução
Eletrocardiografia de superfície, por definição, é a representação da atividade elétrica do coração batendo dentro do tórax, medida como variação de voltagem ao longo do tempo por eletrodos de superfície colocados em contato com a pele. A eletrocardiografia de superfície é representada por uma quantidade vetorial () girando em torno de um ponto fixo (o centro elétrico do coração) no plano frontal do corpo descrevendo um ângulo () com uma direção fixa identificada por uma linha imaginária cruzando os ombros. Esta definição foi originalmente delineada em 1908 por E. Einthoven, posteriormente revista em 1931 por F. N. Wilson, que nomeou o ponto fixo como “terminal central”, e posteriormente modificada em 1942 por E. Goldberger, que inventou os eletrocardiógrafos aumentados. A partir de 1942, a definição mencionada e as diretrizes de registro associadas produziram o chamado sistema de ECG de 12 derivações, que atualmente é considerado a melhor prática .
O ECG de 12 derivações é assim chamado porque produz doze sinais de ECG. Ele usa um eletrodo de referência colocado na perna direita (RL) e nove eletrodos de exploração: três eletrodos de membros colocados no braço direito (RA), braço esquerdo (LA) e perna esquerda (LL) e seis eletrodos colocados sobre o tronco próximo ao coração . O posicionamento dos eletrodos e os sinais graváveis dos seis eletrodos sobre o tronco foram denominados cabos precordial (precordiais) e também são conhecidos simplesmente como “cabos torácicos” (ver Figura 1(a)) ou como cabos, enquanto que os sinais graváveis dos membros foram denominados cabos cardinais (ou fundamentais) Einthoven (ver Figura 1(b)) e são referidos como cabos I, II e III ou simplesmente como “cabos de membros”: Chumbo I: ; Chumbo II: ; Chumbo III: ;sendo a tensão do Chumbo I; a tensão do Chumbo II; a tensão do Chumbo III; o potencial no braço esquerdo*; o potencial no braço direito*; o potencial na perna esquerda* *referido ao eléctrodo na perna direita ().
(a) Colocação precordial
(b) Cabos e eletrodos de membros
(a) Colocação précordial
(b) Cabos e eletrodos de membros
Os cabos aumentados são medidos como a diferença de tensão entre cada um dos potenciais de membros e a média dos outros dois potenciais de membros. Por exemplo, o cabo aumentado é medido como
Porque todos os potenciais dos membros são implicitamente referidos ao potencial da perna direita, é possível inferir que os cabos cardinais são registados como o dobro da diferença de voltagem. Por exemplo, assumindo o potencial da perna direita sendo medido em relação a um ponto em um potencial neutro (ou seja terra), o condutor I pode ser reescrito como
Embora à primeira vista possa parecer que o potencial será cancelado; devido à capacidade não ideal (não infinita) de rejeitar sinais comuns que estão presentes simultaneamente nas entradas, conhecida como Relação de Rejeição de Modo Comum (CMRR) dos amplificadores empregados, qualquer desequilíbrio de contacto entre os três eléctrodos pode causar degradação da qualidade do sinal e desvio imprevisível de componentes lentos. Intuitivamente, o efeito do desequilíbrio de impedância de contato se agrava quando se considera o aumento dos eletrodos, uma vez que eles requerem contato perfeitamente balanceado de todos os quatro eletrodos de membros. Isto é contra-intuitivo, pois o circuito que eles formam no corpo humano é um triângulo equilátero que não leva em conta a tensão RL (veja Figura 1(b)).
Simplesmente, a tensão de um ponto virtual chamado Terminal Central Wilson (WCT) é subtraída de cada um dos potenciais de eletrodos precorditivos. O WCT é obtido através da média do potencial nos membros referidos ao eléctrodo de referência na perna direita utilizando três resistências idênticas (5 kΩ ou superior) ligadas a um único ponto:
Embora o próprio Wilson se referisse aos precórdiais como “unipolares”, este tem sido repetidamente apontado como um erro de nome devido à diferença de tensão repetida necessária para obtê-los . Também foi demonstrado que o TCE não pode ser considerado um potencial “nulo” nem deve ser confundido com o centro real do potencial cardíaco, pois os sinais do ECG percorrem diferentes troncos de um condutor de volume não homogêneo e podem ser expostos a diferentes fontes de ruído, tais como diferentes exposições a campos e artefatos de RF. Em 1954, Frank foi o primeiro a levantar preocupações sobre as flutuações potenciais no ECG durante um ciclo cardíaco e como elas poderiam influenciar a medição do ECG. Ele previu que dentro de alguns anos uma nova e refinada teoria de condução cardíaca e um sistema de ECG capaz de funcionar sem o WCT iria emergir. Nos primeiros tempos da eletrocardiografia moderna, outros pesquisadores também foram capazes de confirmar que o TCM não é constante durante o ciclo cardíaco. A confirmação de erros e variabilidade do TCM durante o ciclo cardíaco foi medida empregando um “eletrodo integrador”. Este procedimento requer que todo o corpo humano seja envolto em uma estrutura metálica e depois imerso em água (referência neutra) durante a medição do ECG. Infelizmente, devido à complexidade do processo de medição, esta técnica foi utilizada apenas para poucos ensaios experimentais. Nos últimos anos, o significado do ECG e até mesmo a sua localização física também tem sido debatida. Entretanto, além das notáveis tentativas nas décadas de 1940 e 1950, até nosso estudo, o TCM nunca foi medido corretamente sem um procedimento incômodo e de forma repetitiva.
Neste contexto, deve-se mencionar que não só o TCM tem recebido pouca atenção de pesquisa nas últimas décadas, mas também há uma falta generalizada de estudos modernos sobre a colocação geral dos eletrodos e o impacto que a colocação incorreta dos eletrodos (particularmente quando intencional) pode ter sobre o diagnóstico. Atualmente, a prática médica comum é mover os eletrodos de membros para posições mais próximas do tronco (ombros e quadris ou lados do umbigo). Isto é pensado para reduzir a ousadia do registro do ECG, já que os cabos não estão espalhados por todo o corpo, o que é particularmente vantajoso durante os registros de estresse. No entanto, há evidências de que o posicionamento do eletrodo do membro que afeta o QRS influencia o diagnóstico de doenças cardíacas isquêmicas (inclusive crônicas). Embora haja algumas evidências de que em indivíduos saudáveis a variação nos eletrodos de membros imposta pela alteração dos eletrodos de membros pode ser classificada apenas como estatisticamente relevante e não como clinicamente relevante , devido à mudança significativa no eixo cardíaco e amplitude de onda que pode ser observada em ambos os planos de ECG quando os eletrodos de membros estão em posições diferentes das padrão , a recomendação padronizada para a prática clínica de ECG confirma que o posicionamento errado dos eletrodos de membros deve ser evitado ou utilizado apenas quando estritamente necessário (i.e, teste de esforço) e sempre observado no registro .
Nos últimos dois anos, desenvolvemos um novo dispositivo eletrocardiográfico que permite a visualização em tempo real e a medição precisa da amplitude, forma e variações do TCE; utilizando este dispositivo mostramos que o TCE apresenta uma variação clinicamente significativa (>0,1 mV ou >1 mm ) em diferentes registros e durante o curso do mesmo registro. Para a avaliação apresentada neste trabalho, reutilizamos parcialmente os dados do ECG unipolar que foram registrados por uma pequena população de sujeitos saudáveis que se voluntariaram durante um estudo anterior e concordaram em ter os dados analisados para fins de publicação por cardiologistas especialistas. A população de sujeitos compreende cinco homens, cobrindo a faixa etária de 29-36 anos, com idade média de 32,5 anos. Nenhum dos sujeitos tinha histórico de doença cardíaca, e todos os registros apresentavam ritmo sinusal normal. Também registramos dados de um voluntário novamente, realizando duas gravações consecutivas para mostrar o efeito da colocação dos eletrodos de membros próximos ao tronco nos eletrodos cardinais.
2. Seção Experimental
Nossas principais hipóteses para este estudo são as seguintes(1)O TCM não é uma referência de tensão estável exibindo uma variação de tensão clinicamente significativa.(2)Movendo os eletrodos de membros para uma posição próxima ao tronco pode afetar a forma e amplitude dos eletrodos cardinais, assim como o TCT.
Para demonstrar nossas hipóteses, primeiramente introduzimos a verdadeira máquina unipolar e uma técnica de medição que nos permite medir e armazenar o TCT de forma confiável; em seguida, apresentamos o processamento dos dados com um exemplo completo da variabilidade do TCT ao longo do ciclo cardíaco e através de um registro. Finalmente, mostramos o efeito que a colocação dos eletrodos dos membros perto do tronco (dos tornozelos e pulsos aos quadris, lados do umbigo e ombros) tem sobre os eletrodos dos membros e o TCT .
2.1. Desenvolvimento de Hardware
Nosso front-end de hardware e sua avaliação piloto estão devidamente descritos em . No entanto, por uma questão de completude, nesta seção damos um breve resumo do hardware de medição empregado neste estudo. Na Figura 2, mostramos um diagrama de blocos funcionais do amplificador de ECG (um único canal). Em princípio, consideramos a medição do ECG unipolar como uma observação combinada de ruído e sinal útil. Assim, é possível medir o sinal local de interesse subtraindo o ruído local (ou o que é considerado como tal) do sinal medido. Como é possível observar na Figura 2, o sinal medido (eléctrodo de medição) é alimentado a um amplificador de instrumentação que subtrai do sinal uma versão de baixa passagem do mesmo sinal (a frequência de corte de baixa passagem é definida em 0,1 Hz). Com esta técnica, obtém-se uma interface pseudo-alta de ECG acoplado a DCG, preservando a entrada ultra-alta do amplificador, o que permite a utilização de eléctrodos secos. As experiências confirmaram que o filtro passa-baixo utilizado para conseguir o filtro passa-baixo pode ser implementado com componentes passivos e sua freqüência de corte pode ser posicionada em freqüência muito baixa (ou seja, 0,01 Hz), empregando capacitores e resistências de alto valor. Isto é possível porque a impedância de ultra-alta entrada do amplificador de instrumentação empregado pode lidar com vários MΩ de impedância.
O referenciamento do amplificador é obtido através do terminal de referência do amplificador de instrumentação rotulado como “Ref. O terminal Ref recebe uma versão amortecida (passagem baixa) da soma de todos os sinais do eléctrodo e do eléctrodo RL. Esta técnica, que também é conhecida como “modified ground bootstrapping” , semelhante ao standard ground bootstrapping , alcança o ruído da linha de potência e a supressão do ruído eletrodo sem o uso de uma técnica de perna direita acionada .
Sinais gravados usando este instrumento podem ser considerados como sendo diretamente referidos à perna direita. Portanto, uma simples subtração ponto por ponto entre os sinais gravados permite o cálculo em tempo real do ECG de 12 derivações. Na Figura 3, um exemplo do cálculo para o chumbo I é mostrado. Neste exemplo, os sinais pré-gravados dos braços esquerdo e direito foram simplesmente subtraídos para obter o Chumbo I. Com esta técnica de gravação, o WCT é simplesmente calculável a partir de uma média ponto por ponto dos potenciais de membros gravados. Para permitir a reconstrução dos precórdiais tradicionais (obtidos pela simples subtração ponto a ponto do WCT), nossos precórdiais também são diretamente referidos ao potencial do RL . Em nosso estudo piloto anterior, demonstramos que a correlação entre os sinais reconstruídos e o registro paralelo dos sinais tradicionais excede 90% com diferenças mínimas, que são devidas à tolerância dos componentes.
2.2. Medição
Para este estudo, calculamos o TBC calculando a média dos potenciais de membros pré-gravados. Como mostramos em nossa análise anterior, o WCT é profundamente diferente entre os sujeitos e pode ter a forma de eletrocardiograma com formas de onda características muito bem marcadas, como uma onda P, um complexo QRS, e uma onda T. Por esta razão, medimos a amplitude do WCT na sua maior característica que se espera que normalmente coincida com o complexo QRS. Em outras palavras, medimos esta amplitude como a amplitude de pico a pico. Neste estudo, mostramos que a amplitude do WCT varia durante um registro e que, similar ao que já foi demonstrado para os eletrodos padrão do ECG, sua forma e amplitude são afetadas pelas posições dos eletrodos dos membros. Utilizando um estudo de caso também temos sido capazes de justificar o deslocamento comumente observado do eixo cardíaco em direção vertical .
3. Resultados e Discussão
(1)O TCE apresenta variabilidade de amplitude clinicamente relevante (>0,1 mV ou >1 mm) durante cada ciclo cardíaco, bem como variação clinicamente significativa durante o registro. A fim de mostrar esta variabilidade de forma concisa, selecionamos um ponto de partida aleatório dentro da gravação e medimos a amplitude do WCT durante 10 batidas consecutivas após esse ponto. Como é possível observar na Figura 4, todos os 10 batimentos considerados têm uma amplitude maior que 0,1 mV; além disso, entre os batimentos #3 e #6 existe a maior variabilidade (0,12 mV) entre os ciclos cardíacos.(2)Análises semelhantes realizadas para os outros sujeitos da nossa base de dados produzem resultados semelhantes.(3)Nossas amplitudes gerais do TCE estão de acordo com os valores apresentados na literatura. Lembramos que amplitudes para o TCM da ordem de 0,2 mV já foram medidas durante um experimento histórico que fez uso de um procedimento pesado. Durante o experimento, um voluntário foi imerso em água enquanto estava envolto em uma estrutura metálica chamada de “eletrodo integrador”. Em vez disso, nosso dispositivo permite a medição precisa contínua do WCT através do registro direto dos eletrodos dos membros.(4)O nível de ruído do WCT é influenciado diretamente pelos três potenciais dos membros; portanto, artefatos de movimento em qualquer um dos membros ou qualquer desequilíbrio de impedância de contato entre os eletrodos dos membros afetarão diretamente a qualidade do sinal do WCT e possivelmente degradarão os precorditivos. Como o verdadeiro dispositivo unipolar registra componentes de membros, o ruído que afeta um dos membros pode ser avaliado de antemão e, portanto, os operadores podem decidir não usar o WCT se ele for comprometido sem sofrer perda de todo o conjunto de precordiais. Nesta medida, a amplitude do TCM parece ser dominada pelo componente do braço direito (RA) (que é o maior componente observável da Figura 5(b)); observações semelhantes foram feitas para os outros sujeitos inscritos em nosso estudo piloto e, portanto, podemos confirmar a hipótese anterior de que o TCM pode prejudicar a exploração do tórax devido ao enviesamento imposto pelo braço direito(5). Uma simples comparação das Figuras 5 e 6 revela que a característica QRS do TCM está distorcida. Quando os eletrodos são movidos para os ombros e quadris (veja Figura 6), a onda S diminui a favor de uma onda R maior e isso é particularmente visível no Chumbo III, onde o QRS é claramente maior.(6)Nos componentes unipolares, há um aumento acentuado na amplitude do componente LL e uma reversão da polaridade do componente LA. Por essas razões, é possível dizer que o aumento da informação transportada pelo corpo inferior (LL) e a distorção simultânea da informação transportada pelo corpo superior (LA) justificam o desvio do eixo cardíaco em favor de direções mais verticais, como observado na literatura . Este achado é suportado por uma análise intuitiva da fórmula correta para o cálculo do eixo cardíaco. Lembrando que o eixo cardíaco é calculado pelo qual pode ser expresso em componentes unipolares, pois é fácil concluir que um aumento acentuado da LL isoladamente aumentará o componente vertical do vetor que representa a atividade cardíaca, deslocando o valor do seu ângulo para um valor mais acentuado; pode-se notar que uma reversão da polaridade LA também pode contribuir para um aumento do numerador da fórmula de cálculo do eixo cardíaco, que, quando os eletrodos de membros são movidos para mais perto do tronco, também é sempre acompanhada por uma redução do Chumbo I (denominador), o que pode aumentar ainda mais o deslocamento para o eixo vertical.
Lastly, porque os sinais gravados com o dispositivo unipolar verdadeiro são linearmente independentes, semelhante ao que é feito com os registros EEG, é possível aumentar o espaço dos sinais via rereferenciamento. Nomeadamente, o número de traços de sinal obtidos dos 10 eletrodos colocados aumentará de doze para pelo menos trinta (nove unipolares independentes, nove referentes à média comum e os doze sinais tradicionais), aumentando assim a redundância de informação presente no ECG, como tem sido procurado desde a sua invenção há mais de 80 anos. Em outras palavras, um corolário deste novo método é que a prática atual é ao mesmo tempo melhorada (mais robustez ao ruído, maior redundância de informação e visualização do TCT) e preservada (o sinal tradicional e o método de diagnóstico também são utilizáveis). É notável que a reconstrução de ECG de 12 derivações com base na subtração ponto a ponto de componentes pode ser mais robusta ao ruído. Isto porque os analistas de sinais (médicos anotando o ECG com ou sem o auxílio de procedimentos automatizados) serão capazes de estimar a relação sinal-ruído de cada componente individual (como ruído da linha de potência e artefatos) e operar filtros de software individuais diferenciados e personalizados nos componentes antes de reconstruir o sinal .
4. Conclusões
Apresentamos evidência experimental de que o TCE não é uma referência estável para eletrocardiograma através do ciclo cardíaco, que sua forma e amplitude (pico a pico medido) são comparáveis com a amplitude de outros eletrocardiogramas, e o mais importante que mostra uma variabilidade de amplitude clinicamente significativa durante o registro. Com este estudo também mostramos que o TCE, assim como os eletrodos de membros, é diretamente afetado pela alteração da posição do eletrodo e, portanto, pode passar este viés adicional para precórdia com efeitos imprevistos no diagnóstico.
Usando nosso dispositivo, neste estudo, também temos sido capazes de justificar o deslocamento do eixo cardíaco no sentido vertical que tem sido observado em vários estudos independentes quando eletrodos de membros são colocados mais próximos do tronco (ou seja, ECG de estresse). Assim, como nossa análise e experiência confirmam a preocupação com a alteração de todos os eletrodos padrão quando os eletrodos de membros são colocados mais próximos do tronco, concluímos que esta prática deve ser evitada ou utilizada apenas quando estritamente necessária (ou seja, quando o registro não é possível de outra forma).
Por último, nossa técnica de medição de sinais de ECG, permitindo o cálculo do TCM e ECG padrão de 12 derivações, oferece a construção de um espaço maior de sinais, o que acrescenta redundância ao ECG, como tem sido procurado desde sua invenção há mais de 80 anos. Estamos atualmente buscando uma liberação ética para um grande estudo para confirmar a extensão e o impacto de nossas descobertas, particularmente em relação ao efeito da prática atualmente difundida de colocar os eletrodos de membros mais próximos do tronco.
Conflito de Interesses
O autor declara não haver conflito de interesses.