Mașină ECG cu adevărat unipolară pentru măsurători ale terminalului central Wilson
Abstract
De la inventarea sa (acum mai bine de 80 de ani), electrocardiografia modernă a folosit o referință de tensiune presupus stabilă (cu variații mici în timpul ciclului cardiac) pentru jumătate din semnale. Această referință, cunoscută sub numele de „Wilson Central Terminal” în onoarea inventatorului său, este obținută prin medierea celor trei tensiuni ale electrozilor activi ai membrelor măsurate în raport cu electrodul de masă de întoarcere. Cu toate acestea, cercetătorii și-au exprimat îngrijorarea cu privire la problemele (polarizare și diagnosticare greșită) asociate cu valoarea și comportamentul ambiguu al acestei tensiuni de referință, care necesită un contact perfect și echilibrat a cel puțin patru electrozi pentru a funcționa corect. Terminalul central Wilson s-a bucurat de puțină atenție din partea cercetătorilor în ultimele decenii, chiar dacă luarea în considerare a practicii medicale recente și larg răspândite (electrozii membrelor sunt repoziționați mai aproape de trunchi pentru electrocardiografia de repaus) a stârnit, de asemenea, preocupări cu privire la validitatea și capacitatea de diagnosticare a derivațiilor care nu sunt raportate la terminalul central Wilson. Folosind un dispozitiv de electrocardiografie unipolar adevărat, capabil să măsoare cu precizie Terminalul Central Wilson, arătăm variabilitatea imprevizibilă a acestuia în timpul ciclului cardiac și confirmăm că integritatea derivațiilor cardinale este compromisă, la fel ca și Terminalul Central Wilson, atunci când electrozii de membre sunt plasați aproape de trunchi.
1. Introducere
Electrocardiografia de suprafață, prin definiție, este reprezentarea în domeniul timpului a activității electrice a inimii care bate în interiorul toracelui, măsurată ca variație de tensiune în timp de către electrozii de suprafață plasați în contact cu pielea. Electrocardiografia de suprafață este reprezentată de o mărime vectorială () care se rotește în jurul unui punct fix (centrul electric al inimii) în planul frontal al corpului descriind un unghi () cu o direcție fixă identificată de o linie imaginară care traversează umerii . Această definiție a fost schițată inițial în 1908 de E. Einthoven, revizuită ulterior în 1931 de F. N. Wilson, care a numit punctul fix „terminalul central”, și modificată în continuare în 1942 de E. Goldberger, care a inventat derivațiile augmentate . Din 1942, definiția menționată și liniile directoare de înregistrare asociate au produs așa-numitul sistem ECG cu 12 derivații, care este considerat în prezent cea mai bună practică .
ECG-ul cu 12 derivații este denumit astfel deoarece produce douăsprezece semnale ECG. Folosește un electrod de referință plasat pe piciorul drept (RL) și nouă electrozi de explorare: trei electrozi de membre plasați pe brațul drept (RA), brațul stâng (LA) și piciorul stâng (LL) și șase electrozi plasați pe trunchi în apropierea inimii . Poziționarea electrozilor și semnalele înregistrabile de la cei șase electrozi de deasupra trunchiului au fost denumite derivații precordiale (precordiale) și sunt, de asemenea, cunoscute pur și simplu ca „derivații toracice” [a se vedea figura 1(a)] sau ca derivații to, în timp ce semnalele înregistrabile de la membre au fost denumite derivații cardinale (sau fundamentale) Einthoven [a se vedea figura 1(b)] și sunt denumite derivații I, derivații II și derivații III sau pur și simplu ca „derivații de membre”: Lead I: ; Lead II: ; Lead III: ;cu fiind tensiunea de la Lead I; tensiunea de la Lead II; tensiunea de la Lead III; potențialul de la brațul stâng*; potențialul de la brațul drept*; potențialul de la piciorul stâng* *referit la electrodul de pe piciorul drept ().
(a) Plasarea precordială
(b) Sonde și electrozi de membre
(a) Plasarea precordială
(b) Conductoare și electrozi de membre
Direcțiile augmentate sunt măsurate ca diferență de tensiune între fiecare dintre potențialele membrelor și media celorlalte două potențiale ale membrelor. De exemplu, derivația augmentată se măsoară ca
Pentru că toate potențialele membrelor sunt implicit raportate la potențialul piciorului drept, este posibil să se deducă că derivațiile cardinale sunt înregistrate ca dublul diferenței de tensiune. De exemplu, presupunând că potențialul piciorului drept este măsurat în raport cu un punct aflat la un potențial neutru (de ex, împământare), derivația I poate fi rescrisă ca
Deși la prima vedere poate părea că potențialul se va anula; datorită capacității neideale (nu infinite) de respingere a semnalelor comune care sunt prezente simultan la intrări, cunoscută sub numele de raportul de respingere a modului comun (CMRR) al amplificatoarelor utilizate, orice dezechilibru de contact între cei trei electrozi poate cauza degradarea calității semnalului și o derivă imprevizibilă a componentelor lente. În mod intuitiv, efectul dezechilibrului impedanței de contact se înrăutățește atunci când se iau în considerare derivațiile augmentate, deoarece acestea necesită un contact perfect echilibrat de la toți cei patru electrozi de membru . Acest lucru este contraintuitiv, deoarece circuitul pe care acestea îl formează în corpul uman este un triunghi echilateral care nu ia deloc în considerare tensiunea RL [a se vedea figura 1(b)].
În mod similar, tensiunea unui punct virtual numit Wilson Central Terminal (WCT) este sustrasă din fiecare dintre potențialele electrozilor precordiali. WCT se obține prin medierea potențialelor de la nivelul membrelor raportate la electrodul de referință de pe piciorul drept, folosind trei rezistențe identice (5 kΩ sau mai mari) conectate la un singur punct :
Deși Wilson însuși obișnuia să se refere la precordiale ca fiind „unipolare” , acest lucru a fost subliniat în mod repetat ca fiind o denumire greșită din cauza diferenței repetate de tensiune necesară pentru a le obține . De asemenea, s-a demonstrat că WCT nu poate fi considerat un potențial „nul” și nici nu trebuie confundat cu potențialul real al centrului inimii, deoarece semnalele ECG călătoresc prin diferite trunchiuri ale unui conductor de volum neomogen și pot fi expuse la diferite surse de zgomot, cum ar fi diferite expuneri la câmpuri RF și artefacte . În 1954, Frank a fost primul care și-a exprimat îngrijorarea cu privire la fluctuațiile potențiale ale WCT în timpul unui ciclu cardiac și la modul în care acestea ar putea distorsiona măsurătorile ECG . El a prezis că în câțiva ani va apărea o nouă teorie rafinată a conducerii cardiace și un sistem ECG capabil să funcționeze fără WCT. În primele zile ale electrocardiografiei moderne, alți cercetători au reușit, de asemenea, să confirme că WCT nu este constantă în timpul ciclului cardiac. Confirmarea erorilor și a variabilității WCT în timpul ciclului cardiac au fost măsurate cu ajutorul unui „electrod integrator”. Această procedură necesită ca întregul corp uman să fie învelit într-o structură metalică și apoi scufundat în apă (referință neutră) în timpul măsurării ECG. Din nefericire, din cauza caracterului greoi al procesului de măsurare, această tehnică a fost utilizată doar pentru câteva încercări experimentale . În ultimii ani, semnificația WCT și chiar locația sa fizică au fost, de asemenea, dezbătute . Cu toate acestea, în afară de încercările notabile din anii 1940 și 1950 , până la studiul nostru, WCT nu a fost niciodată măsurat corect fără o procedură greoaie și într-un mod repetabil.
În acest context, trebuie menționat faptul că nu numai că WCT a beneficiat de puțină atenție din partea cercetării în ultimele decenii, dar există, de asemenea, o lipsă generalizată de studii moderne privind amplasarea generală a electrozilor și impactul pe care o poate avea asupra diagnosticului amplasarea greșită a electrozilor (în special atunci când este intenționată). Practica medicală curentă comună generalizată este de a muta electrozii de la nivelul membrelor în poziții mai apropiate de trunchi (umeri și șolduri sau părțile laterale ale buricului). Se consideră că acest lucru reduce caracterul deranjant al înregistrării ECG, deoarece cablurile nu sunt împrăștiate pe tot corpul, ceea ce este deosebit de avantajos în timpul înregistrărilor la efort. Cu toate acestea, există dovezi că poziționarea electrozilor la nivelul membrelor care afectează QRS influențează diagnosticul bolilor cardiace ischemice (inclusiv cronice) . Deși există unele dovezi că, la subiecții sănătoși, variația ECG-urilor impusă de modificarea electrozilor de membre poate fi clasificată doar ca fiind relevantă din punct de vedere statistic și nu ca fiind relevantă din punct de vedere clinic , din cauza deplasării semnificative a axei cardiace și a amplitudinii formei de undă care poate fi observată în ambele planuri ECG atunci când electrozii de membre se află în poziții diferite de cele standard , recomandarea standardizată pentru practica clinică ECG confirmă faptul că poziționarea greșită a electrozilor de membre trebuie evitată sau utilizată doar atunci când este strict necesar (de ex, testul de efort) și întotdeauna notată pe înregistrare .
În ultimii doi ani, am dezvoltat un nou dispozitiv electrocardiografic care permite vizualizarea în timp real și măsurarea precisă a amplitudinii, formei și variațiilor WCT; cu ajutorul acestui dispozitiv arătăm că WCT prezintă o variație semnificativă din punct de vedere clinic (>0,1 mV sau >1 mm ) între diferite înregistrări și pe parcursul aceleiași înregistrări. Pentru evaluarea prezentată în această lucrare am reutilizat parțial datele ECG unipolare care au fost înregistrate de la o mică populație de subiecți sănătoși care s-au oferit voluntar în timpul unui studiu anterior și au fost de acord ca datele să fie analizate în scopul publicării de către cardiologi experți. Populația de subiecți cuprinde cinci bărbați care acoperă intervalul de vârstă de 29-36 de ani, cu o vârstă medie de 32,5 ani. Niciunul dintre subiecți nu a avut antecedente de boli cardiace, iar toate înregistrările au prezentat ritmuri sinusale normale. De asemenea, am înregistrat din nou date de la un subiect voluntar, efectuând două înregistrări consecutive pentru a arăta efectul plasării electrozilor de membre în apropierea trunchiului pe derivațiile cardinale.
2. Secțiunea experimentală
Principalele noastre ipoteze pentru acest studiu sunt următoarele: (1)WCT nu este o referință de tensiune stabilă care prezintă o variație de tensiune semnificativă din punct de vedere clinic.(2)Mutarea electrozilor membrelor într-o poziție apropiată de trunchi poate afecta forma și amplitudinea derivațiilor cardinale, precum și WCT.
Pentru a demonstra ipotezele noastre, prezentăm mai întâi aparatul unipolar adevărat și o tehnică de măsurare care ne permite să măsurăm și să stocăm în mod fiabil WCT; apoi, prezentăm prelucrarea datelor cu un exemplu complet de variabilitate a WCT de-a lungul ciclului cardiac și printr-o înregistrare. În cele din urmă, arătăm efectul pe care îl are plasarea electrozilor de membre în apropierea trunchiului (de la glezne și încheieturi până la șolduri, părțile laterale ale buricului și umeri) asupra derivațiilor membrelor și a WCT .
2.1. Dezvoltarea hardware-ului
Dezvoltarea hardware-ului nostru frontal și evaluarea pilot a acestuia sunt descrise în mod corespunzător în . Cu toate acestea, din motive de exhaustivitate, în această secțiune prezentăm un scurt rezumat al hardware-ului de măsurare utilizat în acest studiu. În figura 2, prezentăm o schemă bloc funcțională a amplificatorului ECG (un singur canal). În principiu, considerăm măsurarea ECG unipolar ca fiind o observație combinată a zgomotului și a semnalului util. Astfel, este posibil să se măsoare semnalul local de interes prin scăderea zgomotului local (sau a ceea ce este considerat ca atare) din semnalul măsurat. După cum se poate observa în figura 2, semnalul măsurat (electrodul de măsurare) este alimentat la un amplificator de instrumentație care sustrage din semnal o versiune low-pass a aceluiași semnal (frecvența de tăiere low-pass este stabilită la 0,1 Hz). Cu această tehnică, se obține un front-end ECG cuplat în curent continuu pseudo-high-pass, păstrând intrarea ultra-înaltă a amplificatorului, ceea ce permite utilizarea de electrozi uscați. Experimentele au confirmat faptul că filtrul trece-jos utilizat pentru a obține un filtru pseudo-înalt poate fi implementat cu componente pasive, iar frecvența de tăiere a acestuia poate fi poziționată la o frecvență foarte joasă (de exemplu, 0,01 Hz), utilizând condensatori și rezistențe de valoare ridicată. Acest lucru este posibil deoarece impedanța de intrare ultra-înaltă a amplificatorului de instrumentație utilizat poate face față la mai mulți MΩ de impedanță.
Referențierea amplificatorului se realizează prin intermediul terminalului de referință al amplificatorului de instrumentație etichetat ca „Ref”. Terminalul Ref primește o versiune amortizată (low passed) a sumei tuturor semnalelor electrozilor și a electrodului RL. Această tehnică, care este cunoscută și sub numele de „modified ground bootstrapping” , similară cu bootstrapping-ul standard de împământare, realizează suprimarea zgomotului de linie electrică și a zgomotului electrodic fără a utiliza o tehnică a piciorului drept condus .
Semnele înregistrate cu ajutorul acestui instrument pot fi considerate ca fiind referite direct la piciorul drept. Prin urmare, o simplă sustragere punct cu punct între semnalele înregistrate permite calcularea în timp real a ECG-ului cu 12 derivații. În figura 3, este prezentat un exemplu de calcul pentru derivația I. În acest exemplu, semnalele preînregistrate ale brațului stâng și ale brațului drept au fost pur și simplu scăzute pentru a obține derivația I. Cu această tehnică de înregistrare, WCT poate fi calculat pur și simplu dintr-o medie punct cu punct a potențialelor înregistrate ale membrelor. Pentru a permite reconstrucția precordialelor tradiționale (obținute prin simpla scădere punct cu punct a WCT), precordialele noastre sunt, de asemenea, raportate direct la potențialul de RL . În studiul nostru pilot anterior , am demonstrat că corelația dintre semnalele reconstruite și înregistrarea paralelă a semnalelor tradiționale depășește 90%, cu diferențe minime, care se datorează toleranței componentelor .
2.2. Măsurare
Pentru acest studiu, am calculat WCT prin medierea potențialelor membrelor preînregistrate. După cum am arătat în analiza noastră anterioară, WCT este profund diferită de la un subiect la altul și poate avea forma unor derivații ECG cu forme de undă caracteristice uneori foarte bine marcate, cum ar fi o undă P, un complex QRS și o undă T. Din acest motiv, măsurăm amplitudinea WCT la cea mai mare trăsătură a sa, care este de așteptat să coincidă în mod normal cu complexul de tip QRS. Cu alte cuvinte, măsurăm această amplitudine ca amplitudine de la vârf la vârf. În acest studiu, arătăm că amplitudinea WCT variază în timpul unei înregistrări și că, similar cu ceea ce a fost deja demonstrat pentru derivațiile ECG standard , forma și amplitudinea sa sunt afectate de pozițiile electrozilor de membre. Folosind un studiu de caz, am reușit, de asemenea, să justificăm deplasarea observată în mod obișnuit a axei cardiace spre direcția verticală .
3. Rezultate și discuții
(1)WCT prezintă o variabilitate a amplitudinii relevantă din punct de vedere clinic (>0,1 mV sau >1 mm) în timpul fiecărui ciclu cardiac, precum și o variație semnificativă din punct de vedere clinic în timpul înregistrării. Pentru a arăta această variabilitate într-un mod concis, am selectat un punct de pornire aleatoriu în cadrul înregistrării și am măsurat amplitudinea WCT pentru 10 bătăi consecutive după acel punct. După cum se poate observa din figura 4, toate cele 10 bătăi luate în considerare au o amplitudine mai mare de 0,1 mV; în plus, între bătaia nr. 3 și bătaia nr. 6 există cea mai mare amplitudine mare a variabilității (0,12 mV) între ciclurile cardiace.(2)Analizele similare efectuate pentru ceilalți subiecți din baza noastră de date dau rezultate similare.(3)Amplitudinile noastre generale ale WCT sunt în conformitate cu valorile prezentate în literatura de specialitate. Reamintim că amplitudini pentru WCT de ordinul a 0,2 mV au fost deja măsurate în timpul unui experiment istoric care a utilizat o procedură greoaie. În timpul experimentului, un voluntar a fost scufundat în apă în timp ce era învelit într-o structură metalică numită „electrod integrator” . Dispozitivul nostru permite, în schimb, măsurarea precisă continuă a WCT prin înregistrarea directă de la electrozii membrelor.(4)Nivelul de zgomot al WCT este influențat direct de toate cele trei potențiale ale membrelor; prin urmare, artefactele de mișcare la oricare dintre membre sau orice dezechilibru de impedanță de contact între electrozii membrelor vor afecta direct calitatea semnalului WCT și, eventual, vor degrada precordialele. Deoarece dispozitivul unipolar adevărat înregistrează componentele membrelor, zgomotul care afectează unul dintre membre poate fi evaluat în prealabil și, prin urmare, operatorii pot decide să nu utilizeze WCT dacă acesta este compromis fără a suferi pierderi ale întregului set de precordiale. În această măsură, amplitudinea WCT pare să fie dominată de componenta brațului drept (RA) [care este cea mai mare componentă observabilă din figura 5(b)]; observații similare au fost făcute pentru ceilalți subiecți înrolați în studiul nostru pilot și, prin urmare, putem confirma ipoteza anterioară conform căreia WCT poate afecta explorarea toracelui din cauza polarizării impuse de brațul drept .(5)Poziția electrozilor de membre afectează în mod direct forma derivațiilor și a WCT. O simplă comparație a figurilor 5 și 6 relevă faptul că caracteristica QRS a WCT este distorsionată. Atunci când electrozii sunt mutați la umeri și șolduri (a se vedea figura 6), unda S scade în favoarea unei unde R mai mari și acest lucru este vizibil în special în derivația III, unde QRS-ul este în mod clar mai mare.(6)În componentele unipolare, există o creștere marcantă a amplitudinii componentei LL și o inversare a polarității componentei LA. Din aceste motive se poate spune că creșterea informației purtate de corpul inferior (LL) și distorsiunea simultană a informației purtate de corpul superior (LA) justifică devierea axei cardiace în favoarea unor direcții mai verticale, așa cum se observă în literatura de specialitate . Această constatare este susținută de o analiză intuitivă a formulei corecte de calcul a axei cardiace. Reamintind că axa cardiacă se calculează prin care poate fi exprimată în componente unipolare, deoarece este ușor de concluzionat că o creștere marcată doar a LL va crește componenta verticală a vectorului care reprezintă activitatea cardiacă, deplasând valoarea unghiului său spre o valoare mai abruptă; se poate observa că o inversare a polarității LA poate contribui, de asemenea, la o creștere a numărătorului formulei de calcul a axei cardiace, care, atunci când electrozii membrelor sunt mutați mai aproape de trunchi, este, de asemenea, întotdeauna însoțită de o reducere a Lead I (numitorul), ceea ce poate crește și mai mult deplasarea spre axa verticală.
În sfârșit, deoarece semnalele înregistrate cu dispozitivul unipolar adevărat sunt liniar independente, similar cu ceea ce se face în cazul înregistrărilor EEG, este posibil să se mărească spațiul semnalelor prin re-referențiere. Și anume, numărul de urme de semnal care pot fi obținute de la cei 10 electrozi plasați va crește de la douăsprezece la cel puțin treizeci (nouă unipolare independente, nouă raportate la media comună și cele douăsprezece semnale tradiționale), mărind astfel redundanța informațiilor prezente în ECG, așa cum s-a căutat încă de la inventarea sa, acum mai bine de 80 de ani . Cu alte cuvinte, un corolar al acestei noi metode este că practica actuală este în același timp îmbunătățită (mai multă robustețe la zgomot, redundanță mai mare a informațiilor și vizualizarea WCT) și păstrată (semnalul tradițional și metoda de diagnosticare sunt, de asemenea, utilizabile). Este de remarcat faptul că reconstrucția ECG cu 12 derivații bazată pe sustragerea punct cu punct a componentelor poate fi mai robustă la zgomot. Acest lucru se datorează faptului că analiștii de semnal (practicienii medicali care adnotează ECG-ul cu sau fără ajutorul procedurilor automatizate) vor putea estima raportul semnal-zgomot al fiecărei componente individuale (cum ar fi zgomotul de linie electrică și artefactele) și vor putea opera filtre software individuale diferențiate și personalizate asupra componentelor înainte de a reconstrui semnalul .
4. Concluzii
Am prezentat dovezi experimentale că WCT nu este o referință stabilă pentru derivațiile ECG de-a lungul ciclului cardiac, că forma și amplitudinea sa (măsurată de la vârf la vârf) sunt comparabile cu amplitudinea altor derivații ECG și, cel mai important, că prezintă o variabilitate de amplitudine semnificativă din punct de vedere clinic în timpul înregistrării. Prin acest studiu arătăm, de asemenea, că WCT, la fel ca și derivațiile membrelor, este direct afectată de modificarea poziției electrozilor și, prin urmare, poate transmite această polarizare suplimentară la precordiale cu efecte neprevăzute asupra diagnosticului.
Utilizând dispozitivul nostru, în acest studiu, am reușit, de asemenea, să justificăm deplasarea axei cardiace spre direcția verticală care a fost observată în mai multe studii independente atunci când electrozii membrelor sunt plasați mai aproape de trunchi (de exemplu, ECG de efort). Prin urmare, din moment ce analiza și experimentul nostru confirmă preocupările legate de alterarea tuturor derivațiilor standard atunci când electrozii membrelor sunt plasați mai aproape de trunchi, concluzionăm că această practică ar trebui evitată sau utilizată numai atunci când este strict necesar (adică atunci când înregistrarea nu este posibilă în alt mod).
În cele din urmă, tehnica noastră de măsurare a semnalelor ECG, care permite calcularea WCT și a ECG-ului standard cu 12 derivații, oferă construcția unui spațiu mai mare de semnale, ceea ce adaugă redundanță la ECG, așa cum s-a căutat încă de la inventarea sa acum mai bine de 80 de ani . În prezent, căutăm să obținem autorizația etică pentru un studiu de amploare pentru a confirma amploarea și impactul constatărilor noastre, în special în ceea ce privește efectul practicii larg răspândite în prezent de a plasa electrozii membrelor mai aproape de trunchi.
Conflict de interese
Autorul declară că nu există niciun conflict de interese.