(a) Prekordial placering

(b) Ledningar och elektroder i extremiteterna

.

(a) Prekordial placering
(b) Limbledningar och elektroder

Figur 1

Tolv-elektrodeplacering och benämningar på elektroder (a och b).

De förstärkta avledningarna mäts som spänningsdifferensen mellan var och en av lempotentialerna och medelvärdet av de två andra lempotentialerna. Till exempel mäts den förstärkta ledningen som

Om alla lemspotentialer implicit hänvisas till potentialen i det högra benet är det möjligt att dra slutsatsen att kardinala ledningar registreras som dubbla spänningsdifferensen. Om man till exempel antar att högra benets potential mäts i förhållande till en punkt på neutral potential (dvs, Även om det vid första anblicken kan tyckas att potentialen kommer att utjämnas, kan ledning I skrivas om som

På grund av den icke-ideala (inte oändliga) kapaciteten att avvisa gemensamma signaler som är närvarande samtidigt vid ingångarna, känd som de använda förstärkarnas CMRR-förhållande (Common Mode Rejection Ratio), kan varje obalans i kontakten mellan de tre elektroderna leda till försämring av signalkvaliteten och oförutsägbar avdrift av långsamma komponenter. Intuitivt sett blir effekten av obalans i kontaktimpedansen värre när man överväger förstärkta ledningar, eftersom de kräver perfekt balanserad kontakt från alla de fyra ledarelektroderna . Detta är kontraintuitivt eftersom den krets som de bildar i människokroppen är en liksidig triangel som inte alls tar hänsyn till RL-spänningen (se figur 1(b)).

På samma sätt subtraheras spänningen i en virtuell punkt som kallas Wilson Central Terminal (WCT) från var och en av de prekordiala elektrodpotentialerna. WCT erhålls genom att medelvärdesbilda potentialen vid lemmarna som hänvisas till referenselektroden på höger ben med hjälp av tre identiska motstånd (5 kΩ eller högre) som är anslutna till en enda punkt :

Men även om Wilson själv brukade referera till prekordierna som ”unipolära” , har detta upprepade gånger påpekats som en felaktig benämning på grund av den upprepade spänningsdifferens som krävs för att erhålla dem . Det har också visats att WCT inte kan betraktas som en ”noll”-potential och inte heller bör förväxlas med hjärtats verkliga centrumpotential, eftersom EKG-signalerna färdas genom olika stammar i en inhomogen volymledare och kan utsättas för olika källor till brus, t.ex. olika exponering för RF-fält och artefakter. 1954 var Frank den förste som uttryckte oro över de potentiella fluktuationerna i WCT under en hjärtcykel och hur de skulle kunna förvränga EKG-mätningen . Han förutspådde att det inom några år skulle dyka upp en ny, förfinad teori om hjärtledning och ett EKG-system som kunde fungera utan WCT. I början av den moderna elektrokardiografin kunde även andra forskare bekräfta att WCT inte är konstant under hjärtcykeln. Bekräftelse av fel och variabilitet i WCT under hjärtcykeln har mätts med hjälp av en ”integratorelektrod”. Detta förfarande kräver att hela människokroppen omsluts av en metallkonstruktion och sedan sänks ner i vatten (neutral referens) under mätningen av EKG. På grund av den omständliga mätprocessen har denna teknik tyvärr endast använts vid ett fåtal experimentella försök . Under de senaste åren har även WCT:s betydelse och till och med dess fysiska placering diskuterats . Men bortsett från anmärkningsvärda försök på 1940- och 1950-talen har WCT fram till vår studie aldrig mätts korrekt utan ett besvärligt förfarande och på ett repeterbart sätt.

I detta sammanhang måste man nämna att WCT inte bara har fått liten forskningsuppmärksamhet under de senaste decennierna, utan att det också finns en generaliserad brist på moderna studier om elektrodernas generella placering och den inverkan som felplacering av elektroder (särskilt när den är avsiktlig) kan ha på diagnosen. Den nuvarande vanliga och utbredda medicinska praxisen är att flytta elektroderna i extremiteterna till positioner närmare bålen (axlar och höfter eller på sidorna av naveln). Detta tros minska EKG-inspelningen eftersom kablarna inte är utspridda över hela kroppen, vilket är särskilt fördelaktigt vid stressinspelningar. Det finns dock belägg för att en elektrodplacering som påverkar QRS påverkar diagnosen av ischemiska (inklusive kroniska) hjärtsjukdomar . Även om det finns vissa belägg för att variationen i EKG:n hos friska försökspersoner till följd av ändrad placering av extremitetselektroderna endast kan klassificeras som statistiskt relevant och inte som kliniskt relevant, på grund av den betydande förskjutning av hjärtats axel och vågformsamplituden som kan observeras i båda EKG-planen när extremitetselektroderna är placerade i andra positioner än standardpositionerna, bekräftar den standardiserade rekommendationen för klinisk EKG-praxis att felplacering av extremitetselektroderna bör undvikas eller användas endast när det är absolut nödvändigt (dvs, stress test) och alltid noteras på inspelningen .

Under de senaste två åren har vi utvecklat en ny elektrokardiografisk anordning som gör det möjligt att i realtid visualisera och exakt mäta WCT amplitud, form och variationer; med hjälp av denna anordning visar vi att WCT uppvisar en kliniskt signifikant variation (>0,1 mV eller >1 mm ) mellan olika inspelningar och under loppet av samma inspelning. För den utvärdering som presenteras i denna artikel har vi delvis återanvänt de unipolära EKG-data som har spelats in från en liten population av friska försökspersoner som frivilligt ställde upp under en tidigare studie och gick med på att låta data analyseras i publikationssyfte av sakkunniga kardiologer. Populationen består av fem män i åldern 29-36 år med en genomsnittsålder på 32,5 år. Ingen av försökspersonerna hade någon hjärtsjukdom i anamnesen och alla inspelningar uppvisade normal sinusrytm. Vi spelade också in data från en frivillig försöksperson igen och utförde två inspelningar efter varandra för att visa effekten av att placera lemelektroderna nära bålen på kardinalavledningar.

2. Experimentell del

Våra huvudhypoteser för den här studien är följande: (1) WCT är inte en stabil spänningsreferens som uppvisar en kliniskt signifikant spänningsvariation.(2)Att flytta extremitetselektroderna till en position nära bålen kan påverka formen och amplituden av kardinalavledningar samt WCT.

För att demonstrera våra hypoteser introducerar vi först den äkta unipolära maskinen och en mätteknik som gör det möjligt för oss att på ett tillförlitligt sätt mäta och lagra WCT; sedan presenterar vi databehandlingen med ett fullständigt exempel på WCT-variabiliteten över hela hjärtcykeln och genom en inspelning. Slutligen visar vi effekten av att placeringen av elektroderna nära bålen (från fotleder och handleder till höfter, sidorna av naveln och axlarna) har en effekt på ledningarna från benen och WCT .

2.1. Hårdvaruutveckling

Vår hårdvarufront-end och dess pilotutvärdering beskrivs ordentligt i . För fullständighetens skull ger vi dock i det här avsnittet en kort sammanfattning av den mäthårdvara som används i den här studien. I figur 2 visas ett funktionellt blockdiagram över EKG-förstärkaren (en enda kanal). I princip betraktar vi den unipolära EKG-mätningen som en kombinerad observation av brus och användbar signal. Det är alltså möjligt att mäta den intressanta lokala signalen genom att subtrahera det lokala bruset (eller det som betraktas som sådant) från den uppmätta signalen. Som framgår av figur 2 matas den uppmätta signalen (mätelektroden) till en instrumentationsförstärkare som från signalen subtraherar en lågpassversion av samma signal (lågpassfrekvensen är inställd på 0,1 Hz). Med denna teknik uppnås en pseudo-högpass DC-kopplad EKG-front-end som bevarar förstärkarens ultrahöga ingång, vilket gör det möjligt att använda torra elektroder. Experimenten bekräftade att lågpassfiltret som används för att uppnå pseudohögtpassfiltret kan implementeras med passiva komponenter och att dess gränsfrekvens kan placeras vid en mycket låg frekvens (dvs. 0,01 Hz), med hjälp av kondensatorer och motstånd med högt värde. Detta är möjligt eftersom den använda instrumentationsförstärkarens ultrahöga ingångsimpedans kan hantera flera MΩ impedans.

Figur 2

Blockdiagram över det föreslagna EKG-systemet.

Rekvisering av förstärkare sker via referensterminalen på instrumentationsförstärkaren som är märkt med ”Ref”. Ref-terminalen tar emot en dämpad version (lågpassad) av summeringen av alla elektrodsignaler och av RL-elektroden. Denna teknik, som också är känd som ”modifierad ground bootstrapping” , som liknar standard ground bootstrapping , uppnår dämpning av elnätsbrus och elektrodikabrus utan användning av en driven teknik för höger ben.

Signaler som registreras med detta instrument kan betraktas som refererade direkt till höger ben. En enkel subtraktion punkt för punkt mellan inspelade signaler gör det därför möjligt att i realtid beräkna det 12-lediga EKG:et. I figur 3 visas ett exempel på beräkningen för Lead I. I detta exempel har förinspelade signaler från vänster arm och höger arm helt enkelt subtraherats för att få Lead I. Med denna inspelningsteknik kan WCT helt enkelt beräknas från ett punkt för punkt-genomsnitt av de inspelade limbpotentialerna. För att möjliggöra rekonstruktion av traditionella prekordier (som erhålls genom enkel subtraktion punkt för punkt av WCT) är våra prekordier också direkt hänvisade till RL-potentialen. I vår tidigare pilotstudie visade vi att korrelationen mellan de rekonstruerade signalerna och parallell registrering av traditionella signaler överstiger 90 % med minimala skillnader som beror på komponenternas tolerans .

Figur 3

Exempel på en traditionell EKG-ledningsrekonstruktion från unipolära ledningar (punkt-till-punkt-subtraktion) (de data som används för att rita upp bilden spelades in för studien ).

2.2. Mätning

För den här studien beräknar vi WCT genom att medelvärdesberäkna de förinspelade limbpotentialerna. Som vi har visat i vår tidigare analys är WCT djupt olika mellan olika försökspersoner och kan ha formen av EKG-avledningar med ibland mycket välmarkerade karakteristiska vågformer såsom en P-våg, ett QRS-komplex och en T-våg. Av denna anledning mäter vi WCT:s amplitud vid dess största drag som normalt förväntas sammanfalla med det QRS-liknande komplexet. Med andra ord mäter vi denna amplitud som amplituden från topp till topp. I den här studien visar vi att WCT:s amplitud varierar under en inspelning och att dess form och amplitud, i likhet med vad som redan har visats för vanliga EKG-avledningar, påverkas av positionerna för ledelektroderna. Med hjälp av en fallstudie har vi också kunnat motivera den allmänt observerade förskjutningen av hjärtats axel mot den vertikala riktningen .

3. Resultat och diskussion

(1)WCT uppvisar kliniskt relevant (>0,1 mV eller >1 mm) amplitudvariabilitet under varje hjärtcykel samt kliniskt signifikant variation under inspelningen. För att visa denna variabilitet på ett kortfattat sätt valde vi en slumpmässig startpunkt i inspelningen och mätte WCT-amplituden för 10 på varandra följande slag efter den punkten. Som det är möjligt att observera i figur 4 har alla de 10 aktuella slagen en amplitud som är större än 0,1 mV; dessutom finns det mellan slag nr 3 och slag nr 6 den största stora omfattningen av variabilitet (0,12 mV) mellan hjärtcyklerna.(2) Liknande analyser som utförts för de andra försökspersonerna i vår databas ger liknande resultat.(3) Våra generella WCT-amplituder stämmer överens med de värden som presenteras i litteraturen. Vi påminner om att amplituder för WCT i storleksordningen 0,2 mV redan uppmättes under ett historiskt experiment där man använde sig av ett besvärligt förfarande. Under experimentet sänktes en frivillig person ner i vatten samtidigt som han eller hon var innesluten i en metallkonstruktion som kallades ”integreringselektrod”. Vår anordning möjliggör istället kontinuerlig WCT-precisionsmätning genom inspelning direkt från lemelektroderna.(4) WCT-brusnivån påverkas direkt av alla tre lempotentialerna; därför kommer rörelseartefakter på någon av lemmarna eller någon kontaktimpedansobalans mellan lemelektroderna att direkt påverka WCT-signalkvaliteten och möjligen försämra prekordialerna. Eftersom den verkligt unipolära anordningen registrerar komponenter i extremiteterna kan brus som påverkar en av extremiteterna utvärderas i förväg, och operatörerna kan därför besluta att inte använda WCT:n om den är påverkad utan att förlora hela uppsättningen prekordialer. I denna utsträckning verkar WCT:s amplitud domineras av högerarmskomponenten (RA) (som är den största komponenten som kan observeras i figur 5(b)). Liknande observationer gjordes för de andra försökspersonerna i vår pilotstudie och därför kan vi bekräfta den tidigare hypotesen att WCT kan försämra utforskningen av bröstkorgen på grund av den högerarmens förskjutning.(5) Lämningselektrodernas position påverkar direkt formen på avledningarna och WCT. En enkel jämförelse av figurerna 5 och 6 visar att WCT:s QRS-funktion är förvrängd. När elektroderna flyttas till axlarna och höfterna (se figur 6) minskar S-vågen till förmån för en större R-våg och detta är särskilt synligt i led III, där QRS-funktionen är klart större.(6) I unipolära komponenter finns det en markant ökning av amplituden för LL-komponenten och en omvändning av LA-komponentens polaritet. Av dessa skäl kan man säga att ökningen av den information som bärs av underkroppen (LL) och den samtidiga förvrängningen av den information som bärs av överkroppen (LA) motiverar avvikelsen av hjärtats axel till förmån för mer vertikala riktningar, vilket observerats i litteraturen . Denna slutsats stöds av en intuitiv analys av den korrekta formeln för beräkning av hjärtats axel. Om man erinrar sig att hjärtats axel beräknas genom att den kan uttryckas i unipolära komponenter är det lätt att dra slutsatsen att en markant ökning av enbart LL kommer att öka den vertikala komponenten av den vektor som representerar hjärtats aktivitet, vilket innebär att vinkelns värde förskjuts mot ett brantare värde; Man kan notera att en omvänd polaritet av LA också kan bidra till en ökning av täljaren i formeln för beräkning av hjärtats axel, vilket, när ledelektroderna flyttas närmare bålen, också alltid åtföljs av en minskning av Lead I (nämnaren), vilket ytterligare kan öka förskjutningen mot den vertikala axeln.

Figur 4

Variation i WCT-amplituden mätt över 10 på varandra följande slag som valts ut med utgångspunkt från ett slumpmässigt slag i inspelningen (se text).