EKG elektrokardiografia. Elektroniczna aparatura medyczna 1 Wykład - 4

Transkrypt

1 EKG elektrokardiografia Elektroniczna aparatura medyczna 1 Wykład - 4 1

2 EKG Elektro Kardio Grafia 2

3 Historia 3

4 Historia 4

5 Historia 5

6 Historia 6

7 Historia 7

8 Serce 8

9 Budowa serca 9

10 Układ bodźcotwórczo bodźcoprzewodzący serca 10

11 Potencjał czynnościowy włókna mięśnia sercowego 11

12 Dipol a komórka (kardiocyt) 12

13 Model dipolowy serca 13

14 Model dipolowy serca 14

15 EKG standardowe 15

16 Sygnał EKG - elektrokardiogram 16

17 Potencjał czynnościowy powstawanie 17

18 Sygnał EKG - morfologia 18

19 Sygnał EKG a aktywność elektryczna serca 19

20 Sygnał EKG - parametry 20

21 Sygnał EKG - parametry Pasmo Amplituda 0,5 100 Hz 10 µv 5 mv 21

22 Odprowadzenia 22

23 Rodzaje odprowadzeń Dwubiegunowe odprowadzenia Einthovena: Jednobiegunowe Goldbergera - kończynowe wzmocnione Wilsona -przedsercowe 23

24 Odprowadzenia kończynowe 24

25 Odprowadzenia kończynowe - dwubiegunowe R L F 25

26 Odprowadzenia kończynowe - jednobiegunowe R L F 26

27 Odprowadzenia przedsercowe - jednobiegunowe 27

28 Elektrody 28

29 Elektrokardiograf 29

30 Schemat blokowy elektrokardigrafu 30

31 Schemat blokowy elektrokardigrafu 31

32 Blok wzmacniaczy 32

33 Wzmacniacz buforowy nieodwracający odwracający uu WWWW = 11 + RR 22 RR 11 uu WWWW uu WWWW = RR 22 RR 11 uu WWWW 33

34 Wzmacniacz biologiczny - wymagania brak wpływu na proces fizjologiczny, niezniekształcany sygnał mierzony, separacja sygnału i zakłóceń, gwarancja zabezpieczenia pacjenta 34

35 Wzmacniacz biologiczny - wymagania Bardzo duża impedancja wejściowa > 10 9 Ω Mała impedancja wyjściowa kilka mω Duża wartość współczynnika tłumienia napięć wspólnych CMRR min 100dB Małe parametry resztkowe (prądy polaryzacji, wejściowe napięcia niezrównoważenia, małe szumy) Zapewnione bezpieczeństwo przeciwporażeniowe 35

36 Wzmacniacz biologiczny współczynnik CMRR CMRR = 2222 llllll AA DD VV CCCC VV OOOOOO obiekt AA DD wwwwwwwwwwwwwwwwwwwwww rrrrrrrrrrrrrrrr VV CCCC nnnnnnnnnnnnnnn wwwwwwwwwwwww dddddddddddddddddddddddd dddd oooooo wwwwwwww VV OOOOOO nnnnnnnnnnnnnnn wwwwwwwwwwwwwwwww 36

37 CMRR - wzmacniacza pomiarowego 37

38 CMRR e efektywny VV dd ZZ 11 ZZ 22 ZZ 11, ZZ 22 iiiiiiiiiiiiiiiiiiii eeeeeeeeeeeeeeee ZZ CC iiiiiiiiiiiiiiiiiiii iiiiiiiiiiiiiiii VV dd sssssssssss rrrrrrrrrrrrrrrr VV cc sssssssssss wwwwwwwwwwwww VV cc ZZ CC ZZ CC ZZ dd = ZZ 11 ZZ 22 CCCCCCCC KK wartość katologowa CCCCCCCC ee = ZZ dd CCCCCCCC KK ZZ cc 38

39 Wzmacniacz biologiczny Przetwornik DC/DC DC DC Izolacja zasilania sprzężenie magnetyczne Izolacja sygnałowa Optoizolacja Sprzężenie magnetyczne Sprzężenie pojemnościowe 39

40 Wzmacniacz biologiczny 40

41 Składowe rejestrowanego sygnału 41

42 Źródła zakłóceń w EKG Zakłócenia wewnętrzne: napięcia bioelektryczne innego pochodzenia niż EKG, cykliczny dryft linii izoelektrycznej, niecykliczny dryft linii zerowej. Szumy aparatury pomiarowej, Zakłócenia zewnętrzne. 42

43 Elektropotencjały 1 Amplituda [V] Potencjał komórkowy Elektokardiogram Elektroencefalogram Potencjały śródczaszkowe Elektroretinogram Elektromiogram Częstotliwość [Hz] 43

44 Źródła zakłóceń w EKG 44

45 Wzmacniacz trójelektrodowy EKG ze sterowaniem na prawą nogę Odprowadzenie I R L + - N F 45

46 Wzmacniacz trójelektrodowy EKG ze sterowaniem na prawą nogę Odprowadzenie II R L + N F 46

47 Wzmacniacz trójelektrodowy EKG ze sterowaniem na prawą nogę Odprowadzenie III R L - + N F 47

48 Wzmacniacz trójelektrodowy EKG ze sterowaniem na prawą nogę Odprowadzenie III R L - + N F 48

49 Wzmacniacz trójelektrodowy EKG ze sterowaniem na prawą nogę Odprowadzenie avf R L - + N F 49

50 Wzmacniacz trójelektrodowy EKG ze sterowaniem na prawą nogę Odprowadzenie avl R L + - N F 50

51 Wzmacniacz trójelektrodowy EKG ze sterowaniem na prawą nogę Odprowadzenie przedsercowe R L + - N F 51

52 Filtry rodzaje FDP filtr dolnoprzepustowy FGP filtr górnoprzepustowy FPP filtr pasmowoprzepustowy FPP filtr pasmowozaporowy (wycinający) 52

53 Filtry w EKG Filtr górnoprzepustowy 0,03 Hz sygnały o niskiej częstotliwości w tym składową stała Filtry dolnoprzepustowe 25/35 Hz zakłócenia mięśniowe Pasmowo zaporowe 50 Hz - zakłócenia sieciowe 53

54 Zakłócenia wewnętrzne Moc względna 1 0,8 0,6 0,4 0,2 Sygnał EKG Zespół QRS Zakłócenia pochodzące od ruchu Załamki P,T Zakłócenia mięśniowe Spektrum mocy (wąskie pasmo) sygnału EKG i towarzyszących mu zakłóceń; uśrednienie uzyskano dla 150 uderzeń serca f [Hz] 54

55 Zabezpieczenie wejścia Napięcie impulsu defibrylatora 17kV 1MΩ/5W wejście 1MΩ/5W 55

56 Przykład rozwiązania 56

57 Przykład rozwiązania Rezystory ograniczające natężenie prądu mogącego popłynąć przez pacjenta w przypadku pojawienia się napięcia zasilania na wejściu toru. 57

58 Blok wzmacniaczy Punkt centralny Wilsona odniesienie (zero, wartość średnia sygnałów z odprowadzeń I, II i III) sygnału EKG oraz sygnał wspólny (sieciowy, zakłócający). 58

59 Przykład rozwiązania Punkt centralny Wilsona sygnał z tego punktu podawany jest w przeciwfazie na prawą nogę pacjenta w celu poprawy tłumienia sygnałów wspólnych. Wzmocnienie tego sygnału wynosi 30-50V/V, większe wartości mogą doprowadzić do przesterowania wzmacniacza i zakłócenia działania pętli sprzężenia obniżającej poziom sygnału wspólnego. Układ Wilsona wykorzystywany jest do uzyskania odprowadzeń wzmocnionych avr, avl i avf, a także jako punkt odniesienia dla elektrod przedsercowych. 59

60 Przykład rozwiązania 60

61 EKG standardowe - podsumowanie Standaryzacja procedury pomiaru podłączenie elektrod pozycja pacjenta czułość: 2,5/5/10/20 mm/mv szybkość rejestracji 5/10/25/50 mm/s Ocena wyniku w odniesieniu do wzorca 61

62 EKG niestandardowe 62

63 EKG niestandardowe Holter EKG wysiłkowe Mikropotencjały 63

64 EKG niestandardowe Niestandardowe podłączenie elektrod Zasilanie bateryjne Badania wykonywane w ruchu większe zakłócenia Konieczność gromadzenia dużych ilości danych 64

65 EKG - holterowskie 1. Rejestracja podczas normalnej aktywności 2. Mobilność - zasilanie bateryjne 3. Położenie elektrod: układ Masona i Likara najmniej ruchome miejsca indywidualizacja najwyższy potencjał sygnału 4. Brak wzorca indywidualny 65

66 EKG - holterowskie 4. Duża ilość informacji próbkowanie adaptacyjne 5. Kontrola samopoczucia pacjenta 6. Analiza uwzgledniająca aktualne odczucia pacjenta 66

67 EKG - wysiłkowe Obciążenie pracą fizyczną: ruchoma bieżnia, ergometr rowerowy. Wysoki poziom zakłóceń: agresywna filtracji sygnału. Konieczność wykonania analizy w czasie rzeczywistym. Bieżąca kontrola przekroczenia wartości granicznych (tętno, ciśnienie krwi). Alarmy oraz inteligentne sterowanie dalszym przebiegiem próby. 67

68 EKG - mikropotencjały 68

69 Mikropotencjały serca 60-lata Scherlag i wsp. elektroda wewnątrzsercowa Berbari i wsp. pomiar nieinwazyjny (metoda uśredniania i wysokiego wzmacniania EKG) 69

70 Mikropotencjały serca Rodzaje: PPK późne potencjały komorowe Mikropotencjały przedsionków Potencjały pęczka Hisa Parametry: 2-3 razy mniejsze niż QRS mikrovoltowe amplitudy (v µv- vv µv ) nawet do 400 Hz (standardowo do ok. 250 Hz) 70

71 Mikropotencjały serca Specjalne warunki rejestracji Wysoka rozdzielczość Ograniczenie wpływu zakłóceń ekranowanie Specjalne elektrody Niskoszumowa aparatura Sygnał v µv- vv µv 71

72 Rodzaje odprowadzeń 3 dwubiegunowe odprowadzenia zmodyfikowany układ Franka Mikropotencjały przedsionkowe 72

73 64 kanałowe EKG wysokiej rozdzielczości Plecy Odprowadzenia jednobiegunowe 59 4 b Klatka piersiowa Wcięcie szyjne mostka Plecy ukł. Groenwegena i van Rijna a Elektrody Ag-AgCl b/ a/11 Pępek 38 73

74 64 kanałowe EKG wysokiej rozdzielczości Plecy Odpowiednia temperatura pomiaru 59 4 b Klatka piersiowa Wcięcie szyjne mostka Plecy pasmo przenoszenia 0,1 400 Hz a Ekranowane pomieszczenie b/ a/11 Pępek 38 74

75 Aparatura przykłady - FARUM E30G Odprowadzenie 12 standardowych odprowadzeń Przetwornik A/C: 12 bitów Stała czasowa: 3.2s Impedancja wejściowa: 50MΩ Filtr: filtr AC: włączony/wyłączony Filtr DFT: 0.05/0.10/0.20/0.50 Filtr EMG: 25Hz/35Hz/OFF Filtr LOWPASS: 150Hz/90Hz/70Hz CMRR: >100dB Wymiary (dł./szer./wys.): 320mmx275mmx66mm Waga: ok. 2 kg 75

76 Aparatura przykłady - FARUM E30G Wyświetlacz 320x240 monochromatyczny Zasilanie sieciowe: wejściowe napięcie znamionowe = 100V~115V/220V~240V; częstotliwość znamionowa = 50Hz; moc znamionowa = 35VA Wbudowane litowe baterie o mocy = 35VA Rejestracja: rejestrator termiczna drukarka igłowa: termoaktywny papier szer. 80mm Szerokość rzeczywista: 72 mm Szybkość przesuwu papieru: 10mm/s, 25mm/s, 50mm/s (±3%) 76

77 Aparatura przykłady - FARUM SH-E12 1, 2, 3 niezależne kanały lub 12 EKG Kompaktowy, lekki, wygodny do noszenia Bezprzewodowa komunikacja z PC (Bluetooth) 1x1,2 V AAA NiMH akumulator lub 1 x1,5 V baterii alkalicznej AAA Wbudowany akcelerometr 3D dla detekcji ruchu Detekcja stymulatora Przycisk pacjenta Event Rejestracja do 72 h (12 kanałów) Częstotliwość próbkowania: 256 Hz 2048 Hz Pojemność karty pamięci: 2GB (usd) 77

78 Literatua 1. Grimnes S., Martinsen Ø.G., Bioimpedance and bioelectricity basics, Elsevier, Boston 2015, E-book 2. Augystynia P., Elektroniczna aparatura medyczna, Wyd. AGH, Kraków Nałęcz M. (ed.), Problemy biocybernetyki i inżynierii biomedycznej, tom 1 6, PAN Warszawa Pawlicki G., Podstawy inżynierii medycznej, Ofic. Wyd. Polit. Warsz. Warszawa Tadeusiewicz R., Augustyniak P. (red.), Podstawy inżynierii biomedycznej, T. 1 i 2, Wyd. AGH, Kraków Bogdanowicz S., Najłatwiejsza elektrokardiografia, Impuls, Gdańska