Wprowadzenie do elektrokardiografii P. Strumiłło

Transkrypt

1 Wprowadzenie do elektrokardiografii P. Strumiłło Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej

2 2 electron - kardia - grapho bursztyn - serce - pisać The Bakken

3 Początki elektrofizjologii 3 Galvani zauważa w 1791 r. ruch kończyn martwej żaby po podaniu bodźca elektrycznego Luigi Galvani ( ) 1798)

4 Początki elektrofizjologii 4 Alessandro Volta ( ) 1827) postuluje, że prąd elektryczny występuję tylko w metalach Carlo Matteucci w 1842 roku demonstruje istnienie rytmicznych bioprądów w sercu żaby Emil Reymond w roku 1848 używa pojęcia potencjał czynnościowy do opisu pobudzenia elektrycznego komórek

5 Pierwsze rejestracje EKG 5 The Bekken D.Waller ( ) i jego rejestrator EKG z 1887 r.

6 Potencjał spoczynkowy komórki 6 Potencjał spoczynkowy Błona komórkowa 10 Na + -90mV - + Galwanometr 1 K + 1 Na + 10 K +

7 Depolaryzacja komórki Bodziec elektrochemiczny (n.p. z sąsiedniej komórki) zaburza równowagę potencjału spoczynkowego komórki i rozpoczyna się depolaryzacja komórki K + K + 7 Na + Na + K + Na + Na+ K + K +

8 Depolaryzacja komórki 8 Potencjał czynnościowy komórki K + K + depolaryzacja 20mV repolaryzacja -90mV 2 ms Na + Na + K + Na + Na+ dla większości komórek K + K +

9 Depolaryzacja komórki 9 Potencjał czynnościowy komórki K + K + depolaryzacja 20mV repolaryzacja -90mV 200 ms! Na + Na + K + Na + Na+ dla komórek serca K + K + W komórkach serca istnieje ponad 10 różnych prądów jonowych

10 Depolaryzacja tkanki mv Galwanometr Fala depolaryzacji Nie mamy bezpośredniego dostępu do komórek Pojedyncza komórka

11 Depolaryzacja tkanki mv Elektrody Galwanometr Tkanki przewodnik objętościowy

12 Odwrotny problem elektrokardiografii (diagnoza) 12 Diagnozowany organ Problem odwrotny Θ -1 : Y X Przestrzeń sygnałów Diagnoza medyczna Θ: X Y Problem prosty Elsevier 2002 Y Sygnały i obrazy serca

13 Przykładowe rejestracje EKG 13

14 Elektrokardiogram 14 ~7500 litrów dziennie! SA node AV node P R 0.1s T 1mV Q S P -R S -T Q -T Linia izoelektryczna

15 Układ bodźcotwórczy 15 węzeł zatokowo- -przedsionkowy prawa odnoga pęczka Hisa prawy przedsion ek włókna Purkiniego prawa komora lewy przedsion ek lewa komora węzeł przedsionkowo- -komorowy pęczek Hisa lewa odnoga pęczka Hisa slajd: P. Romaniuk P. Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej

16 Budowa sygnału EKG 16 Przedsionki Rozkurcz Skurcz Rozkurcz Komory Rozkurcz Skurcz Rozkurcz Aktywacja węzła zatokowego Rozprzestrzenianie się pobudzenia po m. przedsionków slajd: P. Romaniuk P. Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej

17 Budowa sygnału EKG 17 Przedsionki Rozkurcz Skurcz Rozkurcz Komory Rozkurcz Skurcz Rozkurcz Aktywacja węzła przeds.-komor. Rozprzestrzenianie się pobudzenia po m. przedsionków slajd: P. Romaniuk P. Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej

18 Budowa sygnału EKG 18 Przedsionki Rozkurcz Skurcz Rozkurcz Komory Rozkurcz Skurcz Rozkurcz Aktywacja węzła przeds.-komor. Aktywacja pęczka Hisa slajd: P. Romaniuk P. Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej

19 Budowa sygnału EKG 19 Przedsionki Rozkurcz Skurcz Rozkurcz Komory Rozkurcz Skurcz Rozkurcz Aktywacja pęczka Hisa Aktywacja obwodowych włókien Purkiniego Aktywacja odnóg pęczka Hisa slajd: P. Romaniuk P. Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej

20 Budowa sygnału EKG 20 Przedsionki Rozkurcz Skurcz Rozkurcz Komory Rozkurcz Skurcz Rozkurcz slajd: P. Romaniuk Rozprzestrzenianie się fali depolaryzacji po mięśniach komór Depolaryzacja komórek mięśni komór P. Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej

21 Układ bodźcotwórczy 21 Częstotliwość własna oscylatorów 70 /min 40 /min 20 /min węzeł zatokowo- -przedsionkowy węzeł przedsionkowo- -komorowy Włókna Purkiniego slajd: P. Romaniuk pobudzanie generatora P. Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej

22 Prawidłowa praca 22 Samoistne pobudzenie w węźle zatokowo- -przedsionkowym węzeł przedsionkowo- -komorowy Włókna Purkiniego okres własny okres własny slajd: P. Romaniuk P. Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej

23 Przerwa w przewodzeniu impulsów 23 Samoistne pobudzenie w węźle zatokowo- -przedsionkowym Samoistne niesynchronizowne pobudzenie w węźle p.-k. Włókna Purkiniego okres własny okres własny P. Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej

24 Ojciec nowoczesnej elektrokardiografii Willem Einthoven ( ) 24 Einthoven Foundation

25 Galwanometr strunowy Einthovena 25 Einthoven Foundation

26 Rejestracje EKG Einthovena 26 ~1 mv Einthoven Foundation

27 Rejestracje EKG Einthovena 1903 r Nagroda Nobla w dziedzinie medycyny w 1924 roku za wyjaśnienie mechanizmu elektrokardiogramu

28 Trójkąt Einthovena (odprowadzenia kończynowe) 28 Serce jest dipolem elektrycznym I III

29 I II III

30 Trójkąt Einthovena (odprowadzenia kończynowe - dwubiegunowe) 30 V V I = V L V R II = V F V R III = V F V L - III + V F

31 Augmented limb leads Odprowadzenia kończynowe jednobiegunowe 31 V avr =V R (V F +V L )/2 avl =V L (V R +V F )/2 avf =V F (V R +V L )/2 + avl - V F R R

32 Odprowadzenie przedsercowe 32 V 1 V 3 V 2 V V 6 4 V 5 Vj Aarhus University Hospital, Denmark RV LV = VVj - VCT, where: j = {1, 2,..., 6} V CT =(V L +V R +V F )/3 V CT

33 Papier elektrokardiograficzny 33

34 Krzywa EKG - interwały i segmenty 34 Zobacz równieŝ :

35 12 kanałowy zapis EKG - przykład 35 QTc = QT RR ( sec) - Interwał QT uwzględniający szybkość rytmu serca (zakres prawidłowy <0.3, 0.44> )

36 Rejestracja EKG źródła zakłóceń 36 ~1-3 mv

37 Przykłady zakłóceń EKG amplituda [mv] Zakłócenia sieciowe amplituda [mv] czas [s] czas [s] Zakłócenia mięśniowe 0.6 amplituda [mv] czas [s] Zakłócenia wolnozmienne tzw. pływanie linii P. Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej

38 Zakłócenia sieci energetycznej 38 Dominujące zakłócenie (pole bliskie) λ/2π = 50Hz Pole elektryczne Pole magnetyczne P. Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej

39 39 Zakłócenia - pole elektryczne pacjent 220V AC Z 2 Z 3 Z 4 Ekranowanie przewodów pacjenta części wejściowej Z 1 P. Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej

40 Zakłócenia - pole magnetyczne 40 Zjawisko B S S i = B s Minimalizacja pola przekroju Pole przekroju podczas pomiaru P. Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej

41 Sygnał wspólny Amplituda [mv] Zakłócenia sieci 20ms Czas [ms] Sygnał różnicowy a) amplituda [mv] czas [s] 500ms P. Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej

42 Sygnał wspólny Amplituda [mv] Zakłócenia sieci Amplituda ok. 150mV 20ms Czas [ms] Sygnał różnicowy a) amplituda [mv] Amplituda 1-5mV czas [s] 500ms P. Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej

43 Sygnał wspólny Amplituda [mv] Amplituda ok. 150mV Zakłócenia sieci 20ms częst. 50Hz Czas [ms] Sygnał różnicowy a) amplituda [mv] Amplituda 1-5mV czas [s] 10uV znaczące szczegóły 500ms P. Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej 43

44 Rzeczywisty wzmacniacz pomiarowy 44 V + + V out V - _ V out = k u (V + -V - ) + CMRR(V + + V - ) CMRR [ ang.common mode rejection ratio ] Współczynnik tłumienia składowej wspólnej CMRR = 10e -5-10e -6 P. Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej

45 Sterowanie prawej nogi 45 * V out _ Poprzez sterowanie możliwe jest dodatkowe zmniejszenie składowej wspólnej P. Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej

46 Bezpieczeństwo podczas pomiarów 46 Zagrożenia Kontakt urządzeń elektrycznych z pacjentem Mała rezystancja przejścia (specjalizowane elektrody z żelem) Możliwość uszkodzenia się urządzenia Nawet uszkodzone urządzenie nie powinno stanowić zagrożenia dla pacjenta! P. Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej

47 Bezpieczeństwo podczas pomiarów 47 Wymagania dopuszczalny prąd podczas normalnej pracy 0.1mA dopuszczalny prąd podczas awarii pojedynczego elementu 1mA szczegółowe przepisy dotyczące ochrony przeciwporażeniowej oraz normy dotyczące aparatury biomedycznej P. Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej

48 Stosowane środki bezpieczeństwa 48 Izolacja galwaniczna - transoptory (sygnał analogowy, cyfrowy) - wzmacniacze izolacyjne - przetwornice DC-DC (zasilanie) ograniczenie prądu pacjenta (rezystory szeregowe na wejściu) małe napięcie zasilania (3V, 6V) zasilanie bateryjne (urządzenia przenośne) brak elementów przewodzących, do których mógłby się dotknąć pacjent P. Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej

49 Aparat pomiarowy EKG 49 ku = Zabezp pieczenie Filtr górnoprzepustowy Filtr dolnoprzepustowy ADC ku = Izolacja galwaniczna P. Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej

50 Zaburzenia w pracy serca - arytmie Zaburzenia w pracy serca nazywamy arytmiami. 50 Arytmie można dzielić względem ich umiejscowienia w sercu: Przedsionki (migotanie i trzepotanie przedsionków, patologiczny stymulator Węzeł przedsionkowo-komorowy (tachykardia, Komory serca (przedwczesny skurcz komorowy, migotanie komór, węzły ektopowe Bloki przewodzenia: Pierwszego stopnia (w przedsionkach) Drugiego stopnia (między przedsionkami i komorami) Trzeciego stopnia (w komorach, e.g. bloki gałęzi)

51 Trajektorie fazowe utworzone z sygnału EKG 51 Rytm prawidłowy Migotanie komór serca przecięcie Poincare t=40ms t i + t t=70ms t i + t t i t i

52 Model pobudzenia elektrycznego tkanki mięśniowej serca 52 Rytm normalny

53 Skutki niedokrwienie mięśnia sercowego atak serca 53 Heartpoint ataków serca rocznie w Polsce! Obszar niedokrwienia

54 Migotanie komór atak serca 54 Migotanie komór

55 MIT-BIH Explorer demo 55

56 Wytwarzanie sygnału EKG na podstawie zapisów cyfrowych sztuczny pacjent 56 Zapisy cyfrowe sygnałów EKG System wykonany dla ITAM Zabrze Analogowy sygnał EKG

57 Wielokanałowe EKG duża liczba przewodów 57 Schiller CNSystems Duża liczba przewodów

58 Bezprzewodowa rejestracja EKG 58 Transeiver stacji bazowej Transeiver pacjenta Jednorazowe elektrody System LifeSync ECG

59 System telekardiologiczny 59 Centralny ośrodek medyczny (serwer www + analiza EKG) Zapisy EKG Wyniki analiz... Reynolds Stacje klienckie (regionalne ośrodki medyczne)

60 Mapa czynności elektrycznej serca CNRG Copyright 2000 Meridian Medical

61 Implantowany defibrylator J 36 cm 3

62 Zdalna detekcja rytmu serca za pomocą radaru 62 Detection of Human Breathing and Heartbeat by Remote Radar S. Ivashov, V. Razevig, A. Sheyko, I.Vasilyev Remote Sensing Laboratory, RUSSIA

63 Metody diagnostyczne w kardiologii 63 Echokardiografia ACCF Koronarografia Aarhus University Hospital MRI Yale University Badania radioizotopowe R. McLeod BSM EKG zapis aktywności elektrycznej serca PZWL Badania hemodynamiczne Fonokardiografia PZWL

64 Sztuczne serce 64