Wprowadzenie do elektrokardiografii Paweł Strumillo, Piotr Romaniuk

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

Początki elektrofizjologii 3 www.geocities.com/bioelectrochemistry/ Galvani zauważa w 1791 r. ruch kończyn martwej żaby po podaniu bodźca elektrycznego Luigi Galvani (1737-1798) 1798)

Początki elektrofizjologii 4 Alessandro Volta (1745-1827) 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

Potencjał spoczynkowy komórki 5 Potencjał spoczynkowy Błona komórkowa 10 Na + -90mV - + Galwanometr 1 K + 1 Na + 10 K +

Depolaryzacja komórki Bodziec elektrochemiczny (n.p. z sąsiedniej komórki) zaburza równowagę potencjału spoczynkowego komórki i rozpoczyna się depolaryzacja komórki K + K + 6 Na + Na + K + Na + Na+ K + K +

Depolaryzacja komórki 7 Potencjał czynnościowy komórki K + K + depolaryzacja 20mV repolaryzacja -90mV 2 ms Na + Na + K + Na + Na+ dla większości komórek K + K +

Depolaryzacja komórki 8 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

Depolaryzacja tkanki - + 110 mv 9 Galwanometr Fala depolaryzacji Nie mamy bezpośredniego dostępu do komórek Pojedyncza komórka

Depolaryzacja tkanki 10 - + 3 mv Elektrody Galwanometr Tkanki przewodnik objętościowy

Odwrotny problem elektrokardiografii (diagnoza) 11 Diagnozowany organ Problem odwrotny Θ -1 : Y X Przestrzeń sygnałów Diagnoza medyczna Θ: X Y Problem prosty Elsevier 2002 Y Sygnały i obrazy serca

Przykładowe rejestracje EKG 12

Elektrokardiogram 13 ~7500 litrów dziennie! SA node AV node P R 0.1s T 1mV Q S P -R S -T Q -T Linia izoelektryczna

Pierwsze rejestracje EKG 14 D.Waller (1856-1922) i jego rejestrator EKG z 1887 r. The Bekken

Ojciec nowoczesnej elektrokardiografii Willem Einthoven (1860-1927) 15 Einthoven Foundation

Galwanometr strunowy Einthovena 16 Einthoven Foundation

Rejestracje EKG Einthovena 17 ~1 mv Einthoven Foundation

Rejestracje EKG Einthovena 1903 r. 18 2003 Nagroda Nobla w dziedzinie medycyny w 1924 roku za wyjaśnienie mechanizmu elektrokardiogramu

Trójkąt Einthovena (odprowadzenia kończynowe) 19 Serce jest dipolem elektrycznym I III

I 20-3 -3 + -2-1 II -2-1 +2 +1 III +1 + +

Trójkąt Einthovena (odprowadzenia kończynowe - dwubiegunowe) 21 V V I = V L V R II = V F V R III = V F V L - III + V F

Augmented limb leads Odprowadzenia kończynowe jednobiegunowe 22 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 www.cvphysiology.com

Odprowadzenie przedsercowe 23 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

Papier elektrokardiograficzny 24

Krzywa EKG - interwały i segmenty 25 Zobacz równieŝ : http://en.ecgpedia.org/wiki/

12 kanałowy zapis EKG - przykład 26 QTc = QT RR ( sec) - Interwał QT uwzględniający szybkość rytmu serca (zakres prawidłowy <0.3, 0.44> )

Rejestracja EKG źródła zakłóceń 27 ~1-3 mv

Przykłady zakłóceń EKG amplituda [mv] 0.3 0.2 0.1 0-0.1-0.2-0.3-0.4-0.5 Zakłócenia sieciowe 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 czas [s] 0.4 0.2 amplituda [mv] 0-0.2-0.4-0.6-0.8 0 0.5 1 1.5 czas [s] Zakłócenia mięśniowe 28 0.6 amplituda [mv] 0.4 0.2 0-0.2 0 2 4 6 8 10 czas [s] Zakłócenia wolnozmienne tzw. pływanie linii

Zakłócenia sieci energetycznej 29 Dominujące zakłócenie (pole bliskie) λ/2π = 1000km @ 50Hz Pole elektryczne Pole magnetyczne

30 Zakłócenia - pole elektryczne pacjent 220V AC Z 2 Z 3 Z 4 Ekranowanie przewodów pacjenta części wejściowej Z 1

Zakłócenia - pole magnetyczne 31 Zjawisko B S S i = B s Minimalizacja pola przekroju Pole przekroju podczas pomiaru

Sygnał wspólny Amplituda [mv] 200 100 0-100 Zakłócenia sieci 20ms 32-200 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Czas [ms] Sygnał różnicowy a) amplituda [mv] 1 0.5 0-0.5-1 -1.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 czas [s] 500ms

Sygnał wspólny Amplituda [mv] 200 100 0-100 Zakłócenia sieci Amplituda ok. 150mV 20ms 33-200 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Czas [ms] Sygnał różnicowy a) amplituda [mv] 1 0.5 0-0.5 Amplituda 1-5mV -1-1.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 czas [s] 500ms

Sygnał wspólny Amplituda [mv] 200 100 0-100 Amplituda ok. 150mV Zakłócenia sieci 20ms częst. 50Hz -200 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Czas [ms] Sygnał różnicowy a) amplituda [mv] 1 0.5 0-0.5 Amplituda 1-5mV -1-1.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 czas [s] 10uV znaczące szczegóły 500ms 34

Rzeczywisty wzmacniacz pomiarowy 35 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

Sterowanie prawej nogi 36 * V out _ Poprzez sterowanie możliwe jest dodatkowe zmniejszenie składowej wspólnej

Bezpieczeństwo podczas pomiarów 37 Zagrożenia Kontakt urządzeń elektrycznych z pacjentem Mała rezystancja przejścia (specjalizowane elektrody z żelem) Możliwość uszkodzenia urządzenia Nawet uszkodzone urządzenie nie powinno stanowić zagrożenia dla pacjenta!

Bezpieczeństwo podczas pomiarów 38 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

Stosowane środki bezpieczeństwa 39 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

Aparat pomiarowy EKG 40 ku = 10-20 Zabezp pieczenie Filtr górnoprzepustowy Filtr dolnoprzepustowy ADC ku = 50-100 Izolacja galwaniczna

Zaburzenia w pracy serca - arytmie 41 Zaburzenia w pracy serca nazywamy arytmiami. 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)

Trajektorie fazowe utworzone z sygnału EKG 42 Rytm prawidłowy Migotanie komór serca przecięcie Poincare t=40ms t i + t t=70ms t i + t t i t i

Model pobudzenia elektrycznego tkanki mięśniowej serca 43 Rytm normalny

Skutki niedokrwienie mięśnia sercowego atak serca 44 Heartpoint 100 000 ataków serca rocznie w Polsce! Obszar niedokrwienia

Migotanie komór atak serca 45 Migotanie komór

MIT-BIH Explorer demo 46

Wytwarzanie sygnału EKG na podstawie zapisów cyfrowych sztuczny pacjent 47 Zapisy cyfrowe sygnałów EKG System wykonany dla ITAM Zabrze 100110011010 Analogowy sygnał EKG

Wielokanałowe EKG duża liczba przewodów 48 Schiller CNSystems Duża liczba przewodów

Bezprzewodowa rejestracja EKG 49 Transeiver stacji bazowej Transeiver pacjenta Jednorazowe elektrody System LifeSync ECG

System telekardiologiczny 50 Centralny ośrodek medyczny (serwer www + analiza EKG) Zapisy EKG Wyniki analiz... Reynolds Stacje klienckie (regionalne ośrodki medyczne)

Implantowany defibrylator 52 40 J 36 cm 3

Zdalna detekcja rytmu serca za pomocą radaru 53 Detection of Human Breathing and Heartbeat by Remote Radar S. Ivashov, V. Razevig, A. Sheyko, I.Vasilyev Remote Sensing Laboratory, RUSSIA

Metody diagnostyczne w kardiologii 54 Echokardiografia ACCF Koronarografia Aarhus University Hospital MRI Yale University Badania radioizotopowe R. McLeod BSM EKG zapis aktywności elektrycznej serca PZWL Badania hemodynamiczne Fonokardiografia PZWL

Sztuczne serce 55 http://www.sztuczneserce.pl/