Wprowadzenie do elektrokardiografii P. Strumiłło Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej
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
Pierwsze rejestracje EKG 5 The Bekken D.Waller (1856-1922) i jego rejestrator EKG z 1887 r.
Potencjał spoczynkowy komórki 6 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 + 7 Na + Na + K + Na + Na+ K + K +
Depolaryzacja komórki 8 Potencjał czynnościowy komórki K + K + depolaryzacja 20mV repolaryzacja -90mV 2 ms Na + Na + K + Na + Na+ dla większości komórek K + K +
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
Depolaryzacja tkanki 10 - + 110 mv Galwanometr Fala depolaryzacji Nie mamy bezpośredniego dostępu do komórek Pojedyncza komórka
Depolaryzacja tkanki 11 - + 3 mv Elektrody Galwanometr Tkanki przewodnik objętościowy
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
Przykładowe rejestracje EKG 13
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Ojciec nowoczesnej elektrokardiografii Willem Einthoven (1860-1927) 24 Einthoven Foundation
Galwanometr strunowy Einthovena 25 Einthoven Foundation
Rejestracje EKG Einthovena 26 ~1 mv Einthoven Foundation
Rejestracje EKG Einthovena 1903 r. 27 2003 Nagroda Nobla w dziedzinie medycyny w 1924 roku za wyjaśnienie mechanizmu elektrokardiogramu
Trójkąt Einthovena (odprowadzenia kończynowe) 28 Serce jest dipolem elektrycznym I III
I 29-3 -3 + -2-1 II -2-1 +2 +1 III +1 + +
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
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 www.cvphysiology.com
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
Papier elektrokardiograficzny 33
Krzywa EKG - interwały i segmenty 34 Zobacz równieŝ : http://en.ecgpedia.org/wiki/
12 kanałowy zapis EKG - przykład 35 QTc = QT RR ( sec) - Interwał QT uwzględniający szybkość rytmu serca (zakres prawidłowy <0.3, 0.44> )
Rejestracja EKG źródła zakłóceń 36 ~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 amplituda [mv] 0.4 0.2 0-0.2-0.4-0.6-0.8 37 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 czas [s] 0 0.5 1 1.5 czas [s] Zakłócenia mięśniowe 0.6 amplituda [mv] 0.4 0.2 0-0.2 0 2 4 6 8 10 czas [s] Zakłócenia wolnozmienne tzw. pływanie linii P. Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej
Zakłócenia sieci energetycznej 38 Dominujące zakłócenie (pole bliskie) λ/2π = 1000km @ 50Hz Pole elektryczne Pole magnetyczne P. Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej
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
Zakłócenia - pole magnetyczne 40 Zjawisko B S S i = B s Minimalizacja pola przekroju Pole przekroju podczas pomiaru P. Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej
Sygnał wspólny Amplituda [mv] 200 100 0-100 Zakłócenia sieci 20ms 41-200 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 P. Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej
Sygnał wspólny Amplituda [mv] 200 100 0-100 Zakłócenia sieci Amplituda ok. 150mV 20ms 42-200 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 P. Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej
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 P. Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej 43
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
Sterowanie prawej nogi 45 * V out _ Poprzez sterowanie możliwe jest dodatkowe zmniejszenie składowej wspólnej P. Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej
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
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
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
Aparat pomiarowy EKG 49 ku = 10-20 Zabezp pieczenie Filtr górnoprzepustowy Filtr dolnoprzepustowy ADC ku = 50-100 Izolacja galwaniczna P. Romaniuk, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej
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)
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
Model pobudzenia elektrycznego tkanki mięśniowej serca 52 Rytm normalny
Skutki niedokrwienie mięśnia sercowego atak serca 53 Heartpoint 100 000 ataków serca rocznie w Polsce! Obszar niedokrwienia
Migotanie komór atak serca 54 Migotanie komór
MIT-BIH Explorer demo 55
Wytwarzanie sygnału EKG na podstawie zapisów cyfrowych sztuczny pacjent 56 Zapisy cyfrowe sygnałów EKG System wykonany dla ITAM Zabrze 100110011010 Analogowy sygnał EKG
Wielokanałowe EKG duża liczba przewodów 57 Schiller CNSystems Duża liczba przewodów
Bezprzewodowa rejestracja EKG 58 Transeiver stacji bazowej Transeiver pacjenta Jednorazowe elektrody System LifeSync ECG
System telekardiologiczny 59 Centralny ośrodek medyczny (serwer www + analiza EKG) Zapisy EKG Wyniki analiz... Reynolds Stacje klienckie (regionalne ośrodki medyczne)
Mapa czynności elektrycznej serca 60 2003 CNRG Copyright 2000 Meridian Medical
Implantowany defibrylator 61 40 J 36 cm 3
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
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
Sztuczne serce 64 http://www.sztuczneserce.pl/