Laboratorium „Elektroniczna Aparatura Medyczna”

Badania elektrokardiograficzne spoczynkowe i

wysiłkowe

Autorzy: mgr inż. Michał Jeżewski, mgr inż. Michał Momot

1. Cel laboratorium

Celem laboratorium jest zapoznanie się z charakterystyką zapisu sygnału EKG,

metodami jego akwizycji, podstawowymi rodzajami badań elektrokardiograficznych

(spoczynkowym i wysiłkowym) oraz metodami analizy sygnału EKG.

2. Wstęp

Elektrokardiografia polega na rejestracji aktywności elektrycznej serca. Serce

generuje rozchodzące się po całym ciele pole elektryczne. Aktywność ta, w postaci napięcia

elektrycznego, jest rejestrowana na powierzchni skóry, przy pomocy elektrod podłączanych

do urządzenia zwanego elektrokardiografem. Otrzymany w ten sposób zapis nazywa się

elektrokardiogramem. Przykładowy fragment elektrokardiogramu przedstawia rys. 1.

Fakt, że aktywności mechanicznej serca towarzyszy aktywność elektryczna, po raz

pierwszy wykazał w 1842 roku Carlo Matteucci, który odkrył, że każdemu uderzeniu serca

żaby towarzyszy powstawanie prądu elektrycznego. Pierwszej rejestracji elektrokardiogramu

dokonał w 1903 roku Willem Einthoven przy pomocy przyrządu zwanego galwanometrem

strunowym.

3. Akwizycja sygnału

Każdy punkt pola elektrycznego ma pewien potencjał, który można zmierzyć. Sposób

(schemat) ułożenia elektrod na skórze w celu pomiaru potencjałów nazywamy

odprowadzeniem. Istnieją dwie podstawowe grupy odprowadzeń: dwubiegunowe oraz

jednobiegunowe.

1

3.1 Dwubiegunowe odprowadzenia Einthovena

W odprowadzeniach dwubiegunowych jest mierzona różnica potencjałów pomiędzy

punktami przyłożenia dwóch elektrod (dodatniej i ujemnej). Do takich odprowadzeń

zaliczamy tzw. standardowe lub klasyczne odprowadzenia Einthovena. Są to 3 (I, II, III)

odprowadzenia kończynowe – elektrody są przykładane do kończyn: lewej (L) i prawej (P)

ręki oraz lewej nogi (N). Prawa noga zostaje uziemiona. Punkty te tworzą tzw. trójkąt

Einthovena.

Uzyskane napięcia na odprowadzeniach I, II, III są oznaczane poprzez odpowiednio

U

I

, U

II

, U

III

i zdefiniowane następująco:

U

I

=

L – R

U

II

=

N – R

U

III

=

N – L

3.2 Jednobiegunowe odprowadzenia Goldbergera

W odprowadzeniach jednobiegunowych jest mierzone napięcie między elektrodą

dodatnią a elektrodą ujemną przyłożoną do potencjału bliskiemu zeru. Do takich

odprowadzeń należą odprowadzenia Wilsona oraz odprowadzenia Goldbergera. Jedne i

drugie należą do odprowadzeń kończynowych. W odprowadzeniach Wilsona trzy elektrody

odprowadzeń kończynowych (L, R, N) podłącza się do elektrody ujemnej poprzez rezystory.

Zmierzone napięcie pomiędzy tak podłączoną elektrodą ujemną a elektrodą dodatnią

przyłożoną do prawej ręki oznaczamy jako VR. Dla elektrody dodatniej przy lewej ręce i

lewej nodze napięcia są oznaczane odpowiednio jako VL i VF.

Łatwo wykazać związki pomiędzy odprowadzeniami Einthovena a Wilsona:

U

I

=

VL – VR

U

II

=

VF – VR

U

III

=

VF – VL

W przypadku podłączenia do elektrody ujemnej jedynie dwóch elektrod

kończynowych a elektrody dodatniej do trzeciej kończyny, otrzymuje się odprowadzenia

2

Goldbergera, oznaczane jako aVR, aVL, aVF. Można wykazać związki pomiędzy

odprowadzeniami Wilsona a Goldbergera:

aVR =

3/2 VR

aVL =

3/2 VL

aVF

=

3/2 VF

Odprowadzenia Goldbergera umożliwiają zatem rejestrację amplitud półtorakrotnie

większych niż odprowadzenia Einthovena.

Przystępny opis opisanych odprowadzeń wraz z ilustracjami można znaleźć w [1].

W ramach laboratorium będą analizowane głównie elektrokardiogramy z odprowadzeń

Einthovena oraz Goldbergera.

W większości przypadków wykorzystuje się dodatkowo jednobiegunowe

odprowadzenia przedsercowe Wilsona V

1

..V

6,

w których elektrody przykłada się do ściśle

określonych miejsc na klatce piersiowej. W ramach laboratorium odprowadzenia te zostaną

zwarte z elektrodą zieloną, ponieważ tylko wtedy możliwa jest obserwacja pulsu, który jest

określany właśnie na podstawie odprowadzeń przedsercowych.

W standardowych badaniach EKG wykorzystuje się zatem 12 odprowadzeń:

•

Einthovena – U

I

, U

II

, U

III

•

Goldbergera – aVR, aVL, aVF

•

przedsercowe Wilsona – V

1

..V

6

.

4. Charakterystyka elektrokardiogramu

Na rys. 1 przedstawiono fragment prawidłowego elektrokardiogramu, wraz z

zaznaczonymi elementami charakterystycznymi, które omówiono w tekście poniżej.

Rys. 1 Fragment elektrokardiogramu

3

Krzywa elektrokardiogramu składa się z wychyleń – załamków (np. załamek R),

pomiędzy którymi znajdują się fragmenty zwane odcinkami (np. odcinek PR). Odcinki o

kształcie poziomej linii o napięciu równym 0, są fragmentami linii izoelektrycznej. Odcinek

wraz z sąsiednim załamkiem nazywany jest odstępem (np. odstęp P-Q). Jako odstęp definiuje

się również fragment zapisu pomiędzy dwoma szczytami sąsiednich załamków P lub R.

Wychylenia mogą być dodatnie (ponad linię izoelektryczną) lub ujemne (poniżej linii

izoelektrycznej). Od odprowadzenia jest zależny nie tylko kierunek wychyleń, ale również ich

kształt. Inne czynniki mające wpływ na kształt elektrokardiogramu to oczywiście cechy

osobnicze pacjenta.

Omówienie zapisu elektrokardiogramu od strony medycznej, a więc związek

poszczególnych fragmentów zapisu z poszczególnymi etapami cyklu pracy serca, można

znaleźć w [1] (bardzo szczegółowo) oraz [4] (skrótowo).

5. Sposób rozmieszczenia elektrod

Jak wspomniano w rozdziale 3.2, analizowane zostaną elektrokardiogramy z

odprowadzeń Einthovena oraz Goldbergera (dwubiegunowe i jednobiegunowe

odprowadzenia kończynowe).

•

elektroda CZERWONA – prawa ręka

•

elektroda ŻÓŁTA – lewa ręka

•

elektroda CZARNA – prawa noga

•

elektroda ZIELONA – lewa noga + odprowadzenia przedsercowe

Elektrody należy przymocować w okolicach nadgarstków oraz kostek. Miejsca

kontaktu sugeruje się wcześniej zwilżyć wodą, w celu zmniejszenia oporności skóry.

PODCZAS WYKONYWANIA BADANIA NALEŻY ZACHOWAĆ OSTROŻNOŚĆ

6. Obsługa systemu do badań elektrokardiograficznych CARDIV

Po uruchomieniu systemu należy nacisnąć przycisk PACJENCI (lewy górny narożnik

klawiatury). Następnie należy wcisnąć F2-DODAJ i wprowadzić (oraz potwierdzić

4

przyciskiem F1-AKCEPTUJ) dane osoby, dla której zostanie przeprowadzone badanie.

Badanie rozpoczyna się w chwilę po naciśnięciu przycisku F6-SPOCZYNK. Widok ekranu

dla przykładowego badania przedstawia rys. 2. Na rysunku przedstawione jest badanie z

wykorzystaniem 12 odprowadzeń. Widoczne w prawym górnym rogu wartości liczbowe

dotyczą ciśnienia tętniczego (0/0) oraz pulsu (80). Ciśnienie podczas badań będzie miało

wartość 0/0, gdyż nie wykorzystuje się opcjonalnego miernika ciśnienia.

Rys. 2 Przebieg badania

Istnieje możliwość automatycznej analizy 10-sekundowego fragmentu

elektrokardiogramu, w tym celu konieczny jest sygnał z 12 odprowadzeń. W przypadku nie

wykorzystania odprowadzeń przedsercowych pojawi się widoczny na ekranie, w kolorze

czerwonym, komunikat „INOP: C6..C1”.

Możliwe są zmiany sposobu wyświetlania zapisu:

•

zmiana skali amplitudy napięcia (czułość) – przycisk F5

•

zmiana skali czasu (prędkość przesuwu) – przycisk F6

5

•

widocznych odprowadzeń – przycisk F7. Dla potrzeb laboratorium ustawiono

domyślną konfigurację wyświetlania przebiegów z 6 odprowadzeń (Einthovena oraz

Goldbergera).

Badanie można wstrzymać przyciskiem F1-PAUZA. Wstrzymane badanie można przeglądać

przy pomocy strzałek. Przerwanie badania następuje po naciśnięciu przycisku ZAMKNIJ

(lewy górny narożnik klawiatury). Po naciśnięciu przycisku ZAMKNIJ, należy zapisać

zarejestrowany przebieg (opcja „Zapisz wszystko”). W przypadku złej jakości całego zapisu,

należy powtórzyć badanie.

7. Stanowisko laboratoryjne

Stanowisko laboratoryjne składa się z systemu do badań elektrokardiograficznych

CARDIV (komputer, monitor ekranowy, drukarka, moduł wejściowy EKG oraz

cykloergometr (rower treningowy)).

8. Przebieg laboratorium

W ramach laboratorium powinno zostać zarejestrowanych kilka zapisów EKG w

ramach badań spoczynkowych oraz wysiłkowych. Źródłem sygnału EKG może być symulator

(generator przebiegów biomedycznych) lub rzeczywisty sygnał zbierany z powierzchni ciała

osoby lub osób biorących udział w ćwiczeniu laboratoryjnym (po wyrażeniu przez nich

zgody). W przypadku badania wysiłkowego, gdzie zadajnikiem wysiłku jest cykloergometr,

dopuszcza się jedynie niewielki poziom wysiłku, nie przekraczający codziennej, zwykłej

aktywności osoby biorącej udział w badaniu.

9. Zadania do wykonania oraz zawartość sprawozdania

Zadania do wykonania:

•

Na podstawie przekazanych przez Prowadzącego plików z wartościami próbek zapisu

należy wykryć zespoły QRS (np. na podstawie metody zaproponowanej w Dodatku

A). Implementacja metody w programie Matlab bądź językach C/Pascal. Wynikiem

6

mają być numery próbek, gdzie wykryto zespół QRS. W przypadku programu Matlab

sugeruje się zrobienie wykresów w poszczególnych krokach metody.

•

Na podstawie wykrytych zespołów QRS należy wyznaczyć tachogramy częstości

uderzeń serca (pulsu), przykład tachogramu w Dodatku A.

Zawartość sprawozdania:

•

Plik z kodem źródłowym metody wykrywania zespołów QRS.

•

Numery próbek z zespołami QRS wykrytymi przez metodę oraz numery próbek,

gdzie zespoły QRS wykrył elektrokardiograf.

•

Wykres tachogramu.

10. Literatura

[1] Stanisław Bogdanowicz: „Najłatwiejsza elektrokardiografia”, Impuls, 1993.

[2] Brian W. Kernighan, Dennis M. Ritchie: „Język ANSI C”, WNT, 2001.

[3] Andrzej Marciniak: „Turbo Pascal 7.0 z elementami programowania. Część 1.”, Nakom,

1994.

[4] Karsten Meyer-Waarden: „Wprowadzenie do biologicznej i medycznej techniki

pomiarowej”, WKŁ, 1980.

[5] Rudra Pratap: „Matlab 7 dla naukowców i inżynierów”, PWN, 2007.

[6] Andrzej Zalewski, Cegieła Rafał: „Matlab – obliczenia numeryczne i ich zastosowania”,

Nakom, 1998.

[7] Instrukcja użytkowania systemu elektrokardiograficznego CARDIV.

7