EKG

LABORATORIUM SYSTEMÓW POMIAROWYCH ELEKTROKARDIOGRAFIA materiały pomocnicze do ćwiczenia nr 7. Opracowali: dr inż. Janusz Marzec dr inż. Krzysztof Zaremba ZEJiM IRE PW Warszawa 1996 SPIS TREŚCI Cel ćwiczenia. Specyfika pomiarów sygnałów elektrycznych generowanych w ciele człowieka. Bezpieczeństwo pacjenta. Zakłócenia od sieci energetycznej. Napięcie zakłóceń generowane przez prąd wyrównawczy wewnątrz ciała pacjenta. Napięcie indukowane przez składową magnetyczną pola elektromagnetycznego sieci w pętlach doprowadzeń elektrodowych. Przepływ prądu wyrównawczego przez rezystancję elektrody odniesienia. Przetwarzanie składowej symetrycznej zakłóceń na asymetryczną na różnicy impedancji elektrod. Zakłócenia generowane w ciele pacjenta. Elektrokardiografia Wymagania dotyczące aparatury EKG według normy ANSI_AAMI ECC11-1982. Wykonanie ćwiczenia. DODATEK - Instrukcja obsługi aparatu elektrokardiograficznego OPTICARD 1. Cel ćwiczenia. Ciało człowieka jest źródłem sygnałów elektrycznych, których rejestracja i interpretacja może dostarczyć cennych informacji diagnostycznych. I tak, na przykład, elektrokardiografia (EKG) zajmuje się rejestracją i interpretacją sygnałów elektrycznych będących wynikiem aktywności mięśnia sercowego, a elektroencefalografia (EEG) bada sygnały generowane przez układ nerwowy (mózg) człowieka. Dla przeprowadzenia rejestracji sygnałów tego typu, mającej pełną wartość diagnostyczną, tzn. powtarzalnej oraz wolnej od zakłóceń i zniekształceń, trzeba pokonać szereg specyficznych trudności związanych ze specyfiką badanego obiektu jakim jest ciało żywego człowieka. Celem ćwiczenia jest zaprezentowanie tych specyficznych trudności i sposobów ich pokonywania na przykładzie aparatury elektrokardiograficznej. 2. Specyfika pomiarów sygnałów elektrycznych generowanych w ciele człowieka. 2.1. Bezpieczeństwo pacjenta. Przepływ prądu elektrycznego przez ciało człowieka może stanowić zagrożenie dla życia. Najbardziej niebezpieczny jest prąd płynący przez serce, który już przy niewielkich natężeniach może wywołać migotanie przedsionków serca i nagły zgon. Skutki oddziaływania prądu elektrycznego zależą silnie od jego częstotliwości. Częstotliwość prądu w sieci energetycznej 50 Hz leży w najbardziej niebezpiecznym zakresie. Potencjalne niebezpieczeństwo porażenia prądem elektrycznym jest zatem związane z eksploatacją wszelkich urządzeń zasilanych z sieci energetycznej. Jest rzeczą oczywistą, że zasilana z sieci aparatura elektromedyczna musi spełniać szczególnie rygorystyczne normy bezpieczeństwa. Wiele poważnych awarii elektrycznego sprzętu powszechnego użytku nie powoduje porażenia prądem elektrycznym tylko dzięki temu, że zewnętrzną powłokę ciała człowieka stanowi warstwa zrogowaciałego naskórka, wykazującego znaczną rezystywność. W przypadku aparatury używanej do pomiaru sygnałów bioelektrycznych, rezystancja naskórka stanowi czynnik utrudniający pomiar i podejmuje się działania mające na celu jej zmniejszenie (zwilżanie skóry, pasty elektrodowe). Otwiera się w ten sposób drogę do łatwego przepływu prądu przez wnętrze ciała w przypadku awarii aparatury pomiarowej. Rys. 1. Układ pomiarowy z barierą izolacyjną. Typowym rozwiązaniem mającym ochronić pacjenta przed porażeniem w przypadku awarii jest stosowanie tzw. bariery izolacyjnej. Koncepcja ta polega na rozdzieleniu układów elektronicznych aparatury pomiarowej na dwie części. Elektrody pomiarowe wraz ze wzmacniaczami wejściowymi stanowią tzw. część izolowaną aparatury, zwaną też częścią pacjenta. Dalsze stopnie wzmacniające, układy przetwarzania, sterowania, rejestracji i zasilacz sieciowy stanowią część nieizolowaną. Przekazywanie informacji pomiarowej przez barierę izolacyjną nie stwarza większych trudności. Najczęściej używa się do tego celu elementów optoelektronicznych. Znacznie trudniejsze jest dostarczenie do części izolowanej mocy zasilającej. Stosuje się przenoszenie mocy z części nieizolowanej do izolowanej poprzez transformatory z rdzeniami ferrytowymi pracujące przy wysokiej częstotliwości, o konstrukcji zapewniającej uzyskanie małej pojemności między uzwojeniami: pierwotnym i wtórnym. Zadanie: Obliczyć maksymalną dopuszczalną wartość pojemności bariery izolacyjnej (C na rys.1) jeśli chcemy aby w sytuacji awaryjnej (pojawienie się 220 V na masie części nieizolowanej przy jednoczesnym połączeniu z masą sieci ciała pacjenta) prąd płynący przez ciało pacjenta nie był większy od dopuszczalnego ze względów bezpieczeństwa (10 mikroamperów). W niektórych rozwiązaniach rezygnuje się z przenoszenia mocy zasilania z części nieizolowanej do izolowanej poprzez barierę izolacyjną. W takim przypadku część izolowana zasilana jest z baterii. Nawet w takim rozwiązaniu pojemność bariery może być znaczna. Wynika to ze znacznych pojemności montażowych - część izolowana zawarta jest we wspólnej obudowie z częścią nieizolowaną. Istnieje też pewne prawdopodobieństwo zwarcia bariery izolacyjnej, np. w przypadku awarii połączonej z udarem mechanicznym. Najbardziej radykalnym rozwiązaniem jest wyniesienie części izolowanej, zasilanej z baterii, poza obudowę części nieizolowanej i umieszczenie jej w pobliżu ciała pacjenta. Sygnał pomiarowy może być w takim przypadku przekazywany za pośrednictwem światłowodu. Rozwiązanie takie zastosowano w aparacie elektrokardiograficznym OPTICARD, używanym w ćwiczeniu. 2.2. Zakłócenia od sieci energetycznej. Pole elektromagnetyczne pochodzące od sieci energetycznej jest wszechobecne w otoczeniu człowieka. Stanowi ono potencjalny czynnik zakłócający wszelkie pomiary wielkości elektrycznych. W przypadku pomiarów sygnałów bioelektrycznych mamy do czynienia ze splotem czynników utrudniających minimalizację wpływu tego typu zakłóceń. Wymieńmy je nie przywiązując wagi do kolejności. Częstotliwość 50 Hz leży wewnątrz pasma pomiarowego - widmo częstotliwości mierzonych sygnałów obejmuje częstotliwość zakłóceń. Uniemożliwia to skuteczną filtrację zakłóceń. Badany obiekt (ciało człowieka) ma znaczne rozmiary, co w praktyce uniemożliwia jego proste zaekranowanie. Źródło mierzonego sygnału (ciało człowieka) nie ma oczywiście żadnych zacisków czy gniazdek, do których możnaby przyłączyć kable pomiarowe. Musimy używać elektrod przykładanych do powierzchni ciała. Pomiędzy elektrodą a wnętrzem ciała, którego przewodność jest duża (rezystancja między dwoma dowolnymi punktami wewnątrz ciała jest nie większa niż kilka omów) występuje warstwa izolacyjnego naskórka. Skutkiem tego jest znaczna rezystancja kontaktu elektrody, rzędu od kilku do kilkuset kiloomów. Szczególną, z punktu widzenia zakłóceń, trudność stwarza praktyczna niemożność skutecznego uziemienia badanego obiektu (podłączenia do potencjału odniesienia przez małą rezystancję) . Wpływ pola elektromagnetycznego sieci energetycznej na badany obiekt (ciało pacjenta) możemy przedstawić w postaci dwóch pojemności: jednej sprzęgającej ciało człowieka z masą, przyjmując jej wartość równą 300 pF, i drugiej sprzęgającej z siecią 220 V, o wartości 3 pF. Pojemności te przyłączone są w różnych punktach ciała - przez ciało człowieka płynie więc pewien prąd wyrównawczy. Przeanalizujmy drogi przenikania zakłóceń do obwodu pomiarowego i sformułujmy wynikające z tej analizy wnioski dla konstrukcji układu pomiarowego. 1. Napięcie zakłóceń generowane przez prąd wyrównawczy wewnątrz ciała pacjenta. Przy wartościach prądu wyrównawczego rzędu części mikroampera i rezystancjach rzędu pojedynczych omów otrzymujemy napięcie około 1 mikroV, co przy sygnałach rzędu kilku miliwoltów pozwala uznać ten mechanizm powstawania zakłóceń za posiadajacy drugorzędne znaczenie. 2. Napięcie indukowane przez składową magnetyczną pola elektromagnetycznego sieci w pętlach doprowadzeń elektrodowych. Jedynym sposobem minimalizowania tej składowej zakłóceń jest prowadzenie kabli pomiarowych równolegle, blisko siebie i układanie ich blisko ciała pacjenta aby minimalizować powierzchnię obwodów przez nie tworzonych. 3. Przepływ prądu wyrównawczego przez rezystancję elektrody odniesienia. Rys. 2. Generowanie napięcia zakłóceń przez prąd wyrównawczy na rezystancji elektrody odniesienia. Bez podłączonej elektrody odniesienia napięcie zakłóceń na ciele pacjenta względem masy byłoby rzędu pojedynczych woltów, a więc trzy rzędy wielkości wieksze od sygnału. Konwencjonalne metody zmniejszania rezystancji kontaktu elektrody odniesienia (zwilżanie skóry, stosowanie past elektrodowych) nie dają satysfakcjonujacych efektów. Rutynowo stosuje się układy dynamicznego zmniejszania tej rezystancji poprzez umieszczenie jej w pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego zawierajacej wzmacniacz o dużym wzmocnieniu (patrz instrukcja obsługi do aparatu OPTICARD). Oprócz starań o zmniejszenie rezystancji elektrody odniesienia należy dążyć do zmniejszenia pojemności bariery izolacyjnej i stosować wzmacniacze o dużym współczynniku tłumienia napieć współbieżnych CMRR. 4. Przetwarzanie składowej symetrycznej zakłóceń na asymetryczną na różnicy impedancji elektrod. Prąd wejściowy elektrod wytwarza spadki napięcia na rezystancjach elektrod. Przy różnych wartościach tych rezystancji (Ra różne od Rb) następuje przetworzenie składowej symetrycznej wejściowego prądu zakłóceń na wejściowe asymetryczne napięcie zakłócające. Aby minimalizować wpływ tego mechanizmu przenikania zakłóceń należy utrzymywać duże wartości impedancji wejściowej wzmacniacza dla sygnałów symetrycznych. Ze względu na znaczne pojemności kabli sygnałowych, dla utrzymania impedancji wejściowej na wysokim poziomie wymagane jest bootstrapowanie ekranów kabli. Rys. 3. Powstawanie napięcia różnicowego na wejściu wzmacniacza jako skutek różnicy rezystancji elektrod. 5. Zakłócenia generowane w ciele pacjenta. W przypadku elektrokardiografii, której zadaniem jest rejestrowanie aktywności mięśnia serca, sygnały elektryczne pojawiające się jako efekt aktywności innych mięśni stanowią zakłócenia. Aktywność mięśni klatki piersiowej w trakcie oddychania wytwarza charakterystyczne niskoczęstotliwościowe (części Hz) zakłócenia. Przybierają one w zapisie EKG postać zsynchronizowanych z oddechem wahań linii bazowej przebiegów (linia ta nazywa się w żargonie medycznym linią izoelektryczną). W przypadku rutynowych badań EKG, trwających kilka do kilkanastu sekund, z reguły poleca się pacjentowi powstrzymanie oddechu na czas badania. Innym rodzajem zakłóceń są sygnały wytwarzane przez mięśnie szkieletowe na skutek utrzymywania ich w stanie napięcia lub jako reakcja na zimno (drżenie mięśni). Widmo tych zakłóceń jest szerokie - od części Hz do kilkuset Hz. Duże znaczenie ma zatem wygodne (umożliwiające rozluźnienie wszystkich mięśni) ułożenie pacjenta w trakcie badania i odpowiednio wysoka temperatura w pomieszczeniu. 3. Elektrokardiografia. Badanie elektrokardiograficzne polega na przyłożeniu do ciała pacjenta pewnej liczby elektrod i rejestrowaniu przebiegów napięć miedzyelektrodowych. Tak zarejestrowane przebiegi nazywa się w żargonie medycznym odprowadzeniami. Standardowe badanie EKG wykonuje się przy pomocy 10 elektrod. Dziewięć elektrod aktywnych jest podłączone do wejść wzmacniaczy pomiarowych, dziesiąta, zwana neutralną, podaje sygnał sprzężenia zwrotnego na prawą nogę pacjenta, realizując dynamiczne połączenie pacjenta z potencjałem odniesienia. Spośród 9 elektrod aktywnych trzy łączy się do kończyn (obie ręce i lewa noga), pozostałe sześć do odpowiednich punktów na klatce piersiowej w pobliżu serca. Nazwy elektrod, ich oznaczenia kodem kolorowym i punkty przyłożenia opisane są w instrukcji obsługi aparatu OPTICARD. Rys. 4. Punkty mocowania elektrod przedsercowych. W trakcie standardowego badania rejestruje się 12 standardowych odprowadzeń: sześć tzw. kończynowych oznaczanych I, II, III, aVL, aVF, aVR i sześć przedsercowych - V1,V2, V3, V4, V5 i V6. Sygnały (napięcia) poszczególnych odprowadzeń związane są z potencjałami poszczególnych elektrod następującymi zależnościami: I = L - R V1 = C1 - (R + L + F)/3 II = F - R V2 = C2 - (R + L + F)/3 III = F - L V3 = C3 - (R + L + F)/3 aVR = R - (L + F)/2 V4 = C4 - (R + L + F)/3 aVL = L - (R + F)/2 V5 = C5 - (R + L + F)/3 aVF = F - (L + R)/2 V6 = C6 - (R + L + F)/3 Rys. 5. Odprowadzenia kończynowe i przedsercowe w standardowym układzie elektrod. Na rysunku po lewej stronie oznaczenia elektrod w konwencji amerykańskiej - LA zamiast L, RA zamiast R i LL zamiast F. Przebieg napięcia zarejestrowany w odprowadzeniu w trakcie pojedynczego uderzenia serca nazywany jest cyklem. Każdy cykl składa się z kilku załamków. Czas między momentami pojawienia się załamków określa się terminem odstęp, a czas miedzy końcem jednego załamka i początkiem następnego nazywany jest odcinkiem. Jeśli między załamkami nie występują odcinki, to załamki te tworzą tzw. zespół, np. zespół QRS. Rys. 6. Typowy prawidłowy cykl w zapisie EKG. Mięsień generuje napięcie w dwóch sytuacjach: w trakcie napinania (depolaryzacja) i powrotu do stanu rozluźnienia (repolaryzacja). Praca serca to naprzemienne kurczenie się mięśni przedsionków i komór. Załamek P jest efektem depolaryzacji przedsionków. Faza repolaryzacji przedsionków, ze względu na małą amplitudę generowanych załamków, nie jest obserwowana w standardowych odprowadzeniach. Zespół QRS odpowiada fazie depolaryzacji komór serca, a załamek T - fazie ich repolaryzacji. Niewielki załamek U związany jest z repolaryzacją przegrody międzykomorowej i nie ma znaczenia diagnostycznego. Interpretacja zarejestrowanego zapisu EKG przebiega w dwóch fazach. W pierwszej fazie następuje identyfikacja załamków, określenie ich amplitud oraz określenie długości odcinków i odstępów. Dane uzyskane w pierwszej fazie, po obliczeniu, na podstawie amplitud załamków, dodatkowych pomocniczych parametrów, np. kątów osi elektrycznej serca, stanowią dane wejściowe algorytmu decyzyjnego, którego wynikiem jest diagnoza. Jeśli interpretacja jest dokonywana przez doświadczonego lekarza, fazy te są realizowane jednocześnie i diagnoza jest często stawiana " na pierwszy rzut oka". 4. Wymagania dotyczące aparatury EKG według normy ANSI-AAMI ECC11-1982. 1. Spełnienie norm bezpieczeństwa: brak spełnienia wymagań odpowiedniej normy dyskwalifikuje aparat. 2. Dynamika wejściowa: co najmniej ą5 mV. 3. Dopuszczalne przesunięcie składowej stałej sygnałów wejściowych: co najmniej ą300 mV. Tak duża, w porównaniu z dynamiką sygnałów wejściowych, wartość tego parametru jest niezbędna ze względu na mogące się pojawiać różnice potencjałów kontaktowych elektrod. 4. Pasmo przenoszenia toru rejestracji 3 dB: częstotliwość dolna 0.05 Hz, górna częstotliwość graniczna co najmniej 100 Hz. 5. Różnica wzmocnień w torach poszczególnych odprowadzeń: co najwyżej 5 %. 6. Impedancja wejściowa dla częstotliwości 10 Hz: minimum 2,5 MOhm. 7. Maksymalny prąd polaryzacji elektrody: 0,2 mikroA. 8. CMRR, określany zgodnie z normą ECC11-1982: minimum 69 dB 9. Poziom szumu i zakłóceń: co najwyżej 40 mikroVp-p. Parametry aparatu używanego w trakcie ćwiczenia zawiera instrukcja obsługi aparatu OPTICARD. 5. Wykonanie ćwiczenia. Ćwiczenie wykonywane jest w zespołach dwuosobowych. Każdy zespół ma do dyspozycji aparat EKG OPTICARD, współpracujący z koputerem PC. Ze względu na wielkość sali laboratoryjnej nie ma możliwości prowadzenia rejestracji w pozycji leżącej - pomiary wykonywane są w pozycji siedzącej. Członkowie zespołu pełnią na zmianę rolę pacjenta i laboranta wykonującego badanie elektrokardiograficzne. Wystarczające jest dokonanie rejestracji odprowadzeń kończynowych, ale pożądane jest wykonanie rejestracji EKG 12-odprowadzeniowego. Wymaga to mocowania elektrod przyssawkowych do klatki piersiowej osoby badanej. W trakcie rejestracji należy przebadać wpływ zakłóceń od drżeń mięśniowych i zakłóceń oddechowych na rejestrowane przebiegi. Zmieniając usytuowanie osoby badanej względem komputera zaobserwować przenikanie zakłóceń od sieci energetycznej do obwodu pomiarowego. Zaobserwować wpływ jakości kontaktu elektrod na rejestrowane przebiegi. Po zarejestrowaniu przebiegów EKG każdej osoby wykonującej ćwiczenie, należy zrealizować niektóre elementy wstępnej interpretacji przebiegów (odstępy R-R, P-Q, Q-T, szerokość zespołu QRS). Zaobserwować wpływ filtracji dolnoprzepustowej 40 Hz na jakość przebiegów (poziom zakłóceń, amplitudy załamków Q, R, S. Przeprowadzić uśrednianie cykli EKG wykorzystując oprogramowanie aparatu EKG. Wydrukować raport końcowy badania. Uwaga ! Rejestracje przebiegów EKG wykonywane w trakcie ćwiczenia nie są badaniami EKG ponieważ rejestracje te nie są wykonywane przez kwalifikowany personel. Tak więc zarejestrowane przebiegi nie mogą być podstawą do wyciągania wniosków na temat stanu zdrowia osób, u których te przebiegi zarejestrowano. This page created with Netscape Navigator Gold This page last updated on March 24, 1997. Copyright � 1996 Netscape Communications Corporation. Photo � PhotoDisc, Inc. K.Zaremba@ire.pw.edu.pl J.Marzec@ire.pw.edu.pl

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
ekg
08 IPK Przypadki EKG
Kurs EKG
biofizyka ekg
408 11 IPK Przypadki EKG
EKG u pacjentów z kołataniem serca
instrukcja bhp przy obsludze aparatu ekg
09 IPK Przypadki EKG
ekg (1)
EKG przypadki
ekg holter stymulaor

więcej podobnych podstron