SISTEME INFORMATICE MEDICALE

Cursul 3-4-5

2. SISTEMUL CARDIOVASCULAR

Are rolul de a transporta hrana si oxigenul n interiorul organismului si de a colecta reziduurile

de la nivel celular. Buna lui functionare este afectatata de sedentarism, de stresul zilnic si de

alimentatia nesanatoasa, precum si de eventualele predispozitii genetice. Acestea pot genera

diferite afectiuni cardio-vasculare: hipertensiune arteriala, infarct de miocard,

hipercolesterolemie, ateroscleroza etc.

Ne propunem o scurta prezentare a modului de functionare a aparatului circulator si a metodelor

de investigare neinvaziva a acestuia, cu referire la componenta sa principala, inima. Pornind de

la premisa ca preventia afectiunilor cardiovasculare ncepe cu controlul regulat al tensiunii

arteriale si al ritmului cardiac, vom descrie metodele de masurare si de monitorizare a acestora.

Principala componenta a aparatului circulator, inima, este un organ muscular cavitar de

dimensiuni mari, situat n regiunea mediana a toracelui. Spre deosebire de alti muschi, ea nu

oboseste niciodata. Inima este o pompa aspiratoare-respingatoare, circulatia sngelui fiind

posibila datorita contractiilor ei ritmice. Are o greutate de aproximativ 340 g la barbati si ceva

mai putin la femei.

Inima are patru camere principale, aranjate n perechi, care i permit functionarea ca o pompa.

Fiecare dintre ele are pereti musculari care se contracta pentru a asigura circulatia sangelui. Cele

doua atrii se gasesc n spatele si deasupra celor doua ventricule. Atriile si ventriculele nu

comunica ntre ele datorita existentei septului interatrial si septului interventricular.

Cum are loc circulatia sngelui?

Sngele este pompat catre artere prin aorta pentru a transporta oxigen spre organe si tesuturi.

Apoi se ntoarce la inima prin vene, ncarcat cu dioxid de carbon spre a fi pompat n al doilea

circuit, de aceasta data catre plamni, pentru a fi oxigenat.

Sngele revine la inima de la plamni prin venele pulmonare, aducnd o noua cantitate de

oxigen.

Patrunde n atriul stng, care se contracta si mpinge sngele prin valva mitrala, n ventriculul

stng.

Cnd ventriculul stng se umple, valva mitrala se nchide, miocardul se contarcta, iar sngele

intra n artera aorta prin valvele aortice deschise. Pe acest drum sngele ajunge la tesuturi,

unde elibereaza oxigenul si se ncarca cu dioxid de carbon.

Sngele revine n inima din jumatatea inferioara a corpului, prin vena cava inferioara, iar din

jumatatea superioara a corpului, prin vena cava superioara. Patrunde n atriul drept, acesta se

contracta si sngele trece n ventriculul drept prin valva tricuspida. Contractia ventriculului drept

expulzeaza sngele ncarcat cu dioxid de carbon n artera pulmonara prin valvele pulmonare,

catre plamni, de unde preia o noua cantitate de oxigen. Se ntoarce apoi la inima prin venele

pulmonare, pentru un nou ciclu. Acest proces este repetat de 50-60 de ori n fiecare minut.

Pentru a asigura circulatia sngelui, pompa cardiaca trebuie sa nvinga rezistenta vasculara, deci

sa functioneze ca o pompa cu presiune data de forta de contractie a cordului. Circulatia n vene

are loc ca o consecinta a circulatiei sngelui n artere si n capilare.

Circulatia sangelui la om este dubla si inchisa.

- marea circulatie sau sistemica : conduce sangele oxigenat din ventriculul stang al inimii

prin aorta in tot organismul iar de acolo preia sangele sarac in oxigen, pentru a-l transporta

inapoi in atriul drept si apoi in ventriculul drept

- mica circulatie sau pulmonara: conduce sangele sarac in oxigen din ventriculul drept al

inimii in plamani, iar din plamani conduce sangele oxigenat atriul stang si apoi in ventriculul

stang.

Electrocardiografia 2.1. Geneza cmpului electric cardiac Celulele miocardului prezint o repartiie specific a sarcinilor electrice la nivelul membranei, care realizeaz un potenial transmembranar de ordinul zecilor de milivoli, numit potenial de repaus. n repaus, predominanaa sarcinilor pozitive la exterior i negative la interior (fig. 2.1) se datoreaz concentraiilor diferite intracelulare i extracelulare ale principalilor ioni implicai n activitatea electric a cordului (Na+, K+, Ca++, Cl-). n timpul potenialului de aciune, repartizarea sarcinilor electrice se modific (are loc depolarizarea) pn la inversarea lor: sarcini negative la exterior i sarcini pozitive la interior (fig. 2.2). Propagarea depolarizrii punct cu punct la nivelul membranei, duce la apariia a numeroase cupluri de sarcini (+ -), care formeaz mici dipoli mobili. Aceste fenomene biochimice sunt sursa cmpului electric care se rspndete n esuturile nconjurtoare pn la suprafaa corpului.

Fig. 2.1. Celul polarizat n repaus.

Dipol electric

Fig. 2.2. Celul polarizat n timpul depolarizrii. Reprezentarea acestor dipoli prin vectori de depolarizare instantanei i aplicarea legii de compunere vectorial a permis elaborarea teoriei dipolului unic echivalent, conform creia activitatea electric a inimii poate fi reprezentat printr-un vector cu origine fix n centrul electric al cordului, dar cu amplitudine i orientare variabile n cursul ciclului cardiac. Folosind acest model simplificat Einthoven, n perioada 1901 1913, a pus bazele electrocardiografiei plecnd de la urmtoarele premise:

inima este un dipol; inima este situat n centrul toracelui, acesta este sferic i situat n centrul

corpului; distanele inim-mn i inim-picior sunt egale; rezistena esuturilor este egal i constant n toate direciile.

Activitatea inimii ca dipol unic a fost postulat pe baza observaiilor conform crora dipolul unic echivalent produce aceleai efecte ca i inima dac suprafaa corpului este destul de ndeprtat de inim, erorile fiind neglijabile. Aceste observaii au fost susinute recent de Pipberger n 1970, care a comunicat rezultatele unui studiu computerizat conform crora 85-95% din informaiile obinute prin ECG la suprafaa corpului pot fi atribuite unui dipol unic [Sabu, 1999]. Numeroase studii au ncercat s obin modele ct mai exacte ale cmpului electric al inimii la suprafaa corpului lund n considerare forma anatomic a inimii i toracelui, neomogenitatea conductibilitii electrice a esuturilor i succesiunea potenialelor electrice n timpul ciclului cardiac [Sabu, 1999]. Realizrile practice ale acestor modele au avut o recunoatere i aplicabilitate restrnse, nereuind nc s se impun n practica medical, n faa metodei clasice de nregistrare a ECG.

2.2. ELECTROCARDIOGRAMA NORMAL Pe traseul ECG normal, Einthoven a descris undele P, T, U i un complex de unde QRS, dou segmente: PQ i ST i dou intervale PQ i QT.

Dupa cum puteti observa, electrocardiograma normala prezinta o serie de deflexiuni (unde), segmente si intervale. Deflexiunile se numesc P, QRS si T. Segmentele sunt portiuni de traseu cuprinse ntre unde: PQ si ST, iar intervalele sunt portiuni de traseu care cuprind unde si segmente PQ si QT. Unda P reprezinta procesul de activare atriala. Are o forma rotunjita si n mod obisnuit

este pozitiva. Dureaza 0,08"-0,11" si are o amplitudine de 1-2,5 mm. Intervalul PQ sau PR (dupa cum complexul ventricular ncepe cu Q sau R) corespunde

activarii atriale si timpului de conducere atrio-ventricular. Dureaza 0,12" - 0,21". Este mai scurt n tahicardie si mai lung n bradicardie.

Complexul QRS reprezinta activarea ventriculara. Se mai numeste si faza initiala sau rapida. Prima deflexiune pozitiva se desemneaza cu R, iar prima deflexiune negativa cu

Q. Cnd complexul ventricular este alcatuit dintr-o singura unda negativa, aceasta se noteaza cu QS. Durata complexului este de 0,6 -0,10" in derivatiile membrelor si de 0,6 - 0,11" in precordiale. Cnd se depasesc aceste valori, exista o tulburare de conducere.

Segmentul ST si unda T reprezinta procesul de repolarizare ventriculara. Segmentul ST este de obicei izoelectric si rar denivelat deasupra sau dedesubtul liniei izoelectrice.

Unda T corespunde retragerii undei de excitatie din ventricule. Este rotunjita si de obicei pozitiva. Sfrsitul undei T marcheaza sfrsitul sistolei ventriculare, iar intervalul TP reprezinta diastola electrica. Electrocardiograma ramne o metoda precisa care reflecta fidel activitatea miocardului, permitnd uneori chiar localizarea leziunii. Este eficace n diagnosticarea tulburarilor ritmului cardiac, a tulburarilor de conducere (blocuri de ramura), a hipertrofiilor ventriculare, a cardiopatiilor ischemice coronariene, a intoxicatiei cu unele droguri.

Un segment este poriunea de la sfritul unei unde pn la nceputul undei urmtoare. Un interval este poriunea cuprins de la nceputul unei unde pn la nceputul undei urmtoare (cuprinde o und sau unde i un segment). Caracteristicile normale ale undelor, segmentelor i intervalelor ECG sunt redate n tabelul 2.1.

Deflexiunile (undele) situate deasupra liniei izoelectrice sunt denumite unde sau deflexiuni pozitive. Deflexiunile situate sub linia izoelectric sunt denumite unde negative. Segmentul T-P este considerat linie izoelectric, de referin.

La formarea ECG particip vectorii finali: de depolarizare atrial de depolarizare septal de depolarizare ventricular de repolarizare ventricular.

Tabelul 2.1.

Tabel rezumativ cu privire la parametri normali ECG

Parametrul ECG

Durata Amplitudinea Morfologia

Sensul Semnificaia

0 1 2 3 4 5 Unda P

0,08 0,11 sec.

0,05 - 0,25 mV

Rotunjit, simetric; uneori cu o mic incizur n vrf

00 75...30 ++=AP

Depolarizarea atrial

Segment Pq

0,04 0,10 sec.

Linie dreapt

Aezat pe linia izoelectric de la sfritul lui P pn la nceputul lui q.

-

Conducerea atrioventricular

Parametrul ECG

Durata Amplitudinea Morfologia

Sensul Semnificaia

Complex qRs

0,06 0,10 sec.

10 20 mm n derivaiile standard i pn la 30 mm n cele pre-cordiale. Indice White-Bock: -14+18 mm Indice Lyon-Sokolow: pn la 35 mm la persoane de peste 20 ani i pn la 45 mm la persoa-ne sub 20 ani.

Prima und pozitiv este R; urmtoarele unde pozitive: RR. Prima und negativ ce precede R este unda q. A doua und negativ n complex este unda S.

00 60...30 ++=AQRS

Limite ntre: -300 +1100

Depolarizarea ventricular: a) n plan frontal; q depolarizare sept; R depolarizare apex; s depolarizare margini laterale i baza ventriculilor; b) n plan orizontal n: -V1V2 complex epicardic drept rS. -V3V4 zon de tranziie RS. -V5V6 complex epicardic stng qR; qRs.

Unda q

0,03 sec.

25% din amplitudinea qRs

-

Und negativ

Depolarizare septal

Segment ST

Variabil; nu dep-ete pe cea a complex-ului.

-

Variante fiziologice: a) punctul de jonciune-J se afl pe linia izoelectric; b) supradeni-velat pn la 0,3 mV n V2V3. c) subdenivelat pn la 0,05 mV n restul derivaiilor.

-

nceputul repolarizrii ventriculare-faza de repolarizare pasiv, lent.

Unda T

0,15 0,30 sec.

1/6 1/8 din amplitudinea qRs

Asimetric: panta ascen-dent mai lent i cea descen-dent mai abrupt.

00 80...0=ATAT urmrete de regul AQRS, fa de care face un unghi mai mic de 600 (n condiii normale).

Repolarizarea final ventricular faza de repolarizare activ, rapid.

Tabelul 2.1. (continuare)

Parametrul ECG

Durata Amplitudinea Morfologia

Sensul Semnificaia

Unda U inconstant pe ECG normal

0,15 0,25 sec.

2 mm sau 20% din amplitudinea T

Asimetric: panta ascendent abrupt i cea descendent lent

00 40...30

=AU Pospotenialele ventriculare sau repolarizarea reelei Purkinje sau a muchilor pilieri.

Segment TP

Variabil, n funcie de frec-vena cardiac.

-

Linie orizontal

-

Diastola general

Intervalul Tq

- - - - Diastola ventricular

Ta

0,15 0,45 sec.

Mic

Und rotunjit simetric

Und negativ

Repolarizarea atrial. Nu apare pe ECG normal fiind mascat de complexul qRs.

V.A.T. Timp de activare ven-tricular sau deflexiune intrinsecoid

0,020,03 sec. n V1V2 (pt. ventriculul drept) i 0,030,04 sec. n V5V6 (pt. ventriculul stng)

-

Se apreciaz pe ECG de la debutul qRs pn la perpendiculara cobort din ultimul vrf pozitiv al qRs.

-

Timpul de la debutul depolarizrii ventriculare pn cnd aceasta ajunge sub electrodul explorator.

Intervalul Pq sau electro-atriogram

0,12 0,21 sec. n funcie de frecvena cardiac

-

Cuprinde unda P i segmentul Pq

-

Depolarizarea atrial i conducerea atrioventriular

Intervalul qT sau electro-ventriculo-gram

0,24 0,42 sec. n funcie de frecvena cardiac i vrst.

-

Cuprinde qRs, segmentul ST i unda T

-

Depolarizarea i repolarizarea ventricular sau sistola electric.

Electocardiograful

Schema bloc a unui electrocardiograf - 1

Schema bloc a unui electrocardiograf - 2

Schema electronica a unui electrocardiograf

Circuit de conversie A/D si logica de cuplare la interfata seriala RS 232. 2.3. Derivaiile ECG Corpul uman este considerat, n teoria electrocardiografic, un volum conductor n care poate fi nregistrat cmpul electric produs de inim prin plasarea unor electrozi n diferite puncte ale acestuia. Raportul dintre cele dou puncte ale corpului uman, n care se plaseaz electrozii de culegere, se numete derivaie [Dudea, 1981]. Axul derivaiei este dreapta care unete punctul de plasare a electrodului explorator cu centru electric al inimii. Centrul electric al inimii este situat n centrul de greutate al masei miocardului i anatomic se gsete plasat lateral dreapta de centrul cavitii ventriculului stng. Fiecare derivaie permite nregistrarea unui aspect propriu al ECG n funcie de:

raporturile spaiale dintre punctele de aplicare ale electrozilor i inim. neomogenitatea structural i electric a esuturilor care se interpun ntre inim i

tegumente. Fiecare derivaie se caracterizeaz prin: orientarea axului de derivaie n raport cu inima. distana dintre electrodul explorator i inim. Din aceste considerente i pentru a asigura criterii comune de interpretare a ECG a fost

necesar standardizarea punctelor n care se aplic electrozii. n timp, ca urmare a practicii medicale acumulate, s-au structurat urmtoarele sisteme de derivaii ECG [Sabu, 1999]:

Sistemul de derivaii bipolare standard (descrise de Einthoven). Sistemul de derivaii unipolare cu variantel cunoscute: toracice (de tip Wilson) i ale

membrelor (de tip Goldberger). Sistemele de derivaii spaiale ortogonale (X, Y, Z) necorectate (cubic, tetraedic) sau

corectate (Frank i McFee-Parungao). Sistemele hibrid Macfarlane. Sisteme de derivaii speciale: bipolare toracice, esofagiene, endocavitare, epicardice,

fetale, mapping de suprafa. 2.3.1. Sistemul de derivaii bipolare standard

Sunt derivaiile utilizate curent n practica medical i sunt cunoscute cu notaiile:

D I: electrodul negativ plasat pe mna dreapt, electrodul pozitiv plasat pe mna stng.

D II: electrodul negativ plasat pe mna dreapt, electrodul pozitiv plasat pe piciorul stng.

D III: electrodul negativ plasat pe mna stng, electrodul pozitiv plasat pe piciorul stng.

Derivaiile bipolare formeaz triunghiul Einthoven, construcie teoretic folosit pentru interpretarea ECG. ntre aceste derivaii exist urmtoarea relaie:

D I - D II + D III = 0 (2.1)

+ -

+ +

- -

D I

D II D III

Fig. 2.6. Triunghiul lui Einthoven. Plasarea electrozilor (fig. 2.7) pentru derivaiile bipolare a fost standardizat astfel: Mna dreapt cablul rou. Mna stng cablul galben. Piciorul stng cablul verde. Piciorul drept cablul negru (electrodul cu potenial de referin, presupus zero, GND).

Derivaia I Derivaia II Derivaia III Fig. 2.7. Montajul electric pentru derivaiile bipolare standard.

2.3.2. Sistemul de derivaii unipolare amplificate ale membrelor standard

Msoar diferenele de potenial ntre dou puncte, fiecare avnd o valoare proprie a potenialului: Electrodul pozitiv este electrodul activ Electrodul negativ este indiferent i are permanent un potenial constant.

aVR electrodul activ se plaseaz pe mna dreapt. aVL electrodul activ se plaseaz pe mna stng. aVF electrodul activ se plaseaz pe piciorul stng.

Derivaiile verific urmtoarele relaii: aVR = -1/2 (D I + D II ) (2.2) aVL = D I 1/2 D II (2.3) Linia de derivaie se obine prin unirea punctului n care este plasat electrodul activ cu centrul electric al inimii. Derivaiile bipolare i derivaiile unipolare formeaz sistemul hexaxial folosit n interpretarea ECG. Derivaia aVR Derivaia aVL Derivaia aVF

Fig. 2.8. Montajul electric pentru derivaiile unipolare amplificate ale membrelor

Fig. 2.9. Liniile derivaiilor bipolare i unipolare ale membrelor (dup Scripcaru, 1981)

aVR aVL

aVF

II III

I

+

+

+ +

++

-

- -

--

2.3.3. Sistemul derivaiilor unipolare precordiale Sunt obinute prin plasarea electrozilor pe torace n punctele:

VE pe linia median a sternului n punctul xifoid n dreptul coastei a VI-a VE1 la dreapta apendicelui xifoid, n dreptul coastei a VI a VE2 la stnga apendicelui xifoid, n dreptul coastei a VI a V1 parasternal drept, n spaiul IV intercostal V2 parasternal stng, n spaiul IV intercostal V3 la mijlocul distanei V2 V4

V4 n spaiul V intercostal pe linia medioclavicular V5 la intersecia liniei axilare anterioare cu planul orizontal care trece prin V4 V6 la intersecia liniei axilare medii cu planul orizontal care trece prin V4 De asemenea, n cazuri deosebite, se folosesc derivaii suplimentare pe hemitoracele

stng i derivaii simetrice pe hemitoracele drept notate V1RV6R. Liniile de derivaie se obin n plan orizontal, prin unirea punctului de plasare al electrodului cu centrul electric al inimii.

Fig. 2.10. Plasarea electrozilor pentru derivaiile precordiale (dup Goldman, 1986)

Fig. 2.11. Derivaiile precordiale i complexele qRS nregistrate: epicardice drepte, zon de tranziie, epicardice stngi (dup Netter, 1969).

2.3.4. Sistemul derivaiilor spaiale ortogonale Derivaiile unipolare i bipolare ale membrelor permit nregistrarea dipolilor n plan frontal. Derivaiile unipolare toracice permit nregistrarea dipolilor ECG n plan orizontal. mpreun aceste derivaii formeaz sistemul 12 ECG bine cunoscut i folosit curent n practica medical. Poziia anatomic a inimii i deci i cmpul electric generat de activitatea inimii au orientare spaial tridimensional. Pentru a nregistra dipolii electrici n toate cele trei planuri au fost propuse sisteme de derivaii spaiale ortogonale notate X, Y, Z sau 3 ECG. Aceste sisteme au fost folosite pentru nregistrarea vectocardiogramei.

Sistemul Frank este cel mai cunoscut i cel mai utilizat dintre sistemele de derivaii ortogonale corectate. Prin acest sistem se obin derivaiile: X direcia orizontal Y direcia vertical Z direcia anteroposterioar Electrozii sunt plasai astfel:

E n planul orizontal care trece prin centrul electric al inimii pe linia mediosternal. M n planul orizontal care trece prin centrul electric al inimii pe linia apofizelor

spinoase. I n planul orizontal care trece prin centrul electric al inimii pe linia axilar mijlocie

dreapt. A n planul orizontal care trece prin centrul electric al inimii pe linia axilar

mijlocie stng. C n planul orizontal care trece prin centrul electric al inimii, la 450 ntre E i A. H la ceaf. F la glezna stng. Coordonatele X, Y, Z se obin astfel: X = I (A + C) (2.4) Y = (F + M) H (2.6) Z = (M + A + C) I (2.7)

Folosirea n practica medical a derivaiilor ortogonale este totui limitat n comparaie cu sistemul 12 ECG. Au fost propuse sisteme hibrid care s combine sistemul 3 ECG cu sistemul 12 ECG. Un exemplu n acest sens este sistemul Macfarlane care utilizeaz electrozii 12 ECG, un electrod n regiunea gtului (Vg) i electrodul V6R. n acest fel se nregistreaz 10 derivaii: D I, D II, V1-V6R i Vg i este posibil calcularea D III, aVR, aVL, aVF, X, Y i Z. Se preconizeaz c dezvoltarea ECG, ca metod de investigaie de performan, se va face n direcia nregistrrii simultane a 12 ECG, 3 ECG i Vcg cu prelucrare computerizat a informaiilor obinute.

2.3.5. nregistrri intraesofagiene ale ECG Se folosete o capsul prevzut cu electrod explorator care este nghiit de bolnav. Capsula este legat de electrocardiograf printr-un conductor i poate fi plasat n diferite poziii fa de cord.

2.3.6. nregistrri ECG intracoronariene Se practic n cursul angioplastiei coronare transluminale pentru monitorizarea modificrilor ischemice ale miocardului.

2.3.7. nregistrarea ECG fetale Se poate efectua n cursul sarcinii sau n travaliu pentru monitorizarea btilor cordului fetal. Electrozii pot fi aplicai pe abdomenul mamei n derivaiile bipolare verticale. n travaliu, un electrod se aplic pe capul copilului i al doilea n zona perineal a mamei.

2.3.8. nregistrri intracavitare Se obin cu ajutorul unei sonde electrod sau multielectrod introduse n cavitile cordului pe cale venoas sau arterial. Electrocardiograma intracavitar ofer informaii precise asupra

progresiei frontului de depolarizare n cavitile cordului, nregistreaz fascicolul HIS i eventualele ci aberante.

2.3.9. nregistrarea ECG sub forma hrilor de izopotenial Se folosesc 16-240 electrozi plasai la distane egale ntre ei, pe torace, care formeaz derivaii unipolare. Prelucrarea computerizat i vizualizarea color a informaiilor permite dezvoltarea acestei tehnici de investigaie cu rezultate promitoare.

2.3.10. nregistrarea ECG cu sistemul Holter Dispozitivele de tip Holter au dimensiuni reduse i pot fi fixate pe toracele bolnavului

nregistrnd 24-48 de ore ECG-ul bolnavului pe band magnetic. Derivaiile folosite sunt bipolare i se obin prin plasarea a doi electrozi pe torace. Dou

dintre cele mai folosite derivaii sunt: 1. - electrodul negativ CM5 plasat n zona manubriului sternal

- electrodul pozitiv plasat n V5 2. - electrodul negativ plasat n fosa infraclavicular dreapt - electrodul pozitiv plasat n V5

2.4. Particulariti ale nregistrrii semnalului ECG nregistrarea semnalului ECG poate fi influenat i modificat, sub forma artefactelor, de numeroi factori perturbatori din mediul exterior sau aparinnd corpului uman. Acestea se manifest prin [Dudea, 1981]:

1. Modificri ale vibraiilor care constituie linia groas a traseului. 2. Deplasri ale liniei de baz a traseului. 3. Deformri ale undelor prin particulariti de construcie a aparatului (tipuri de

electrozi, factori de amplificare, capacitatea de filtrare, viteza de rspuns, banda de frecvene, etc.).

Exemple: Vibraii regulate cu frecven mare (50 60 Hz), uneori foarte ample, ale traseului de baz;

pot fi produse prin: - contacte imperfecte ale electrozilor cu pielea. - electrozi cu suprafaa de contact mic. - suprapunerea unor cureni alternativi parazitari externi indui de funcionarea n

vecintate a unor maini i aparate (aparate de unde scurte, diatermie, ultrasunete, etc.), sau de reelele de nalt tensiune.

Vibraii fine, neregulate ca amplitudine i frecven (10 60 Hz), ce apar permanent sau intermitent; pot fi produse de:

- tremurturi ale bolnavului (hipertiroidie, labilitate psihic, etc. - contacte imperfecte ntre electrod i cablu.

Oscilaii armonice, de frecven mic (10 20 Hz); pot fi produse de contactele imperfecte ale circuitelor electronice.

Deplasri ale liniei de baz (izoelectrice); pot fi produse de: - micri brute, neregulate ale bolnavilor (parkinsonieni, alte tulburri neurologice). - micrile respiratorii. - variaia parametrilor componentelor electronice (rezistene, capaciti, inductane,

amplificri, puncte statice de funcionare, etc.). - contracii musculare ale diafragmului i muchilor intercostali.

Deformri ale undelor ECG, datorate caracteristicilor funcionale ale aparaturii de nregistrare.

0,1 1,0 10,0 50,0 100,0 500,0 1000,0 [Hz]

[Amplitudine]

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0

Semnale aleatoare de joas frecven (micri ale electrozilor)

Semnale parazite datorate micrilor din timpul efortului fizic

Semnale generate de muchii intercostali (electromiograma)

Semnal parazit datorat interferenei electro- magnetice cu reeaua de c. a.

Semnale parazite datorate micrilor respiratorii

Fig. 2.12. Reprezentarea spectral a perturbaiilor ce afecteaz o nregistrare ECG. Totalitatea acestor influene este reprezentat n figura 2.12. Se observ c semnalul ECG este neperturbat doar ntr-o fereast ngust de frecvene 10 30 Hz. Aceast poriune a spectrului poate fi avut n vedere pentru proiectarea filtrelor, atunci cnd perturbaiile externe sunt foarte puternice. De menionat, c orice ngustare a benzii de frecven prin filtrare, conduce la pierderi informaionale.

Caracteristicile unui sistem de achiziie pentru semnale ECG Pentru ca o nregistrare ECG s ntruneasc criteriile de calitate impuse de cerinele

practicii medicale, este necesar ca sistemul de achiziie (electrocardiograful) s corespund standardului redactat de Asociaia American a Inimii (American Heart Association). Regulile de calitate impuse au fost publicate n "Standardization of terminology and interpretation, definitions and classification of cardiac arrythmias" in: Am. J. Cardiology 41 (1978) pp. 130-145, or: Am. Heart J. 95 (1978) pp. 796-806 i n IEC-draft: "Standard communications protocol for computer-assisted electrocardiography" Version 03, dated: 09.10.1993. Principalele date coninute de acest act normativ sunt prezentate n tabelul 5.1.

Tabelul 5.1

Referine tehnice pentru nregistrarea ECG Frecvena de eantionare 10 000 Hz Filtre trece-sus se elimin componenta continu a semnalului Filtre trece-jos 1 kHz, filtru de tip Bessel de ordinul 8 Rezoluie > 13 bit, < 4 V/LSB Zgomotul propriu sistemului < 8 Vpp Durata nregistrrii 38 s - 120 s (300 s) Semnale nregistrate 12 canale simultan, din care minim 4 de referin Configuraia derivaiilor acceptate Einthoven, Goldberger, Wilson, Frank Zgomot extern nregistrri cu nivel de zgomot n limitele zgomotelor biologice

Parametrii afiai Durata undelor P i QRS, Intervale RR, PQ, QT. Valori ale undelor P+, P-, R, S, T+, T-, J.

Surse de zgomot datorate echipamentelor tehnice Exist patru tipuri principale de zgomot i mecanisme de cuplare: conductiv, capacitiv, inductiv, radiativ.

Cuplarea conductiv rezult datorit curentului distribuit de diferite circuite i impedanei comune pentru circuitul de mas. Cuplarea capacitiv apare datorit variaiei n timp a cmpului electric din vecintatea pacientului. Cuplarea inductiv sau magnetic a zgomotului rezult din variaia n timp a cmpului magnetic din vecintatea sursei de semnal. Zgomotul poate s apar de la mai multe surse de nivel sczut, unele din acestea fiind chiar n interiorul circuitului. Un astfel de zgomot este zgomotul termic sau zgomotul alb. Acest fenomen natural apare datorit micrii haotice a electronilor.

1. Transmisie

-Impedan (conductiv)

-Cmp electric(capacitiv)

-Cmp magnetic(inductiv)

-Electromagnetic(radiativ)

Surse de zgomot

cabluri de alimentare monitorul calculatorului invertoare de curent

Studiul filtrrii semnalului ECG folosind simularea pe calculator n continuare vor fi prezentate tipuri de perturbaii i modul lor de manifestare pe

nregistrarea semnalului ECG.

Zgomote datorate interferenelor cu reeaua de alimentare

Am

plitu

dine

0 1 2 3 4 5 Timp [secunde]

Fig. 6.1.

Se manifest prin prezena unei componente armonice, avnd frecvena de 50

sau 60 Hz (fig. 6.1). Se modific amplitudinea semnalului nregistrat cu pn la 50% din

amplitudinea semnalului ECG (vrf la vrf).

Zgomote datorate electrozilor de contact i micrilor pacientului n general sunt zgomote tranzitorii, cauzate de pierderea contactului dintre

electrod i piele, ceea ce conduce la deconectarea efectiv a pacientului de sistemul de

nregistrare. Pierderea contactului poate fi permanent sau intermitent. Se manifest

prin deviaii ample nregistrrii, cu interferene ale reelei de alimentare, mai ales atunci

cnd cuplarea la electrocardiograf a electrozilor este de tip capacitiv.

Zgomotele datorate micrilor pacientului sau cablurilor de legtur, se

manifest prin modificarea temporar a liniei izoelectrice. Aceste modificri sunt

datorate schimbrilor n valoarea impedanei piele-electrod, modificri ce conduc la

variaii ale potenialului msurat de amplificatorul electrocardiografului (fig. 6.2).

0.4

0.2

0.0

-0.2

0 1 2 3 4 5 Timp [secunde]

Fig. 6.2.

Zgomote datorate contraciilor musculare

0.4

0.2

0.0

-0.2

0 1 2 3 4 5 Timp [secunde]

Fig. 6.3.

Contraciile musculare cauzeaz artefacte a cror amplitudine poate fi de ordinul

milivolilor (fig. 6.3). Linia izoelectric a miogramei are variaii ntr-un domeniu de 1

microvolt, ceea ce face ca n repaus, electrocardiograma s nu fie afectat.

Zgomote datorate respiraiei pacientului

0.4

0.2

0.0

-0.2

0 1 2 3 4 5 Timp [secunde]

Fig. 6.4.

Linia izoelectric este afectat de o component pseudoarmonic a crei

frecven corespunde frecvenei respiratorii. Alura semnalului ECG afectat de un astfel

de zgomot este prezentat n figura 6.4.

Zgomote datorate aparaturii medicale Prezena simultan a mai multor echipamente medicale cuplate la pacieni aflai

n vecintate sau, mai grav, la acelai pacient, are ca efect influenarea nregistrrilor

ECG. Semnalul este puternic afectat (distrus) atunci cnd se folosesc electroustensile

n timpul interveniilor chirurgicale. Perturbaiile se manifest prin prezena unor

componente armonice, ce ocup banda cuprins ntre 100 kHz i 1 MHz. Zgomotele pot

fi eliminate prin filtrare, fiind mult n afara benzii ocupate de semnalul ECG. n plus,

frecvena de eantionare este limitat la domeniul 250 - 1000 Hz.

Zgomote datorate componentelor electronice ale electrocardiografului Au o manifestare haotic i n general ocup o band foarte larg, deci practic

nu pot fi eliminate prin filtrare. Se datoreaz variaiilor de temperatur ale mediului,

derivelor termice ale componentelor, variaiilor tensiunii de alimentare, etc. Un rol nefast

l au neliniaritile circuitelor, cum ar fi factori de amplificare va -

riabili n raport cu frecvena, intrarea n saturaie a amplificatoarelor, zone de

insensibilitate la semnale foarte mici, etc.

Filtrarea semnalelor ECG. Rezultate Pornind de la fundamentarea teoretic a proiectrii filtrelor am testat pe

semnalele prezentate anterior diverse variante de filtrare cu scopul eliminrii

perturbaiilor. Astfel, folosind un filtru IIR de tip Butterworth (dimensionat n exemplul

4.4, pag. 56) semnalul perturbat din fig. 6.2 (afectat de zgomote datorate micrii) este

filtrat rezultnd semnalul din figura 6.5.

0.4

0.2

0.0

-0.2

0 1 2 3 4 5 Timp [secunde]

Fig. 6.5.

Pentru eliminarea interferenelor cu reeaua de alimentare (50 Hz) se recomand

utilizarea unui filtru stop-band (Notch filter), banda fiind centrat pe 50 Hz i extrem de

ngust (pentru a afecta ct mai puin semnalul util). i n acest caz se recomand

utilizarea filtrelor numerice, de aceast dat de tip FIR. Caracteristica ideal de

frecven este reprezentat n figura 6.6. |H(ej)|

0 -0 0

1

Fig. 6.6.

Pentru o frecven de eantionare egal cu 1000 Hz, conform relaiilor din exemplul 4.2,

pag. 52, avem 0=/10, respectiv =/250, ceea ce corespunde la o lrgime de band f=2 Hz. Rezultatul filtrrii este prezentat n figura de mai jos.

0 1 2 3 4 5 6 Timp [secunde]

Fig. 6.7. Semnal ECG perturbat afectat de interferenele cu reeaua de c.a.

0 1 2 3 4 5 6 Timp [secunde]

Fig. 6.7. Semnal ECG filtrat cu filtru stop-band (50 Hz).

De menionat c simultan cu rejectarea perturbaiilor datorate reelei de alimentare, au

fost eliminate i toate armonicele din zona respectiv ce fceau parte din semnalul

ECG.

6.3.2. Studiul filtrrii semnalului ECG folosind sistemul BIOPAC LabPRO n continuare sunt prezentate rezultatele obinute experimental prin utilizarea

diverselor tipuri de filtre la semnalele ECG achiziionate cu sistemul BIOPAC LabPRO.

n figura de mai jos este prezentat o nregistrare ECG, brut, fr prelucrri.

Fig. 6.8. Semnal ECG brut (achiziionat cu BIOPAC LabPRO).

Am aplicat o filtrare de tip trece-jos, folosind un filtru cu banda 0 - 50 Hz.

Rezultatul filtrrii este prezentat n figura 6.9.

Fig. 6.9. Semnalul ECG filtrat trece-jos cu un filtru cu banda 0 - 50 Hz.

Spectrele acestor semnale (brut i filtrat) sunt obinute prin analiz Fourier i sunt

trasate n figurile 6.10 i 6.11.

Fig. 6.9. Spectru semnalului ECG brut.

Fig. 6.10. Spectrul semnalului ECG brut.

Fig. 6.11. Spectrul semnalului ECG filtrat trece-jos (0 - 50 Hz).

Se poate observa din analiza comparativ a celor dou spectre, c dup filtrare, dispar armonicele a cror frecven este mai mare de 50 Hz, majoritatea celor rmase situndu-se n fereastra 0 - 18 Hz. Sunt evident eliminate zgomote datorate reelei de c.a., micrilor pacientului, etc., dar n aceli timp sunt eliminate i componente utile ale semnalului ECG. Aplicnd un filtru cu banda 0 - 5 Hz semnalului original, se obine evoluia din figura 6.12.

Fig. 6.12. Semnalul ECG filtrat trece-jos cu un filtru cu banda 0 - 5 Hz.

Spectrul acestui semnal este reprezentat n figura 6.13.

Fig. 6.13. Spectrul semnalului ECG filtrat trece-jos (0 - 5 Hz).

Se observ c pe msur ce banda filtrului se micoreaz, sunt eleiminate tot mai multe componente spectrale (armonici) ale semnalului, ceea ce are ca efect modificarea formei acestuia. Rezult c filtrarea poate avea i efecte negative, prin modificarea amplitudinii i formei semnalului.

n figura 6.14 sunt reprezentate semnale ECG procesate cu ajutorul software Professional Version 3.6 (BIOPAC).

50H

z N

otch

a

b

c

d

e

Fig. 6.14. Semnificaia semnalelor este urmtoarea:

a) Semnal ECG brut; b) Semnal filtrat trece-sus 0,05 Hz (sunt eliminate toate componentele armonice cu frecvene mai mici de 0,05 Hz). c) Semnal filtrat trece-jos 100 Hz (sunt rejectate toate componentele armonice cu frecvena mai mare de 100 Hz). d) Semnal filtrat stop-band (Notch filter) centrat pe frecvena reelei de curent alternativ la 50 Hz (este eliminat doar componenta armonic de 50 Hz). e) Semnal filtrat trece banda 17 Hz (este extras din semnalul brut doar componenta armonic cu frecvena de 17 Hz).

6.3.3. Influena filtrelor asupra segmentului ST Electrocardiografele care dispun de dou moduri de nregistrare automat i manual, pot

nregistra segmentul ST supradenivelat la folosirea modului manual, ceea ce face posibil

diagnosticarea fals pozitiv a unei cardiopatii ischemice. Explicaia const n faptul c cele dou

moduri de nregistrare au caracteristici de filtrare diferite. n modul manual, un filtru trece-jos, cu

frecvena de tiere de 0,5 Hz provoac supradenivelarea segmentului ST.

American Heart Association (AHA) recomand pstrarea frecvenelor din banda 0 - 0,05

Hz pentru a evita modificarea segmentului ST. Aceast recomandare este valabil pentru filtrele

analogice i modul de nregistrare manual. Pentru filtrele numerice i modul automat de

nregistrare se recomand pstrarea frecvenelor din banda 0 - 0,67 Hz, din acelai motiv.

n concluzie, pentru modul manual se seteaz frecvena limit inferioar de filtrare, nu

mai mare de 0,05 Hz, iar pentru modul automat se seteaz aceiai frecven la valoarea de 0,5

Hz.

6.4. Concluzii Medicina modern se caracterizeaz, n prezent, prin utilizarea pe scar larg a

aparaturii medicale, concomitent cu introducerea n practica medical a tehnicii computerizate i

a unor metode, avansate, derivate din tiinele matematice. Sub acest aspect, una din

problemele importante ale practicii medicale este obinerea unor semnale biologice de mare

acuratee, care s permit determinri precise ale parametrilor biologici i diagnosticarea

precoce a modificrilor patologice din organismul uman.

Achiziia i prelucrarea semnalelor biologice ocup o parte nsemnat a cercetrii

medicale i se adreseaz n mare msur etapei de filtrare a semnalelor.

n aplicaiile practice, filtrele pot fi ntlnite sub urmtoarele forme:

Ca structuri simple, individuale, pentru eliminarea semnalelor perturbatoare din semnalul util n anumite benzi de frecven.

Ca "bnci" de filtre pentru a realiza o filtrare complex, dar i n scop anticipativ, pentru a determina tendina de modificare a unui semnal.

Ca algoritmi pentru detectarea complexului QRS, al altor unde ECG,

"citirea" parametrilor undelor ECG i aprecierea modificrilor acestora n domeniul

fiziologic i patologic.

Ca algoritmi special proiectai pentru detectarea extrasistolelor, fibrilaiei ventriculare, tulburrilor de repolarizare, etc.

n prezent nu exist electrocardiograf sau sistem de achiziie computerizat a semnalelor

biologice, care s nu cuprind un etaj distinct destinat filtrrii semnalelor.

Acest studiu a pus clar n eviden modificri mari ale semnalului ECG, n funcie de

calitatea filtrelor proiectate. Aceste modificri se extind pn la stadiul de distorsiuni ale

semnalului util, care modific n mod catastrofal interpretarea ECG i introduc riscul unui

diagnostic fals pozitiv sau fals negativ.

Abundena electrocardiografelor pe pia i marea lor accesibilitate, impun pruden n

folosirea lor n practica medical, fr cunoaterea n amnunime a caracteristicilor tehnice.

Acest concept este puin cunoscut i puin acceptat de ctre medicii practicieni din ara noastr.

Importana folosirii filtrelor adecvate este bine cunoscut pentru studiile experimentale i

pentru cercetare, n general, iar neglijarea acestui aspect duce, cu certitudine, la concluzii

eronate n domeniul de cercetare.

Proiectarea i utilizarea filtrelor este foarte dificil n domenii n care electrocardiograful

funcioneaz alturi de alt aparatur i instrumentar medical, sau n condiii de mediu cu

puternice perturbaii. De regul, aceste aspecte se manifest n circumstane medicale cu risc

crescut, cum sunt:

Echipamente mobile pentru asigurarea urgenelor (ambulane, spitale mobile, avion-spital, etc.).

Sli de operaii, unde funcioneaz un numr mare de instrumente (aparate pentru anestezie, respiraie artificial, monitorizare, laser chirurgical, etc.).

Sisteme de reanimare sau de protezare cardio-respiratorie. Monitorizarea bolnavilor n serviciile de terapie intensiv. Defibrilatoare, etc. Determinarea celor mai bune variante de filtre, adaptate semnalului prelucrat, n aceste

situaii, constituie o problem major a cercetrii medicale.

Preocuprile de perspectiv n acest domeniu se adreseaz construirii unor sisteme de

filtrare robuste la artefacte i zgomote, cum ar fi filtrele optimale, adaptate la forma semnalului,

filtre recursive, filtre pentru semnale nestaionare, stochastice.

Pentru implementarea filtrelor se folosesc att circuite electronice, ct i algoritmi

numerici, ce realizeaz filtrarea semnalelor discrete. n ultima perioad de timp se folosesc

pentru filtrare i reele neuronale, care au avantajul "instruirii" pentru fiecare situaie n parte.

-- * --

2. SISTEMUL CARDIOVASCULARMorfologiaMorfologiaMorfologiaFig. 2.8. Montajul electric pentru derivaiile unipolare amplificate ale membrelorFig. 2.12. Reprezentarea spectral a perturbaiilor ce afecteaz o nregistrare ECG.