Основные биотехнические принципы биотелеметрической системы персонального мониторинга электрокардиосигнала

В сердце в каждый момент систолы возбуждается много миллионов мышечных волокон, каждое из которых имеет свою ЭДС возбуждения. Причем направление этих ЭДС может быть различным и даже прямопротивоположным. Если они направлены в одну сторону, то происходит их суммирование, если в разные, то они частично или полностью нейтрализуют друг друга. Электрокардиограф регистрирует суммарную ЭДС всех возбудившихся в данный момент волокон сердца. Рассмотрим последовательность возбуждения отделов сердца и отражение ее на ЭКГ, рисунок 2.

Рисунок 2-Отражение последовательности возбуждения отделов сердца на ЭКГ

Возникнув в синусовом узле, импульс распространяется сначала на правое, а затем на левое предсердие. Суммарная ЭДС регистрируется электрокардиографом в виде зубца Р. После возбуждения предсердий следует период распространения возбуждения по межузловым путям, А—V соединению, пучку Гиса. При прохождении импульса по специфической проводящей системе разность потенциалов очень небольшая, и на ЭКГ записывается горизонтальная линия - сегмент P-Q. Дойдя до мышечной части межжелудочковой перегородки (МЖП), импульс по волокнам Пуркинье достигает миокарда и вызывает возбуждение левой и правой половин МЖП, и почти одновременно по правой ножке пучка Гиса вызывает возбуждение правого желудочка (ПЖ). Если суммарный вектор направлен к положительному полюсу электрода, то первый зубец, отражающий возбуждение желудочков будет направлен вверх от изолинии. И называется зубцом R, если к отрицательному полюсу электрода, то зубец будет направлен вниз от изолинии и называется зубцом Q. Возбуждение постепенно охватывает новые участки миокарда правого желудочка, начинает возбуждаться верхушка и миокард левого желудочка, который почти в три раза толще миокарда правого желудочка. Следовательно, ЭДС возбуждения левого желудочка будет преобладать, и суммарный вектор направляется влево и вниз, т.е. к верхушке сердца, а на ЭКГ запишется самый большой зубец R если суммарная ЭДС направлена к положительному электроду. Или глубокий зубец S, если суммарная ЭДС направлена к отрицательному электроду. Последним возбуждается основание желудочков, их суммарный вектор направлен вверх и несколько вправо. На ЭКГ записывается небольшой зубец S или продолжение зубца R  (в зависимости от направления суммарного вектора). Таким образом, возбуждение желудочков (деполяризация) отражается на ЭКГ комплексом QRS. Конфигурация комплекса зависит от проекции суммарного вектора на оси отведений. Выход   миокарда желудочков из возбужденного состояния (реполяризация) отражается зубцом Т и сегментом SТ. Зубцы Q, R, S, Т    отражают весь период электрической активности желудочков - электрическую систолу, что на ЭКГ соответствует интервалу Q - Т. Диастола на ЭКГ отражается прямой линией, соответствующей сегменту Т - Р.

   Изменения разности потенциалов на поверхности тела, возникающие во время работы сердца, записываются с помощью различных систем отведений ЭКГ. Каждое отведение регистрирует разность потенциалов, существующую между двумя определенными точками электрического поля сердца, в которых установлены электроды. Таким образом, различные электрокардиографические отведений отличаются между собой, прежде всего участками тела, от которых отводится разность потенциалов. Автор источника [5], утверждает что: в клинической практике наиболее широко используют 12 отведений ЭКГ, запись которых является обязательной при каждом электрокардиографическом обследовании пациента:

-Стандартные отведения - 3

-Усиленные однополюсные отведения от конечностей - 3 
-Грудные отведения (однополюсные)- 6

 Стандартные двухполюсные отведения, предложенные в 1913 году Эйнтховеном, регистрируют разность потенциалов между двумя точками  электрического поля, удаленными от сердца и расположенными во фронтальной плоскости - на конечностях.

В зависимости от места  наложения электроды имеют разную маркировку на правой руке  - красную (к) на левой руке  - желтую (ж) на левой ноге  - зеленую (з) на правой ноге – черную (заземление0).

Стандартные отведения, рисунок 3, от конечностей регистрируют при следующем попарном подключении электродов:

I стандартное отведение - правая рука(-) и левая рука(+),

II стандартное отведение - правая рука(-) и левая нога(+),

III стандартное отведение - левая нога(+) и левая рука(-).

 

  

Рисунок 3- Регистрация стандартных отведений

Усиленные однополюсные отведения от конечностей, предложены Гольдбергером в 1942 году. Они регистрируют разность потенциалов между одной из конечностей, на которой установлен положительный электрод данного отведения (правая рука, левая рука, левая нога) и средним потенциалом двух других конечностей (отрицательный электрод), соединенных через дополнительное сопротивление.

Три усиленных однополюсных отведения от конечностей обозначают: aVR - усиленное однополюсное отведение от правой руки,                    aYL - усиленное однополюсное отведение от левой руки,                     aVF - усиленное однополюсное отведение от левой ноги.

Рисунок 4 Регистрация однополюсных усиленных отведений

 

Стандартные усиленные  однополюсные отведения от конечностей  дают возможность зарегистрировать ЭДС сердца во фронтальной плоскости, т.е. плоскости, в которой расположен Треугольник Эйнтховена (поверхность человеческого тела может быть схематически изображена в виде равностороннего треугольника). Для более точного и наглядного определения различных отклонений ЭДС сердца, в частности для определения электрической оси сердца, была предложена шестиосевая система координат. Она получается при совмещении осей трех стандартных отведений и трех усиленных однополюсных, проведенных через электрический центр сердца. Электрический центр сердца делит ось каждого отведения на положительную и отрицательную части, обращенные соответственно к положительному или отрицательному электроду. Направление осей отведений принято определять в градусах. За начало отсчета, 0°, условно принимают радиус, проведенный строго горизонтально из электрического центра сердца влево по направлению к положительному полюсу I стандартного отведения. Положительный полюс II стандартного отведения расположен под углом + 60°,отведение aVF-под углом + 90°, III стандартного отведения - под углом+120⁰, отведение aVL- под углом -30°,отведение aVR- под углом -150° к горизонтали. На рисунке 5 показано формирование шестиосевой системы координат.

Рисунок 5 -Формирование шестиосевой системы координат

 

Грудные отведения, предложенные Вильсоном в 1934г. регистрируют разность потенциалов между активным положительным электродом, установленным в определенных точках на поверхности грудной клетки, отрицательным объединенным электродом Вильсона. Последний образуется при соединении через дополнительные сопротивления трех конечностей (правой руки, левой руки и левой ноги), объединенный потенциал которых близок к нулю (около 0,2 mV). Обычно для записи ЭКГ используют 6 общепринятых позиций грудного электрода на передней и боковой поверхности грудной клетки, которые в сочетании с объединенным электродом Вильсона образуют 6 грудных отведений, рисунок 6.

Рисунок 6- Расположение 6 электродов грудных отведений на поверхности грудной клетки.

 

Грудные отведения обозначаются заглавной латинской буквой V (потенциал, напряжение) с добавлением номера позиции активного положительного электрода, обозначенного арабскими цифрами.

Отведение    V₁ — активный электрод установлен в четвертом межреберье по правому краю грудины.

Отведение V₂ — активный электрод расположен в четвертом межреберье по левому краю грудины.

Отведение V₃ — активный электрод находится между второй и четвертой позицией, примерно на уровне четвертого ребра по левой парастернальной линии.

Отведение V₄ — активный электрод установлен в пятом межреберье по левой срединно-ключичной линии.

Отведение V₅ — активный электрод расположен на том же горизонтальном уровне, что и V₄ по левой передней подмышечной линии.

Отведение V₆ - активный электрод находится по левой средней подмышечной линии на том же горизонтальном уровне, что и электроды отведений V₄ и V₅.

В отличие от стандартных и усиленных  отведений от конечностей грудные отведения регистрируют изменения ЭДС сердца преимущественно в горизонтальной плоскости. Ось каждого грудного отведения образована линией, соединяющей электрический центр сердца с местом расположения активного электрода на грудной клетке.

Согласно источнику [6], методы электрокардиографической диагностики можно разделить на две группы: классические и динамические. Классические методы применяются во многих случаях медицинской практики для ранней диагностики заболевания сердца, уточнения клинического диагноза в срочных случаях, для контроля эффективности лечебных мероприятий, во время операции, для выявления дополнительных данных к клиническому диагнозу посредством проведения функциональных проб. Во всех этих случаях ЭКС регистрируется в состоянии покоя когда обследуемый лежит неподвижным в течение короткого интервала времени. Недостатком регистрации ЭКС классическим методом является практическая невозможность длительной записи из-за неудобств пациента связанных с ограниченностью движений. Также существует ряд медицинских задач и показаний для длительной регистрации и контроля ЭКС в условия в отличных от состояния покоя. Например, в процессе профессиональной деятельности, спортивной медицине и т.п. В этих условиях возможно обнаружение приходящих нарушений ритма, гипоксии миокарда, коронарной недостаточности и многих других патологий.

Таким образом, на основании длительной записи определяются предельные нагрузки, прогноз заболевания, оценка трудоспособности, определение эффективности лекарственного лечения. Такой метод длительной регистрации  ЭКС получил название динамической электрокардиодиагностики. Системы персонального мониторинга ЭКС основаны на методе динамической электрокардиодиагностики, используют два основных технических средства: система холтеровского мониторинга и телеметрические системы. Недостатком холтеровского мониторинга является, ограниченность работы связанное с разрядом батареи питания носимого блока, анализ записанной ЭКГ, осуществляется после полного цикла записи, если цикл записи слишком долгий, во время записи ЭКС возможна внезапная смерть пациента, и польза холтеровского монитора будет только в диагностики летального исхода. Недостатком телеметрических систем является ограниченность радиуса действия  телеметрического канала, в котором осуществляется передача ЭКС, ограниченность времени непрерывной работы - из-за разряда батареи носимого блока, высокая стоимость, главным образом связанная с построением телеметрического канала. Таким образом, необходимо разработать телеметрическую систему персонального мониторинга, обеспечивающую необходимую клиническую точность  с техническими характеристиками, сводящими к минимуму вышеперечисленные недостатки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.3 Особенности систем  персонального мониторинга ЭКС

 

Диагностика нарушений  ритма сердца – одна из основных задач суточного мониторирования  ЭКС. Только при суточном мониторировании ЭКС можно выявить ряд нарушений ритма и проводимости: короткие пароксизмы наджелудочковой и желудочковой тахикардии, фибрилляцию и трепетание предсердий, парасистолию, синоатриальные и атриовентрикулярные блокады, признаки синдрома слабости синусового узла. Особое значение суточного мониторирования ЭКС имеет для диагностики угрожающих жизни аритмий у больных с высоким риском развития внезапной смерти.

К системам персонального  мониторинга предъявляются следующие  требования: многочасовая регистрация ЭКС в условиях естественной активности исследуемого, регистрация текущего времени, воспроизведение зарегистрированной ЭКС, анализ ЭКС. Регистрация ЭКС с помощью 12 отведений при суточном мониторировании имеет ряд недостатков по сравнению с регистрацией при помощи одного отведения холтера, которым фактически является одно из грудных отведений:

1. Увеличение количества мышечных артефактов из-за увеличения 
   площади размещения электродов на грудной клетке.
2. Трудность точной самостоятельной установки пациентом электродов.

Для достаточной диагностической достоверности в данном дипломном проектировании было выбрано одно электрокардиографическое отведение.

Как уже описывалось  выше, системы персонального мониторинга ЭКС используют два технических средства: система холтеровского мониторинга и телеметрические системы. Холтеровская система состоит из регистратора, который записывает ЭКС в течении 24 и более часов по одному или нескольким каналам (отведениям) и анализирующего блока. Анализирующий блок представляет собой программу, выполняемую, как правило, на компьютере, которая в автоматическом режиме анализирует длительную запись и выдает заключение. Анализируемыми параметрами обычно являются нарушение ритма сердца и ишемичемические эпизоды, определяемые по анализу ST сегмента. Регистраторы в основном используют твердотельную память (флэш память).

Телеметрическая система  персонального мониторинга ЭКС позволяет осуществить сбор, анализ и передачу электрокардиографических данных пациента из его дома в телемедицинский центр для дальнейшей обработки специалистами. Телеметрическая система персонального мониторинга ЭКС состоит из регистратора ЭКС, передатчика, телемедицинского центра. Регистрируемый электрокардиосигнал, предварительно усиленный и оцифрованный, передаётся по радиоканалу на приемник, сопряженный с персональным компьютером. На базе персонального компьютера происходит дальнейшая обработка, анализ, хранение электрокардиосигнала.

Таким образом, преимущества телеметрических систем по сравнению с мониторами холтера – анализ сердечного ритма в реальном времени, возможность  мгновенного обмена электрокардиограммами и результатами их анализа по внутрибольничным сетям, сетям Internet, в том числе - и с использованием сотового телефона, что позволяет своевременно оказать помощь пациенту.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.4. Технические средства  персонального мониторинга ЭКС

 

На рынке медицинской  техники существует множество систем персонального мониторинга ЭКС. Рассмотрим их достоинства и недостатки.

Начнем с Аппаратно-программный диагностический комплекс для регистрации и передачи ЭКГ по телефону -ТЕЛЕ-АЛЬТОН.

Для передачи сохраненных в памяти ЭКГ нужно лишь набрать телефонный номер приемной станции и нажать единственную кнопку, рисунок 7.

Рисунок 7- Пример передачи, сохраненного ЭКС, в “Теле-Альтон”,

по телефону

В начале каждой передачи транслируется уникальный номер  регистратора-передатчика, а также информация о дате и времени регистрации фрагмента ЭКГ. Это позволяет организовать автоматический режим работы приемной станции, в котором она способна отреагировать на сигнал вызова по телефону, воспроизвести абоненту заранее записанное приветствие, принять и сохранить ЭКГ в базе данных. Принимаемая ЭКГ и регистрационные данные пациента при этом будут отображаться на экране компьютера на протяжении всего приема. Приемная станция автоматически записывает данные в картотеку принятых ЭКГ, которая может интегрироваться с другими электрокардиографическими программами производства компании "Альтоника". Для улучшения читаемости принятых ЭКГ в приемной станции реализованы 2 независимых цифровых электрокардиографических фильтра. Имеются встроенные средства амплитудных и временных измерений ЭКГ [7].