ELEKTRODER OCH REGISTRERING AV ELEKTROKARDIOGRAM LABORATION 1 TBMT18 MEDICINSK TEKNIK

ELEKTRODER OCH REGISTRERING AV ELEKTROKARDIOGRAM LABORATION 1 TBMT18 MEDICINSK TEKNIK Laborationshandledare: Maria Ewerlöf Kontakt: maria.ewerlof@liu.se, 013-28 67 53 DEPARTMENT OF BIOMEDICAL ENGINEERING LINKÖPING UNIVERSITY Göran Salerud 2014

2 LABORATIONENS MÅL OCH UPPLÄGG I dag har läkare en rad tekniska hjälpmedel till sitt förfogande för att kunna ställa en diagnos. T.ex. kan en registrering av patientens elektrokardiogram (EKG) konstatera olika patologiska (sjukliga) förändringar på hjärtat eller genom stimulering av nervsystemet påvisa patologiska och nervologiska förändringar. Dessa registreringar kan sedan användas som stöd när man ställer en diagnos. Gränssnittet mot biologin utgörs oftast av någon form av elektrokemisk koppling, elektroden. För en korrekt tolkning och påverkan av biologiska system krävs därför en god förståelse för denna medicintekniska del. I denna laboration skall EKG-test som vanligtvis utförs både inom primärvård eller vid ett kliniskt fysiologiskt laboratorium användas. Laborationsuppgifterna skall visa de medicintekniska hjälpmedel som kan användas för att registrera hjärtats funktion. LABORATIONENS MÅL Denna laboration syftar till att öka studenternas kunskaper om elektroders egenskaper och hur störningar påverkar registreringen/stimuleringen av biosignaler. Speciellt skall undersökas: 1. Att bestämma elektroders elektriska egenskaper. 2. Att ge grundläggande insikt i registrering av bioelektriska signaler med hjälp av hudelektroder. 3. Att skapa förståelse för att hudelektroden är en viktig del av mätsystemet. 4. Att lära om grundläggande metoder för registrering av EKG och dess användning. 5. Att undersöka hur störningar påverkar mätningar av EKG. LABORATIONENS UPPLÄGG Laborationen är uppdelad i två delar. Som förberedelse till laborationen skall den teori som anges i varje avsnitt läsas in. Även förberedelseuppgifterna skall lösas innan laborationstillfället (Uppgifter numrerade med F). Laborationstillfället börjar med en kontroll av att ni utfört förberedelseuppgifterna. Laborationsuppgifterna är numrerade med L. Efter varje laborationsmoment skall ni göra en sammanställning över era resultat samt redovisa era tankar och slutsatser kring dessa. För godkänd laboration krävs att förberedelseuppgifterna är gjorda samt ett aktivt deltagande under laborationen. Man skall dessutom kunna resonera kring de resultat som erhållits under laborationen. De två delarna är: 1. Mätning av elektrodimpedanser 2. Registrering av EKG

3 DEL 1A. MÄTNING AV ELEKTRODIMPEDANSER TEORI Se extramaterialet till föreläsningen om elektroder (webbmaterial). FÖRBEREDELSEUPPGIFTER F1. Rita elektriska modeller för elektrod, hud samt biologisk vävnad F2. Under laborationen används hudelektroder. På vilket sätt varierar: 1. resistansen med frekvensen enligt Warburgs seriemodell 2. reaktansen med frekvensen enligt Warburgs seriemodell 3. impedansen med strömtätheten 1 2 3 F3. Vad kännetecknar en silver-silverkloridelektrod? F4. För att mäta elektrod-elektrolytövergångarnas resistans, R och kapacitans, C, används oscilloskopet enligt Figur 2. På instrumentet avläses de två spänningarna U A och U B samt fasskillnaden, θ, dem emellan. Härled ett uttryck på Z t = R t + jx t då referensmotståndet R ref är känt. Tips: Inför Z' = Z t + R ref θ = arctan (X/R) Gain (db) = 20 log 10 (U B /U A ) U B /U A =I Z /I R ref

4 LABORATIONSUPPGIFTER L1. Mät elektrodimpedansen hos silver-silverklorid-elektroder. Mätningen skall ske i frekvensområdet 1-1000 Hz. Strömtätheten skall härvid hållas konstant vid 2,5 A/m 2, genom att mäta signalens amplitud över ett referensmotstånd med ett oscilloskop. I teoriavsnittet visas hur en elektrod-elektrolytövergång kan liknas vid en kapacitans och en resistans i serie. Din uppgift är att mäta upp dessa storheter på en mätcell, vars ekvivalenta schema visas i Figur 1. C 1 R 1 R e R 2 C 2 Figur 1. Mätcellens ekvivalenta schema C 1, R 1 och C 2, R 2 är elektrod-elektrolytövergångarnas resistans resp. kapacitans. C 1 = C 2 = C och R 1 = R 2 = R R e är elektrolytens resistans. R e har dock funnits vara så liten jämfört med R att den kan försummas. Beräkna mätcellens totala resistans, R t, och totala kapacitans, C t. Om den totala resistansen kallas R t erhåller vi: R t = 2R+R e 2R (1) C t = C/2 (2) Mätning av elektrodimpedansen sker med hjälp av två kanaler på ett oscilloskop enligt Figur 2. A B Z t R ref Mätcell Referensmotstånd + U A _ + U B _ Figur 2. Mätning av den totala elektrodimpedansen Z t hos mätcellen med hjälp av ett oscilloskop. R ref är ett referensmotsånd. Referensmotståndet, R ref justeras in så att förstärkningen 20 log 10 (U B /U A ) ligger mellan 20 och 40 db. Strömtätheten skall hållas konstant vid 2,5 A/m 2, vilket betyder att topp-tilltopp-värdet av strömmen genom Z t och R ref skall vara 0,5 ma. Spänningen över R ref mäts med oscilloskop och injusteras med hjälp av signalgeneratorn så att rätt värde på strömtätheten erhålles.

5 Förberedelseuppgift F4 ger hur man beräknar resistans och kapacitans. Plotta resistansen och kapacitansen som funktion av frekvensen för de olika elektrodtyperna.

6 DEL 1B. UPPMÄTNING AV HUD- OCH VÄVNADSIMPEDANS TEORI Se bl.a. följande kapitel i Medicin och Teknik, Jacobsson 2006; elektrokardiografi på sidorna 143-164 och elektrisk säkerhet på sidorna 535-552. FÖRBEREDELSEUPPGIFTER F5. Ange ekvivalent elektrisk krets för hud samt biologisk vävnad. F6. Sök i litteraturen reda på normala värden på hud och vävnadsimpedans. Hur ändras impedansen med spänning och frekvens? LABORATIONSUPPGIFTER L1. För att studera inverkan av olika slags hudpreparering skall ni först placera två elektroder direkt på torr hud och mäta elektrodimpedansen med impedansmätaren. Upprepa mätningen när ni har elektrodpasta mellan elektroderna och huden. Avståndet mellan elektroderna kan vara kort. Ändra också frekvensen som impedansmätaren använder vid registreringen. Torr hud Med elektrodpasta

7 Vad blir resultatet, och kan ni utifrån det säga vilken hudpreparering som bör användas? Förklara också på vilket sätt de olika prepareringarna påverkar hudimpedansen. Stämmer resultatet med hudens amplitudkarakteristik enligt förberedelseuppgift F5? L2. Placera elektroderna på ett sådant sätt att du eventuellt har möjlighet att uppskatta vävnadsimpedansen. Jämför med litteraturen om det uppmätta värdet stämmer.

8 DEL 1C. STÖRNINGAR VID REGISTRERING AV BIOELEKTRISKA SIGNALER TEORI Se bl.a. följande kapitel i Medicin och Teknik, Jacobsson 2006; elektrokardiografi på sidorna 143-164 och elektrisk säkerhet på sidorna 535-552. FÖRBEREDELSEUPPGIFTER F7. Vad krävs av elektroderna och EKG-förstärkaren för att erhålla en EKG-registrering med högt signal-brus-förhållande, SNR? Hur kan man generellt förbättra en mätsignals SNR? F8. EKG-förstärkaren bygger nästan uteslutande på differentialförstärkarteknik som kräver speciella förutsättningar. Skissa ett blockschema för en differentialförstärkare och förklara vilka delar som har stor betydelse för att man skall kunna registrera ett EKG med god kvalitet.

9 LABORATIONSUPPGIFTER L1. Kontrollera att EKG-skrivarens normala pappershastighet (25 mm/s) är vald. Placera EKG-elektroderna för registrering av standardavledningar och anslut dem till EKGskrivaren. Visa, genom att samtidigt registrera avledningarna av F, av R, av L och V I, V II, VIII på EKGskrivaren, att sambanden nedan stämmer V I - V II + V III = 0 och av F - av R + av L = 0 L2. Innan ni börjar skall ni genomfört punkt L1 i laboration. Simulera nu vad som händer vid ökad hud-elektrod-impedans genom att koppla ett dekadmotstånd i serie med en av hudelektroderna enligt figuren nedan. Variera motståndet med 1k, 10k, 100k, samt 1M. Studera resultatet på EKGskrivaren och förklara varför resultatet blev som det blev. Till er hjälp finns figurer på nästa sida. L3. Simulera vad som händer då EKG-förstärkarens ingångsimpedans sjunker. Koppla in ett dekadmotstånd parallellt över en ingång på förstärkaren enligt figuren nedan. Shunta med 1k, 10k, 100k, samt 1M. Studera resultatet på EKG-skrivaren och förklara varför resultatet blev som det blev. Till er hjälp finns figurer på nästa sida.

Hjälpfigurer till L2 10

11 DEL 2A. REGISTRERING AV EKG TEORI Registrering av EKG sker med elektroder som placeras på kroppen. Patienten får lägga sig bekvämt på rygg varefter extremitetselektroderna placeras på handleder och vrister i enlighet med de färgmarkeringar som finns på kablarna, se L1 nedan. Om registreringen har utförts med annat kroppsläge kan detta förändras EKG-bilden och detta bör därför alltid noteras. Prekordialelektroderna placeras enligt ett visst mönster på bröstkorgen, men dessa kommer inte att användas vid den här laborationen. Avledningarna kommer nu att återspegla hjärtats elektriska aktivitet. Hjärtats elektriska axel definieras som summan av de elektriska vektorerna i frontalplanet. Enkelt uttryckt kan man säga att den elektriska axeln visar huvudriktningen av depolarisationsvågfronten i kammarmyokardiet. Den elektriska axeln påverkas dels av hjärtats anatomiska läge och dels av förändringar i hjärtat som leder till ändrat depolarisationsförlopp. Se bl.a. följande kapitel i Medicin och Teknik, Jacobsson 2006; elektrokardiografi på sidorna 143-164. Se även denna länk: http://library.med.utah.edu/kw/ecg/index.html FÖRBEREDELSEUPPGIFTER F9. Ta reda på hur man kan registrera de potentialer som skapas i hjärtmuskulaturen genom att använda unipolära respektive bipolära extremitetsavledningar. Rita i Figur 1 nedan hur man mäter upp avledningarna avf och II. Unipolär extremitetsavledning avf Bipolär extremitetsavledning II Figur 1. Figur för att markera extremitetsavledningar F10. På moderna EKG-apparater redovisas extremitetsavledningarna i den ordningsföljd som de kommer i det sex-axlade koordinatsystemet. Vad innebär detta och varför har man detta förfarande?

12 F11. Sök i litteraturen reda på vilka komponenter och tider som kan urskiljas i ett EKG. Vilka delar av hjärtmuskulaturen är dessa kopplade till? F12. Ge exempel på patologiska förändringar i hjärtmuskulaturen som kan registreras med ett EKG.

13 LABORATIONSUPPGIFTER L1. Bekanta er med EKG-skrivaren genom att läsa igenom bruksanvisningen och det informationsblad som finns hos EKG-skrivaren. Kontrollera att EKG-skrivaren är inställd på manuell samt att pappershastigheten är inställd på 25 mm/s. Placera sedan EKGelektroderna för registrering av standard-avledningarna genom att ansluta dem till EKGskrivaren enligt Figur 3 nedan. Figur 3. Anslutningspunkter vid EKG-registrering För att snabbt kontrollera om registreringen vid bipolära extremitetsavledningar utförts med korrekt elektrodplacering kan Einthovens lag tillämpas. Visa genom att utföra en rytmregistrering på EKG-skrivaren att sambandet nedan stämmer: I II III 0 avf avr avl 0 L2. Utför en rytmregistrering igen och beräkna hjärtfrekvensen. Hjärtfrekvensen är slag/min L3. Bedöm ur ovanstående rytmregistrering om elektriska axeln är vänster-, normal- eller högerställd med hjälp av stencilen som finns hos handledaren. Hjärtats elektriska axel är -ställd L4. Utför de rytmregistreringar som beskrivs i protokollet nedan och försök att identifiera de komplex som kan registreras samt beräkna de tider som är intressanta i ett EKG. Mät, beräkna och fyll i de efterfrågade parametrarna i tabellerna nedan och representera dem grafiskt.

14 PROTOKOLL Mätningarna för var och en av de sex olika rytmregistreringarna görs enligt följande (om inget annat anges): 1. Analysera 8 på varandra följande hjärtcykler och mät periodtiden (ΔT). Välj avståndet mellan två på varandra följande R-toppar som mätområde. Beräkna medelvärdet av de enskilda periodtiderna samt skillnaden mellan det minsta och maximala ΔT-värdet (max-min). Beräkna hjärtfrekvensen i SPM (slag per minut). 2. Analysera 5 på varandra följande hjärtcykler och mät periodtiden (ΔT) för ventrikulär systole (QT-intervallet) och ventrikulär diastole (TR-segment tiden mellan slutet av en T-våg till följande R-topp). Beräkna medelvärdet. I. Liggande, i vila, normal andning I/1. 1 2 3 4 5 6 7 8 medel( T) max-min T SPM: I/2. T (QT-intervall) T (TR-segment) 1 2 3 4 5 medel ( T) II. Sittande, normal andning II/1. 1 2 3 4 5 6 7 8 medel( T) max-min T SPM:

15 II/2. T (QT-intervall) T (TR-segment) 1 2 3 4 5 medel ( T) III. Stående, normal andning III/1. 1 2 3 4 5 6 7 8 medel( T) max-min T SPM: III/2. T (QT-intervall) T (TR-segment) 1 2 3 4 5 medel ( T) IV. Sittande, djup andning III/1. T (inandning) T (utandning) 1 2 3 4 5 medel ( T) I/2. Analysera 3 på varandra följande hjärtcykler och mät periodtiden ( T) av olika EKG avsnitt enligt tabellen nedan. Fyll i tabellen med mätdata och beräkna sedan medelvärdet. Förklara kort i tabellen dina iakttagelser.

16 V. Effekt av fysisk aktivitet Utför någon form av fysisk aktivitet (till exempel genom att springa några vändor i korridoren och/eller göra ett antal armhävningar). Gör en EKG-mätning precis före aktiviteten och en direkt efteråt. Jämför de uppnådda resultaten. V/1. Före 1 2 3 4 5 6 7 8 medel( T) max-min T SPM: V/2. Före T (QT-intervall) T (TR-segment) 1 2 3 4 5 medel ( T) V/3. Efter 1 2 3 4 5 6 7 8 medel( T) max-min T SPM: V/4. Efter T (QT-intervall) T (TR-segment) 1 2 3 4 5 medel ( T) VI. Effekter av cirkulatoriska reflexer Undersök effekten av att plötsligt ställa sig upp. Gör en registrering av hjärtaktiviteten i liggande ställning samt direkt efter att man förflyttat sig till upprättstående. Välj ett mätområde mellan två på varandra följande R-toppar. Mät periodtid ( T) och rita in dem i diagrammet.

17 V/1. Liggande 1 2 3 4 5 6 7 8 medel( T) max-min T SPM: V/1. Plötsligt stående 1 2 3 4 5 6 7 8 medel( T) max-min T SPM:

18 B. DATASAMMANSTÄLLNING OCH KONKLUSION 1. Effekter av kroppsposition Kroppsläge SPM (medel) QT intervall TR segment Liggande, normal andning Sittande, normal andning Stående, normal andning Förklara resultaten: 2. Effekter av respiration (normal sinusrytm) Kroppsläge Medel ( T) Sittande, djup inandning Sittande, djup utandning Påverkar andningen hjärtfrekvensen. Förklara! 3. Effekter av fysisk aktivitet Kroppsläge SPM (medel) QT-intervall TR-segment Strax före fysisk aktivitet Strax efter fysisk aktivitet Hur påverkar fysisk aktivitet längden av ventrikulär systole och diastole samt frekvensen. 4. Effekt av hjärtreflexer T (medel) SPM(medel) Plötsligt stående Före intervention Under intervention Under de första 5 hjärtcyklerna Under 10-15:e hjärtcyklerna a) Hur ändras hjärtfrekvens när man plötsligt reser sig upp. Vad är skillnaden mellan första och andra uppresningen och vilka är de sena eftereffekterna? b) Förklara funktionen som kallas cirkulatorisk reflex.