ENUNȚUL TEMEI: Analiza teoretică și implementarea practică a unui sistem ECG cu autointerpretare patologică CONȚINUTUL proiectului de diplomă Piese… [308708]

[anonimizat]: Analiza teoretică și implementarea practică a unui sistem ECG cu autointerpretare patologică

CONȚINUTUL proiectului de diplomă

Piese scrise

Piese desenate

Anexe

LOCUL DOCUMENTĂRII: [anonimizat]: Prof. dr. ing. Marius N.Roman

Data emiterii temei: ………………………………………………

Termen de predare: ……………………………………………….

[anonimizat]: [anonimizat].dr. ing. Marius N. [anonimizat]: Deoarece acest proiect de diplomă/lucrare de disertație nu ar fi putut fi finalizat(ă) fără ajutorul membrilor departamentului de Inginerie Medicală și a [anonimizat].

Data: ………… Semnătura

Declarație: Subsemnata Ioana Braic declar că am întocmit prezentul proiect de diplomă/[anonimizat], sub îndrumarea conducătorului științific și pe baza bibliografiei indicate de acesta.

Data: ………… Semnătura

Capitolul I : Introducere

1.1 Importanța temei. Problematica actuală

Electrocardiograma (EKG) este una dintre cele mai importante explorări funcționale pentru pacienții cu probleme cardiace ([anonimizat], aritmii, palpitații). Potrivit unui studiu al Asociației Române a Producătorilor Internaționali de Medicamente (ARPIM) 60% dintre decesele înregistrate în Romania au fost cauzate de boli cardiovasculare. Am ales acest subiect deoarece în familia mea există membrii care suferă de afecțiuni ale inimii și care au fost supuși și intervențiilor chirurgicale. Prin dezvoltarea acestei teme vreau să îmbunătățesc și să ușurez viața pacienților cu patologii cardiace.

[anonimizat], au loc în anul 1790 când medicul Luigi Galvani a reușit să facă “să danseze” prin stimulare electrica picioarele unei broaște moarte. Explicația științifică a acestui fapt este aceea că închiderea prin picioarele broaștei a unui circuit care conectează două metale diferite va crea un curent electric de stimulare.

După 65 de ani de la aprecierile pe care le-a [anonimizat] Kölliker și Horst Mueller au constatat în anul 1855 că, atunci când un nerv de la piciorul broaștei este așezat pe o [anonimizat] a inimii. [anonimizat], și au presupus că bătăile inimii trebuie să se datoreze unor stimuli electrici.

Kölliker si Mueller au făcut așadar legătura între bătăile inimii și fenomenele electrice.

[anonimizat] 1880, o realizare deosebit de importantă i se datorează psihologului britanic Augustus D. Waller care a descoperit că stimulii electrici ritmici ai inimii pot fi monitorizați de la suprafața pielii. Dispozitivul pe care l-a folosit era rudimentar pentru aplicarea clinică deoarece consta din electrozi aplicați pe pielea persoanei care era supusă investigației și conectați la un “electrometru capilar” [anonimizat] a detecta activitatea electrică slabă.

În 1893 apare în scenă medicul și fiziologul olandez Willem Einthoven care pe baza ideilor predecesorilor săi introduce termenul de electrocardiogramă la o întâlnire a Asociației Medicilor Olandezi. Electrocardiograma este o înregistrare a activității electrice a fibrelor musculare ale inimii. În 1901 Einthoven suspendă un conductor argintat între polii unui magnet. La capetele firului conectează doi senzori(electrozi) amplasați pe cele două membre superioare ale subiectului. El observă că firul din câmpul magnetic se mișcă în același timp ca și inima subiectului pe care sunt amplasați electrozii. A vrut să găsească însă și o modalitate de a stoca aceste informații, și s-a gândit să proiecteze o raza subțire de lumină peste firul argintat care se mișca. Undele obținute au fost denumite în ordine alfabetica P, QRS și T.

Fig.1 Principul de inregistrare ECG(*)

[*]-Interpretarea rapida a EKG-urilor, Dale Dubin

Așadar, altfel spus, modificarea potențialelor electrice ale inimii se pot măsura la suprafața pielii organismului, formând astfel o înșiruire de imagini repetate a activității cardiace electrice(cicluri cardiace).

Capitolul II : Principii de bază

2.1 Electrofiziologie cardiacă

Celula musculară miocardică este o celulă excitabilă, care prezintă potențial de repaos datorită inegalității ionilor din mediul intracelular și extracelular, adică de o parte și de alta a membranei celulare. În mediul intracelular majoritari sunt ionii de K+, iar în mediul extracelular ionii de Na+ si Cl- .

Celulele mușchiului cardiac se numesc miocite; în stare de repaos acestea sunt polarizate, interiorul lor fiind încărcat negativ. Atunci când aceste celule se depolarizează, interioarele lor devin pozitive și celulele se contractă. Pe măsură ce unda de depolarizare parcurge miocardul aceasta face ca interioarele miocitelor sa fie pozitive si sa se contracte. Faza de recuperare ce urmează, în care miocitele își recapătă negativitatea se numește repolarizare. Depolarizarea și repolarizarea sunt înregistrate pe ECG ca și unde triunghiulare(în cazul depolarizării) și sinusoidale (în cazul repolarizării).

Activitatea electrică a inimii se detectează cu ajutorul unor senzori, denumiți altfel electrozi. Această activitate se poate înregistra cu ajutorul unor echipamente medicale, în care se include și aparatul ECG.

O undă de depolarizare care se deplasează către un electrod pozitiv va trasa pe ECG o undă îndreptată în sus în majoritatea cazurilor.

Nodul sinusal (Nodul SA) sau pacemaker-ul inimii inițiază o undă de depolarizare care se răspândește spre exteriorul inimii, stimulând contracția atriilor. Generarea de stimuli ritmici se numește automatism cardiac.

Undele de depolarizare emise de Nodul SA se răspândesc în ambele atrii, acest fapt înregistrând pe ECG depolarizarea celor doua atrii ,notată cu litera P (unda P).

Contracția simultana a atriilor face ca sângele să treacă prin valvele atrio-ventriculare(AV). Valvele atrio-ventriculare se regăsesc sub această denumire deoarece sunt situate între atrii și ventricule, acționând ca izolatori electrici ai ventriculelor față de atrii. Acestea sunt: valva bicuspidă(mitrală) și valva tricuspidă.

Fig.2 Valvele mitrală si tricuspidă*

Potențialele membranare la nivelul miocardului pot fi clasificate în două mari categorii:

potențialul fibrelor cu răspuns rapid

potențialul fibrelor cu răspuns lent

În categoria de potențiale cu răspuns lent se încadrează Sistemul His-Purkinje, iar în categoria celor cu răspuns rapid se încadrează nodul sinusal(producătorul/formatorul de ritm) și nodul atrio-ventricular. Acesta din urmă se afla în continuarea unui sistem de conducere specializat, care distribuie depolarizarea la ventricule.

În cele ce urmează voi vorbi câteva lucruri despre circulația sângelui in organismul uman. Aceasta este alcătuită din doua circuite, separate fizic dar, strâns corelate funcțional. Ele sunt cunoscute sub denumirea de circulația mare/ sistemică și circulația mică/pulmonară. După cum se cunoaște, partea dreaptă a inimii primește sânge venos hipooxigenat din întregul organism și îl pompează în plămâni. Ventriculul drept se contractă, realizând astfel trecerea sângelui venos prin valva pulmonară în artera pulmonara, ajungând în final în plămâni. Sângele oxigenat de la nivelul plămânilor ajunge în atriul stâng, care contractându-se, pompează sângele în ventriculul stâng, prin valva mitrală. De aici, ventriculul stâng, pompează sângele spre toate zonele corpului, prin valva aortică.

După cele expuse mai sus se poate face conexiunea între activitatea electrică și fiziologia mecanică a inimii. Contracția atriilor face ca sângele să treacă prin valvele atrio-ventriculare, dar trecerea prin aceste valve în ventricule se face într-un interval scurt de timp, reprezentat de linia izoelectrică ce se afla după fiecare undă P.

[*]-Interpretarea rapida a EKG-urilor, Dale Dubin

Fasciculul His reprezintă începutul sistemului ventricular de conducere. Acesta trece de valvele atrio-ventriculare după care se împarte în ramura dreapta și ramura stângă a fasciculului. Filamentele terminale ale fibrelor Purkinje fac posibilă transmiterea depolarizării până la nivelul miocitelor ventriculare. Așadar, cu ajutorul sistemului His-Purkinje se realizează depolarizarea întregului miocard, care produce pe EKG un complex QRS.

Se poate afirma în urma celor discutate mai sus că :

sistemul ventricular de conducere (fascicolul His pana la filamentele terminale) este alcătuit din fibre Purkinje, care utilizează ioni de Na+ cu deplasare rapidă.

complexul QRS reprezintă de fapt doar începutul contracției ventriculare, dar noi îl asimilam cu producerea contracției ventriculare, respectiv spunem ca este o înregistrare a depolarizării ventriculare.În figura 3 este ilustrată reprezentarea bidimensională a fasciculului His și a fibrelor Purkinje ramificate.

Fig.3 Fasciculul His și Fibrele Purkinje*

Segmentul cu care se continua complexul QRS se numește ST. Acesta este, în mod normal la același nivel cu celelalte zone ale liniei izoelectrice. In caz contrar, apariția unor supradenivelări sau subdenivelări, este semn de existență a unor probleme patologice. Repolarizarea ventriculară are loc atât pe parcursul segmentului ST cât și pe parcursul undei T, diferența dintre ele fiind reprezentată de faptul că, în cazul segmentului ST repolarizarea este în fază inițială(fază de platou), iar în cazul undei T este în fază finală( fază ,,rapidă”).

Intervalul QT este semnificativ clinic datorită faptului că sistola ventriculară are loc de la începutul complexului QRS până la sfârșitul undei T.

Așadar, un ciclu cardiac (care se repetă permanent) este format din unda P, complexul QRS, unda T si linia izoelectrica pană la întâlnirea unei noi unde P. Succesiunea apariției evenimentelor dintr-un ciclu cardiac este ilustrata in figura 4.

Fig.4 Ciclul cardiac*

2.2 Aparatul cardiocirculator

Sistemul cardiocirculator (sau cardiovascular) este un tot unitar alcătuit din sistemul sanguin sau cardiovascular și din sistemul limfatic. La rândul său sistemul sanguin este alcătuit din inimă, ca organ central, și din vase de sânge, iar cel limfatic din vase limfatice, ganglioni limfatici și organe limfoide.

Dintre multiplele funcții ale aparatului circulator fac parte și aprovizionarea organismului cu oxigen, hormoni, substanțe nutritive, vitamine, dar și eliminarea dioxidului de carbon, detoxificarea ( îndepărtarea reziduurilor spre ficat) și excreția ( îndepărtarea reziduurilor spre rinichi).

Vasele de sânge formează o rețea prin care sângele circulă de la inimă către toate organele corpului (artere) și de aici înapoi, la inima (vene).

Sângele care pleacă de la inima este sânge arterial de culoare roșu aprins ca urmare a concentrației mari de oxihemoglobina din eritrocite. Sângele care se întoarce la inima este sânge venos, de culoare roșu închis ca urmare a concentrației mari de carbohemoglobina din eritrocite.

Schematic, sistemul circulator este alcătuit ca în figura 5.

[*]-Interpretarea rapida a EKG-urilor, Dale Dubin

Fig.5 Sistemul circulator**

2.3 Concluzii

Acest capitol reprezintă o introducere în universul electrocardiografiei . Începuturile sale sunt dezvăluite de oameni de știința precum Luigi Galvani, Albert von Kölliker, Horst Mueller, Augustus D. Waller și nu in ultimul rând, cel ce a descoperit electrocardiograma pe baza ideilor predecesorilor săi, Willem Einthoven.

Activitatea electrică a inimii se detectează cu ajutorul unor unde de depolarizare si repolarizare a celulelor musculare cardiace. Activitatea electrică și fiziologia mecanică a inimii sunt strâns legate între ele. Un ciclu cardiac este format din unda P, complexul QRS, unda T si în unele cazuri unda U(mai putin semnificativă) Sistemul cardiocirculator este foarte important deoarece el asigura transportul sângelui la, și de la inima, aprovizionează organismul cu substanțe nutritive, hormoni dar are ca si funcții si eliminarea dioxidului de carbon și îndepărtarea reziduurilor spre rinichi.

[**]-http://www.medipedia.ro

Capitolul III: Înregistrarea electrocardiogramei

3.1 Date generale

Electrocardiograma este un semnal care oferă informații despre variațiile de potențial electric preluate de la suprafața pielii, ce se formează în timpul activității cardiace. O investigație de tip EKG poate oferi și informații despre ritmul inimii, poziția inimii, mărimea cavitații cordului, tulburările de ritm, originea impulsului, propagarea acestuia prin masa miocardului etc.

Electrocardiograful, aparatul care ajută la preluarea semnalului de la nivelul pielii pacientului, este compus din electrozi, cabluri de conectare la pacient, blocul de intrare care conține diferite componente pentru construcția derivațiilor unipolare, sistemul de amplificare și sistemul de afișare. Cablurile de pacient au culori standardizate: galben-mâna stânga, roșu-mâna dreapta, verde-piciorul stâng, negru-piciorul drept.

EKG este o înregistrare grafică realizată pe hârtie milimetrica. Cele mai mici diviziuni sunt pătrate cu înălțimea și lungimea de 1 milimetru. Axa timpului este cea orizontală și se citește de la stânga la dreapta, ca în orice grafic.

Supradenivelările și subdenivelările segmentelor, cât și cele ale undelor față de linia izoelectrică, se măsoară în milimetri.

Dacă discuția face referire la timp, atunci, un milimetru reprezintă 0,04 secunde. Așadar, daca între două linii groase sunt 5 pătrățele(5 milimetri) atunci timpul este de 0,2 secunde.

3.2 Amplasarea electrozilor

Pentru rezultate bune ale investigației de tip EKG trebuie să se cunoască anumiți pași, atât în pregătirea pacientului cât și în amplasarea electrozilor pe acesta.

În funcție de felul aparatului care realizează investigația EKG ( de repaus, de efort, Holter, etc.) electrozii pot fi de mai multe tipuri:

în cazul electrografiei de repaus se vor utiliza cele 12 derivații, adică mai exact 4 electrozi pe membre și cei 6 electrozi precordiali. Motivul pentru care se spune ca se utilizează 12 derivații, când în realitate sunt doar 10 este faptul ca cei 4 electrozi de pe membre corespund celor 6 derivatii (3 bipolare și 3 augmentate).

în cazul electrografiei de efort se vor utiliza tot cele 12 derivații, dar cu utilizarea tututror electrozilor.

în cazul electrografiei de tip Holter se vor utiliza un număr variat de electrozi în funcție de cerințele investigației medicului ( minim 2- maxim 12).

Pentru ca studiul lucrării se referă la o investigație EKG de repaus vom detalia doar această parte. Așadar putem spune că pentru electrografia de repaus electrozii corespunzători membrelor vor fi amplasați pe încheieturi, pe partea interioară a brațului, respectiv pe partea interioară a piciorului.Se respectă și codul culorilor în cazul în care acestea există, și anume roșu-mâna dreapta, galben-mâna stânga, verde-piciorul stâng, negru-piciorul drept.Electrozii precordiali vor fi amplasați după cum urmează:

electrodul corespunzător derivației V1 se va poziționa în al 4-lea spațiu intercostal, pe marginea sternală dreaptă;

electrodul corespunzător derivației V2 se va poziționa în al 4-lea spațiu intercostal, pe marginea sternală stângă;

electrodul corespunzător derivației V3 se va poziționa între electrozii 2 si 4;

electrodul corespunzător derivației V4 se va poziționa în al 5-lea spațiu intercostal, linia medioclaviculară stangă;

electrodul corespunzător derivației V5 se va poziționa pe linia axilară inferioara, la nivelul celui de-al 4-lea electrod;

electrodul corespunzător derivației V6 se va poziționa pe linia axilară mediana, la nivelul celui de-al 4-lea electrod.

Este necesar de precizat că acest timp de investigație EKG se poate face și numai cu ajutorul electrozilor de pe membre.

3.3 Derivațiile EKG

Înregistrarea EKG standard se compune din 12 derivații. Acestea au fost notate cu I, II, III,

aVR, aVL, aVF, V1, V2, V3, V4, V5, V6. Derivațiile bipolare (I, II, III) formează un triunghi echilateral, având inima în centrul acestuia. Ele au fost experimentate de către Eithoven. Derivația I ne spune că amplasarea electrodului pozitiv se face pe brațul stâng în timp ce electrodul negativ se regăsește pe brațul drept. În cazul derivațiilor II și III electrozii de pe membrele superioare sunt negativi și in fiecare caz cel de pe piciorul stâng este pozitiv.

Derivațiile unipolare (aVR, aVL, aVF) corespund membrelor și au fost experimentate de Wilson și Goldberger. În funcție de denumirile lor, acestea utilizează pe rând cate un electrod pozitiv și două negative astfel:

în cazul derivației aVF electrodul pozitiv îi corespunde piciorului stâng, pentru derivația aVR brațul drept reprezintă electrodul pozitiv, respective pentru derivația aVL brațul stâng este electrodul pozitiv. Prescurtarea aleasă de Dr. Golberger semnifică: a-augmented, V-voltage și R,L,F- right, left, foot.

Primele șase derivații formează un sistem de referință numit sistem de referință hexaxial. Cu ajutorul acestuia se găsește care dintre derivații este cea mai izoelectrică (echidifazică). Se identifica în acest sistem derivația și de asemenea linia care este perpendiculară pe aceasta. Astfel, dacă derivația identificată este aVL, cea perpendiculară este derivația II. În acest moment se verifică daca deflexia este pozitivă sau negativă în semnalul EKG și se stabilește la câte grade se află axa electrică a inimii.

Pentru a observa cât mai bine și pentru a putea o perspectivă cat mai fidelă ale pozițiilor diferite ale derivațiilor am folosit figura 6 cu unghiurile și derivațiile aferente.

Fig.6 Cele șase derivații și unghiurile aferente*

Ultimele derivații, dar nu cele mai puțin importante, sunt derivațiile precordiale(V1, V2, V3, V4, V5, V6). Acestea sunt unipolare, electrodul explorator fiind plasat pe torace, în apropierea inimii. Amplasarea acestora se face respectând stadii succesive, din partea dreaptă a pieptului pacientului spre partea stângă formând practic un semicerc în jurul inimii în plan orizontal. Planul acestor derivații împarte corpul uman într-o jumătate inferioara și una superioară. Dacă ne-am imagina derivațiile V1-V6 ca fiind spițele unei roți, nodul AV va reprezenta centrul acestei roți. De exemplu ,,spița” pe care o trasează derivația V2 drept, din fața până în spatele pacientului este considerată pozitivă în față și negativă în spate.

Derivațiile toracice ,,drepte” sunt considerate V1 și V2, iar cele două de pe partea stângă a inimii sunt V5 și V6. Între acestea, deasupra zonei septului interventricular se află derivațiile V3 și V4.

Știm faptul că complexul QRS reprezintă depolarizarea ventriculară și este în principal pozitiv. Unda de depolarizare ce se deplasează spre electrodul pozitiv al derivației V6 formează o deflecție pozitivă pe traseul acestei derivații.

3.5 Concluzii

Capitolul III pune accentul pe cunoașterea practica a sistemului de interpretare EKG și anume părțile componente ale electrocardiografului, dar și felul în care acestea se citesc și se interpretează. Plecând de la informații despre codul culorilor, amplasarea electrozilor pe pacient, citirea graficelor în funcție de axa timpului se va putea realiza cu ușurință o interpretare corectă a unei investigații de tip EKG.

În cea de-a doua parte a capitolului se vorbește pe scurt despre amplasarea fiecareia dintre cele 12 derivații EKG ( I, II, III, aVR, aVL, aVF, V1, V2, V3, V4, V5, V6) și despre legăturile dintre ele și reprezentarea grafică sub formă de unde și segmente.

Capitolul IV: Sistemul nervos autonom

4.1 Funcționarea sistemului nervos autonom

Știm că sistemul care se ocupă de reglarea funcțiilor vitale a totalității organelor este în cea mai mare parte sistemul nervos autonom(vegetativ), ajutat însă și de sistemul nervos central (dar nu în mod conștient). Ceea ce este vizat în această lucrare, este în special controlul inimii și a arterelor sistemice în strânsă legătură cu tensiunea arterială. Sistemul nervos autonom are doua subdiviziuni, fiecare cu funcția ei bine definita: o subdiviziune are rolul de a stimula, iar cealaltă de a inhiba.

Un stimul ce se găsește în SNA este trimis la un ganglion de celule nervoase secundare pentru procesare. Aceste celule nervoase se ocupa cu transmiterea stimulului terminațiilor lor nervoase.

Sistemele componente ale sistemul nervos autonom se numesc sistem simpatic, respectiv opusului său, sistem parasimpatic. Aceste sisteme secretă fiecare la rândul lor un neurotransmițător, cu scopul de a activa anumiți receptori celulari din membranele celulare.

4.2 Sistemul nervos simpatic

Sistemul nervos simpatic este parte componenta a sistemului nervos vegetativ(autonom). Acesta este responsabil de reacția ,,de fugă” a organismului uman în cazul în care se observă un pericol.

Noradrenalina, sau altfel spus, neurotransmițător al sistemului nervos simpatic, este responsabilă de efectele cardiace excitatorii, cum ar fi:

activarea receptorilor β1 ai inimii, care realizează stimularea mai rapidă a nodului SA;

îmbunătățirea conducerii nodului AV si accelerarea conducerii prin miocardul atrial si ventricular;

creșterea forței contracțiilor miocardice;

creșterea iritabilității focarelor care se ocupa de automatismul atrial, și care afectează minim focarele ventriculare.

Un stimulator mai puternic decât noradrenalina este considerate adrenalina. Aceasta este secretată de către glandele suprarenale în sânge.

4.3 Sistemul nervos parasimpatic

În sistemul nervos autonom, se include atât sistemul nervos simpatic, cât și sitemul nervos parasimpatic. Acesta din urmă este responsabil cu odihna( conservarea energiei, constricția pupilei, încetinirea ritmului cardiac) și digestia (creșterea activității intestinale, creșterea activității glandelor, relaxarea mușchilor din tractul intestinal). De cele mai multe ori sistemele simpatic și parasimpatic lucrează împreună pentru o bună desfășurare a proceselor din organismul uman.

Aceticolina, sau altfel spus, neurotransmițătorul sistemului nervos parasimpatic, este responsabilă de efectele cardiace inhibitorii, cum ar fi:

inhibare a nodului SA, dând o rată mai mica cordului;

scadere a vitezei conducerii miocardice ;

reducere a iritabilitatii focarelor de automatism.

4.4 Controlul fluxului sanguin și a tensiunii arteriale

Sistemul nervos autonom este responsabil cu odihna, digestia și reacția ,,de fugă” , dar are și funcția de constricție si dilatare a arterelor, prin controlul asupra fluxului sanguin și a tensiunii arteriale.

În cazul sistemului simpatic, receptorii α1 adrenergici duc la constricția vaselor de sânge. Aceasta constricție duce la rândul ei la creșterea fluxului sanguin si a tensiunii arteriale.

În cazul sistemului parasimpatic, receptorii colinergici duc la dilatarea vaselor de sânge. Este dorită funcționarea împreuna, echilibrat a acestor două sisteme pentru a menține homeostazia circulatorie. Rata de descărcare a nodului SA este crescută de stimularea realizată de sistemul simpatic, și este scăzută de stimularea realizată de sistemul parasimpatic.

Bradicardia reprezintă un reflex parasimpatic normal care nu face altceva decât încetinește descărcările nodului SA. Aceasta se manifestă de obicei, la persoanele mai sensibile, la vederea propriului sânge, sau datorită unei dureri intense. Răspunsul reflex al organismului, în exemplele de cazuri expuse, poate duce la sincopă( sau altfel spus, pierderea cunoștinței).

Ortostatismul, dacă considerăm legea gravitației, ar trebui sa ducă la o acumulare de sânge în picioare, dar receptorii de presiune ai sistemului simpatic previn acest fapt. Incapacitatea organismului de a accesa acești baroreceptori se cunoaște ca hipotensiune ortostatică.

În cazul ortostatismului prelungit, la persoanele vârstnice, vasoconstricția periferica nu este normală, așadar, cantitatea de sânge care ajunge la creier nu este suficientă, se produce o dilatație a vaselor de sânge și o încetinire a pulsului, care poate duce la sincopă.

Cunoștințele legate de sistemul nervos autonom duc la o înțelegere mai bună funcționării ciclului cardiac și deci, sunt esențiale pentru interpretarea corectă a unei investigații de tip EKG.

O importanță deosebita o au de asemenea și ritmul, axul, rata, infarctul si hipertrofia.

4.5 Concluzii

Informațiile de interes din acest capitol vizează atât funcționarea sistemului nervos autonom cât și rolul pe care acesta îl are în acțiunile pe care un pacient le dezvoltă în funcție de afecțiunile de care suferă. S-a discutat despre sistemul nervos simpatic, despre sistemul nervos parasimpatic si despre fluxul sanguin si tensiunea arteriala, Toate acestea sunt deosebit de importante în funcționarea normala a inimii si a întregului sistem cardiovascular. La sfârșitul capitolului se face legătură cu capitolele următoare prin referirea la rată, ax, ritm, infarct și hipertrofie.

Capitolul V: Caracteristici de interpretare EKG

5.1 Rata cardiacă

Nodul sinusal produce ritmul cardiac. Rata cardiacă se calculează ca fiind raportul dintre numărul de cicluri cardiace pe unitatea de timp .Dacă rata este mai mică decat 60 de bătăi/ minut atunci afecțiunea se numește bradicardie sinusală (,,bradi”=lent). În schimb, dacă rata este mai mare de 100 de bătăi/minut patologia este denumită tahicardie sinusală.

În inimă se găsesc așa-numitele focare de automatism sau pacemakeri potențiali. Aceste focare sunt responsabile cu preluarea funcției nodului sinusal în cazul în care acesta nu mai funcționează. Există astfel de pacemakeri atât la nivelul atriilor, ventriculelor cât și la nivelul fibrelor Purkinje. Diferența dintre ele se realizează prin faptul că încep sa funcționeze la diferite rate. Daca le considerăm pe rând, la nivelul atriilor, rata se încadrează între 60-80 bătăi/minut, la nivelul ventriculelor, rata este de 20-40 bătăi/minut, iar la nivelul joncțiunii atrioventriculare rata aferenta este de 40-60 bătăi/minut. Ordinea în care acestea încep să funcționeze, doar în cazul în care nodul sinusal nu mai poate fi utilizat este : cel de la nivelul atriilor; în cazul în care nici acesta nu mai poate funcționa se va activa cel de la nivelul joncțiunii atrioventriculare. În ultimă fază, în caz de defect și al acestuia din urmă, se apelează la focarul de la nivelul ventriculelor. Ordinea în care aceștia încep să funcționeze depinde, în mod normal, de rata inerentă a fiecăruia.

Pentru a putea calcula rapid rata cardiacă fără a fi nevoie de calculator și alte dispozitive trebuie să cunoaștem două serii de triplete și să avem la îndemână o înregistrare EKG. Luăm ca linie de început prima undă R care cade pe una dintre liniile groase ale hârtiei. După acest fapt, urmărim înregistrarea notând fiecare linie groasă cu 300, 150, 100, 75, 60, 50 . Dacă următoarea undă R se încadrează între valorile enumerate, sau chiar se suprapune peste o nouă linie groasă putem afirma ca rata este cunoscută. De exemplu: dacă următoarea undă R se situează între 150 și 100, spunem ca rata este de 100-150 bătăi/minut, sau, dacă următoarea undă R se situează exact pe linia groasă căreia ii corespunde valoarea 60 spunem ca rata este de 60 bătăi/minut.

5.2 Ritmul cardiac

5.2.1 Ritmul cardiac-aritmii

Electrocardiograful generează unul dintre cele mai bune diagnostice cu privire la ritmurile anormale ale inimii, sau altfel spus, cu privire la aritmii. La o investigație de tip EKG normala, distanța dintre două unde sau două segmente identice ar trebui sa fie aceeași. Motivul acestei echidistanțe este nodul sinusal care are responsabilitatea de generare a impulsurilor cu o rată constantă. Din această cauză, neregularitățile sau tulburările de ritm pot fi ușor observabile.

Ca și afecțiuni ce țin de ritm amintim tahiaritmiile: tahicardia paroxistică(rata de 150-250/min)- care poate fi atrială, juncțională, ventriculară, flutterul( rata 250-300/min)- poate fi atrial sau ventricular și fibrilația(350-450/min)-poate fi atrială sau ventriculară.

Ușoarele creșteri si descreșteri ale ratei cardiace sunt realizate de stimularea simpatică respectiv inhibării parasimpatice a nodului SA și sunt activate de către procesul de respirație (creșterea de inspirație și descreșterea de expirație).

Categoriile în care se pot împarți aritmiile sunt: ritmurile neregulate, bătăile premature, scăpările, tahiaritmiile. Această distribuție se realizează în funcție de felul cum ele apar.

Ritmurile neregulate se împart la rândul lor în : pacemaker rătăcitor- unde forma undelor P variază și rata atrială este mai mică de 100; tahicardia atrială multifocală- unde rata atrială este mai mare decât 100 și ritmul ventricular este neregulat; fibrilația atrială- unde vârfurile atriale continue sunt imprecise.

Bătaia prematură este produsă de un stimul, realizând o bătaie a inimii mai recent decât este așteptată. Bătăile premature pot fi atriale(BPA), joncționale(BPJ) sau ventriculare(BPV). BPA va da naștere unei unde P mai repede decât era așteptată. BPJ va realiza descărcarea stimulului , care va ajunge la ventricule, depolarizându-le prematur.

Tahicardia paroxistică poate fi la rândul ei atrială(TPA), joncțională(TPJ) sau ventriculară(TPV). Limitele ratei TPA sunt încadrate între 150-200 bătai / minut. Undele P ale acestei patologii nu seamănă cu undele P generate de nodul SA. Rata la care TPJ se poate descărca se încadrează în intervalul 150-250 bătăi/minut. Rata la TPV este la fel ca la TPJ, dar diferența este facută de focarul de automatism, care este ventricular, respectiv joncțional.

5.2.2 Ritmul cardiac-blocuri

Blocurile fac ca depolarizarea să nu se producă sau sa fie întârziată. Acestea pot aparea în nodul SA( blocul sinusal), în nodul AV( blocul AV), în fascicului His, sau ramurile acestuia(blocul de ramură al fasciculului) sau în una dintre subdiviziuninile ramurii stângi ale fasciculului (caz în care se numește hemibloc).

Pacienții care suferă de bloc AV complet, riscă ca rata cardiacă să fie atât de lentă încât sângele să nu mai ajungă în cantităti suficiente la creier și astfel sa se producă sincopa.De aceea au nevoie de o atenție sporită și de menținerea liberă a căilor aeriene.

5.3 Axul electric al inimii

Direcția stimulului electric care parcurge inima în timpul depolarizării ventriculare poate fi marcată printr-o săgeată (sau un vector). Aceasta reprezintă axul electric al inimii. Dacă ne-am imagina mai mulți vectori de dimensiuni reduse care sunt situați în spațiul dintre endocard și epicard (adică peretele ventricular), am putea observa cum depolarizarea se produce simultan. Însumarea vectorilor mici despre care se vorbește, dă naștere unui vector QRS mediu , care, putem afirma că reprezintă o direcție generală a depolarizării. Din cauza faptului că se ia în considerare si magnitudinea vectorilor mici, și cei din partea stânga a inimii sunt mai mari, vectorul QRS mediu va fi îndreptat ușor spre stânga pacientului și in jos. Excepțiile se realizează atunci când complexul QRS este negativ, caz în care vectorul este orientat tot in jos, dar în partea dreaptă a pacientului.

Informațiile despre poziția exactă în care se găsește axul inimii, ne sunt date de figurile 7 și 8.

Fig.7 Diagrama deviatiilor axului Fig.8 Derivatiile și unghiurile corespondente

Un lucru important despre ax este faptul că rotația lui se face în plan orizontal, în schimb ce deviația se face în plan frontal.

5.4 Hipertrofia cardiacă

În mod normal, termenul de hipertrofie se referă la creșterea dimensiunii. În cazul de față acest lucru se referă la creșterea mușchiului cardiac(a miocardului). Dacă se folosește termenul de hipertrofia unei camere, însemnă că s-a îngroșat doar peretele muscular al unei camere. În funcție de camerele inimii la care se referă, hipertrofia poate fi atrială sau ventriculară. Atât creșterea în dimensiuni a peretelui cât și subțierea lui se pot observa pe electrocardiogramă.

În cazul în care atriile se măresc, unda P va fi bifazică, adică va avea o reprezentare pozitivă,urmată de o reprezentare negativă. Ca să avem cunoștiințe despre locul în care s-a produs hipertrofia, vom analiza componentele inițială si terminală a undei P. Daca vorbim despre o mărire a atriului drept, adica despre o hipertrofie a atriului drept, componenta inițială va fi mai mare. În caz contrar, dacă componenta terminală este mai mare, spunem că se poate observa o hipertrofie a atriului stâng.

În cazul în care hipertrofia se realizează la nivelul ventriculelor urmărim unda R în derivațiile toracice. Dacă în derivația V1 unda R este mare, și descrește pe măsură ce se îndreaptă spre derivațiile V2, V3, V4, hipertrofia are loc la nivelul ventriculului drept. În hipertrofia ventriculului stâng se poate observa ca unda R este foarte înaltă în derivația V5. Dacă suma în milimetrii dintre deflecția negative a undei S în derivația V1 și deflecția pozitivă a undei R în derivația V5 depașeste valoarea de 35 vorbim de asemenea despre o hipertrofie a ventriculului stâng.

5.5 Infarctul miocardic

Infarctul reprezintă obstruarea completă a unei artere coronare. Locul în care se produce infarctul nu se mai poate nici contracta, nici depolariza, adică devine o zonă necrotică.

Interpretarea unei electrocardiograme ne poate oferi informații, nu numai despre faptul că o arteră coronară este obstruata, ci și care anume. De asemenea, din această investigație, putem afla și dacă la inimă ajunge un flux sanguin scăzut din cauza stâmtării unui vas coronar. In cazul în care se îngustează o arteră coronară, pereții puternici si groși ai ventriculul stâng, nu mai pot pompa sânge în tot corpul. Dacă se face o investigație de tip EKG, interpretarea sa de rutină, pentru diagnosticul unui infarct, necesita investigarea unor criterii cum ar fi: necroză, leziune, ischemie.

Necroza se poate observa în prima undă a complexului QRS, și anume în unda Q semnificativă. Acestea din urmă au lațimea de cel puțin un 1 milimetru (0,04 secunde) și nu se găsesc într-un traseu normal. Amplitudinea unde Q semnificative ar trebui sa aiba 1/3 din întreg complexul QRS. Infarctul se poate găsi investigand undele Q din aproape toate cele 12 derivații. Singura derivație care se exclude, este AVR, deoarece poziția în care este așezată nu oferă informații concludente.

Supradenivelarea segmentului ST poate indică o leziune. Dacă pe langă acest segment nu există și unde Q semnificative, acest infarct ,,mic” poate oferi informații despre iminența unui infarct mai mare. Daca supradenivelarea segmentului ST este mult deasupra liniei izoelectrice, spunem că infarctul este acut.

Ultimul criteriu de investigat, dar nu cel mai puțin important este ischemia, sau scaderea alimentarii cu sânge, care are ca și caracteristică inversarea undei T. Ischemia cardiacă este principala responsabilă a durerilor precordiale (angină). Nu de fiecare data inversarea undelor T indică un infarct. Acestea pot indica pur si simplu descreșterea fluxului de sânge coronarian. În figura 9 se pot observa alte trei cazuri de inversare a undei T. Prima imagine reprezintă insuficiența coronariană, cea de-a doua hipertrofia ventriculară stângă, iar in cea de-a treia sunt reprezentate efectele digitale asupra undei T.

Fig.9 Inversarea undei T

5.6 Concluzii

Capitolul V ne spune că pentru determinarea ritmului normal sau patologic se vor parcurge traseele EKG verificând unda P înainte de fiecare QRS, complexul QRS după fiecare undă P. Pentru identificarea eventualelor Blocuri AV se vor verifica intervalele PR. Ca și afecțiuni ce țin de ritm amintim tahiaritmiile: tahicardia paroxistică- care poate fi atrială, juncțională, ventriculară, flutterul-poate fi atrial sau ventricular și fibrilația-poate fi atrială sau ventriculară.

Axul este și el foarte important deoarece complexul QRS izoelectric se găsește prin rotirea lui in plan orizontal. Determinarea axului electric se face după anumiți pași. Inițial se determina cvadrantul axului, după care se determina derivația în care QRS este cel mai aproape de linia izoelectrică, adică axul în grade. În ultimul pas se determină sensul de rotire al axului( rotație la stanga- dreapta pacientului sau rotație la dreapta-stânga pacientului)

Rata cardiacă se calculează ca fiind raportul dintre numărul de cicluri cardiace pe unitatea de timp. În cazul unor afecțiuni, dacă rata este mai mare de 100/min spunem că pacientul suferă de tahicardie sinusală, și dacă rata este mai mică de 60/min cel investigat este diagnosticat cu bradicardie sinusală.

Infarctul este una din cele mai cunoscute afecțiuni ce pot fi întâlnite la nivelul inimii. Pentru un diagnostic mai bun se compara investigația EKG actuala cu cele anterioare. Localizarea acestuia se face după cum urmează:

dacă R este foarte mare atunci infarctul se numește posterior;

dacă se găsesc unde Q în derivațiile inferioare II, III și AVF, infarct inferior;

daca se găsesc unde Q în derivațiile laterale I și AVL, infarct lateral;

dacă se găsesc unde Q în derivațiile V1, V2, V3, V4, infarctul este anterior.

În cazul în care pacientul a suferit în trecut unul sau mai multe infarcte va avea toata viața unda Q semnificativa( de necroză). O schimbare a ciclului EKG o poate da și infarctul acut printr-o supradenivelare a segmentului ST, împreuna cu unda Q semnificativă. Ischemia, sau altfel spus inversarea undei T apare, de regula, în zonele unde se observă și semnele unui infarct acut.

Ultima, dar nu cea mai puțin importantă este hipertrofia. Aceasta poate fi atrială sau ventriculară. Hipertrofia atrială poate fi la rândul ei dreaptă( caz în care unda P are componenta inițială înaltă) sau stângă( caz în care unda P are componentă finală largă). În ceea ce privește hipertrofia ventriculară și aceasta poate fi dreaptă sau stângă în funcție de undele R si S.

Capitolul VI: Patologii EKG. Explicații.

6.1 Tahicardia

Rata cardiacă accelerată o putem numi tahicardie daca valorile se situează între 150-250 bătăi/minut. În subcapitolele următoare vom vorbi despre tahicardie paroxistică( bruscă) în funcție de apariția focarului de origine. Focarele de automatism pot fi localizate în atrii, ventricule sau la nivelul fibrelor His, caz în care se numesc juncționale.

6.1.1 Tahicardia atrială

Fenomenul de descărcare rapidă, bruscă, a unui focar de automatism atrial iritabil se numește tahicardie paroxistică atrială. Undele P generate în cazul acesta nu seamană cu undele P care au fost generate sinusal. Din cauza faptului ca rata este de 150-200 bătăi/minut, nodul SA se oprește, la fel ca și celelalte focare de automatism.

Chiar dacă vorbim despre un stimul al unui alt focar de automatism, se cunoaște faptul că și acesta poate produce TPA.

Fiecare impuls de la focarul atrial, care depolarizează atriile ajunge la ventriculi, nivel la care se produc cicluri cardiace cu aspect normal.

În figura 10 sunt ușor de observat undele P cu aspect diferit din cazul TPA.

Fig.10 Simularea tahicardiei atriale

6.1.2 Tahicardie ventriculară

Tahicardia ventriculară este foarte asemănătoare cu contracțiile premature ventriculare. Este lesne de înțeles că și acest tip de tahicardie este provocat de un focar de automastism, dar de această dată, ventricular. Cauza cea mai probabilă pentru care acest focar a devenit iritabil, este slaba oxigenare sau, altfel spus, hipoxia.

În cazul tahicardiei ventriculare durata complexelor QRS este de cele mai multe ori mai mare de 0,14 secunde. Aceasta se întâlnește frecvent la pacienți care au o vârsta înaintată, suferă de diminuarea fluxului sanguin coronarian (coronaropatie), sau au suferit un infarct. Dacă vorbim despre poziția axului inimii în acest caz, acesta are o deviație dreaptă extremă.

Figura notată cu numărul 11 este utilă pentru înțelegerea patologiei numită tahicardie ventriculară.

Fig.11 Simularea tahicardiei ventriculare

6.1.3 Tahicardie juncțională

La fel ca și în cazul celorlalte două feluri de tahicardii, atrială și ventriculară, și tahicardia juncțională este provocată de iritarea unui focar de automatism, care, de această dată, este situat în joncțiunea AV.

Descărcarea acestui focar iritabil de face la rata de 150 până la 250 de bătăi/minut. Un astfel de focar de automatism juncțional, poate, din cauza descărcării rapide, să depolarizeze atriile, circulând în sens invers. Acest fapt se va înregistra pe electrocardiogramă ca o unda P inversată, înainte de fiecare complex QRS ascendent sau, ca o undă P inversată, după fiecare complex QRS ascendent.

Figura 12 reprezintă o simulare a tahicardiei juncționale.

Fig.11 Simularea tahicardiei juncționale

6.2 Bloc atrioventricular

Blocurile atrioventriculare au rolul de a întârzia, a opri, sau a întârzia și a opri, conducerea sângelui de la atrii la ventricule, prin blocarea completă a impulsurilor ventriculare.

Acestea pot fi de trei feluri: de gradul 1, de gradul 2 sau de gradul 3.

Blocul atrioventricular de gradul 1, produce o prelungire a intervalului PR mai mult de 0,2 secunde( un pătrat mare), prin întârzierea conducerii nodului AV.

Blocurile atrioventriculare de gradul 2 permit trecerea unor depolarizări la ventriculi, în timp ce altele sunt blocate. Faptul ca unele depolarizări primesc răspuns QRS și altele nu, vor face ca pe EKG să apară unde P care au complexe QRS asociate și unde P care nu au complexe QRS asociate. Se cunosc doua tipuri de bloc AV de grad 2: cele care se formează în nodul AV(Wenckebach) și cele care se formează mai sus de nodul AV (Mobitz).

Blocurile atrioventriculare de grad 3 împiedică complet ajungerea depolarizării generate sinusal, la ventriculi. Figura 13 ilustrează blocul atrioventricular.

Fig.12 Bloc atrioventricular

6.3 Hiperkalemie și hipokalemie

În limba româna pentru acest termen mai este folosit și cuvântul ,,potasemie”. Acest lucru derivă de la faptul că, ne referim la ionii de potasiu (K+), ioni care sunt importanți în electrofiziologia cardiacă. După cum se știe prefixele hiper- și hipo- se folosesc pentru a sublinia faptul că este vorba despre o creștere, respectiv o scădere.

Ceea ce trebuie să se observe în cazul hiperkalemiei este faptul că pe masură ce crește K+ seric, unda P începe să se aplatizeze, complexul QRS se va lărgi, deoarece depolarizarea durează mai mult, iar unda T va deveni ascuțită.

Pentru a putea fi vizualizat un exemplu de hiperkalemie și unul de hipokalemie. am atașat figurile 10 și 11, în care se pot observa cele discutate.

Fig.10 Simularea hiperkalemiei Fig.11 Simularea hipokalemiei

În cazul hipokalemiei, descreșterea potasiului duce la iritarea focarelor de automatism ventricular. Nivelul mic de K+ duce la scăderea amplitudinii undei T, sau chiar la negativizarea ei. Invers proporțional cu unda T reacționează unda U, care pe masura ce unda T se apropie de linia izoelectrică, devine tot mai proeminentă.

6.4 Hipercalcemie și hipocalcemie

Ne vom referi în acest subcapitol, după cum spune și denumirea lor, la creșterea și scăderea numărului ionilor de Ca++. Hipercalcemia scurtează intervalul QT, în vreme ce hipocalcemia îl alungește. În condiții normale, intervalul QT ar trebui sa fie mai mic decât jumătate din lungimea întregului ciclu cardiac. Acest interval se măsoară, de la începutul complexului QRS, pana la sfârșitul undei T, și are, în condiții normale, între 0,26- 1,45 secunde (deoarece complexul QRS măsoară între 0,08-1 sec, segmentul ST între 0,05-0,15 sec și unda T între 0,13-0,3 sec).

Figurile 12 si 13 ilustrează patologiile numite hipercalcemie si hipocalcemie, putându-se observa scurtarea respectiv prelungirea intervalului QT.

Fig.12 Simularea hipercalcemiei Fig.13 Simularea hipocalcemiei

6.5 Concluzii

Prezentul capitol analizează o serie de patologii cardiace, care afectează diferit înregistrarea electrocardiogramei, respectiv care duc la realizarea unui diagnostic corect. Fiecare undă, segment sau complex, în funcție de amplitudine, timp, sau amplitudine și timp, comparativ cu starea normală, ne oferă informații despre ce fel de afecțiune suferă pacientul în cauză.

În prima parte a acestui capitol se vorbește despre rata accelerată a ritmului cardiac, adică despre tahicardii. Acestea pot fi de trei tipuri: atrială, ventriculară și juncțională. Ulterior, discuția a trecut la o altă patologie, și anume la blocurile atrioventriculare. Acestea au rolul de a întârzia, a opri, sau a întârzia și a opri, conducerea sângelui de la atrii la ventricule, prin blocarea completă a impulsurilor ventriculare

În ultima partea a capitolului șase, referirea se face la creșterea sau scăderea numărului de ioni de potasiu(K+), afecțiuni numite hiperkalemie și hipokalemie, respectiv la creșterea sau scăderea numărului de ioni de calciu(Ca++) patologii numite hipercalcemie si hipocalcemie.

Capitolul VII: Analiza și proiectarea filtrelor

7.1 Generalități filtre

În analiza și prelucrarea semnalelor medicale, unul dintre cele mai importante elemente este filtrarea. Funcțiile filtrelor sunt multiple, începând de la eliminarea zgomotelor din semnal și până la extragerea unor anumite parți dintr-un semnal analizat.

Filtrarea poate fi de două tipuri: analogică sau digitală.

Filtrele de tip analogic utilizează componente electronice precum rezistențe, condensatoare, amplificatoare operaționale etc., în timp ce filtrele de tip digital utilizează un procesor digital pentru a se putea realiza calcule pe valorile eșantioanelor semnalului. În funcție de dorințele utilizatorului, procesorul digital poate fi reprezentat de computerul personal (PC), sau de un cip de tip DSP(Digital Signal Processing). În cazul filtrelor analogice semnalul este de natură electrică(curent sau tensiune), iar în cazul filtrelor digitale semnalul este perceput ca o secvență de numere.

Dacă se realizează o discuție despre avantajele folosirii unuia dintre filtre, putem spune că:

filtrele digitale sunt ușor de proiectat, testat și pus în practică;

filtrele digitale nu sunt dependente de factorii externi, cum ar fi temperatura, spre deosebire de filtrele analogice;

filtrele digitale sunt programabile;

filtrele digitale pot să acționeze asupra frecvențelor joase cu mai mare precizie.

Caracteristicile de bază ale filtrelor ideale sunt banda de trecere și banda de oprire.

Banda de trecere reprezintă domeniul de frecvențe care este lăsat să treacă și se mai poate nota cu BP (bandpass). Banda de oprire reprezintă domeniul de frecvențe care sunt rejectate și referințele la aceasta în literatura de specialitate pot fi întâlnite ca SB-stopband sau RB-rejectband.

Figura 14 ilustrează banda de oprire și banda de trecere pentru filtrele ideale trece-jos, trece-sus, trece-bandă și stop-bandă.

Fig.14 Banda de oprire și banda de trecere pentru 4 tipuri de filtre ideale

7.2 Programul FilterPro

Pentru concretizarea părții practice a acestei lucrări, unul dintre primii pași a fost proiectarea filtrelor ce urmează a fi utilizate. Procesul de proiectare a fost realizat cu ajutorul programului FilterPro ce aparține firmei Texas Instruments. FilterPro este un instrument de proiectare care permite crearea și editarea modelelor de filtre reale. După descrierea editorului, acesta poate oferi următoarele caracteristici:

poate genera cu ușurință scheme și poate imprima rapoarte de proiectare profesionale(care sunt compuse din toate datele de proiectare și din scheme);

suportă filtre de tip Bessell , Butterworth , Cebâșev , Gaussian și de tip fază liniară;

suportă filtre ideale de tip trece-sus, trece-jos, stop-bandă și trece-bandă.

Filtrele folosite se vor dimensiona astfel încât să se muleze pe nevoile de rejecție a zgomotului din circuitul de amplificare.

Prin acest program se introduc datele referitoare la tipul filtrului ce se dorește a fi implementat și acesta calculează valorile pentru rezistențele si condensatoarele necesare. Proiectarea filtrelor se obține în faze: faza unu a proiectării este alegerea tipului filtrului, faza doi este setarea specificațiilor filtrului, faza trei reprezintă răspunsul filtrului și faza patru este constituită din tipologiile de filtrare. Imaginile 15, 16, 17 și 18 sunt corespondente fazelor I, II, III respectiv IV.

Fig.15 Faza I Fig.16 Faza II

Tipul filtrului , specificațiile filtrului, răspunsul filtrului și topologiile de filtrare din imagini sunt alese aleatoriu doar cu titlu de prezentare a programului.

Fig.17 Faza III Fig.18 Faza IV

7.3 Proiectarea filtrelor

Aplicația ce s-a realizat a necesitat proiectarea unui număr de 4 filtre: două filtre trece-jos, un filtru trece-sus și un filtru Notch.

Primul filtru este ales Bessel de tip trece-jos cu un număr de două trepte.

Riplul trece-bandă setat ca fiind permis este de 1 dB, frecvența benzii de trecere este setată la 150 Hz, atenuarea stop-bandă este de -40 dB și frecvența stop-bandă este 1 kHz.

Toleranța componentelor pasive de circuit apare ca o consecință a setării amplificatoarelor operaționale și poate avea valori între 0%-20%. S-a ales varianta de 5% atât pentru condensatoare cât și pentru rezistențe. Calitatea componentelor pasive va determina performanțele ansamblului. Aplicația a folosit patru rezistențe dintre care: o rezistență de 30 kΩ, două rezistențe de 47 kΩ și una de 82 de kΩ; și trei condensatoare dintre care: două condensatoare cu valoarea de 10 nF și un condensator cu valoarea de 39 nF.

Programul generează automat două grafice în care sunt reprezentate factorul de amplificare și faza în funcție de frecvență, dar și întârzierea filtrelor în funcție de frecvență. În figura numărul 19 este ilustrată faza finală a proiectării primului filtru trece-jos.

Fig.19 Proiectarea primului filtru de tip trece-jos

Cel de-al doilea filtru este ales Bessel și tot de tip trece-jos cu un număr de două trepte.

Riplul trece-bandă setat ca fiind permis este de 1 dB, frecvența benzii de trecere este setată la 150 Hz, atenuarea stop-bandă este de -40 dB și frecvența stop-bandă este 1 kHz.

S-au folosit patru rezistente dintre care: o rezistență de 3 kΩ, două rezistențe de 4,7 kΩ și una de 8,2 de kΩ; și trei condensatoare dintre care: două condensatoare cu valoarea de 100 nF și un condensator cu valoarea de 390 nF.

Al treilea filtru s-a setat ca fiind Gaussian și este de tip trece-sus cu o singura treaptă.

Riplul trece-bandă setat ca fiind permis este de 1 dB, frecvența benzii de trecere este setată la 10 Hz, atenuarea stop-bandă este de -40 dB și frecvența stop-bandă este 0 kHz.

Ca și componente pasive, pe lângă amplificator, acesta are o rezistentă de 16,2 kΩ și un condensator de 1 uF.

Ultimul filtru, al patrulea, este un filtru Notch care s-a configurat ca Cebâșev, stop-bandă.

Riplul trece-bandă setat ca fiind permis este de 1 dB, frecvența centrală este setată la 50 Hz și lărgimea benzii de trecere este 10 kHz.

7.4 Concluzii

Pentru analiza funcționalității filtrelor, acestea se vor construi cu ajutorul programului FilterPro si se vor dimensiona astfel încât să se muleze pe nevoile de rejecție a zgomotului din circuitul de amplificare.

Circuitele astfel dimensionate s-au transpus în mediul Multisim și s-au conectat la circuitele amplificatoare.

Capitolul VIII: Analiza și proiectarea circuitului de amplificare

8.1 Generalități amplificatoare

Amplificatoarele operaționale sunt o categorie de circuite integrate analogice cu ajutorul cărora se pot realiza o multitudine de aplicații. Denumirea de operațional derivă de la faptul ca printre primele performanțe ale acestora au fost o serie de operații matematice( adunare, înmultire, scădere, împarțire).

Dacă se face referire la modul de construire al acestora, se poate spune că sunt prevăzute cu o intrare inversoare și una neinversoare și cu terminale de alimentare de tensiune. Unele amplificatoare au și terminale de offset (pentru compensare).

Schema bloc a unui astfel de amplificator se poate observa în figura 20, unde V+ și V- sunt

tensiunile de alimentare simetrice cu valori cuprinse în intervalul 12 – 20V.

Fig.20 Schema bloc a unui amplificator operațional

În figura tensiunea notată cu Uid reprezintă tensiunea de intrare diferențială. U+ și U- sunt diferențele de potențial ale intrărilor față de traseul comun, iar V reprezintă tensiunea de ieșire( diferența de potențial dintre traseul comun și ieșire).

Formule folosite:

Tensiunea diferențială de la intrare va fi egală cu diferența dintre diferența de potențial dintre intrarea neinversoare și masă (traseul comun) și intrarea inversoare și masă.

Uid= U+ – U-

Tensiunea de ieșire a AO este proporțională cu tensiunea diferențială de intrare. Factorul de proporționalitate dintre ele a fost denumit factor de amplificare și a fost notat cu litera A.

V= Ad(U+ – U- )= Ad . Uid

În cazul în care cele doua tensiuni de la intrarea amplificatorului sunt egale se va vorbi despre tensiunea de mod comun (Uc) care are formula:

Uc=(U+ – U- )/2

La ieșirea fiecărui AO va exista o tensiune foarte mica, diferită de zero. Se introduce noțiunea de factor de amplificare a tensiunii de mod comun și reprezintă raportul dintre vc și tensiunea de mod comun.

Ac= vc/Uc

Rejecția de mod comun reprezintă raportul dintre factorul de amplificare al tensiunii diferențiale și factorul de amplificare al tensiunii de mod comun și se exprima în decibeli.

RMD= Ad /Ac [dB]

Amplificatoarele operaționale pot fi reale sau ideale. Fiecare dintre acestea dispune de o serie de caracteristici. Așadar, AO ideale au impedanța de intrare infinită și impedanța de ieșire zero, au câștigul în tensiune infinit. AO reale au impedanța de intrare foarte mare, impedanța de ieșire foarte mică și câștigul în tensiune foarte mare.

8.2 Descrierea instrumentelor virtuale-Programul Multisim

Multisim este un mediu de simulare bazat pe programarea SPICE ca standard industrial. Pachetul software este proprietatea National Instruments. Multisim este un mediu de dezvoltare electronic, ce oferă o bază de date cu componente electronice, o soluție pentru conceperea schemelor electronice, un simulator SPICE pentru circuite analogice și digitale, un mediu pentru realizarea și simularea VHDL și Verilog HDL, sinteza FPGA și posibilitatea de postprocesare și transfer a schemelor electrice în PCB (Printed Circuit Board). Aceste elemente sunt integrate într-o interfață grafică. Multisim permite proiectarea circuitelor, începând de la parametrii și specificațiile inițiale până la realizarea unui produs pentru producție. Datorită faptului că dispune de Schematic Capture, simularea circuitelor și posibilitatea de generare a PCB, acesta permite utilizatorului proiectarea și simularea circuitelor cu ușurință, legătura între componentele Multisim realizându-se fără intervenția utilizatorului.

Realizarea schemelor în Multisim înglobează și îndeplinește anumiți pași pentru realizarea și verificarea unui circuit:

1.conceperea și realizarea schemei (utilizând “Schematic Capture”);

2.testarea prin simulare și analiză a circuitului;

3.posibilitatea de modificare a schemei electrice în cazul în care aceasta nu s-a comportat conform așteptărilor;

4.în funcție de cum se dorește realizarea fizică a circuitului se face trecerea la o placă de circuit imprimat (PCB) sau la un dispozitiv logic programabil (PLD, CPLD, FPGA)

Desenarea schemei este primul pas necesar în procesul realizării unei simulări. Se aleg componentele, se plasează în poziția dorita și se interconectează.

Simulatorul dispune de o serie de elemente virtuale pentru măsură sau vizualizare( cum ar fi multimetru, osciloscop), dar ele pot fi folosite la fel ca și cele reale. Pentru o imagine mai clară a celor discutate se va analiza interfața programului Multisim din figura 21.

Fig.21 Interfața programului Multisim

8.3 Descrierea instrumentelor virtuale-Programul Altium Designer

Altium Designer este suita instrumentelor pentru Automatizarea Design-ului Electronic (ADE). Tot ceea ce este legat de dezvoltarea produsului, inclusiv captarea schematică, schema PCB, dezvoltarea software-ului încorporat, design de FPGA (field-programmable gate array), proiectare mecanică asistată de calculator (CAD – computer-aided design), proiectarea pentru generarea și gestionarea formală a datelor de proiectare sunt încorporate într-un singur mediu de proiectare.

Cu Altium Designer se pot realiza toți pașii de la un design electronic, la concept, apoi la fabricație finală și asamblare.

Prima etapa în realizarea unui design este crearea unei librării și construcția pinilor pentru componentele ale căror librarii nu se găsesc în librăriile programului. Ulterior, componentele se vor alege din librarii, se vor atașa schemei și se vor uni conform schemei electrice. După realizarea aceastei scheme, se va analiza corectitudinea conexiunilor electrice, și se vor genera rapoarte cu rezultatele verificării și lista de componente. Se creează o librărie unde se salvează amprentele(footprint-urile). Fiecare componentă se transferă apoi de la schemă la designul plăcii circuitului de imprimat. Toate componentele vor fi așezate individual astfel încât să se poată vizualiza traseele și suprafața plăcii să fie de dimensiuni cât mai reduse.

Interfața programului în stadiul inițial se poate vizualiza în figura 22.

Fig.22 Interfața programului Altium Designer

8.4 Circuitul de amplificare

Pentru analiza prin modelare și simulare a sistemului, în prima faza se va stabili circuitul care se utilizează. Acesta este bazat pe utilizarea amplificatoarelor de instrumentație INA333, TLC272 și MCP6004.

INA333 este un amplificator de putere mică, dar care are o precizie foarte mare. Dimensiunile mici și puterea redusă îl fac ideal pentru aplicațiile medicale, dar și pentru orice fel de aplicație portabilă. Acesta funcționează cu surse de alimentare mici, de 1,8V ( ± 0.9V )

TLC272 este un amplificator operațional ce poate avea ca tensiune de alimentare o valoare cuprinsă în intervalul 3-16 V.

Amplificatorul MCP6004 poate avea ca tensiune de alimentare o valoare cuprinsă în intervalul 1,8-5,5 V. Toate componentele utilizate sunt SMD(Sourface Mounted Device).

Lista de materiale(bill of materials) poate fi observată în figura cu numărul 23. Aceasta conține atât amplificatoarele cât și elementele pasive de circuit.

Fig.23 Lista de materiale pentru circuitul de amplificare

În prima faza s-a realizat simularea circuitului utilizând mediul NI Multisim dedicat aplicațiilor de natura electronică. Din librăria acestuia au fost extrase componente pentru rezistențe, condensatoare și cele două circuite de amplificare. Au fost realizate conexiunile necesare pentru primele teste, iar apoi s-a simulat modelul electronic. Cele trei intrări ale lui au fost conectate la un generator de semnal EKG existent în librăria de unelte Multism și de asemenea s-a introdus un generator de zgomot pentru a testa eficiența filtrelor. Fiind vorba de trei semnale, s-au utilizat cele de la membrul inferior drept si de la cele doua membre superioare (RL, RA, LA).

Circuitul electronic amplificator împreună cu filtrele aferente este redat în figura 24.Sursa de alimentare a acestui circuit este de ±5V.

Fig.24 Circuitul de amplificare

Factorul de amplificare se setează din raportul rezistențelor R24 și R26. Pentru o amplificare cât mai mare s-a ales rezistența R26 de 1MΩ, iar rezistența R24 de 1,6 kΩ. În acest caz s-a obținut o amplificare a semnalului de intrare de cca 100 ori.

În partea superioara a figurii se poate observa un osciloscop, pe care se vor afișa rezultatele simulării, prezentate în capitolul următor. Generatorul de zgomot a fost conectat în circuit prin intermediul unui divizor rezistiv cu rezistențe de câte 1MΩ între bornele de conexiune la membrul superior drept respectiv la membrul superior stâng.

8.5 Circuitul de alarmă

Ansamblul este format dintr-un circuit integrat LM555. Acesta este un circuit destinat aplicațiilor de temporizare de precizie, de generare a unor impulsuri, precum și de modularea impulsurilor în durată. L-am folosit alături de o serie de componente de circuit pasive pentru a concretiza un semnal de alarmă în cazul în care detecția unui semnal nu mai poate fi realizată.

Pentru punerea în aplicare a acestui circuit s-a procedat similar cazului circuitului de alarmă, adică în primă fază s-a implementat circuitul în mediu Multisim, s-a simulat, s-a testat, după care s-a transmis în mediul de proiectare Altium Designer. Ca și listă de materiale, s-au ales componente TH (through hole). Pentru date exacte despre valoarea și cantitatea utilizată se poate consulta tabelul din figura 25.

Fig.25 Listă de materiale circuit de alarmă

Structura circuitului de alarmă este bazată pe un temporizator de aproximativ 13 secunde calibrat din valorile circuitului RC( R27 și C9). Dacă într-un interval de 13 secunde nu există semnal pe intrarea circuitului, timp în care condensatorul C9 se încarcă, la ieșire integratul LM555 dă semnal 0 logic. În acest caz circuitul format din două tranzistoare reversează logica, punând difuzorul de la ieșirea circuitului la potențial pozitiv, acesta semnalând acustic lipsa pulsului pacientului.

Schema electronică a circuitului în mediul Multisim este ilustrată în figura 26.

Fig.26 Circuitul de alarmă

8.6 Rezultatele simulărilor

În cele ce urmează se vor detalia rezultatele obținute din analizele prin simulare Multisim.

Figura cu numărul 27 reprezintă osciloscopul programului în care se pot observa cele două semnale.

Cu amplitudinea de 500 mV/diviziune, pe canalul A, este oscilografiat semnalul amplificat, iar în partea inferioară, pe canalul B, cu amplitudinea de 1 mV/diviziune este redat semnalul ce provine din generatorul de semnal EKG.

Fig.27 Simularea circuitul de amplificare

Circuitul de alarmă se va simula cu ajutorul generatorului de semnal EKG. În cazul în care acesta este deconectat se poate observa că după un timp de 5 secunde se va declanșa semnalul sonor (adică în zona canalului B difuzorul primește în loc de 0 V aproximativ 9 V). Toate acestea se pot observa în figura de mai jos, cu numărul 28.

Fig.28 Simularea circuitul de alarmă

8.7 Imprimarea circuitelor în Altium Designer

După ce s-a validat prin simulare Multisim structura dedicată a circuitului de amplificare/filtrare, s-a procedat la pasul 2, anume, implementarea lui in mediul Altium Designer. În acesta, în prima fază se reconstruiește grafic circuitul cu componente din librăria lui (figura 29- a) și b)), urmând apoi, ca fiecărei componente sa i se atașeze amprenta fizică aferentă. După finalizarea construcției grafice, este lansată aplicația de proiectare a plăcii dedicate de tip electronic. Toate componentele utilizate pentru circuitul de amplificare au fost de tip SMD (surface mounted device). S-au realizat conexiunile prin trasee pe ambele fete ale plăcii.

În cele ce urmează sunt reprezentate circuitele de amplificare, respectiv de alarmă pregătite pentru imprimare pe plăcile PCB (figurile 30-32).

Fig.29 a) Schema circuitului de amplificare realizată în Altium Designer

Fig.29 b) Schema circuitului de alarmă realizată în Altium Designer

Fig.30 Imprimarea circuitul de amplificare în Altium Designer-față

Fig.31 Imprimarea circuitul de amplificare în Altium Designer-spate

Fig. 32 Imprimarea circuitul de alarmă în Altium Designer fata (sus) și spate (jos)

8.8 Concluzii

Analiza și proiectarea circuitului de amplificare se face în trei etape mari: implemetarea circuitelor electronice, testarea și simularea acestora, și realizarea design-ului pentru construcția fizică.

Programele utilizate sunt Multisim și Altium Designer. Multisim este un mediu de dezvoltare electronic, ce oferă o bază de date cu componente electronice, un soluție pentru conceperea schemelor electronice. Cu Altium Designer se pot realiza toți pașii de la un design electronic, la concept, apoi la fabricație finală și asamblare.

Atât pentru faza de simulare, cât și pentru implementarea practică s-au folosit amplificatoarele de instrumentație INA333, TLC272 și MCP6004.

Ansamblul circuitului de alarmă este format dintr-un circuit integrat LM555. Acesta este un circuit destinat aplicațiilor de temporizare de precizie.

Capitolul IX: Realizarea practică a circuitelor electronice

Capitolul IX are rolul de a prezenta partea practică a acestei lucrări și anume construcția circuitului de amplificare, a celui de alarmă și testarea fizică a acestora.

9.1 Realizarea plăcilor PCB

Realizarea fizică a acestora s-a parcurs în următoarele etape:

după verificarea traseelor s-au imprimat circuitele (în oglindă) pe folie transparentă. Acest fapt permite cunoașterea dimensiunilor exacte și trecerea la ajustarea plăcilor. Figura 33 ilustrează pasul cu numărul unu în conceperea plăcilor.

Fig.33 Circuitele imprimate pe folie transparentă-sus și plăcile corespunzătoare-jos

Circuitele de pe foliile transparente s-au lipit ulterior una de alta( față și spate) astfel încât să se suprapună perfect pentru a putea permite amplasarea între ele a plăcii dimensionate corespunzător.

Pasul cu numărul trei constă în expunerea la lumină UV a acestora tocmai pentru ca tușul de pe folia transparentă să umbrească porțiunile care se doresc să rămână ca trasee. Expunerea durează 5 minute pe fiecare parte.

Imediat după extragerea plăcii din folia în care era introdusă aceasta se ,,spală” într-o soluție diluată de soda caustică pentru a înlătura zonele expuse ale circuitului rămânând acoperite cu lac protector doar traseele. Rezultatul acestei etape se poate observa în figura 34.

Fig.34 Circuitul de alarmă-stânga și circuitul de amplificare-dreapta

Ulterior, s-au corodat plăcile într-o soluție de clorura ferica îndepărtând surplusul de cupru.

În ultima parte s-au găurit plăcile, (cele mai multe găuri au fost realizate cu un mini-burghiu de 0,9 mm) în zonele în care a fost nevoie, după care s-a realizat lipirea componentelor de tip SMD (surface mounted device) pentru circuitul de amplificare și a componentelor de tip TH( through hole) pentru circuitul de alarmă.

Pentru a testa continuitatea traseelor după lipirea componentelor s-a folosit un multimetru. Construcția plăcilor în fază finală se poate analiza în figura cu numărul 35.

Fig.35 Circuitul de amplificare-stânga și circuitul de alarmă-dreapta

9.2 Testarea circuitelor

Pentru partea de testare a celor două circuite am folosit un osciloscop portabil digital Metrix OX7104-CSD, 4 baterii AA de 1,5 V pentru circuitul de amplificare, o baterie de 9V pentru circuitul de alarmă, cabluri de pacient și electrozi.

Am conectat fiecare circuit la sursa de alimentare corespunzătoare și am realizat legătura între osciloscop și placă, cu ajutorul sondelor osciloscopului atașate pinilor de ieșire. Electrozii au fost lipiți pe membrele superioare respectiv pe membrul inferior drept și s-au conectat cu placa de amplificare în pozițiile corespunzătoare fiecărei zone.

După mai multe încercări de calibrare a osciloscopului și de eliminare a surselor de perturbații( zgomotul de 50 Hz din rețeaua de alimentare de exemplu) semnalul care se poate observa pe ecranul acestuia este prezentat în figura 36.

Fig.36 Circuitul de amplificare-testare

În figura cu numărul 37 se pot observa toate elementele circuitului de amplificare funcționând împreună. Sondele osciloscopului sunt conectate la placa PCB, aceasta fiind alimentată de la 4 baterii de tip AA. Electrozii sunt amplasați pe pacient conform codului culorilor, și anume galben- membrul superior stâng, roșu-membrul superior drept și negru- membrul inferior drept.

Fig.37 Circuitul de amplificare-pacient

Mai departe, s-au realizat teste pentru circuitul de alarmă. Acesta a fost conectat la o sursă. LED-ul prezentat pe suprafața plăcii transmite faptul că aceasta este alimentată. S-a întrerupt alimentarea, s-a așteptat aproximativ 13 secunde, după care difuzorul atașat plăcuței a început să producă semnal sonor. Cele exprimate în acest paragraf se pot observa în figura cu numărul 38.

Fig.38 Circuitul de alarmă-testare

9.3 Concluzii

Atât circuitul de amplificare cât și circuitul de alarmă au fost simulate, proiectate, construite și testate pe o durată de aproximativ șase luni. A fost nevoie de timp pentru implementarea practică a acestora. În prima faza s-a deteriorat una din plăcuțe și a fost necesară parcurgerea etapelor descrise în subcapitolul ,,Realizarea plăcilor PCB” pentru a doua oară. Fiecare traseu și fiecare componentă au fost testate cu ajutorului unui multimetru pentru a avea siguranța că nu există nici un scurtcircuit. Tresa și sacâzul lichid au fost de un real ajutor la lipirea circuitelor de tip SMD.

Capitolul X: Aplicații – autointerpretarea semnalului de tip EKG

10.1 Simulare autointerpretare- partea de software

10.1.1 Generalitați-Programul LabVIEW

LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) este un mediu de dezvoltare a National Instruments folosit pentru crearea de aplicații personalizate în funcție de utilizator, care interacționează cu date reale sau semnale în domenii cum ar fi știința și ingineria.

Programul în sine este un mediu de dezvoltare de software, care conține numeroase componente, mai multe dintre care sunt necesare pentru orice tip de încercare, măsurare sau aplicație de control.

LabVIEW conține un compilator puternic, care analizează optimizarea diagramei bloc și generează în mod direct cod, evitând lipsa de performanță asociată cu limbaje interpretate sau greșit compilate. Compilatorul poate identifica, de asemenea, fragmente de cod fără dependențe de date (adică , fără fire care le conectează ) și poate împărți în mod automat aplicația în mai multe instrumente virtuale (subVI) care pot rula în paralel pe procesoarele acestuia, obținându-se o analiză mult mai rapidă și un control mai sensibil în comparație cu o singură aplicație secvențială.

După deschiderea programului se pot observa panoul frontal (Front Panel) în care se introduc blocurile necesare aplicației și diagrama bloc (Block Diagram) în care se creează corespondentul fiecărui bloc pentru vizualizare. Acestea sunt reprezentate în figura cu numărul 39 .

Fig.39 Diagrama bloc (stânga) și panoul frontal (dreapta)

În general , semnalul EKG înregistrat este contaminat de zgomot și artefacte , care pot fi în banda de frecvență de interes și se manifestă cu caracteristici similare, asemănător semnalului EKG în sine . În scopul de a extrage informații utile din semnalele EKG zgomotoase , este necesară realizarea procesării semnalelor EKG achiziționate.

Etapele de procesare ale semnalului EKG, pot fi împărțite în două etape, după funcționalitate : preprocesare și extragere caracteristică . Etapa de preprocesare elimină sau suprimă zgomotul din semnalul EKG brut și etapa de extragere caracteristică aduce informații de diagnosticare din semnalul EKG .

Setul de instrumente biomedicale NI LabVIEW și alte seturi de instrumente conexe, cum ar fi Signal Processing Toolkit avansat (ASPT) și Digital Filter Design (DFDT), pot ajuta la construirea unor aplicații de procesare de semnal pentru ambele etape, inclusiv de anulare a zgomotului sau de detecție a complexelor QRS.

10.1.2 Implementarea programului de auto-interpretare

În acest subcapitol se va detalia măsurarea și diagnosticarea automata a parametrilor formei de undă EKG. Principul de funcționare și etapele acestui program au fost concepute după următoarea schemă bloc, figură notată cu numărul 40:

Fig.40 Diagrama bloc (stânga) și panoul frontal (dreapta

Inițial, cu ajutorul unui bloc de simulare a semnalului EKG numit ,,Simulate ECG” se va genera semnalul cu posibilitatea alegerii uneia dintre patologiile existente (tahicardie atrială, tahicardie ventriculară, tahicardie juncțională, bloc atrioventricular, hiperkalemie, hipokalemie, hipercalcemie, hipocalcemie), dar și a semnalului normal. Acesta este prezentat în figura numerotată cu 41.

Fig.41 Blocul Simulate ECG

Din biblioteca de exemple existente în pachetul LabVIEW s-a folosit un program

Baza întregului program de analiză cu autointerpretare a unui semnal EKG, ca scop al prezentei lucrări, a fost un program model din biblioteca de exemple existe în pachetul LabVIEW (ECG Feature Extractor- figura 42). Acest exemplu este destinat analizei complexului QRS pe un semnal de tip EKG generat. În jurul acestui program, prin contribuție personală s-au implementat o serie de comparatoare care să determine patologia semnalului de analizat.

Determinarea patologiei corecte are la bază compararea valorilor semnalului de analizat cu serii de valori caracteristice pentru 8 patologii enumerate anterior. Funcționarea propriu-zisă s-a realizat prin înregistrarea datelor patologice pentru o plajă de valori de puls cuprinsă între 50 bpm și 130 bpm. S-au determinat mai apoi pentru fiecare patologie valorile minime și maxime ale parametrilor caracteristici (figura 43), date citite din fișier de tip text (figura 45). Fiecare parametru caracteristic al semnalului de analizat este comparat dacă se găsește sau nu în intervalul definit de minimul și maximul explicitate mai sus (figura 44-a) și b)). În caz pozitiv acesta returnează valoarea 1, iar în caz negativ valoarea 0. Având 14 parametrii(figura 46) de comparat, valoarea maximă posibilă a răspunsurilor cumulate pentru o patologie poate fi 14. Astfel, fiecare patologie primește un punctaj intre 0 si 14. Aceea dintre ele care are punctajul cel mai mare va fi patologia caracteristică semnalului de analizat.

Fig.42 ECG Feature Extractor

Fig.43 Citirea parametrilor din fișierul de tip text

Fig.44 a) Blocurile comparatoare

Fig.44 b) Interiorul blocurilor comparatoare A și B

Fig.45 Fișierul de tip text

Fig.46 Digrama bloc-semnalul EKG și parametrii aferenți

10.2 Simulare autointerpretare- partea de harware

10.2.1 NI-myRIO

NI myRIO (figura 46) este un dispozitiv hardware încorporat, care are scopul de a introduce în rândul studenților o tehnologie dovedită în industrie și le permite să proiecteze sisteme reale și complexe de inginerie accesibil și rapid.

Fig.46 myRIO

10.2.2 Programul de autointerpretare și conexiunea cu myRIO

Diferența față de programul de interpretare simulat descris anterior este că semnalul nu se mai generează cu ajutorului unui bloc predefinit, ci se prelevează de la pacient prin intermediul electrozilor, cablului de pacient si amplificatorul construit pe placa PCB. Citirea semnalului cu patologiile aferente pentru realizarea comparațiilor cu semnalul prelevat se face tot din fișierul de tip text, dar după ce valorile au fost încărcate în prealabil pe placa myRIO.

Ieșirea de la circuitul de amplificare este conectata la o intrare analogica a plăcii myRIO realizându-se astfel citirea semnalului real EKG.

Datorită faptului ca memoria plăcii myRIO este limitată a fost imposibilă introducerea sub formă de fișier a tuturor datelor înregistrate și înscrise în acesta. Ca atare într-o variabilă ,,Spread Sheet String”(figura 47) au fost înscrise pentru fiecare patologie valorile minime și maxime ale celor 14 parametrii ai semnalului EKG. Generatorul de semnal utilizat în simulările simple LabVIEW a fost înlocuit cu un bloc Analog Input (figura 48) pentru citirea semnalului real EKG. Bucla de rulare a programului Real-Time a fost setată la o viteză de 1 MHz (figura 49). Astfel se asigură o eșantionare suficient de densă a semnalului citit.

Fig.47 Spread Sheet String

Fig.48 Analog input

Fig.49 Programul de achiziție

Acordarea filtrelor, respectiv a blocului ECG Feature Extractor a fost realizată cu o bază unitară de timp dt=0,01 secunde, valoare necesară și suficientă pentru ca programul să poată identifica cei 14 parametri caracteristici și să-i compare cu valorile de referință tipice celor 8 patologii.

Testele de pe partea de hardware au fost realizate după cum se poate observa în figurile numerotate cu 50 și 51.

Fig.50 Testarea harware

Fig.51 Circuitul de amplificare conectat cu placa de achiziție myRIO

În figura 52 se poate observa semnalul real EKG achiziționat de la un subiect, afișat pe grafic, iar in partea inferioară a acestuia valorile celor 14 parametrii rezultați de la blocul ECG Feature Extractor.

Prin compararea acestor valori măsurate cu valorile parametrilor patologici înregistrați s-a determinat o descriere a semnalului afișată sub formă de grafice de tip bară. Scorul obținut de fiecare patologie este cuantificat prin culoarea galbenă a barelor oferind o imagine de ansamblu asupra semnalului EKG prelevat de la pacient. Rezultatul acestei analize practice este afișat în figura 52.

Fig.52 Rezultatele funcționării sitemului hardware

10.2.3 Comparații patologii- grafice

Acest subcapitol are rolul de a sublinia diferențele dintre minimul si maximul fiecărui parametru normal sau patologic simulat. Valorile sunt preluate din simularea programului ECG Feature Extractor și se pot regăsi și în fișierul de tip text.

Excluzând termenii de complex, undă, segment, des întâlniți în discuțiile despre semnalul EKG, în aceste grafice se face referire și la ISO (derivat din limba greacă ,,isos”-egal). Acesta reprezintă raportul dintre semnal și zgomot, și determină calitatea semnalului prelevat.

În figurile numerotate de la 53 la 64 se pot observa variații ale parametrilor caracteristici în funcție de indicele patologiilor. Acestea au fost numerotate de la 1 la 8 după cum urmează:

Tahicardie atrială

Tahicardie ventriculară

Tahicardie juncțională

Bloc atrio-ventricular

Hiperkalemie

Hipokalemie

Hipercalcemie

Hipocalcemie

Fig.53 Amplitudinea medie a complexului QRS

Fig.54 Timpul mediu al complexului QRS

Fig.55 Intervalul PR mediu

Fig.56 Intervalul QT mediu

Fig.57 Nivelul mediu al segmentului ST

Fig.58 Nivel ISO mediu

Fig.59 Amplitudinea standard a complexului QRS

Fig.60 Timpul standard al complexului QRS

Fig.61 Intervalul PR standard

Fig.62 Intervalul QT standard

Fig.63 Nivel ST standard

Fig.64 Nivel ISO standard

10.3 Concluzii

Pentru a implementa într-un sistem complex toate cele expuse în capitolele anterioare s-a procedat la achiziția semnalului EKG de la pacient prin intermediul amplificatorului construit pe plăcuța PCB, spre placa de dezvoltare NI myRIO, care rulează pe platforma de timp real. Prin intermediul interfeței cu utilizatorul s-a afișat semnalul ECG achiziționat de la pacient, iar prin intermediul comparațiilor detaliate în acest capitol, s-a realizat o diagnosticare/interpretare patologică a acestuia.

Graficele construite ajută la observarea diferențelor dintre diferitele patologii care pot apărea în semnalul de tip EKG.

Capitolul XI: Concluzii finale

Capitolul I reprezintă o introducere în universul electrocardiografiei . Începuturile sale sunt dezvăluite de oameni de știința precum Luigi Galvani, Albert von Kölliker, Horst Mueller, Augustus D. Waller și nu in ultimul rând, cel ce a descoperit electrocardiograma pe baza ideilor predecesorilor săi, Willem Einthoven.

Activitatea electrică a inimii, dezbătuta in capitolul II, este detectată cu ajutorul unor unde de depolarizare si repolarizare a celulelor musculare cardiace. Activitatea electrică și fiziologia mecanică a inimii sunt strâns legate între ele. Un ciclu cardiac este format din unda P, complexul QRS, unda T si în unele cazuri unda U (mai puțin semnificativă). Sistemul cardiocirculator este foarte important deoarece el asigura transportul sângelui la, și de la inima, aprovizionează organismul cu substanțe nutritive, hormoni dar are ca si funcții si eliminarea dioxidului de carbon și îndepărtarea reziduurilor spre rinichi.

Capitolul III pune accentul pe cunoașterea practica a sistemului de interpretare EKG și anume părțile componente ale electrocardiografului, dar și felul în care electrocardiogramele se citesc și se interpretează. Plecând de la informații despre codul culorilor, amplasarea electrozilor pe pacient, citirea graficelor în funcție de axa timpului se va putea realiza cu ușurință o interpretare corectă a unei investigații de tip EKG.

În cea de-a doua parte a capitolului se vorbește pe scurt despre amplasarea fiecăreia dintre cele 12 derivații EKG ( I, II, III, aVR, aVL, aVF, V1, V2, V3, V4, V5, V6) și despre legăturile dintre ele și reprezentarea grafică sub formă de unde și segmente.

Informațiile de interes din capitolul IV vizează atât funcționarea sistemului nervos autonom cât și rolul pe care acesta îl are în acțiunile pe care un pacient le dezvoltă în funcție de afecțiunile de care suferă. S-a discutat despre sistemul nervos simpatic, despre sistemul nervos parasimpatic si despre fluxul sanguin si tensiunea arteriala. Toate acestea sunt deosebit de importante în funcționarea normala a inimii si a întregului sistem cardiovascular. La sfârșitul capitolului se face legătură cu capitolele următoare prin referirea la rată, ax, ritm, infarct și hipertrofie.

Capitolul V ne spune că pentru determinarea ritmului normal sau patologic se vor parcurge traseele EKG verificând unda P înainte de fiecare QRS, complexul QRS după fiecare undă P. Pentru identificarea eventualelor Blocuri AV se vor verifica intervalele PR. Ca și afecțiuni ce țin de ritm amintim tahiaritmiile: tahicardia paroxistică- care poate fi atrială, juncțională, ventriculară, flutterul-poate fi atrial sau ventricular și fibrilația-poate fi atrială sau ventriculară.

Capitolul VI analizează o serie de patologii cardiace, care afectează diferit înregistrarea electrocardiogramei, respectiv care duc la realizarea unui diagnostic corect. Fiecare undă, segment sau complex, în funcție de amplitudine, timp, sau amplitudine și timp, comparativ cu starea normală, ne oferă informații despre ce fel de afecțiune suferă pacientul în cauză. Tot aici se vorbește despre rata accelerată a ritmului cardiac, adică despre tahicardii. Acestea pot fi de trei tipuri: atrială, ventriculară și juncțională. Ulterior, discuția a trecut la o altă patologie, și anume la blocurile atrioventriculare. Acestea au rolul de a întârzia, a opri, sau a întârzia și a opri, conducerea sângelui de la atrii la ventricule, prin blocarea completă a impulsurilor ventriculare

În ultima partea a capitolului VI, referirea se face la creșterea sau scăderea numărului de ioni de potasiu(K+), afecțiuni numite hiperkalemie și hipokalemie, respectiv la creșterea sau scăderea numărului de ioni de calciu(Ca++) patologii numite hipercalcemie si hipocalcemie

Pentru analiza funcționalității filtrelor, acestea se vor construi cu ajutorul programului FilterPro si se vor dimensiona astfel încât să se muleze pe nevoile de rejecție a zgomotului din circuitul de amplificare.

Circuitele astfel dimensionate s-au transpus în mediul Multisim și s-au conectat la circuitele amplificatoare. Analiza și proiectarea circuitului de amplificare se face în trei etape mari: implementarea circuitelor electronice, testarea și simularea acestora, și realizarea design-ului pentru construcția fizică.

Programele utilizate sunt NI Multisim și Altium Designer. Multisim este un mediu de dezvoltare, ce oferă o bază de date cu componente electronice, o soluție pentru conceperea schemelor electronice. Cu Altium Designer se pot realiza toți pașii de la un concept la un design electronic, apoi la fabricație finală și asamblare.

Atât pentru faza de simulare, cât și pentru implementarea practică s-au folosit amplificatoarele de instrumentație INA333, TLC272 și MCP6004.

Circuitul de alarmă are la baza circuitul integrat LM555. Acesta este un circuit destinat aplicațiilor de temporizare de precizie.

Circuitul de amplificare și circuitul de alarmă au fost simulate, proiectate, construite și testate pe o durată de aproximativ șase luni. A fost nevoie de timp pentru implementarea practică a acestora. În prima faza s-a deteriorat una din plăcuțe și a fost necesară parcurgerea etapelor descrise în subcapitolul ,,Realizarea plăcilor PCB” pentru a doua oară. Fiecare traseu și fiecare componentă au fost testate cu ajutorului unui multimetru pentru a avea siguranța că nu există nici un scurtcircuit. Tresa și sacâzul lichid au fost de un real ajutor la lipirea circuitelor de tip SMD.

Pentru a implementa într-un sistem complex toate cele expuse în capitolele anterioare s-a procedat la achiziția semnalului EKG de la pacient prin intermediul amplificatorului construit pe plăcuța PCB, spre placa de dezvoltare NI myRIO, care rulează pe platforma de timp real un program de analiza a semnatului real. Prin intermediul interfeței cu utilizatorul s-a afișat semnalul ECG achiziționat de la pacient, iar prin intermediul comparațiilor detaliate în acest capitol, s-a realizat o diagnosticare/interpretare patologică a acestuia.

Graficele prezentate ajută la observarea diferențelor dintre diferitele patologii care pot apărea în semnalul de tip EKG.

Prin urmare, sistemul dezvoltat in prezenta lucrare de diploma, pornit de la un concept pur teoretic, a fost dus mai apoi la faza de implementare practica, rezultând in final un sistem funcțional, automat de achiziție si interpretare a semnalului EKG de la un pacient.

Bibliografie

[1] Dale, Dubin. Rapid interpretation of EKG’s. Ediția a 6-a, Tampa , Florida. Editura Cover publishing(2000). ISBN 0-912912-06-5.

[2] Dale, Dubin. Ion Adeventure in the heartland. Exploring the heart’s ionic-molecular microcosm. Volum I, Tampa, Florida. Editura Cover Publishing(2003).

ISBN 0-912912-11-1.

[3] Anghel, S. D. . Bazele electronicii analogice și digitale, Editura Presa Universitară Clujeană, Cluj-Napoca 2007

[4] Roman, Marius și Munteanu, Mihai. Măsurarea, modelarea și simularea proceselor biomedicale, Editura Mediamira, Cluj-Napoca,

ISBN 973-9357-02-04(2002)

[5] Popescu, Eugen D. . Compendiu de electrografie clinică. Volum I, Editura All (2000), ISBN 973-571-281-4

[6] Ciupa, Radu Vasile. Introducere în electronica biomedicală, Editura Institutul Politehnic Cluj-Napoca, 1992

[7] Dudea, Corneliu. Atlas de electrocardiografie clinica. Editia a IV-a. Volumele I și II, Editura Medicală (2006)

[8] Lupea, Iulian. LabVIEW. Programare Grafică. Colecția Evrica, Editura Risoprint Cluj-Napoca 2008. ISBN: 978-973-751-813-2

[9]Mihura, Bruce. LabVIEW for Data Acquisition. Editura Prentice Hall PTR (1998). ISBN: 0130811556

[10] Olansen, Jon B. și Rosow Eric. Virtual Bio-Instrumentation: Biomedical, Clinical, and Healthcare Applications in LabVIEW. Editura Prentice Hall (2001).

ISBN: 0130652164

[11] Akshu, Purohit si Khalid, Khan si Govind, Kishan Bohra, Calculate ECG Parameters through Labview, International Journal of Computer Applications ISSN: 0975 – 8887, pp.18-20

[12] Islam, M. si Haque, M. si Tangim, G. si Ahammad T., Khondokar, M., Study and Analysis of ECG Signal Using MATLAB &LABVIEW as Effective Tools International Journal of Computer and Electrical Engineering,Vol. 4, No. 3, June 2012

[13] Seema, Nayak si Soni, M. si Dipali, Bansal, Filtering Techniques For Ecg Signal Processing Ijreas Volume 2, Issue 2 (February 2012).

[14] http://www.ni.com/tutorials/6349/en

[15] http://www.sonoma.edu/users/m/marivani/es231/multisim2001_Getstartpdf.

[16] http://www.ti.com/lsds/ti/analog/webench/partner-altium.page

[17] http://www.medipedia.ro