Transcript Laborationsmaterial (2014) finns här. - IMT

ELEKTRODER OCH REGISTRERING
AV ELEKTROKARDIOGRAM
LABORATION 1
TBMT18 MEDICINSK TEKNIK
Laborationshandledare: Maria Ewerlöf
Kontakt: [email protected], 013-28 67 53
D EPARTMENT
OF
B IOMEDICAL E NGINEERING L INKÖPING U NIVERSITY
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 UA och UB samt
fasskillnaden, θ, dem emellan. Härled ett uttryck på Zt = Rt + jXt då referensmotståndet
Rref är känt.
Tips:
Inför Z' = Zt + Rref
θ = arctan (X/R)
Gain (dB) = 20 log10 (UB/UA)
UB/UA=I Z´/I Rref
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/m2,
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.
C1
R1
Re
R2
C2
Figur 1. Mätcellens ekvivalenta schema
C1, R1 och C2, R2 är elektrod-elektrolytövergångarnas resistans resp. kapacitans. C1 = C2 =
C och R1 = R2 = R
Re är elektrolytens resistans. Re har dock funnits vara så liten jämfört med R att den kan
försummas.
Beräkna mätcellens totala resistans, Rt, och totala kapacitans, Ct.
Om den totala resistansen kallas Rt erhåller vi:
Rt = 2R+Re ≈ 2R
(1)
Ct = C/2
(2)
Mätning av elektrodimpedansen sker med hjälp av två kanaler på ett oscilloskop enligt
Figur 2.
A
Zt
Mätcell
Rref
Referensmotstånd
+
UA
_
B
+
UB
_
Figur 2. Mätning av den totala elektrodimpedansen Zt hos mätcellen med hjälp av ett oscilloskop. Rref är ett
referensmotsånd.
Referensmotståndet, Rref justeras in så att förstärkningen 20 log10 (UB/UA) ligger mellan 20
och 40 dB. Strömtätheten skall hållas konstant vid 2,5 A/m2, vilket betyder att topp-tilltopp-värdet av strömmen genom Zt och Rref skall vara 0,5 mA. Spänningen över Rref 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 aVF, aVR, aVL och VI, VII, VIII på EKGskrivaren, att sambanden nedan stämmer
VI - VII+ VIII = 0
och
aVF - aVR + aVL = 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.
10
Hjälpfigurer till L2
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
Hjärtcykel nummer
I/1.
1
2
3
4
5
6
7
medel(T)
8
max-min
T
Avledning:
SPM:
Hjärtcykel nummer
I/2.
1
2
3
4
medel (T)
5
T (QT-intervall)
T (TR-segment)
Avledning:
II. Sittande, normal andning
II/1.
Hjärtcykel nummer
1
2
3
4
5
6
7
8
medel(T)
T
Avledning:
SPM:
max-min
15
Hjärtcykel nummer
II/2.
1
2
3
4
medel (T)
5
T (QT-intervall)
T (TR-segment)
Avledning:
III. Stående, normal andning
Hjärtcykel nummer
III/1.
1
2
3
4
5
6
7
medel(T)
8
max-min
T
Avledning:
SPM:
III/2.
Hjärtcykel nummer
1
2
3
4
5
4
5
medel (T)
T (QT-intervall)
T (TR-segment)
Avledning:
IV. Sittande, djup andning
III/1.
Hjärtcykel nummer
1
2
3
medel (T)
T (inandning)
T (utandning)
Avledning:
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.
Hjärtcykel nummer
V/1.
Före
1
2
3
4
5
6
7
medel(T)
8
max-min
T
Avledning:
SPM:
Hjärtcykel nummer
V/2.
Före
1
2
3
4
medel (T)
5
T (QT-intervall)
T (TR-segment)
Avledning:
Hjärtcykel nummer
V/3.
Efter
1
2
3
4
5
6
7
medel(T)
8
max-min
T
Avledning:
V/4.
Efter
SPM:
Hjärtcykel nummer
1
2
3
4
5
medel (T)
T (QT-intervall)
T (TR-segment)
Avledning:
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
Hjärtcykel nummer
V/1.
Liggande
1
2
3
4
5
6
7
8
medel(T)
max-min
T
Avledning:
V/1.
Plötsligt
stående
SPM:
Hjärtcykel nummer
1
2
3
4
5
6
7
8
medel(T)
T
Avledning:
SPM:
max-min
18
B. DATASAMMANSTÄLLNING OCH KONKLUSION
1. Effekter av kroppsposition
Kroppsläge
SPM (medel)
QT intervall
TR segment
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)
Strax före fysisk aktivitet
Strax efter fysisk aktivitet
Hur påverkar fysisk aktivitet längden av ventrikulär systole och diastole samt frekvensen.
4. Effekt av hjärtreflexer
Före
intervention
T (medel)
SPM(medel)
Under
intervention
Under de
första 5
hjärtcyklerna
Under 10 -15:e
hjärtcyklerna
Plötsligt
stående
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.