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Captulo VII.- Electrocardigrafo. 7.1. Principios Anatmicos.

El corazn es el msculo del sistema cardiovascular, encargado de producir la potencia necesaria, para el transporte de la sangre a todo el cuerpo. El corazn est compuesto de cuatro cavidades, dos aurculas y dos ventrculos. La sangre depauperada de oxigeno llega a la aurcula derecha a travs de la vena cava superior y de ah pasa al ventrculo derecho. Saliendo por la arteria pulmonar, la sangre fluye hacia los pulmones a fin de oxigenarse. La sangre retorna al corazn por las cuatro venas pulmonares a la aurcula izquierda, pasando de ah al ventrculo izquierdo, el cual enva la sangre al sistema capilar. Un sistema de vlvulas dentro del corazn condiciona el flujo unidireccional de la sangre. La direccin del flujo de la sangre, desde o hacia el corazn, determina el nombre de arteria o vena. Un esquema de lo expuesto desde el punto de vista de la ingeniera es mostrado en la fig.7.1 y en la fig.7.2 se ilustra el flujo por el bombeo de la sangre a travs del corazn..

9- arteria pulmonar10- aorta11- vlvula tricspide12- vlvula mitral13- vlvula pulmonar14- vlvula artica

1- aurcula derecha2- aurcula izquierda

3- ventrculo derecho4- ventrculo izquierdo5- pulmones6- circulacin7- vena cava8- vena pulmonar

fig. 4.1a.- Esquema de ingeniera que simula el funcionamiento del corazn.

1 2

3 4

5

6

78

910

1413

1112

La contraccin del corazn es llamada sstole y a la relajacin o llenado se le designa como distole. Tal como en los otros msculos, la actividad mecnica del corazn esta acoplada a una actividad elctrica. Una complicada excitacin elctrica, produce un espacial y cronolgicamente coordinado, proceso de contraccin muscular. Este proceso se inicia con la contraccin de la aurcula derecha, 20 ms ms tarde le sigue la aurcula izquierda, luego de 120 ms viene la fuerte contraccin del ventrculo izquierdo y finalmente pasados otros 20 ms la contraccin del ventrculo derecho. La excitacin elctrica expuesta sincroniza el trabajo del sistema cardiovascular. De manera muy resumida puede decirse que el corazn est compuesto de dos bombas conectadas en serie que son accionadas simultneamente o en paralelo.

fig 7.1a.- Esquema de ingeniera que simula el funcionamiento del corazn

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fig. 7.2.- Flujo por el bombeo de la sangre a travs del corazn.

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7.2 El Electrocardiograma. Producto de la actividad elctrica del corazn durante la contraccin se genera un campo elctrico alrededor del msculo cardaco. Ya que el cuerpo humano es un aceptable medio conductor de la electricidad, sobre su superficie podrn medirse diferencias de potencial debidas a este campo. A estas mediciones se le llama electrocardiograma (ECG). La fig. 1.3, muestra la forma aproximada de una onda electrocardiogrfica e indica sus partes ms conocidas. Las distintas desviaciones del ECG, han sido arbitrariamente marcadas con las letras P, Q, R, S, T y U. As, distintas partes del ECG, se correlacionan con la actividad elctrica del corazn, de la siguiente manera:

R

P

Q S

T

segmentoPR

segmentoST

intervalo PR intervalo QT

50-100 ms 60-100 ms

120-200 ms

U

al siguiente

fig. 7.3.- Representacin del ECG normal y sus partes ms representativas.

Onda P.- est relacionada con la propagacin de la excitacin en las aurculas. Segmento PQ.- tiempo durante el cual transcurre la transmisin de la excitacin de las aurculas a los ventrculos, se toma como lnea base o lnea de cero voltaje. Complejo QRS.- est relacionado con la excitacin de los ventrculos. Onda T.- relacionada con el decrecimiento de la excitacin en los ventrculos. Onda U.- Actividad elctrica del corazn durante la distole. 7.3. Derivaciones Electrocardiogrficas. Las diferencias de potencial medidas en la superficie del cuerpo, durante el registro electrocardiogrfico, estn normalmente alrededor de 1 mV. Estos potenciales pueden medirse con bioamplificadores de ganancia media, empleando las tcnicas explicadas en el Captulo 3.

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Desde que Einthoven estableci el registro del ECG, varios mtodos para llevar a cabo este registro se han desarrollado. Actualmente, en la mayora de las aplicaciones de la clnica, el mtodo ms difundido es el de las doce derivaciones, las que se efectan a partir de nueve puntos sobre el cuerpo, donde se ubican los electrodos registradores. Las doce derivaciones son clasificadas y se obtienen segn explicamos a continuacin: 7.3.1. Derivaciones Bipolares. Una derivacin bipolar se consigue mediante el apareamiento de dos electrodos sobre el cuerpo de un paciente, a fin de obtener la diferencia de potencial entre dos puntos. De ordinario, estas derivaciones se obtienen con los electrodos colocados en las extremidades o en la pared torcica, pero pueden obtenerse asimismo colocando los electrodos en cualquier otro lugar.

+_

+

_R L

F

Derivacin I

Derivacin II Derivacin III

fig. 7.4.- Tringulo de Einthoven y las derivaciones bipolares de miembros. Derivaciones I, II y III.- Tambin designadas como 1,2 y 3, son las derivaciones estndares o convencionales de los miembros. Derivacin I ( 1) es la que resulta cuando los electrodos se colocan a fin de registrar la diferencia de potencial entre el brazo izquierdo (L) y el brazo derecho (R), esto es; I = L - R, de la misma manera las Derivaciones II (2) y III (3), tomadas como la diferencia entre pie izquierdo (F) y mano derecha (R) y la diferencia entre pie izquierdo (F) y mano izquierda (L), sern; II = F - R y III = F- L. Estas se ilustran en el esquema de la fig. 7.4. Note que:

aVI = L - R aVII = F - R aVIII = F - L ( 7.1 )

entonces: aVI + aVIII = aVII

( 7.2 ) aVII - aVI = aVIII

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7.3.2. Derivaciones Unipolares. Por contraposicin a lo anterior, una derivacin unipolar es aquella que representa los voltajes cardacos en un punto particular del cuerpo, con respecto a un punto de referencia, libre de fluctuaciones, que se obtiene conectando los electrodos a los miembros, a travs de tres resistencias iguales de 5 kW o ms. La unin constituye el punto de referencia o terminal central y generalmente se le coloca en el selector de derivaciones del electrocardigrafo o en algn lugar especial. Los electrodos colocados sobre el cuerpo se aparean, a fin de obtener la diferencia de potencial, sucesivamente con el de referencia o terminal para conseguir la derivacin unipolar. La derivacin unipolar representa as, los voltajes presentes en puntos aislados del cuerpo. 7.3.2.1. Derivaciones Unipolares de miembros.

RL

F

aV

aV

aV

R

L

F

R

L

F

R

L

F fig. 7.5.- Esquema ilustrativo de las derivaciones unipolares de miembros.

Las derivaciones unipolares de miembros son obtenidas como el registro de la diferencia de potencial entre una extremidad y el promedio de las otras dos, ello se ilustra en el diagrama de la

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fig. 7.5. Las derivaciones unipolares de miembros pueden ser expresadas matemticamente como sigue:

aV = R - F + L

2 , aV = L -

R + F2

, aV = F - R + L

2R L F

4.3.2.2. Derivaciones Unipolares Precordiales.

Las derivaciones unipolares precordiales son obtenidas sobre la pared del pecho, en la mayora de los casos se usan solo seis puntos. Un diagrama que ilustra como se obtienen las derivaciones unipolares precordiales, se muestra en la fig. 7.6. Las diferencias de potencial en cada caso sern entre el punto tomado sobre el pecho y el promedio obtenido desde las tres extremidades R, L y F.

RL

F

Vn

aV = V nn_ R + L + F

3

fig. 7.6.- Esquema ilustrativo de las derivaciones unipolares precordiales.

7.4. El electrocardigrafo. El electrocardigrafo es el equipo electromdico destinado al registro del electrocardiograma. Existen variados modelos, atendiendo a su nivel de automatizacin, nmero de canales, etc., pero la mayora de ellos, presentan algunos elementos bastante comunes, los cuales sern expuestos en este epgrafe. Un diagrama en bloques de un electrocardigrafo es mostrado en la fig.7.7. 7.4.1. La Unidad de Entrada. La Unidad de Entrada de un electrocardigrafo debe realizar las siguientes funciones:

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- Presentar alta impedancia de entrada a fin de no cargar la fuente de bioseal. Las impedancias asociadas a las fuentes de seal electrocardigrafica estn normalmente sobre las decenas de kW . Desde luego, los amplificadores de acoplamiento deben presentar impedancias que permitan, disminuir lo suficiente el error introducido por efecto de carga a la entrada.

.

.

.Buffers

R

L

F

RF

SH

Vn

Red de Wilson

Red deConmutacin

Unidad de Procesamiento

Unidad deControl

Unidad deSalidaFuente

Aislada

FuentePrincipal

Barrera de Aislamiento

de la Bioseal

BioamplificadorAislado

fig.7.7.- Diagrama en bloques de un electrocardigrafo. - La etapa preamplificadora de entrada lleva a cabo la amplificacin inicial o primaria de la seal del ECG. Esta etapa adems de tener alta impedancia de entrada, principalmente tendr un alto rechazo al modo comn (entre 80 y 120 dB), ya que su rol principal es el de adquirir la seal y rechazar el ruido. Una etapa preramplificadora tpica esta conformada por un amplificador de instrumentacin, es decir un arreglo de tres amplificadores operacionales. - El circuito de pierna derecha RF, produce un punto de referencia, normalmente el comn del circuito de entrada, a la vez que propicia un camino de baja impedancia para drenar la interferencia, antes de que alcance el amplificador. Si el circuito que se emplea para realimentar el voltaje de modo comn es una configuracin inversora, podr decirse adems que el voltaje interferente es disminuido al ser relimentado con inversin de fase nuevamente hacia el paciente. - Obtener a partir de los puntos de registro los potenciales que deben ser entregados a la Unidad de Conmutacin, a fin de, establecer las diferencias de potencial definidas por las derivaciones electrocardigraficas.

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- Garantizar proteccin al paciente an en el caso de simple falla, donde se destaca como elemento de proteccin la barrera de aislamiento, presente en el todo equipo de ECG moderno y de calidad. La barrera de aislamiento separa la red comercial ( 120 V, 60 Hz ) de la electrnica en contacto con el paciente, a fin de limitar la corriente que pudiera atravezar al paciente en caso de que por accidente este se pusiera en contacto con algn voltaje peligroso. Todas las mquinas modernas de ECG emplean amplificadores aislados para garantizar la seguridad del paciente. - Garantizar la proteccin de la electrnica del equipo ante altos voltajes que pudieran aparecer a la entrada del electrocardigrafo tales como impulsos de marcapasos, descargas del desfibrilador u otros artefactos similares. - Generar una seal de calibracin de 1 mV para introducirla momentneamente por cada canal del electrocardigrafo cuando es comprobado. Un diagrama en bloques que da una idea sobre la organizacin de la Unidad de Entrada se ilustra en la fig.7.8 tambin se indica la salida de 3er electrodo (RF) y la de apantallamiento con guarda activa (SH). Los amplificadores en configuracin "buffer", producen la alta impedancia para el acoplamiento del equipo con la fuente de bioseal. Ellos son parte de la configuracin del Amplificador de Instrumentacin, encargado de la captacin de la bioseal en el electrocardigrafo.

.

.

.Buffers

R

L

F

RF

SH

Vn

Red de Wilson

Red deConmutacin

Amplificador

Aislado

Seales de Control

fig. 7.8.- Diagrama en Bloques de la Unidad de Entrada del Electrocardigrafo.

Todos los electrodos en contacto con el paciente estn unidos a la Red de Conmutacin del electrocardigrafo. La funcin de este bloque es la de determinar cuales electrodos son necesarios conectar hacia el resto del equipo a fin de obtener la derivacin seleccionada. Es en esta parte del electrocardigrafo en que se toma el punto central, o voltaje de modo comn a fin de realimentar el apantallamiento y el 3er electrodo o electrodo de referencia. En los equipos

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actuales este bloque esta formado por un arreglo de conmutadores electrnicos controlado por mando digital y selecciona una o ms derivaciones simultneamente en funcin del nmero de canales del electrocardigrafo. En modo automtico, cada una de las doce derivaciones es registrada durante 10 s. 7.4.2.- Unidad de Control. Los equipos modernos incorporan una microcomputadora que controla todo el funcionamiento del equipo y las informaciones que son enviadas a la pantalla. Un esquema es mostrado en la fig 7.9. El operador puede seleccionar varios modos de operacin, segn el programa que elija. Por ejemplo puede pedir a la mquina que genere las 12 derivaciones electrocardiogrficas, seleccionando cada vez tres simultneamente, durante segmentos de 10 segundos. Las mquinas modernas pueden tambin llevar a cabo un anlisis preliminar de el electrocardiograma para determinar la frecuencia cardaca, reconocer algunos tipos de arritmia, calcular los ejes de varios rasgos del electrocardiograma y determinar los intervalos entre estos rasgoz. Un teclado y un visualizador alfanumrico hacen posible la comunicacin entre la mquina y el operador. En su memoria la mayora de las mquinas modernas, almacenan el electrocardiograma, que es visualizado en pantalla. La seal digitalizada por un conversor anlogo digital, de cada derivacin, es almacenada en memoria en segmentos de 10 segundos. La informacin suministrada sobre el paciente, a travs del teclado, tambin es almacenada por la mquina.

fig 7. 9- ECG con control a travs de microprocesador o computadora.

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7.4.3.- Unidad de Salida. Adems del visualizador alfanumrico, las mquinas brindan la facilidad de impresin en cinta de papel, cuando esto es requerido, brindando una copia dura de la seal de ECG. Tambin imprime la identificacin del paciente, informacin clnica suministrada por el operador y resultados del anlisis automtico del electrocardiograma. Las mquinas modernas emplean tcnicas de impresin trmica o electrosttica, en las cuales lo nico que se mueve es el papel bajo el cabezal de impresin. 7.4.4.- Los circuitos electrnicos 7.4.1.1- El preamplificador. Un preamplificador de ECG es bsicamente un amplificador de instrumentacin, estudiado anteriormente en el captulo dedicado a los bioamplificadores, caracterizado por su alta impedancia de entrada y un amplificador diferencial. Un circuito bsico pero con mayor elaboracin se muestra en la fig 7.10. Adicionalmente, a continuacin de este circuito, se intercala un selector de derivaciones, el cual puede estar compuesto por conmutadores CMOS, una fuente para la calibracin de 1 mV y elementos de proteccin ante posibles sobrevoltajes, tales como los causados durante la desfibrilacin. Todas las mquina modernas de ECG emplean amplificadores aislados para garantizar la seguridad del paciente. Normalmente un amplificador aislado se conecta a continuacin del preamplificador. El factor de rechazo en modo aislado IMR (isolation mode rejection) tambin reduce el ruido ya que establece un aislamiento entre el paciente y la tierra fsica sobre los 1012 W y 9 pF.

fig 1. 10- Circuito bsico de un preamplificador para ECG

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En resumen hay 4 acciones para reducir la interferencia de 60 Hz que alcanza el preamplificador: 1)El circuito de pie derecho o de tercer electrodo. 2) El rechazo de modo comn del amplificador de instrumentacin (CMR). 3) Guarda Activa 4) El rechazo de modo aislado (IMR)

fig 7. 11- Circuito de 3er electrodo y guarda activa con realimentacin del voltaje de

modo comn. En el circuito de la fig 7.11 se muestra un circuito de realimentacin del voltaje de modo comn para la guarda activa y el 3er electrodo o electrodo de pie derecho (RF). En el caso de que no resultarn suficiente las medidas mencionadas para eliminar la interferencia de 60 Hz (hum), se emplea un circuito pasa bajo o un eliminador de banda (notch) a continuacin del preamplificador. El cual se conecta o se desconecta a travs de interruptor comandado desde el teclado. Este filtro de 60 Hz es siempre opcional, ya que el ECG, tiene componentes en los 60 Hz y cuando se conecta el filtro, este elimina el hum, pero tambin elimina informacin del ECG. La respuesta de frecuencia de los bioamplificadores empleados con propsitos de diagnstico es de 0.05 a 100 Hz, mientras que los instrumentos para el monitoreo requieren respuestas de 0.05 a unos 45 Hz, lo cual vara en algunos fabricantes. Los preamplificadores de ECG deben ser acoplados para alterna a fin de eliminar las componentes de directa debida a efectos tales como voltajes de media celda debidos a los electrodos, asimetra de los propios amplificadores operacionales y otras causas. A pesar de todo ello el electrocardiograma es una forma de onda con componentes de muy baja frecuencia, por lo que la respuesta del bioamplificador debe ser muy cercana a la directa, en unos 0.05 Hz.

Voltaje de modo comn

RF

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7.4.1.2.- El amplificador principal. Este circuito eleva el nivel de la seal de manera tal que pueda ser registrada por el dispositivo de salida. Su entrada debe tener acoplamiento para ac de manera tal que los voltajes de offset amplificados por la etapa anterior sean eliminados, a fin de evitar la saturacin de esta etapa. En esta etapa adems se lleva a cabo el filtrado de la seal electrocardigrafica, dentro del ancho de banda definido para esta seal. Tambin se incluye generalmente el control de offset para ajustar la lnea base y finalmente puede estar incluido como parte de la etapa un conmutador para seleccionar entre los tres niveles de ganancia acostumbrados en la prctica del ECG. El esquema de un amplificador principal para un ECG es mostrado en la fig 7.12.

filtro

fig 7.12.- Amplificador principal de un ECG Bibliografa 1. Arthur C. Guyton "Tratado de Fisiologa Mdica". Editorial Interamericana 1971. 2. Ptzold, J., Handbook of Electromedicine, Siemens Aktiengesellschaft. Jhon Wiley & Sons. 1985. 3. Rodrguez, E. Equipos Electromdicos. MES. 1985. 4. Galvn, J. Medidas Cardiovasculares, Serie Mundo Electrnico. Marcombo. 1983. 5. "Principles of Biomedical Inst. and Meas.". R. Aston, Merrill Publishing Company. USA. 1990. 6. "Medical Instrumentation". John G. Webster, Houghton Mifflin Company. USA. 1992. 7. "Principles of Applied Biomedical Instrumentation". L.A.Geddes. Wiley. 1990. 8. "Introduction to Biomedical Equipment Technology". Carr. J.J. Prentice-Hall, Inc. USA 1998. 9. Aronson MH, Saluja HC, eds. ECG recorders. Med Electron 1990 Apr;21(2):122-30. 10. Conover M. Understanding electrocardiography: physi-ological & interpretive concepts. 4th ed. St. Louis: CV Mosby; 1984. 11. Marriott HJ. Practical electrocardiography. 7th ed. Baltimore: Williams & Wilkins; 1983. 12. Timmis GG. Cardiovascular review. Orlando (FL): Academic Press; 1984. 13. American Heart Association. Recommendations for standardization and specifications in automated 4 1996 ECRI. 14. "Transducers for Biomedical Measurements". Richard, S.C. John Wiley & Sons. USA. 1974. 15."Sensores y Analizadores". Norton,H.N. Gustavo Gili. 1984. 16. "Transductores y Medidores Electrnicos". Serie Mundo Electrnico. Marcombo. 1983. 17. Blood Pressure, Biophysical Measurements Series, A.R. Nara, M.P. Burns, W.P. Downs. SpaceLabs Inc., USA, 1989.

f