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127 Capítulo VII.- Electrocardiógrafo. 7.1. Principios Anatómicos. El corazón es el músculo del sistema cardiovascular, encargado de producir la potencia necesaria,…

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127 Capítulo VII.- Electrocardiógrafo. 7.1. Principios Anatómicos. El corazón es el músculo del sistema cardiovascular, encargado de producir la potencia necesaria, para el transporte de la sangre a todo el cuerpo. El corazón está compuesto de cuatro cavidades, dos aurículas y dos ventrículos. La sangre depauperada de oxigeno llega a la aurícula derecha a través de la vena cava superior y de ahí pasa al ventrículo derecho. Saliendo por la arteria pulmonar, la sangre fluye hacia los pulmones a fin de oxigenarse. La sangre retorna al corazón por las cuatro venas pulmonares a la aurícula izquierda, pasando de ahí al ventrículo izquierdo, el cual envía la sangre al sistema capilar. Un sistema de válvulas dentro del corazón condiciona el flujo unidireccional de la sangre. La dirección del flujo de la sangre, desde o hacia el corazón, determina el nombre de arteria o vena. Un esquema de lo expuesto desde el punto de vista de la ingeniería es mostrado en la fig.7.1 y en la fig.7.2 se ilustra el flujo por el bombeo de la sangre a través del corazón.. 9- arteria pulmonar 10- aorta 11- válvula tricúspide 12- válvula mitral 13- válvula pulmonar 14- válvula aórtica 1- aurícula derecha 2- aurícula izquierda 3- ventrículo derecho 4- ventrículo izquierdo 5- pulmones 6- circulación 7- vena cava 8- vena pulmonar fig. 4.1a.- Esquema de ingeniería que simula el funcionamiento del corazón. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1413 11 12 La contracción del corazón es llamada sístole y a la relajación o llenado se le designa como diástole. Tal como en los otros músculos, la actividad mecánica del corazón esta acoplada a una actividad eléctrica. Una complicada excitación eléctrica, produce un espacial y cronológicamente coordinado, proceso de contracción muscular. Este proceso se inicia con la contracción de la aurícula derecha, 20 ms más tarde le sigue la aurícula izquierda, luego de 120 ms viene la fuerte contracción del ventrículo izquierdo y finalmente pasados otros 20 ms la contracción del ventrículo derecho. La excitación eléctrica expuesta sincroniza el trabajo del sistema cardiovascular. De manera muy resumida puede decirse que el corazón está compuesto de dos bombas conectadas en serie que son accionadas simultáneamente o en paralelo. fig 7.1a.- Esquema de ingeniería que simula el funcionamiento del corazón 127 fig. 7.2.- Flujo por el bombeo de la sangre a través del corazón. 127 7.2 El Electrocardiograma. Producto de la actividad eléctrica del corazón durante la contracción se genera un campo eléctrico alrededor del músculo cardíaco. Ya que el cuerpo humano es un aceptable medio conductor de la electricidad, sobre su superficie podrán 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 electrocardiográfica e indica sus partes más conocidas. Las distintas desviaciones del ECG, han sido arbitrariamente marcadas con las letras P, Q, R, S, T y U. Así, distintas partes del ECG, se correlacionan con la actividad eléctrica del corazón, de la siguiente manera: R P Q S T segmento PR segmento ST intervalo PR intervalo QT 50-100 ms 60-100 ms 120-200 ms U al siguiente fig. 7.3.- Representación del ECG normal y sus partes más representativas. Onda P.- está relacionada con la propagación de la excitación en las aurículas. Segmento PQ.- tiempo durante el cual transcurre la transmisión de la excitación de las aurículas a los ventrículos, se toma como línea base o línea de cero voltaje. Complejo QRS.- está relacionado con la excitación de los ventrículos. Onda T.- relacionada con el decrecimiento de la excitación en los ventrículos. Onda U.- Actividad eléctrica del corazón durante la diástole. 7.3. Derivaciones Electrocardiográficas. Las diferencias de potencial medidas en la superficie del cuerpo, durante el registro electrocardiográfico, están normalmente alrededor de 1 mV. Estos potenciales pueden medirse con bioamplificadores de ganancia media, empleando las técnicas explicadas en el Capítulo 3. 127 Desde que Einthoven estableció el registro del ECG, varios métodos para llevar a cabo este registro se han desarrollado. Actualmente, en la mayoría de las aplicaciones de la clínica, el método más difundido es el de las doce derivaciones, las que se efectúan a partir de nueve puntos sobre el cuerpo, donde se ubican los electrodos registradores. Las doce derivaciones son clasificadas y se obtienen según explicamos a continuación: 7.3.1. Derivaciones Bipolares. Una derivación 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 torácica, pero pueden obtenerse asimismo colocando los electrodos en cualquier otro lugar. +_ + _ R L F Derivación I Derivación II Derivación III fig. 7.4.- Triángulo de Einthoven y las derivaciones bipolares de miembros. Derivaciones I, II y III.- También designadas como 1,2 y 3, son las derivaciones estándares o convencionales de los miembros. Derivación I ( ó 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), serán; 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 ó ( 7.2 ) aVII - aVI = aVIII 127 7.3.2. Derivaciones Unipolares. Por contraposición a lo anterior, una derivación unipolar es aquella que representa los voltajes cardíacos 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 través de tres resistencias iguales de 5 kW o más. La unión constituye el punto de referencia o terminal central y generalmente se le coloca en el selector de derivaciones del electrocardiógrafo o en algún 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 derivación unipolar. La derivación unipolar representa así, los voltajes presentes en puntos aislados del cuerpo. 7.3.2.1. Derivaciones Unipolares de miembros. R L 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 127 fig. 7.5. Las derivaciones unipolares de miembros pueden ser expresadas matemáticamente como sigue: aV = R - F + L 2 , aV = L - R + F 2 , aV = F - R + L 2 R L F 4.3.2.2. Derivaciones Unipolares Precordiales. Las derivaciones unipolares precordiales son obtenidas sobre la pared del pecho, en la mayoría 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 serán entre el punto tomado sobre el pecho y el promedio obtenido desde las tres extremidades R, L y F. R L F Vn aV = V nn _ R + L + F 3 fig. 7.6.- Esquema ilustrativo de las derivaciones unipolares precordiales. 7.4. El electrocardiógrafo. El electrocardiógrafo es el equipo electromédico destinado al registro del electrocardiograma. Existen variados modelos, atendiendo a su nivel de automatización, número de canales, etc., pero la mayoría de ellos, presentan algunos elementos bastante comunes, los cuales serán expuestos en este epígrafe. Un diagrama en bloques de un electrocardiógrafo es mostrado en la fig.7.7. 7.4.1. La Unidad de Entrada. La Unidad de Entrada de un electrocardiógrafo debe realizar las siguientes funciones: 127 - Presentar alta impedancia de entrada a fin de no cargar la fuente de bioseñal. Las impedancias asociadas a las fuentes de señal electrocardiógrafica están 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 de Conmutación Unidad de Procesamiento Unidad de Control Unidad de SalidaFuente Aislada Fuente Principal Barrera de Aislamiento de la Bioseñal Bioamplificador Aislado fig.7.7.- Diagrama en bloques de un electrocardiógrafo. - La etapa preamplificadora de entrada lleva a cabo la amplificación inicial o primaria de la señal del ECG. Esta etapa además de tener alta impedancia de entrada, principalmente tendrá un alto rechazo al modo común (entre 80 y 120 dB), ya que su rol principal es el de adquirir la señal y rechazar el ruido. Una etapa preramplificadora típica esta conformada por un amplificador de instrumentación, es decir un arreglo de tres amplificadores operacionales. - El circuito de pierna derecha RF, produce un punto de referencia, normalmente el común 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 común es una configuración inversora, podrá decirse además que el voltaje interferente es disminuido al ser relimentado con inversión de fase nuevamente hacia el paciente. - Obtener a partir de los puntos de registro los potenciales que deben ser entregados a la Unidad de Conmutación, a fin de, establecer las diferencias de potencial definidas por las derivaciones electrocardiógraficas. 127 - Garantizar protección al paciente aún en el caso de simple falla, donde se destaca como elemento de protección 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 electrónica 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 algún voltaje peligroso. Todas las máquinas modernas de ECG emplean amplificadores aislados para garantizar la seguridad del paciente. - Garantizar la protección de la electrónica del equipo ante altos voltajes que pudieran aparecer a la entrada del electrocardiógrafo tales como impulsos de marcapasos, descargas del desfibrilador u otros artefactos similares. - Generar una señal de calibración de 1 mV para introducirla momentáneamente por cada canal del electrocardiógrafo cuando es comprobado. Un diagrama en bloques que da una idea sobre la organización de la Unidad de Entrada se ilustra en la fig.7.8 también se indica la salida de 3er electrodo (RF) y la de apantallamiento con guarda activa (SH). Los amplificadores en configuración "buffer", producen la alta impedancia para el acoplamiento del equipo con la fuente de bioseñal. Ellos son parte de la configuración del Amplificador de Instrumentación, encargado de la captación de la bioseñal en el electrocardiógrafo. . . . Buffers R L F RF SH Vn Red de Wilson Red de Conmutación Amplificador Aislado Señales de Control fig. 7.8.- Diagrama en Bloques de la Unidad de Entrada del Electrocardiógrafo. Todos los electrodos en contacto con el paciente están unidos a la Red de Conmutación del electrocardiógrafo. La función de este bloque es la de determinar cuales electrodos son necesarios conectar hacia el resto del equipo a fin de obtener la derivación seleccionada. Es en esta parte del electrocardiógrafo en que se toma el punto central, o voltaje de modo común a fin de realimentar el apantallamiento y el 3er electrodo o electrodo de referencia. En los equipos 127 actuales este bloque esta formado por un arreglo de conmutadores electrónicos controlado por mando digital y selecciona una o más derivaciones simultáneamente en función del número de canales del electrocardiógrafo. En modo automático, 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 operación, según el programa que elija. Por ejemplo puede pedir a la máquina que genere las 12 derivaciones electrocardiográficas, seleccionando cada vez tres simultáneamente, durante segmentos de 10 segundos. Las máquinas modernas pueden también llevar a cabo un análisis preliminar de el electrocardiograma para determinar la frecuencia cardíaca, 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 alfanumérico hacen posible la comunicación entre la máquina y el operador. En su memoria la mayoría de las máquinas modernas, almacenan el electrocardiograma, que es visualizado en pantalla. La señal digitalizada por un conversor análogo digital, de cada derivación, es almacenada en memoria en segmentos de 10 segundos. La información suministrada sobre el paciente, a través del teclado, también es almacenada por la máquina. fig 7. 9- ECG con control a través de microprocesador o computadora. 127 7.4.3.- Unidad de Salida. Además del visualizador alfanumérico, las máquinas brindan la facilidad de impresión en cinta de papel, cuando esto es requerido, brindando una copia dura de la señal de ECG. También imprime la identificación del paciente, información clínica suministrada por el operador y resultados del análisis automático del electrocardiograma. Las máquinas modernas emplean técnicas de impresión térmica o electrostática, en las cuales lo único que se mueve es el papel bajo el cabezal de impresión. 7.4.4.- Los circuitos electrónicos 7.4.1.1- El preamplificador. Un preamplificador de ECG es básicamente un amplificador de instrumentación, estudiado anteriormente en el capítulo dedicado a los bioamplificadores, caracterizado por su alta impedancia de entrada y un amplificador diferencial. Un circuito básico pero con mayor elaboración se muestra en la fig 7.10. Adicionalmente, a continuación de este circuito, se intercala un selector de derivaciones, el cual puede estar compuesto por conmutadores CMOS, una fuente para la calibración de 1 mV y elementos de protección ante posibles sobrevoltajes, tales como los causados durante la desfibrilación. Todas las máquina modernas de ECG emplean amplificadores aislados para garantizar la seguridad del paciente. Normalmente un amplificador aislado se conecta a continuación del preamplificador. El factor de rechazo en modo aislado IMR (isolation mode rejection) también reduce el ruido ya que establece un aislamiento entre el paciente y la tierra física sobre los 1012 W y 9 pF. fig 1. 10- Circuito básico de un preamplificador para ECG 127 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 común del amplificador de instrumentación (CMR). 3) Guarda Activa 4) El rechazo de modo aislado (IMR) fig 7. 11- Circuito de 3er electrodo y guarda activa con realimentación del voltaje de modo común. En el circuito de la fig 7.11 se muestra un circuito de realimentación del voltaje de modo común para la guarda activa y el 3er electrodo o electrodo de pie derecho (RF). En el caso de que no resultarán 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 continuación del preamplificador. El cual se conecta o se desconecta a través 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 también elimina información del ECG. La respuesta de frecuencia de los bioamplificadores empleados con propósitos de diagnóstico 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 varía 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, asimetría 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 común RF 127 7.4.1.2.- El amplificador principal. Este circuito eleva el nivel de la señal 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 saturación de esta etapa. En esta etapa además se lleva a cabo el filtrado de la señal electrocardiógrafica, dentro del ancho de banda definido para esta señal. También se incluye generalmente el control de offset para ajustar la línea base y finalmente puede estar incluido como parte de la etapa un conmutador para seleccionar entre los tres niveles de ganancia acostumbrados en la práctica 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 Bibliografía 1. Arthur C. Guyton "Tratado de Fisiología Médica". Editorial Interamericana 1971. 2. Pätzold, J., âHandbook of Electromedicineâ, Siemens Aktiengesellschaft. Jhon Wiley & Sons. 1985. 3. Rodríguez, E. âEquipos Electromédicosâ. MES. 1985. 4. Galván, J. âMedidas Cardiovascularesâ, Serie Mundo Electrónico. 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. 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