ElettroCardioGramma (ECG)

Cenni di Fisiologia Lipoproteina molto sottile (7-15 nm) che gioca un ruolo fondamentale nel funzionamento cellulare ddp interno-esterno RIPOSO: -90 mV STIMOLO: se in grado di superare una soglia implica la generazione di un potenziale d’azione In ogni cellula si incontrano due tipi di elementi:         generali;         specializzati;

Cenni di Fisiologia (cellule ventricolari) Fase 1: ripolarizzazione precoce. 1 Fase 3: ripolarizzazione. 2 3 Fase 2: plateau. t Fase 0: depolarizzazione dovuta al superamento soglia. 4 Fase 4: riposo.

Pompa Sodio-Potassio Passaggio tra le varie FASI  dipende dagli equilibri ionici. Passaggi ionici si studiano con la tecnica del VOLTAGE CLAMPING (si tiene costante la ddp e si misura la corrente). Meccanismo principale: POMPA [Na-K] descrivibile con due fenomeni fondamentali: permeabilità ionica potenziale di membrana

Permeabilità Ionica ik Corrente di K+ dovuta ad un gradiente di concentrazione di potassio. interno cellula: 150 moli_equ/l esterno cellula: 5 moli_equ/l ik

Potenziale di membrana si calcola con le equazioni di Nernst ik I due fenomeni sono sempre in equilibrio dinamico garantendo in tal modo la sopravvivenza della cellula.

Potenziale d’Azione iK+ iNa+ iCl - Riposo: Fase 0: entra corrente sodio Cuori “ipereccitabili” si curano con inibitori di iNa. Le misure di pressione sanguigna, sia invasive che non invasive, sono un indicatore essenziale delle condizioni fisiologiche e, proprio per questo motivo, sono uno dei test diagnostici usati più di frequente nella pratica clinica. Tali misure riescono infatti a fornire informazioni su: -         volume sanguigno; -         l’efficienza del cuore inteso come pompa meccanica; -         la resistenza dei vasi periferici. iNa+ Fase 1: ripolarizzazione dovuta agli ioni Cloro. iCl -

Potenziale d’Azione iCa+ iCa+ iK+ Fase 2: Corrente di sodio si esaurisce e gli ioni calcio permettono il mantenersi del potenziale (plateau). iCa+ Fase 3: Finisce la ripolarizzazione e si torna alla fase di riposo. iCa+ iK+

Propagazione dell’impulso Elettrico Impulso elettrico si propaga attraverso le diverse cellule cardiache. Riposo Depolarizzazione Fronte di depolarizzazione costituisce un dipolo magnetico

Battito Cardiaco Nodo SA Cellule del nodo Seno Atriale sono dotate di depolarizzazione spontanea. “Sparano” 70-80 volte al minuto dando il passo all’attivazione elettrica del cuore. Nodo SA Pace-maker naturale. Impulsi seguono un percorso specializzato: partono dall’atrio destro; si propagano per tutto il muscolo.

Battito Cardiaco Fenomeno Elettrico depolarizzazione ripolarizzazione Fenomeno Meccanico sistole (contrazione) diastole (rilassamento)

Percorso Elettrico 0: Nodo Seno Atriale 1: Nodo Atrio Ventricolare Percorso Elettrico è altamente specializzato: 0: Nodo Seno Atriale 1: Nodo Atrio Ventricolare 2: Fascio di His Cellule di livello alto funzionano da pace-maker. Cellule di livello basso sono cellule esecutrici. Se qualche cellula non è in fase di refrattarietà assoluta non può ripolarizzarsi e sparare. Si creano allora dei cammini alternativi a controreazione positiva che possono indurre fenomeni di FIBRILLAZIONE VENTRICOLARE. Se il nodo SA non funziona viene sostituito dal nodo AV. Se anche questo non funziona bisogna ricorrere a pace-maker artificiali.

Segnale ECG Tratto ST Depol. Ventricoli SA  AV velocità di conduzione è circa di 1 m/s ventricoli velocità di conduzione si abbassa di circa 0.1 m/s Funzionano come una linea di ritardo Tratto ST Si studia per le patologie ischemiche. Può indicare una carenza di ossigenazione per difetto di circolazione. Depol. Ventricoli Complesso QRS Durata del complesso è indicativa della grandezza del cuore. Depol. Atrii Tratto PQ Rappresenta l’intervallo atrio-ventricolare. Una sua eccessiva lunghezza può essere sintomo di blocco cardiaco. Ripol. Ventr. Impulso SA

Il fenomeno elettrico precede sempre quello meccanico. C’e’ un ritrado elettromeccanico. Fonocardiogramma: suoni emessi dal cuore per diagnosticare insufficienza o stenosi delle valvole. Ecografia doppler a colori: analisi più approfondita del funzionamento delle valvole.

Derivazioni ECG Elettrodi, disposti in particolari configurazioni, dette derivazioni, vengono posizionati sulla pelle per misurare le suddette differenze di potenziale. DERIVAZIONI STANDARD sono 12 disposte secondo uno schema di: 3+3+6 Primo gruppo di 3: derivazioni di Einthoven

Derivazioni Einthoven Derivazioni Bipolari situate sui vertici di un triangolo equilatero VI+VII=VIII Punto di applicazione del momento di dipolo.

Derivazioni Goldberger Secondo gruppo di tre derivazioni aumentate unipolari. aVR, aVL, aVF VI= aVL – aVR VII= aVF – aVR VIII= aVF – aVL aVL aVR aVF

Derivazioni Pericardiali Terzo gruppo di sei derivazioni pericardiali unipolari. Si misura la ddp tra le Vi (i=1…6) e le tre derivazioni di Einthoven collegate a stella (R=100 k).

Derivazioni Frank Derivazioni usate per motivi di ricerca. Si usano 7 elettrodi A B C E I M F (H riferimento su lobo orecchio). Da queste derivazioni con una rete di correzione elettrica (modellata sul torso umano) si studia l’andamento nel tempo delle componenti del momento di dipolo. Vx, Vy, Vz, dando luogo a quello che è comunemente chiamato: VETTORCARDIOGRAMMA

Vettorcardiogramma normale Vettorcardiogramma normale. Nella parte inferiore destra della figura si trovano le tracce delle componenti del momenti di dipolo lungo x, y, e z, con ben evidenziate l’onda P, il complesso QRS e l’onda T. Nella parte sinistra si trovano le proiezioni del QRS e dell’onda T nel piano frontale (in alto) e nel piano orizzontale (in basso). In alto a destra ci sono le proiezioni del QRS e dell’onda T sul piano sagittale destro. Ogni loop rappresenta una delle tre onde, in questo caso l’onda P non e’ riprodotta. MAPPE CARDIACHE si possono costruire usando un numero molto elevato di elettrodi.

Segnale ECG Somma di centinaia di migliaia di percorsi specializzati relativi alle singole cellule. Cosa si studia? Aritmie (bradicardia, tachicardia) Influenze sul sistema nervoso simpatico e parasimpatico. Vanno distinte dalle normali alterazioni battito-battito Intervallo Isoelettrico tratto prima di P tratto PQ Blocco di 1° grado: PR più lungo del normale Blocco di 2° grado: non passano tutti gli impulsi (1 ogni 2/3). Onda P allungata. Blocco di branca (dx o sin) dovuto ad eventi batterici, virali, malattie reumatiche; QRS si modifica: impulso passa solo per una branca e l’altra lo acquisisce per induzione. dx: salita deformata; sin: QRS allargato. Tachicardia Parossistica Successione rapida di QRS. Va fatta recedere con interventi farmacologici, massaggi cardiaci, defibrillazione.

Segnale ECG Flutters Patologia Ischemica Ipertrofia Atriale Destra: onda P molto più larga e piccata Sinistra: onda P bifida. Flutters Serie di foci attive che fanno “sbattere” gli atri o i ventricoli. Successione di onde P intervallate da qualche QRS (refrattarietà del nodo AV). Flutter ventricolare è il più pericoloso e perché compromette la funzione di pompa del ventricolo. Si usano farmaci -bloccanti. Patologia Ischemica Principale causa di morte cardiovascolare. Abbassamento linea di base  Ischemia marcata Innalzamento tratto ST  Cellula sta morendo (area molto vasta  infarto).

Extrasistole (atriale, nodale, ventricolare) cellule “sparano” in maniera diversa. Non sempre sono un fenomeno patologico; HOLTER: (24 hrs 100.000 QRS) permette di distinguere eventi extrasistolici da eventi patologici. Fibrillazione (atriale, ventricolare) movimento non fisiologico delle camere cardiache; atriale – si mantiene sotto controllo; ventricolare – molto pericolosa, se i centri ectopici del ventricolo si attivano in maniera irregolare la portata cardiaca precipita. Bigeminismo o Trigeminismo si presenta un battito ogni 2 o 3; si individua bene con funzioni di correlazione.

Elaborazioni ECG Devono seguire alcune norme dettate nel 1978 dalla American Heart Association (AHA) riguardanti: diagnosi; monitoraggio in terapia intensiva. Banda utile: (0.05-200)Hz. DC: non ha interesse dal punto di vista diagnostico; LF: interessanti per patologie ischemiche (tratto ST); HF: f>250 Hz rumore. Quantizzazione: AHA (1978)  (8-12) bits Oggi  (12-16) bits In generale la scelta dipende dal massimo errore di quantizzazione tollerabile. Campionamento: 500 campioni/secondo (dopo LP a 250 Hz).

Filtraggio I filtri da usare devono essere “quasi ideali” in quanto non sono tollerabili distorsioni (specialmente di fase). Per i segnali biologici sono molto usati filtri FIR a FASE LINEARE h(k)=h(N-k) k=1….N Filtri tipicamente usati per: pre-campionamento (filtro analogico antialiasing); pre-processing (filtro digitale).

Filtri pre-processing eliminazione disturbi respiratori e muscolari; estrazione parametri utili per classificazione; individuazione linea di base per determinare durata delle varie onde. Occorre trovare dei punti fiduciari sulla linea di base. Non è una buona linea isoelettrica perché disturbata nei soggetti ischemici. Solo apparentemente isoelettrico Tratto più lungo e “più isoelettrico”: un ciclo è finito e ne sta iniziando un altro.

Linea Isoelettrica Regressione lineare ciclo i-mo ciclo (i+1)-mo se la varianza dell’interpolazione è elevata il tratto non è isoelettrico Filtro passa-alto: deve tagliare a 0.05 Hz. FIR non è molti ripido; IIR introduce distorsioni di fase.

Spettro ECG banda effettiva (0.05-100) Hz; riga a 50 Hz: interferenza di rete (il sistema non è bene a terra o non è buono il sistema di isolamento); artefatti muscolari (30-200) Hz; artefatti da movimento; artefatti respiratori (12-18) cicli/minuto; offset in continua e artefatti di bassi frequenza.

Eliminazione dei disturbi Interferenza di rete: filtro a spillo molto accurato. Artefatti muscolari: filtro LP per eliminare la parte estrema del segnale. Metodi parametrici per la separazione di diversi contributi nella stessa banda. Artefatti LF: paziente il più fermo possibile. Migliorare contatto elettrodo-pelle (elettrodi al cloruro d’argento).

Holter cardiaco Quindi Oppure Registrazione per 24 ore dell’ECG. Campionamento a 500 campioni/secondi  [Mb] di memoria per dati. Quindi Si abbassa la frequenza di campionamento al minimo valore sufficiente per rilevare: frequenza cardiaca media, variazioni tratto ST. In genere 25 campioni/secondo (non si vedono più i ritmi veloci del QRS, si vedono P,e T). Oppure Si devono utilizzare algoritmi di compressione dei dati.

Riconoscimento ECG QRS può essere individuato con diverse tipologie di algoritmi: derivatore e un’operazione di soglia; metodo del template per riconoscere anche la morfologia: si definisce una forma standard; si confrontano i vari QRS con la forma standard tramite correlazione. Soggetto patologico presenta QRS molto diversi gli uni dagli altri. - metodi linguistici: si determinano le differenze tra i QRS associando a queste delle variabili linguistiche di valutazione (metodi fuzzy).

Problemi connessi al template -computazionale: compromesso tra alta frequenza di campionamento (per avere un numero di punti necessari a ricostruire il segnale) e l’onere computazionale di processare un elevato numero di punti. -jitter: spostamenti temporali del QRS inducono errati match con il template. Conviene allineare il baricentro del QRS con il template oppure crosscorrelazione permette di individuare il  dello spostamento.

Averaging Elaborazione molto valida per ridurre il rumore presente sul segnale ECG  x(t) = s(t) + n(t) s e n  scorrelati Ipotesi n  processo casuale e stazionario n a valor medio nullo  stimatore averaging

ECG Fetale Attività fetale può essere rivelata: 1.   Prima del parto: non si ha un ECG vero e proprio. Si usano sistemi doppler per rilevare la frequenza cardiaca. Oppure l’ecografia (che monitora la corretta crescita del feto) 2.    Durante il parto: Si utilizza un elettrodo sulla testa  attività ECG ed EEG Si vede bene l’ECG perchè l’attività cardiaca è già ben sviluppata mentre non lo è ancora quella corticale.

ECG Fetale Può però essere utile monitorare l’attività del feto durante i primi mesi di gravidanza (problemi di accrescimento del feto si riflettono in una scarsa crescita del complesso QRS): -si preleva un segnale a livello addominale su cui si ha sovrapposizione dell’ECG materno e di quello fetale. si separano i due contributi mediante un algoritmo di filtraggio digitale composto dai seguenti passi: Filtro LP a 20 Hz: elimina ECG fetale e distorce ECG materno che e’ in ogni caso ancora riconoscibile; Algoritmo a soglia derivata; Sottrazione complesso medio materno dal segnale totale.

Variabilità Cardiaca Variabilità del battito è una condizione fisiologica influenzata dal sistema vagale. La variabilità cardiaca è studiata a partire dalla sequenza RR (insieme delle distanze temporali tra un complesso QRS ed il successivo). Per studiare la variabilità cardiaca viene stimolato il sistema simpatico ad esempio con delle sollecitazioni di tilt (alzarsi velocemente dal letto)

Si studia facendo uso delle seguenti tecniche: Tacogramma RR (s) Numero battiti Istogramma Occorrenze Numero battiti Scatterogramma RR(i+1)=f(RR(i));