با من همراه باشید تا به بررسی سنسور هایی که برای دریافت سیگنال ECG استفاده می شوند بپردازیم و این پروسه را از دید یک مهندس الکترونیک بررسی نماییم. ابتدا به بررسی چیستی ECG، هدف و انواع آن می پردازیم سپس به بررسی شکل موج و مدار این سنسور می پردازیم.
تست ECG چیست؟
از تست ECG می‌توان برای بررسی ریتم قلب و حرکت الکتریکی استفاده کرد. با اتصال سنسورها به پوست در هنگام ضربان قلب سیگنال الکتریکی تولید می‌شود.
الکتروکاردیوگرام قلب سالم شکل مشخصی دارد و هر گونه ناهماهنگی در ریتم قلب یا آسیب به عضله قلب می‌تواند فعالیت الکتریکی قلب و در نتیجه شکل سیگنال ECG را تغییر دهد. این سیگنال‌ها با دستگاه ضبط و توسط پزشک برای وجود علائم غیرعادی بررسی می‌شوند.
چرا تست ECG انجام می‌شود؟
سیگنال ECG دو داده مهم را در اختیار ما قرار می‌دهد:
- تعیین زمان لازم برای عبور پالس الکترومغناطیسی از قلب
- پیداکردن نقاطی از قلب که پرکار یا خیلی بزرگ هستند
اول اینکه یک جراح با محاسبه فواصل زمانی در سیگنال ECG تعیین می‌کند که چقدر طول می‌کشد تا پالس الکترومغناطیسی در قلب حرکت کند. همچنین، بررسی می‌کند که فعالیت قلب طبیعی است یا کند، سریع است یا نامنظم و اینکه چقدر طول می‌کشد تا یک نبض از یک قسمت قلب به قسمت دیگر حرکت کند.
مورد دوم اینکه یک متخصص قلب می‌تواند با اندازه‌گیری میزان فعالیت الکتریکی که از طریق عضله قلب جریان می‌یابد، متوجه شود که آیا نقاطی از قلب بیش از حد بزرگ یا پرکار هستند.
در یک نوار قلب سنتی با ۱۲ لید (Lead)، ۱۰ عدد الکترود بر روی بازوها و بالای قلب بیمار نصب می‌شود. سپس میانگین قدرت پتانسیل الکتریکی قلب از ۱۲ زاویه مختلف (لیدها) محاسبه و در یک دوره زمانی (معمولاً ۱۰ ثانیه) گزارش می‌شود. در فاز قلبی، شدت کل و مسیر دپلاریزاسیون الکتریکی قلب در هر لحظه مشاهده می‌شود.
تست ECG برای پیشگیری در بین افراد بدون علائم یا در معرض خطر کم بیماری قلبی عروقی کارساز نیست. دلیل این امر آن است که الکتروکاردیوگرام ممکن است به‌اشتباه یک مشکل را نشان دهد و منجر به تشخیص اشتباه، شروع روش‌های تهاجمی و درمان بی‌مورد شود. افرادی که در مشاغل حساس خاصی مانند خلبانی هواپیما فعالیت دارند، ممکن است به‌عنوان بخشی از ارزیابی‌های ایمنی معمول خود نیاز به تست ECG داشته باشند.
هدف از الکتروکاردیوگرام چیست؟
هدف کلی ECG به‌دست‌آوردن اطلاعات در مورد عملکرد الکتریکی قلب است. البته نتایج ECG را باید همراه با دانش آناتومی قلب و علائم معاینه فیزیکی بررسی کرد تا به درک بهتری از وضعیت بالینی رسید. الکتروکاردیوگرام برای اندازه‌گیری موارد زیر استفاده می‌شود:
- هرگونه آسیب و ضعف قلبی در قسمت‌های مختلف عضله قلب
- میزان سرعت تپش قلب و عادی بودن آن
- اثرات داروها یا وسایل مورداستفاده برای کنترل قلب (مانند ضربان‌ساز)
- اندازه و موقعیت حفره‌های قلب شما
- ریتم غیرطبیعی قلب
روش تست سیگنال ECG چیست؟
تست سیگنال ECG یک آزمایش بی‌خطر و بدون درد است که معمولاً فقط چند دقیقه طول می‌کشد و از پد مخصوص برای اتصال لیدهای دستگاه الکتروکاردیوگراف به پوست دست‌ها، پاها و قفسه سینه استفاده می‌شود. در نتیجه، سیگنال‌های قلب و اطلاعات آن‌ها به الکتروکاردیوگراف ارسال می‌شود. سپس، کامپیوتر روی یک نوار کاغذی یا مانیتور نتیجه را چاپ می‌کند.
قبل از چسباندن پدها، معمولاً از فرد خواسته می‌شود که لباس بالایی را دربیاورد و سینه‌اش باید تمیز یا تراشیده شود. آزمایش ECG تنها چند دقیقه طول می‌کشد.
انواع ECG
سه نوع ECG اولیه وجود دارد:
- الکتروکاردیوگرام استراحت (Resting ECG): اگر پزشک بخواهد عملکرد قلب را در حالت استراحت بررسی کند، از بیمار خواسته می‌شود در هنگام ثبت ضربان قلب خود دراز بکشد و استراحت کند.
- الکتروکاردیوگرام فعالیت (Exercise ECG): ممکن است پزشک به بررسی نحوه واکنش قلب به حرکت علاقه‌مند باشد و از بیمار خواسته شود هنگام تست بر روی تردمیل راه برود یا بدود یا با دوچرخه ورزش کند.
- الکتروکاردیوگرام ۲۴ ساعته (24 hour ECG): گاهی بررسی ریتم در طول شبانه‌روز لازم است، بنابراین از بیمار خواسته می‌شود که یک دستگاه الکتروکاردیوگرافی قابل‌حمل بپوشد.
شکل موج سیگنال ECG چگونه است؟
سیگنال ECG دارای سه جزء اصلی است:
۱. موج P که نشان‌دهنده دهلیزهای دپولاریزاسیون است.
۲. کمپلکس QRS (Complex QRS) که دپولاریزاسیون بطن‌ها را نشان می‌دهد.
۳. موج T که نشان‌دهنده بطن‌های در حال قطبش مجدد است.
در طول هر نبض، یک قلب سالم فرایند دپلاریزاسیون منظمی دارد که با سلول‌های ضربان‌ساز در گره سینوسی دهلیزی شروع می‌شود، در سراسر دهلیز امتداد می‌یابد و از طریق گره دهلیزی به داخل کلاف آن و به رشته‌های پورکنژ حرکت می‌کند و در سراسر بطن‌ها پخش می‌شود.
فعالیت الکتریکی در تکه کوچکی از سلول‌های ضربان‌ساز به نام گره سینوسی در طول ضربان قلب منظم رخ می‌دهد. هنگامی که تکانه دهلیزها را تحریک می‌کند، یک ضربه کوچک به نام موج P ایجاد می‌شود. سپس محفظه‌های پمپاژ اصلی، بطن‌ها را فعال و کمپلکس QRS را تولید می‌کند. آخرین موج T زمان بازسازی است، زیرا تکانه بر روی بطن‌ها معکوس می‌شود و به عقب برمی‌گردد.
اگر قلب به طور طبیعی بتپد، حدود یک ثانیه (تقریباً ۶۰ ضربان قلب در دقیقه) برای کل چرخه طول می‌کشد.
نرمال
در الگوی ECG طبیعی، یک الگوی منظم از موج P، کمپلکس QRS و موج T وجود دارد. این امواج در یک توالی رخ می‌دهند.
آنژین
هنگامی که عضله قلب خونِ دارای اکسیژن کافی دریافت نمی‌کند، باعث ناراحتی‌ای مانند فشار قفسه سینه می‌شود. این وضعیت به‌عنوان درد آنژین صدری شناخته می‌شود. گاهی اوقات ممکن است این عارضه به‌اشتباه سوءهاضمه تشخیص داده شود. همان‌طور که در شکل زیر مشاهده می‌شود (فلش روی شکل را ببینید)، بخش ST که معمولاً صاف است کاهش می‌یابد.
حمله قلبی جدی
بالابودن ST در ECG نشانه یک حمله قلبی جدی است و در اصطلاح پزشکی، به آن “STEMI” گفته می‌شود که نیاز به توجه فوری دارد. به‌طورکلی، بخش در حالت عادی ST صاف باقی می‌ماند.
فیبریلاسیون دهلیزی
فیبریلاسیون دهلیزی حالتی است که در آن دهلیزها و بطن‌ها هماهنگی حرکتی ندارند. این امر منجر به ضربان قلب سریع، ضعف و تنگی نفس می‌شود. فیبریلاسیون دهلیزی در ECG خود را با خطوط دارای پرش نشان می‌دهد و موج P در آن ناپدید می‌شود.
مدار دریافت سیگنال ECG
همان‌طور که گفتیم، الکتروکاردیوگراف نموداری است که تغییرات پتانسیل الکتریکی بین الکترودهایی روی تن بیمار را برای نشان‌دادن فعالیت قلبی ثبت می‌کند. پتانسیل عمل ایجادشده توسط انقباضات دیواره قلب، جریان‌های الکتریکی را از قلب در سراسر بدن پخش می‌کند. جریان‌های الکتریکی در حال پخش پتانسیل‌های متفاوتی را در نقاطی از بدن ایجاد می‌کنند که توسط الکترودهایی که روی پوست قرار می‌گیرند قابل‌تشخیص هستند. الکترودها مبدل‌های (ترندیوسرهای) بیولوژیکی هستند که از فلزات و نمک ساخته شده‌اند. در عمل، ۱۰ الکترود به نقاط مختلف بدن متصل می‌شود. یک روش استاندارد برای به‌دست‌آوردن و آنالیز سیگنال‌های ECG وجود دارد. یک موج معمولی ECG یک فرد سالم به‌صورت زیر است.
موج P مربوط به انقباض دهلیزی و کمپلکس QRS مربوط به انقباض بطن‌ها است. کمپلکس QRS به دلیل تفاوت نسبی توده عضلانی دهلیزها و بطن‌ها که آرامش دهلیزها را پنهان می‌کند، بسیار بزرگ‌تر از موج P است. شل‌شدن بطن‌ها به شکل موج T است.
همان‌طور که در شکل زیر نشان‌داده‌شده است، سه لید اصلی برای اندازه‌گیری اختلاف‌پتانسیل الکتریکی بین بازوها و پاها وجود دارد. در ادامه، Lead I را بررسی می‌کنیم.
الکتروکاردیوگراف نه‌تنها باید سیگنال‌های بسیار ضعیف را از ۰٫۵ میلی‌ولت تا ۵ میلی‌ولت تشخیص دهد، بلکه یک مؤلفه DC تا ۳۰۰± میلی‌ولت (ناشی از تماس الکترود با پوست) و یک مؤلفه حالت مشترک تا ۱.۵ ولت را نیز شناسایی کند که از پتانسیل بین الکترودها و زمین حاصل می‌شود. پهنای باند مفید سیگنال ECG به کاربرد موردنظر بستگی دارد و معمولاً از ۰.۵ تا ۱۰۰ هرتز متغیر است و گاهی اوقات تا ۱ کیلوهرتز نیز می‌رسد. در حضور نویزهای فرکانس بالای خارجی بسیار بزرگ‌تر، تداخل ۵۰ یا ۶۰ هرتز، و پتانسیل آفست الکترود DC معمولاً حدود ۱ میلی‌ولت پیک به پیک است. سایر منابع نویز عبارت‌اند از: حرکتی که روی رابط پوست – الکترود، انقباضات عضلانی یا پالس‌های الکترومیوگرافیک (نوار عصب و عضله)، تنفس (که ممکن است ریتمیک یا پراکنده باشد)، تداخل الکترومغناطیسی (EMI) و نویز از سایر دستگاه‌های الکترونیکی که به ورودی متصل می‌شوند.
ابتدا یک تقویت‌کننده پتانسیل زیستی برای پردازش ECG تولید می‌شود. سپس، الکترودهایی بر روی بدن بیمار قرار داده می‌شود تا اختلاف‌پتانسیل بین دو بازو را اندازه‌گیری کند. وظیفه اصلی تقویت‌کننده زیست‌پتانسیلی گرفتن سیگنال الکتریکی ضعیف با منشأ بیولوژیکی و افزایش دامنه آن است تا بتوان آن را بیشتر و بهتر پردازش و ضبط کرد یا نمایش داد. این تقویت‌کننده در شکل زیر نشان‌داده‌شده است.
تقویت‌کننده‌های زیست‌پتانسیلی برای اینکه از نظر بیولوژیکی مفید باشند، باید الزامات اساسی خاصی را برآورده کنند.
آن‌ها باید امپدانس ورودی بالایی داشته باشند تا حداقل بارگذاری سیگنال در حال اندازه‌گیری را فراهم کنند. الکترودهای زیست‌پتانسیلی می‌توانند تحت‌تأثیر بار قرار گیرند که این امر منجر به اعوجاج سیگنال می‌شود.
مدار ورودی تقویت‌کننده زیست‌پتانسیلی نیز باید به بیمار آسیبی وارد نکند و حفاظت‌های لازم در آن گنجانده شده باشد. بدین ترتیب، تقویت‌کننده باید دارای مدارهای ایزوله و حفاظتی باشد تا جریان عبوری از مدار الکترود را بتوان در سطوح ایمن نگه داشت.
مدار خروجی بار را هدایت می‌کند که معمولاً یک دستگاه نشانگر یا ضبط است. برای به‌دست‌آوردن حداکثر دقت و محدوده در بازخوانی، تقویت‌کننده باید امپدانس خروجی پایینی داشته باشد و بتواند توان موردنیاز بار را تأمین کند.
تقویت‌کننده‌های زیست‌پتانسیلی باید در طیف فرکانسی که پتانسیل‌های زیستی تقویت‌کننده در آن وجود دارد، کار کنند. به دلیل سطح پایین چنین سیگنال‌هایی، محدودکردن پهنای باند تقویت‌کننده برای به‌دست‌آوردن نسبت سیگنال به نویز بهینه مهم است. این کار را می‌توان با استفاده از فیلترها انجام داد.
شکل زیر مدار تقویت‌کننده ECG را نشان می‌دهد که شرایط گفته‌شده در آن رعایت شده است. همان‌طور که می‌بینیم، مدار دارای سه بخش اصلی است: مدار حفاظتی، تقویت‌کننده ابزاردقیق و فیلتر بالاگذر.
مرحله یا بخش اول مدار حفاظت از بیمار است. دیود یک قطعه نیمه‌هادی است که جریان را در یک‌جهت هدایت می‌کند. هنگامی که دیود بایاس مستقیم باشد، به‌عنوان یک اتصال کوتاه عمل و الکتریسیته را هدایت می‌کند. هنگامی که دیود بایاس معکوس است، مانند یک مدار باز عمل می‌کند و جریان الکتریکی را هدایت نمی‌کند (Ir ≈ 0).
هنگامی که دیودها بایاس مستقیم هستند، ولتاژی به نام ولتاژ آستانه (VT = تقریباً ۰٫۷ ولت) وجود دارد که باید از آن بیشتر شود تا دیود بتواند جریان را برقرار کند. هنگامی که از VT فراتر رفت، افت ولتاژ در سراسر دیود در VT بدون توجه به اینکه Vin چقدر است، ثابت می‌ماند.
هنگامی که دیود بایاس معکوس است، مانند مدار باز عمل می‌کند و افت ولتاژ در سراسر دیود برابر با Vin خواهد بود.
شکل زیر نمونه‌ای از یک مدار حفاظتی ساده مبتنی بر دیود است که در این مثال استفاده خواهد شد. از مقاومت برای محدودکردن جریان عبوری از بیمار استفاده می‌شود. اگر نقص در تقویت‌کننده ابزاردقیق یا دیودها باعث اتصال کوتاه بیمار به یکی از مسیرهای برق شود، جریان کمتر از ۰٫۱۱ میلی‌آمپر خواهد بود. از دیودهای کم‌نشتی FDH333 برای محافظت از ورودی‌های تقویت‌کننده ابزاردقیق استفاده می‌شود. هر زمان که ولتاژ در مدار از مقدار ۰٫۸ ولت بیشتر شود، دیودها به ناحیه فعال یا حالت “روشن” خود می‌روند. در این حالت، جریان از آن‌ها عبور می‌کند و از بیمار و قطعات الکترونیکی محافظت می‌شود.
مرحله دوم تقویت‌کننده ابزاردقیق IA است که از سه تقویت‌کننده عملیاتی (آپ‌امپ) استفاده می‌کند. برای افزایش مقاومت ورودی، یک آپ‌امپ به هر ورودی متصل است. سومین آپ‌امپ تقویت‌کننده تفاضلی است. این پیکربندی قادر به حذف تداخل ارجاع شده به زمین است و تنها اختلاف بین سیگنال‌های ورودی را تقویت می‌کند.
مرحله سوم فیلتر بالاگذر است که برای تقویت یک ولتاژ AC کوچک که روی یک ولتاژ DC بزرگ قرار می‌گیرد استفاده می‌شود. ECG تحت‌تأثیر سیگنال‌های فرکانس پایین است که از حرکت و تنفس بیمار می‌آید. فیلتر بالاگذر این نویز را کاهش می‌دهد.
فیلترهای بالاگذر را می‌توان با مدارهای RC مرتبه اول ایجاد کرد. شکل زیر نمونه‌ای از یک فیلتر بالاگذر مرتبه اول و عملکرد انتقال آن را نشان می‌دهد. فرکانس قطع با فرمول زیر ارائه بیان می‌شود:
جمع‌بندی
الکتروکاردیوگرام (ECG) به‌عنوان سابقه و رکوردی از فعالیت الکتریکی قلب تعریف می‌شود. در واقع، ECG یک آزمایش ساده است که یک رکورد گرافیکی را که توسط یک الکتروکاردیوگراف تولید می‌شود، نمایش می‌دهد. این سیگنال نشان می‌دهد که آیا قلب در اثر فشارخون یا شواهدی از انفارکتوس میوکارد (در صورت وجود) بزرگ شده است یا خیر.
ECG دارای سه جزء اصلی است: موج P که نشان‌دهنده دپلاریزاسیون دهلیزها است، کمپلکس QRS که معرف دپلاریزاسیون بطن‌ها است و موج T که بطن‌های قطبش مجدد را نشان می‌دهد.
ECG غیرطبیعی عمدتاً نشان‌دهنده تغییر در ضربان قلب یا ریتم قلب است. به‌عنوان‌مثال، یک کمپلکس QRS نامنظم بدون موج P نشان‌دهنده فیبریلاسیون دهلیزی است. به همین ترتیب، بالارفتن قطعه ST در نوار قلب نشانه یک حمله قلبی جدی است.
منابع: BYJU’S و MyJoVE Corporation
سوالات متداول
تفاوت بین تست EKG و ECG چیست؟
ECG و EKG هیچ تفاوتی ندارند. هر دو مخفف یک کلمه هستند. در واقع، واژه الکتروکاردیوگرام وقتی به زبان آلمانی ترجمه می‌شود (به‌صورت Elektro-kardiographie) و مخفف آن EKG است. اغلب از ECG به‌جای EKG استفاده می‌شود.
سلام متن اتون خیلی خوب بود حقیقت به نظرم خوبه راجب تفاوت اکوکاردیوگرافی با نوار قلب بدونیم که اکو تست دقیق تر هست و تا جای که خوندم با امواج اولتراسوند کار میکنه البته دوست دارم راجب مدار داخلی اشون خیلی ریزتر بشم
سلام دوست عزیز
حتما در مطالب بعدی به این مورد هم میپردازیم.