Page 1
Politechnika Łódzka, ul. Żeromskiego 116, 90-924 Łódź, tel. (042) 631 28 83
www.kapitalludzki.p.lodz.pl
„Innowacyjna dydaktyka bez ograniczeń - zintegrowany
rozwój Politechniki Łódzkiej - zarządzanie Uczelnią,
nowoczesna oferta edukacyjna i wzmacniania zdolności
do zatrudniania osób niepełnosprawnych”
Prezentacja multimedialna współfinansowana przez
Unię Europejską w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego w projekcie pt.
„Introduction to Electrocardiography”
P. Strumillo
Page 2
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
2 Medical Electronics
electron - kardia - grapho
© The Bakken
amber - heart - write
Page 3
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
3 Medical Electronics
www.geocities.com/bioelectrochemistry/ Luigi Galvani
(1737-1798)
Frog leg moves after stimulating it with an electrical pulse
Electrophysiology – the beginning
Page 4
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
4 Medical Electronics
Emil Reymond is the first to use „action potential” term to connote electrical activation of cells (1848)
Alessandro Volta (1745-1827) – postulates that electricity can occur only in metals
Carlo Matteucci in 1842 shows there are rhythmic biocurrents in frog heart
Electrophysiology – the beginning
Page 5
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
5 Medical Electronics
D.Waller (1856-1922) and his ECG recorder from 1887
The Bekken
Electrocardiography – the beginning
Page 6
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
6 Medical Electronics
-90mV
The resting (polarized) cell
10 Na+
Cell membrane
1 K+
1 Na+
10 K+
Cell resting potential
- +
Voltmeter
Page 7
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
7 Medical Electronics
Depolarization of a cell
K+
Na+
K+
K+ K+
K+ Na+ Na+
Na+
Electrochemical stimulus (e.g. from other cell)
is braking the resting potential balace and cell
depolarization sets in
Page 8
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
8 Medical Electronics
Depolarization of a cell
K+
Na+
K+
K+ K+
K+ Na+ Na+
Na+
Cell action potential
-90mV
20mV
2ms
repolarization depolarization
for most cells
Page 9
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
9 Medical Electronics
Depolarization of a cell
K+
Na+
K+
K+ K+
K+ Na+ Na+
Na+
Cell action potential
-90mV
20mV
200 ms!
repolarization depolarization
for cardiac cells
There are more than ten ion
channels in myocardiac cells
Page 10
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
10 Medical Electronics
Tissue depolarization
Deplolarization wavefront
Single cardiac cell
- +
Voltmeter
but… we do not have access to cardiac cells
110 mV
Page 11
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
11 Medical Electronics
- +
Voltmeter
Body volume
Surface electrode
3 mV
Tissue depolarization
Page 12
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
12 Medical Electronics
Inverse problem of electrocardiography (diagnosis)
Diagnosed organ Signal space
Medical Diagnosis
Y
: X Y
Cardiac signals and images
© Elsevier 2002 Forward
problem
-1: Y X
Inverese
problem
Page 13
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
13 Medical Electronics
Example ECG recording
Page 14
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
14 Medical Electronics
The heart conduction system
Sinus node
Atrioventricular node
Bundle of
His
Left bundel
branch
Left bundel branch Purkinje fibres
Left atrium
Right
atrium
Left
ventricle Right
ventricle
Page 15
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
15 Medical Electronics
Generation of ECG cycle
Activation of
the sinus node
Depolarization of
the atria
Atria Diastole Systole Diastole Chambers Diastole Systole Diastole
Page 16
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
16 Medical Electronics
Activation of the
atria
Activation of the
atrioventricular
node
Atria Diastole Systole Diastole Chambers Diastole Systole Diastole
Generation of ECG cycle
Page 17
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
17 Medical Electronics
Activation of the
atrioventricular
node
Bundle of His
activation
Atria Diastole Systole Diastole Chambers Diastole Systole Diastole
Generation of ECG cycle
Page 18
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
18 Medical Electronics
Atria Diastole Systole Diastole Chambers Diastole Systole Diastole
Bundle of His
activation
Activation of
bundle branches
Activation of
Purkinje Fibres
Generation of ECG cycle
Page 19
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
19 Medical Electronics
Depolarization of
ventricle muscles
Repolarization of
ventricle muscles
Atria Diastole Systole Diastole Chambers Diastole Systole Diastole
Generation of ECG cycle
Page 20
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
20 Medical Electronics
The cardiac oscillators
Sinus node
Atrioventricular
node
Purkinje
fibres
Autonomous oscillators ferequency
70 /min 40 /min 20 /min
Page 21
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
21 Medical Electronics
The cardiac oscillators
Sinus node
oscillator
Atrioventricular
node oscillator
Purkinje
fibres
Oscillator cycle
Oscillator cycle
Page 22
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
22 Medical Electronics
ECG waveforms
P
Q
R
S
T
Izoelectric line
1mV
0.1s
Page 23
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
23 Medical Electronics
P
T
R
Q S
1mV
0.1s
P -R S -T
Q -T
Izoelectric line
~7500 liters daily!
The electrocardiogram
SA node
AV node
Page 24
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
24 Medical Electronics
Einthoven Foundation
Willem Einthoven (1860-1927) – the
father of modern electrocardiography
Page 25
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
25 Medical Electronics
Einthoven Foundation
Einthoven’s string galvanometer
Page 26
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
26 Medical Electronics
Einthoven Foundation
~1 mV
First Einthoven’s recordings
Page 27
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
27 Medical Electronics
Nobel Prize in 1924, for „explaining the mechanism of electrocardiogram”
2003
First Einthoven’s recordings
Page 28
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
28 Medical Electronics
III
I
The Einthoven triangle
(limb leads) Izopotential lines
Electric field lines
Einthoven vector
Heart as
electrical dipole
Page 29
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
29 Medical Electronics
+2
+1
-1
-2
-3 -1
+1
-2 -3
+
+ + Electric dipole
II
I
III
Izopotential lines
Electric field lines
Page 30
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
30 Medical Electronics
The Einthoven triangle
(limb leads) Izopotential lines
Electric field lines
Einthoven vector
I = VL – VR
II = VF – VR
III = VF – VL
V
VF
V
-
+
III
Page 31
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
31 Medical Electronics
aVR =VR – (VF+VL )/2
aVL =VL – (VR+VF )/2
aVF =VF – (VR+VL )/2
Augmented limb leads Augmented limb leads
(unipolar leads) Izopotential lines
Electric field lines
Einthoven vector
V
VF
+
-
aVL
R
R
www.cvphysiology.com
Page 32
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
32 Medical Electronics
V1
V6
V2
V3
V4 V5
V1
V6
V2
V3
V4 V5
Precordial leads
RV LV
© A
arh
us U
niv
ers
ity H
osp
ita
l,
Den
ma
rk
Vj = VVj - VCT,
where:
j = {1, 2,..., 6}
VCT =(VL+VR+VF)/3
VCT
Page 33
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
33 Medical Electronics
ECG graph paper
Page 34
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
34 Medical Electronics
ECG intervals and segments
See also :
http://en.ecgpedia.org/wiki/
Page 35
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
35 Medical Electronics
12 lead ECG plot example
secRR
QTQTc - QT interval corrected for the heart rate
(normal range <0.3, 0.44> )
http://www.youtube.com/watch?v=WNCW3VNIWAI
Page 36
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
36 Medical Electronics
~1-3 mV
ECG recording – noise sources
Thermal, shot noise (1/f)
Magnetic field
Frequency characteristics
Display
Ground loops
Amplifier
Electric field
Skin-electrode potential
Page 37
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
37 Medical Electronics
Interferences – magnetic field
We should minimize this area!
s
B
i = B s
Electromagnetic induction
S
The area formed by the
lead wires and the body
Page 38
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
38 Medical Electronics
Powerline interferences
Common signal
Difference signal
0 0.5 1 1.5 2 2.5 - 1.5
- 1
- 0.5
0
0.5
1 a)
Am
plit
ud
e [m
V]
Time [s]
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 -200
-100
0
100
200
Am
plit
ude
[m
V]
Time [ms]
20ms
500ms
Page 39
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
39 Medical Electronics
Common signal
Difference signal
0 0.5 1 1.5 2 2.5 - 1.5
- 1
- 0.5
0
0.5
1 a)
am
plit
ud
e [m
V]
Time [s]
Amplitude 1-5mV
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 -200
-100
0
100
200
Am
plit
ude
[m
V]
Time [ms]
Amplitude
ok. 150mV
20ms
500ms
Powerline interferences
Page 40
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
40 P. Strumillo, P. Romaniuk: Medical electronics
Operational amplifier
+
_
Vout = ku(V+-V-) + CMRR(V+ + V-)
V+
V-
Vout
CMRR – [ ang.common mode rejection ratio ]
CMRR = 10e-5 - 10e-6
Page 41
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
41 P. Strumillo, P. Romaniuk: Medical Electronics
Active right leg electrode
Vout
_
By using an active right leg
electrode one can minimise
powerline interferences
*
Page 42
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
42 P. Strumillo, P. Romaniuk: Medical electronics
Safety during medical measurements
Risks
Direct contact of electrical devices with patient’s skin
Low resistance of electrodes (spacial gel electrodes)
risk of device mulfunction
Even a faulty medical equipment should
be safe for the patient!
Page 43
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
43 P. Strumillo, P. Romaniuk: Medical electronics
Regulations
maximum admissible current 0.1mA
maximum admissible current during device mulfunction 1mA
there are special standards the medical
equiment must conform to:
IEC 60601 – technical standard for the safety
of medical electrical devices
IEC - International Electrotechnical Commission
Safety during medical measurements
Page 44
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
44 P. Strumillo, P. Romaniuk: Medical electronics
Galvanic isolation
- transoptors (for analog and discrete signals)
- isolation amplifiers
- DC-DC converters (biasing)
limiting the current entering the patient’s body (resistors in series)
small voltages of the power supply (3V, 6V)
no current conduction elements the patient can touch
Safety during medical measurements
Page 45
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
45 P. Strumillo, P. Romaniuk: Medical electronics
ECG recorder - inside
Low-pass
filter
High-pass
filter
ku = 10-20
ku = 50-100
ADC
Galvanic
isolation
Page 46
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
46 Medical Electronics
Artefacts and noise in ECGs
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
time [s]
am
plit
ud
e [m
V]
Power line noise
Base line wander
0 2 4 6 8 10 -0.2
0
0.2
0.4
0.6
time [s]
am
plit
ud
e [m
V]
0 0.5 1 1.5
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
time [s]
am
plit
ud
e [m
V]
Muscle activity noise
Page 47
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
47 Medical Electronics
Stwierdzono poprawę jakości sygnału
potwierdzoną przez kardiologów
dr P. Romaniuk
Cooperation with Institute of Cardiology
0 0.25 0.5 0.75 -0.5
0
0.5
1
1.5
czas
am
plit
ud
e
Noisy signal
0 0.25 0.5 0.75 -0.5
0
0.5
1
1.5
am
plit
ud
e
czas
Filtered
signal
Wavelet-based ECG filtering
Page 48
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
48 Medical Electronics
Heartbeat abnormalities - arrhythmias
Abnormalities in heartbeat are called arrhytmias.
Arrhytmias can be classified according to the site of abnormality:
• Atria (Atrial Flutter, Atral Fibrillation, Abnormal pacemaker
• Atrio-ventricular (reentant tachycardia, …
• Ventricular (Premature Ventricular Contraction,
Ventricular Fibrillation, Ectopic foci
Conduction blocks:
• first degree (in atrium)
• second degree (between atria and ventricles)
• third degree (in ventricles, e.g. branch blocks)
Page 49
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
49 Medical Electronics
Ventriclular fibrillation
t=40ms
ti
ti+t
Normal rhythm
t=70ms
ti+t
ti
Poincare
sections
Phase plots from ECGs
Page 50
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
50 Medical Electronics
Normal rhythm
Electrical model of cardiac tissue
Page 51
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
51 Medical Electronics
Heartpoint
Myocardial infarction – heart attack
100 000 heart attacks in Poland yearly! Ichaemic
region
Page 52
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
52 Medical Electronics
Ventricur fibrillation
Electrical model of cardiac tissue
Page 53
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
53 Medical Electronics
MIT-BIH Explorer demo
Page 54
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
54 Medical Electronics
Analog ECG
Digital ECG
recordings
…100110011010…
„Artificial patient” system
„Bit-beat” – is a device generating
analog ECG signals from digital
recordings from a database;
Useful for testing recording devices
and for teaching
Page 55
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
55 Medical Electronics
Schiller
© CNSystems
Multilead ECG – very many cables
Page 56
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
56 Medical Electronics
Base station ranseiver
Patient transeiver
Disposable electrodes
System LifeSync ECG
Wireless ECG recording
Page 57
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
57 Medical Electronics
© 2003 CNRG
Copyright © 2000 Meridian Medical
Body surface mapping (BSM)
Page 58
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
58 Medical Electronics
36 cm3
40 J
Implanted defibrillator
Page 59
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
59 Medical Electronics
Detection of Human Breathing and Heartbeat by Remote Radar
S. Ivashov, V. Razevig, A. Sheyko, I.Vasilyev Remote Sensing Laboratory, RUSSIA
Detection of heartbeat by remote radar
Page 60
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
60 Medical Electronics
Echocardiography
BSM © R. McLeod
MRI
Aarhus University Hospital
Coronarography © ACCF
Radioizotope images
© Yale University
Fonokardiography © PZWL
Hemodynamics
© PZWL
ECG
Other diagnostic methods in cardiology
Page 61
Politechnika Łódzka, ul. Żeromskiego 116, 90-924 Łódź, tel. (042) 631 28 83
www.kapitalludzki.p.lodz.pl
„Innowacyjna dydaktyka bez ograniczeń - zintegrowany
rozwój Politechniki Łódzkiej - zarządzanie Uczelnią,
nowoczesna oferta edukacyjna i wzmacniania zdolności
do zatrudniania osób niepełnosprawnych”
Prezentacja multimedialna współfinansowana przez
Unię Europejską w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego w projekcie pt.
„Medical Electronics”