Кардиографические электроды и кабели отведений

Высококачественная регистрация электрокардиографических сиг-налов (ЭКС) с минимальным уровнем шумов и отсутствием артефак-тов, как правило, гарантирует хорошее качество анализа записи и формирование правильного ЭКГ - заключения. Особенно актуальной эта проблема становится при проведении кардиомониторных записей и амбулаторного (холтеровского) мониторирования. В этих ситуациях требования к качеству электродов и кабелей отведений существенно возрастают.

Рассмотрим методы применения ЭКГ – электродов и кабелей отведений в кардиографической практике, примеры их конструтивного исполнения и особенности эксплуатации.

Все устройства съема медицинской информации подразделяются на две группы: электроды и датчики (преобразователи).

Электроды используются для съема электрического сигнала, реально существующего в организме, а датчик - устройство съема, реагирующее своим чувствительным элементом на воздействие измеряемой величины, а также осуществляющее преобразование этого воздействия в форму, удобную для последующей обработки. Электроды для съема биопотенциалов сердца принято называть электрокардиографическими (электроды ЭКГ). Они выполняют роль контакта с поверхностью тела и, таким образом, замыкают электрическую цепь между генератором биопотенциалов и устройством измерения.

Еще раз отметим, что при анализе электрокардиографического сигнала (ЭКС) предъявляются жесткие требования к устройствам съема информации - электродам ЭКГ. От их качества зависит досто-верность результатов анализа и, следовательно, степень сложности средств, применяемых для обнаружения сигнала на фоне помех. Низкое качество съема ЭКС практически не может быть скомпенсировано никакими техническими решениями. Как показала практика, обычные пластинчатые электроды ЭКГ, широко используемые в электрокардиографии, не удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям при длительном непрерывном контроле ЭКС из-за большого уровня помех при съеме.

В общем случае структуру участка контакта электрода с кожей, представим в виде, изображенном на Рис.23. Металлический электрод и электролит образуют электрохимический элемент. Химические реак-ции, протекающие между металлом и электролитом, влияют на функ-ционирование электродов ЭКГ.

Рис. 23. Структура контакта электрода с кожей

К преобразователям биоэлектрических сигналов, в данном случае к электродам ЭКГ, предъявляются следующие требования:

· высокая точность воспроизведения формы сигнала (минимальные потери полезного сигнала на переходе "электрод-кожа" и сохране-ние частотной характеристики сигнала);

· идентичность электрических и конструктивных параметров (взаимозаменяемость, возможность компенсации электрических параметров);

· постоянство во времени функций преобразования (стабильность электрических параметров);

· низкий уровень шумов (обеспечение необходимого соотношения "сигнал-шум");

· малое влияние характеристик электродов на измерительное уст-ройство.

Исследования электрических и физических процессов, происходя-щих в элементе съема, позволили выделить следующие факторы, влияющие на искажения ЭКС:

· кожно-электродный импеданс;

· электродные потенциалы (контактные и поляризованные).

Частотная характеристика ЭКС лежит в области низких частот 0,05 ÷ 800 Гц. На низких частотах переходное сопротивление кожа-электрод можно считать активным, а его значение лежит в пределах от нескольких десятков кОм до единиц МОм. Хотя современные усилители на полевых транзисторах имеют входное сопротивление гораздо большее 10 МОм, потери будут большими, поэтому нужно принимать меры для уменьшения межэлектродного сопротивления.

При увеличении площади электрода переходное сопротивление кожа-электрод уменьшается, но при этом увеличиваются помехи от биопотенциалов работающих мышц.

Кроме того, появляется погрешность ЭКС (его формы) от неточ-ности наложения электродов на выбранную точку тела. Для умень-шения сопротивления кожа-электрод места установки электродов должны быть обезжирены смесью спирта и эфира. После этого между электродом и кожей помещают слой специальной проводящей пасты, которая представляет собой электролит, диффундирующий в поры кожи и заполняющий свободные места под электродом при его неполном прилегании к коже. Паста сохраняет хорошую проводимость дли-тельное время. Конструкция электрода должна препятствовать расте-канию пасты за площадь электрода. Растекание пасты увеличивает площадь электродов, что приводит к возрастанию помех.

Разброс и нестабильность переходного сопротивления кожа-электрод вызывает разбаланс входных цепей усилителя ЭКС и появ-ление помех, источник которых сопротивление - электрическое поле сети, наведенное на объект ее проводкой.

При контакте металла с электролитом образуется электрохи-мический элемент, который вырабатывает разность потенциалов меж-ду электродом и тканью тела - потенциал покоя, составляющий обыч-но 0,3÷1 В.

Так как съем ЭКС осуществляется с помощью пары электродов, то при идентичных электродах разность потенциалов между ними могла бы быть скомпенсирована, но практически достигнуть полной компенсации не удается. Оставшаяся разность потенциалов между ними может достигать 0,1÷0,4 В и изменяет свое значение во времени. Потенциал покоя превышает полезный сигнал в сотни раз. При движениях пациента происходит смещение электродов, двойной электрический слой у поверхности раздела фаз с электронной и ионной проводимостью мгновенно разрушается, создавая скачки электродного потенциала, лежащие в полосе ЭКС. Скачки потенциала являются причиной помех (артефактов), часто вызывающих ошибки в диагностике аритмий. Другим источником помех являются потенциалы поляризации, возникающие при протекании даже незначительного тока через границу раздела двух фаз.

При обычном электрокардиографическом исследовании, которое ведется в покое и длится несколько минут, а расшифровка ЭКГ произ-водится кардиологом, помех при съеме ЭКГ можно избежать.

При длительном мониторировании ЭКГ невозможно исключить двигательную активность пациента (особенно при холтеровском мониторировании). Применение качественных электродов и правильное их наложение позволяет существенно уменьшить количество шумов и артефактов.

Задача качественного съема ЭКС при длительном контроле решается по нескольким направлениям:

· поиск материалов для электродов с малой разностью потенциалов системы электрод - проводящая паста-электрод;

· разработка составов проводящих паст, уменьшающих электрод-ные потенциалы и сохраняющих свои свойства длительное время;

· совершенствование конструкций электродов и методов их крепле-ния на теле пациента.

Было предложено много различных типов электродов ЭКГ, разли-чающихся принципом передачи сигнала (металлические, емкостные, резистивно-емкостные, резистивные); уровнем напряжения поля-ризации (неполяризующиеся, слабополяризующиеся); конструкцией (плавающие, гибкие, чашечные, игольчатые) и возможностью повтор-ного использования (одноразовые и многоразовые).

Исследования различных материалов для электродов показали, что наименьшей поляризацией обладают хлорсеребряные электроды, состоящие из серебра и хлорида серебра. Такое соединение получают электролитическим путем, а в качестве электролита в проводящей пасте используются ионы хлорида. Хлорсеребряные электроды получили наибольшее распространение; их выпускают одноразового и многоразового применения (Рис. 24).

Одноразовые электроды предпочтительнее, так как они всегда готовы к применению и имеют большую клеящую поверхность, исключающую смещение электрода. Разность потенциалов двух электродов системы "электрод - паста - электрод" не превышает 3-5 мВ, межэлектродное сопротивление - 500 Ом, скорость изменения разности потенциалов - 2 мкВ/с. Время готовности 1-2 мин. Напряжение шума электродов не более 30 мкВ. Чтобы предотвратить повреждения кожных покровов при длительном мониторировании, желательно каждые сутки переклеивать электроды на соседние участки тела.

Рис. 24. Электрод для кардиомониторирования

Приведем примеры конструктивного исполнения ЭКГ- электродов, предназначенных для проведения различных кардиографических тестов.

Многоразовые ЭКГ- электроды. На Рис. 25. показан комплект электродов для конечностей (электроды - зажимы), обычно используемых для регистрации ЭКГ – покоя в основных отведениях. Обычно их называют электродами-прищепками. На рабочую поверхность электрода наносится покрытие типа «серебро - хлорид серебра» - (Ag/AgCl). При наложении электрода на конечность необходимо смазать кожу в области наложения рабочей поверхности электрода специальным ЭКГ- гелем или смочить физиологическим раствором. Рабочую поверхность электрода всегда накладывают на мягкую (мышечную) поверхность рук и ног.

Рис. 25. Комплект электродов-прищепок.

Отметим, что электроды - прищепки имеют стандартную раскраску и накладываются на конечности по стандарту:

· Красный - правая рука;

· Желтый - левая рука;

· Зеленый - левая нога;

· Черный - правая нога.

Многоразовый грудной присасывающийся электрод для ЭКГ (электрод-«присоска» диаметром 20 мм с винтом и зажимом) предназначен для снятия электрокардиограммы в грудных отведениях у пациентов на любых типах кардиографов при регистрации ЭКГ – покоя (см. Рис. 26). Обычно их называют электродами-грушами. Контакт с телом обеспечивается за счет создания вакуума в месте наложения. Для этого сначала резиновую камеру сжимают пальцами, а затем отпускают. Обычно в месте наложения электрода кожу смачивают физиологическим раствором.

Рис. 26. Электрод-присоска

Одноразовые ЭКГ- электроды. В электродах для кратковремен-ного и среднепродолжительного наблюдения используется подложка (основа) из вспененного полиэтилена (код F в названии), обеспе-чивающая непроницаемость поля контакта для других жидкостей и отсутствие влагообмена (кожа под электродом не может дышать). FS - с усиленным клеевым слоем для суточного холтеровского монито-рирования и нагрузочных проб. В электродах для длительного наб-людения с обеспечением комфорта для активных пациентов приме-няется подложка из микропористой ленты - код T или нетканного ма-териала - код W.

Основными компонентами геля являются вода и хлорид калия. Для кратковременного наблюдения применяется гель с высокой степенью текучести (aqua - wet), которой пропитывается микропористая губка из поролона. Для длительного наблюдения применяется желеобразный гель (aqua – set). Во избежание высыхания геля на оставшихся неиспользованными электродах - следует загибать вскрытую сторону упаковки два раза.

В настоящее время многими производителями выпускается боль-шое количество одноразовых электродов как для кратковременного, так и для длительного мониторирования. В качестве примера на рис. 27 показан разовый электрод Skintact F55 (производства Италии). Основа - непроницаемый для жидкости полиэтиленовый пенопласт. Диаметр 55 мм. Используется для непродолжительного мониторирования (до нескольких часов). Основа – непроницаемый для жидкости полиэтиле-новый пенопласт. Диаметр 55 мм.

Рис. 27. Одноразовый электрод Skintact F55

Кабели отведений. Все электрокардиографы в зависимости от их возможностей можно классифицировать по количеству каналов ре-гистрации ЭКГ: на одно-, трех-, шести- и двенадцатиканальные. В со-ответствии с этим определяется конструкция кабеля для используе-мого электрокариографа. Как правило, кабели отведений съемные. Они подключаются к кардиографам через стандартные разъемы.

Технические требования к электрокардиографам и кабелям отве-дений определяются действующими отечественными и зарубежными стандартами. В настоящее время к электрокардиографам непосредст-венно применяются международные стандарты: IEC 60601-1:1988, IEC 60601-2-25:1993. Первый из указанных стандартов включает общие требования к электробезопасности медицинских приборов, второй - требования по электробезопасности собственно электрокардиографов.

В современных электрокардиографах, в соответствии с требо-ваниями вышеуказанных стандартов, кабели отведений часто содер-жат элементы электронной схемы электрокардиографической систе-мы. Во многих электрокардиографических аппаратах в кабеле отведе-ний располагается элемент защиты прибора от разряда дефибрил-лятора в виде объемных резисторов, т.е. сопротивлений, которые мешают току электрического заряда. При отсутствии резисторов не только нарушается защита прибора и пациента, но и заметно снижается эффективность дефибрилляции. При нарушении целости кабеля нельзя просто произвести пайку мест разрыва. Неквалифицированный ремонт может привести к нарушению работы дефибриллятора в виде неэффективной дефибрилляции либо вызвать ожоги кожи пациента при разряде дефибриллятора. Если рассмотреть в процентном соот-ношении частоту различных поломок электрокардиографа, то 80% случаев поломки аппаратуры при съемке ЭКГ бывают связаны с поломкой кабеля отведений в результате его небрежной эксплуатации, 15% - с поломкой электрических схем прибора при нарушении правил его эксплуатации. Лишь 5% поломок связаны с истинно техническими проблемами. По устройству кабель отведений обычно выполняют в виде единого экранированного многожильного кабеля, который в месте разветвления на отдельные экранированные провода имеет так называемую "коробку пациента", т.е. блок, от которого провода идут непосредственно к электродам. Полная длина кабеля отведений должна составлять не менее 2,5 м. Увеличение длины кабеля может приводить к увеличению помех при регистрации ЭКГ. Для удобства работы медицинского персонала существует определенная цветовая кодировка проводов отведений: отведения от конечностей - красный, желтый, зеленый, черный; грудные отведения - красный, желтый, зеленый, синий, фиолетовый, коричневый.

Рис. 28. Кабель отведений для 12-ти канального кардиографа

На рис. 28 показан стандартный кабель отведений для 12-ти ка-нального электрокардиографа. Он имеет «коробку пациента» и под-ключается к регистратору через стандартный 15-ти штырьковый плоский разъём. Каждый провод пациента заканчивается цветным штекером Ø 4 мм. Эти штекеры вставляют в крепежные отверстия ЭКГ-электродов (прищепок и груш) и надежно фиксируют с помощью винта-зажима.

В некоторых ситуациях, когда вместо стандартных электродов (груш и прищепок) необходимо использовать разовые самоклеющиеся электроды (например, при проведении эргометрических тестов под контролем ЭКГ), пользуются переходниками «палец – кнопка». Переходники поставляются в комплекте и имеют стандартную кардиографическую расцветку. Конструкция переходника показана на Рис. 29.

Рис. 29. Переходник - «палец кабеля отведений – кнопка»

Обычно в комплекте поставки кардиографического оборудования производители поставляют пользователю комплект хлорсеребрянных ЭКГ - электродов подкладного типа и набор резиновых перфори-рованных лент для фиксации этих электродов на конечностях, а также перфорированный резиновый пояс для фиксации электродов в грудных отведениях. Эти кардиографические аксессуары показаны на Рис. 30.

Рис. 30. Комплект подкладных электродов и резиновые фиксаторы к ним.

На Рис. 31. показана конструкция кабеля отведений для 3-х ка-нального портативного кардиографа или регистратора для холте-ровского мониторирования со стандартным круглым разъёмом для подключения к регистратору. Провода пациента заканчиваются наконечниками «под кнопку». Такой кабель предназначен для работы с одноразовыми самоклеющимися электродами.

Рис. 31. Кабель отведений для 3-х канального кардиорегистратора с наконечниками «под кнопку».

В некоторых регистраторах холтеровского мониторирования для отведений используют отдельные провода «под кнопку», которые подключаются к прибору с помощью штекеров. Комплект таких проводов показан на Рис. 32.

Рис. 32. Комплект проводов с наконечниками «под кнопку» для холтеровского

мониторирования.

Считаем, что приведенных примеров достаточно для полного представления о свойствах, особенностях использования и конст-рукции ЭКГ - электродов и кабелей отведений. Однако, разнообразие технических решений в этой области далеко не исчерпано, а работы по совершенствованию технологии съёма кардиосигналов продолжаются.