Di Bryce Beamer
L'elettrocardiografia, spesso abbreviata come ECG o EKG, ha debuttato all'inizio del XX secolo ed è ancora adesso una tecnologia fondamentale per la diagnosi e il monitoraggio delle malattie cardiache. L'innovazione hardware ha ridotto le dimensioni e i costi della tecnologia ECG, aprendo nuove opportunità per ottenere informazioni dettagliate sulla salute e il benessere basate sulle forme d'onda ECG e sulla variabilità della frequenza cardiaca. Se combinato con l'infrastruttura dell'IoT indossabile e con l'IA, il monitoraggio cardiaco ECG può essere la chiave per sbloccare nuove informazioni a supporto della salute del cuore per tutta la vita.
Quanti elettrodi vengono utilizzati per un ECG?
L'ECG crea un circuito di rilevamento della corrente che misura la carica differenziale tra due o più elettrodi posizionati sul corpo. In questa illustrazione viene mostrato come il posizionamento degli elettrodi per un ECG genera tre diverse onde ECG in base alla direzionalità della derivazione.
Un semplice ECG a derivazione singola (due elettrodi) è adatto per misurare la frequenza cardiaca e la variabilità della frequenza cardiaca in applicazioni di sport e benessere. Il posizionamento di elettrodi aggiuntivi in posizioni appropriate fornisce una visione più completa della funzione cardiaca. Nella diagnostica medica avanzata, i sistemi ECG dispongono di un massimo di 10 elettrodi che possono fornire da 12 a 18 derivazioni per aiutare i medici a valutare la funzione e la struttura del cuore e diagnosticare aritmie complesse.
Come funzionano gli elettrodi degli ECG?
La qualità del segnale in un circuito di rilevamento della corrente è fondamentale in qualsiasi dispositivo di monitoraggio cardiaco per acquisire dati puliti che possono portare a informazioni utilizzabili. Nel caso dell'ECG, tutto inizia con la progettazione degli elettrodi. L'accoppiamento degli elettrodi è importante per ridurre il rumore e preservare l'onda ECG.
Quando gli ioni provenienti dalla corrente ionica del corpo raggiungono l'elettrolita su un elettrodo, partecipano alle reazioni redox sulla superficie dell'elettrodo. In queste reazioni, gli elettroni si trasferiscono dagli ioni all'elettrodo, convertendo la corrente ionica in corrente elettrica. Ciò è possibile grazie a un fenomeno noto come doppio strato di Helmholtz.
Un segnale ECG ha di solito un'ampiezza compresa tra 0,5 mV e 1 mV, rendendolo molto suscettibile a diversi tipi di rumore o distorsione. Gli artefatti da movimento sono la causa più comune di rumore, proveniente da un sensore che si muove o scivola sulla superficie della pelle, dallo stiramento della pelle o dal cambiamento dell'area di interfaccia oppure da una variazione della distanza o dalla disconnessione totale tra l'elettrodo e la pelle. Un paziente che cambia semplicemente posizione può potenzialmente causare artefatti da movimento.
Per affrontare queste sfide, è necessario considerare attentamente la progettazione degli elettrodi. Materiali, forma, dimensioni e metodi di adesione svolgono tutti un ruolo nel ridurre al minimo gli artefatti da movimento e altre fonti di rumore. Nelle applicazioni mediche, vengono utilizzati elettrodi adesivi per prevenirne il movimento; tuttavia, i monitor ECG indossabili e gli elettrodi applicati sull'abbigliamento solitamente utilizzati in applicazioni di sport e fitness possono migliorare la precisione del posizionamento e aumentare il comfort, con conseguente maggiore conformità alla normativa.
Tipi di elettrodi ECG
I due tipi principali di elettrodi sono quelli "bagnati" e "asciutti". Entrambi i tipi funzionano allo stesso modo; tuttavia, un elettrodo bagnato include un elettrolita che si interfaccia con la pelle. Al contrario, un elettrodo asciutto utilizza l'umidità e il sudore della pelle per creare il conduttore ionico richiesto.
Il conduttore ionico è essenziale per formare lo strato di Helmholtz descritto sopra con entrambi i tipi di elettrodi. Senza uno strato elettrolitico adeguato, i problemi di rumore del segnale e di impedenza ridurranno drasticamente il rapporto segnale/rumore. Anche le variazioni della pelle umana, come i peli del corpo, le lozioni, i trattamenti per la pelle e la pelle morta, possono introdurre contaminanti, aumentare l'impedenza o influire sulla funzione degli elettroliti.
L'uso di un elettrodo bagnato consente di garantire un buono strato di elettrolita e creare rapidamente un'interfaccia pelle-elettrodo a bassa impedenza. Tuttavia, nel tempo, l'elettrodo può asciugarsi, causando un calo imprevedibile dell'ampiezza del segnale. Un elettrodo adesivo, in cui un adesivo in schiuma incapsula un gel elettrolitico tra un elemento metallico (Ag AgCl) e la pelle, è il tipo più comune di elettrodo bagnato.
Gli elettrodi bagnati sono pratici e non creano disagio al paziente. Sono disponibili in molti fattori di forma, come pellicole polimeriche impregnate di carbonio, tessuti metallizzati o legami conduttivi serigrafati. Tuttavia, in molti casi, richiedono del tempo per creare un'adeguata interfaccia elettrolitica tra la pelle e l'elettrodo. Questo processo porta a un fenomeno chiamato rumore di inizio, in cui il rumore del segnale maschera l'onda ECG.
Nelle applicazioni con elettrodi bagnati o asciutti, gli strati elettrolitici possono seccarsi e creare cambiamenti dinamici nell'impedenza che influiscono notevolmente sull'ampiezza del segnale, ma non sul periodo. Per questo motivo, se il rapporto segnale-rumore è sufficientemente basso da rilevare le caratteristiche necessarie, l'ampiezza può essere compensata dinamicamente in molte applicazioni.
Punti salienti della progettazione del sistema ECG
La scelta dell'elettrodo appropriato e della sua forma è fondamentale nella progettazione dei sistemi ECG. Tuttavia, è meglio delineare i requisiti del sistema per qualsiasi nuova applicazione identificando innanzitutto le informazioni sui dati richiesti nella proposta di valore del prodotto. La combinazione di questi requisiti tecnologici di base con le esigenze degli utenti e degli operatori sanitari crea una visione olistica dei requisiti dei prodotti.
Lo sviluppo della prossima generazione di prodotti ECG aiuterà a scoprire nuove informazioni sulla salute del cuore, ma richiederà un bilanciamento tra usabilità e prestazioni tecniche.
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