EKGマシン

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背景

心電図（EKGまたはECG）は、心臓の筋肉の電気的活動をグラフィカルに記録するデバイスです。正常な心拍と異常な心拍を識別するために使用されます。 1900年代初頭に最初に発明された、EKG（ドイツの心電図から派生） 重要な医療診断装置になりました。

EKGマシンの機能は、心臓が電気信号を生成する能力に依存します。心臓は、2つのポンプを構成する4つのチャンバーで構成されています。右のポンプは、体から戻ってくる血液を受け取り、それを肺に送ります。左のポンプは肺から血液を受け取り、それを体の残りの部分に送り出します。各ポンプは、心房と心室の2つのチャンバーで構成されています。心房は入ってくる血液を集め、収縮すると血液を心室に送ります。心室が収縮すると、血液が心臓から送り出されます。

心臓のポンプ作用は、右心房にあるペースメーカー領域または洞房結節によって調節されます。電気インパルスは、細胞膜を横切るカルシウムイオン、ナトリウムイオン、およびカリウムイオンの拡散によってこの領域で作成されます。これらのイオンの動きによって生成されたインパルスは、最初に心房に伝達され、収縮して血液を心室に押し込みます。約150ミリ秒後、インパルスは心室に移動し、心室を収縮させて心臓から血液を送り出します。インパルスが心臓のチャンバーから離れるにつれて、これらのセクションはリラックスします。

EKGを使用すると、医師は心臓のさまざまな位置でこれらのインパルスの相対電圧を測定できます。体は電気の良い伝導体であるため、心電図が可能です。心臓の一部に電位が発生すると、特定の部位の体表面に電流が流れます。これらの領域に本体に取り付けられた電極により、これらの電流の測定が可能になります。

EKGによって測定された電気信号は、特徴づけられており、心拍のさまざまな段階を表しています。心臓が鼓動するたびに、3つの異なるEKG波が生成されます。見られる最初のパルスはP波と呼ばれます。これは、ペースメーカーによって生成された電気信号を測定します。次のパルスは最大の信号であり、QRS群と呼ばれます。グラフのこのセグメントは、心房の弛緩と心室の収縮によって生成された電気信号を表しています。サイクルを完了するのはT波であり、これは心室の弛緩または再分極を意味します。心拍の特徴的な音は、QRS群とT波に対応しています。

EKGは有用なデータを提供し、心臓機能に関連するさまざまな問題の検出に役立ちます。 EKGで行うことができる1つの基本的な決定は、心拍数です。これは、ピーク間の距離を測定することによって決定できます。特定の医学的問題の診断も可能です。たとえば、高血圧の患者では、QRS群の振幅が大幅に増加します。信号の振幅は体内の化学物質のレベルに関連しているため、体内の特定の化学物質のバランスもEKGによって検出できます。心臓の損傷は、Q波の変形によっても観察できます。 EKGの最も有用な特徴は、不整脈または異常な心拍を検出して説明する能力です。ホルターモニターとして知られているEKGマシンは、これらの検出用です。最後に、EKGを使用して動脈の閉塞を観察することができます。これは通常、S波とT波の間の落ち込んだセグメントを探すことによって行われます。

歴史

EKGの開発は、生体組織の電子的可能性の発見から始まりました。この起電力効果は、1787年にAloysio Luigiによって最初に調査されました。彼の実験を通じて、彼は生体組織、特に筋肉が発電できることを実証しました。その後、他の科学者が電子ポテンシャルにおけるこの効果を研究しました。鼓動する心臓の電子電位の変動は、早くも1856年に観察されましたが、実用的で機能的なEKGマシンを作成できるようになったのは、ウィレムアイントホーフェンが単線検流計を発明したときでした。

単線検流計は、磁場に吊るされた粗いストリングで構成された装置でした。この装置に心臓電流の力を加えると、弦が動き、これらのたわみが印画紙に記録されました。最初のEKGマシンは、1903年にアイントホーフェンによって導入されました。これは人気のあるデバイスであることが証明され、すぐにヨーロッパのさまざまな国で大規模な製造が開始されました。初期のメーカーには、ミュンヘンのエーデルマンとサンズ、ケンブリッジ科学計器会社が含まれます。 EKGは1909年に米国に持ち込まれ、Hindle InstrumentCompanyによって製造されました。

元のEKGマシンの設計の改善は、導入後すぐに始まりました。重要な革新の1つは、電磁石のサイズを縮小することでした。これにより、マシンをポータブルにすることができました。もう1つの改善点は、皮膚に直接取り付けることができる電極の開発でした。元の電極では、患者は腕と脚を大量の塩化ナトリウム溶液が入っているガラス製の電極ジャーに沈める必要がありました。追加の改善には、電子信号を改善する増幅器の組み込み、およびEKGデータをすぐに利用できるようにする直接筆記具が含まれていました。最新のEKGマシンはこれらの初期モデルに似ていますが、マイクロエレクトロニクスとコンピューターインターフェースが組み込まれているため、より便利で強力になっています。これらの新しいマシンは使い勝手が良いですが、Einthovenによって構築された元のEKGよりも正確ではありません。

原材料

EKGマシンは、電極、接続ワイヤ、増幅器、およびストレージと伝送デバイスで構成されています。 EKGマシンで使用される電極、つまりリードは、バイポーラとユニポーラの2つのタイプに分けることができます。双極の四肢のリード線は、手首と脚の間の電圧差を記録するために使用されます。これらの電極は、左脚、右手首、および左手首に配置され、心臓内の電気インパルスの三角形の動きを形成し、それを記録することができます。双極リードとは異なり、単極リードは、参照電極とそれらが接続されている体表面との間の電圧差を記録します。これらの電極は、左右の腕と左右の脚に取り付けられています。さらに、それらは胸の特定の領域に配置され、心臓の電気的活動の変化するパターンを表示するために使用されます。

プレート、サクション、流体カラム、フレキシブルなど、さまざまなモデルの電極が作成されます。プレート電極は、ステンレス鋼、洋白、またはニッケルで構成された金属ディスクです。それらは粘着テープで皮膚に保持されます。吸引電極は、真空システムを使用して所定の位置に留まります。それらはニッケルまたは銀と塩化銀で設計されており、真空を作り出すコンプレッサーに取り付けられています。別のタイプの電極である液柱電極は、皮膚との直接接触を避けるように設計されているため、患者の動きに対する感度が低くなります。柔軟な電極は、乳児のEKG測定値を取得するのに最も役立ちます。細いステンレス鋼または銀線で織られたメッシュで、柔軟なリード線が取り付けられています。電極は小さな包帯のように皮膚に付着します。

身体からの弱い電気信号を出力デバイス用のより読みやすい信号に変換するには、EKG増幅器が必要です。差動増幅器は、比較的低レベルの信号を測定する場合に役立ちます。 EKG中、身体からの電気信号は電極から増幅器の最初のセクションであるバッファ増幅器に転送されます。ここで、信号は安定化され、5〜10倍に増幅されます。電子ネットワークが続き、ユニポーラリードからの信号が変換されます。次に、差動プリアンプが信号を10〜100倍にフィルタリングして増幅します。

患者からの直接信号を受信する増幅器のセクションは、光アイソレータによってEKGマシンの残りの部分の主電源回路から分離されており、偶発的な感電の可能性を防ぎます。一次増幅器は主電源回路にあります。このパワードアンプでは、信号は適切なデバイスへの出力に適した電流に変換されます。

EKGマシンの出力の最も一般的な形式は、紙片レコーダーです。このデバイスは、時間の経過とともにEKG信号のハードコピーを提供します。コンピュータ、オシロスコープ、磁気テープ装置など、他の多くの種類のデバイスも使用されます。収集されたデータはアナログ形式であるため、ほとんどの電子出力デバイスで使用するには、デジタル形式に変換する必要があります。このため、EKGの一次回路には通常、アナログ-デジタル変換器セクションが組み込まれています。

EKGユニットを完成させるには、他にもさまざまな部品が必要です。信号は皮膚を介して電極に弱く伝達されるため、通常は電解質ペーストが使用されます。このペーストは皮膚に直接塗布されます。それは主に塩化物イオンで構成されており、皮膚と電極の間に導電性の橋を形成するのを助け、より良い信号伝達を可能にします。その他のコンポーネントには、取り付けクリップ、さまざまなセンサー、感熱紙などがあります。

製造
プロセス

EKGマシンのコンポーネントは通常、個別に製造され、パッケージングの前に組み立てられます。電極、増幅器、出力デバイスなどのこれらのコンポーネントは、外部のメーカーから供給されるか、社内で製造されます。

電極

• 1 EKGマシンに使用される最も一般的な電極は、銀および塩化銀電極です。これらの電極の電極電位は、生体組織にさらされたときに安定しているためです。電極は外部のサプライヤーから受け取り、設定された仕様に準拠しているかどうかを確認します。使用する電極の種類は、EKGモデルによって異なります。多くの場合、複数のタイプの電極が1台のEKGマシンで提供されます。各電極には、プライマリユニットに接続できるシールドケーブルが含まれています。

内部電子機器

• 2 EKGデバイスの電子部品は非常に洗練されており、最新の電子処理技術を使用しています。アンプと出力デバイスは、他の電子機器と同じように組み立てられています。それは、電子配置がマッピングされたボードから始まります。次に、このボードは、適切なチップ、ダイオード、コンデンサ、およびその他の電子部品を適切な場所に配置する一連のマシンを通過します。完了すると、はんだ付けのために次のステップに送られます。
• 3電子部品は、ウェーブはんだ付け機によってボードに取り付けられます。このマシンに入るボードは、最初に洗浄されて汚染物質が除去されます。次に、ボードは赤外線熱を使用して加熱されます。ボードの下側は、毛細管現象によって適切なスポットを埋める溶融はんだの波の上を通過します。ボードが冷えると、はんだが固まり、部品が所定の位置に保持されます。

ディスプレイデバイス

• 4ディスプレイデバイスの種類によって、製造方法が異なります。磁気テープレコーダーやペーパープリンターなどの特定のデバイスは、外部のメーカーから供給できます。コンピュータマイクロプロセッサのような他のコンポーネントは、主要な内部電子機器と一緒に設計および製造することができます。

最終組み立て

• 5 EKGマシンのコンポーネントは組み立てられ、適切な金属フレームに配置されます。完成したデバイスは、予備の電極、印刷用紙、マニュアルなどのアクセサリとともに最終パッケージに入れられます。その後、販売業者に送られ、最終的に顧客に送られます。

品質管理

製造される各EKGデバイスの品質を保証するために、製造プロセス全体を通して目視検査と電気検査が行われ、ほとんどの欠陥が検出されます。完成した各EKGデバイスの機能性能をテストして、動作することを確認します。これらのテストは、過度の熱や湿度などのさまざまな環境条件下で行われます。

ほとんどのメーカーは、製造するEKGマシンに独自の品質仕様を設定しています。ただし、標準とパフォーマンスの推奨事項は、さまざまな医療機関や政府機関によって提案されています。重要と見なされるいくつかの要因は、標準化された入力信号範囲、周波数応答、校正信号の精度、および記録期間です。

未来

将来的には、より強力で改良されたEKGマシンが開発されるでしょう。これらのマシンは最新のコンピューター技術を利用して、診断をより迅速かつ正確にします。それらはより強力になり、胎児の心拍数などの小さな電子電位を測定できるようになります。また、鼓動する心臓の3次元モデルを構築することも可能になり、医師はより多くの診断データを利用できるようになります。薬物の有効性を決定するためのEKGマシンの最近のアプリケーションなど、EKGマシンの新しいアプリケーションも見つかる可能性があります。

最近の革新は、EKG開発の新しい方向性を示す可能性があります。ある会社は、電話で直接送信できるデータを収集するポータブルEKGモニターを開発しました。患者は各腕の下に電極を置き、送信機を電話のマウスピースに取り付けます。信号はモニタリングセンターに送られ、そこでコンピュータがそれをEKG測定値に変換します。その後、この情報を医師に転送して、一部の患者の心臓の問題をはるかに早期に検出できるようにします。