Epidermaalisten elektronisten järjestelmien käyttö sydämen sähköisen toiminnan monitorointiin Turun yliopisto Tietotekniikan laitos TkK-tutkielma Lääketieteellinen tekniikka ja terveysteknologia Helmikuu 2025 Jani Norrby Turun yliopiston laatujärjestelmän mukaisesti tämän julkaisun alkuperäisyys on tarkastettu Turnitin OriginalityCheck -järjestelmällä. TURUN YLIOPISTO Tietotekniikan laitos Jani Norrby: Epidermaalisten elektronisten järjestelmien käyttö sydämen sähköi- sen toiminnan monitorointiin TkK-tutkielma, 26 s. Lääketieteellinen tekniikka ja terveysteknologia Helmikuu 2025 Tässä tutkielmassa perehdytään epidermaalisen elektroniikan järjestelmiin ja erityi- sesti EKG:hen. Tutkielmassa esitellään näitä ratkaisuja sekä pyritään mahdollisim- man laajasti tuomaan esille tämänhetkistä tekniikkaa ja teknologiaa välittämättä siitä, miten näitä ratkaisuja on nimetty. EKG:n pitkäaikaismittaus on lääketieteessä käytetty mittaus, jota käytetään erilaisten arrytmioiden havaitsemiseen. Tällaista pidempiaikaista mittausta kutsutaan Holter-monitoroinniksi. EKG on potilaalle ää- rettömän turvallinen mittaus, sillä se on ei-invasiivinen ja kivuton toimenpide. Pit- käaikaisen mittauksen tämänhetkiset ongelmat ovat laitteiden koko ja vaikeakäyt- töisyys, joten sen vuoksi olisikin tarpeen tutkia, onko tulevaisuudessa mahdollista käyttää todella pientä, ihoon kiinnitettävää laitetta. Tällaisen laitteen valmistami- sen erityiset ongelmat tällä hetkellä ovat materiaaleihin sekä kustannuksiin liitty- vät, mutta toistaiseksi on myös määritettävä saavutettu hyöty suhteessa perinteiseen Holter-monitorointiin. Materiaaleista on oltava erityisen varmoja, että niitä voidaan käyttää suurimmalla osalla ihmisistä pitkäaikaisesti, sillä elektrodit ovat paikallaan yli 24 tuntia. Materiaali ei siis voi olla ärsyttävä tai haitallinen. Tutkielmassa voi- daan havaita, että tiettyjä materiaaleja ja tapoja tuottaa laitteita on löydetty ja että niiden tarkkuus on yhtä hyvä, ellei jopa parempi äärioloissa verrattuna perinteisem- piin kytkentöihin. Lisäksi artikkeleiden perusteella voidaan todeta, että iholle kiin- nitettävät intiimimmät ratkaisut saattavat olla parempia kuin Holter-monitorointi tulosten sekä helppouden vuoksi. Tutkielma on toteutettu kirjallisuuskatsauksena. Asiasanat: elektrokardiografia, e-tatuointi, epidermaalinen elektroninen järjestelmä, sensoritatuointi, Holter-monitorointi Sisällys 1 Johdanto 1 2 Sydämen anatomia ja fysiologia 4 2.1 Sydämen anatomia ja toiminta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.2 Sydämen johtoratajärjestelmä . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 3 EKG 9 3.1 Elektrokardiografian toimintamekanismi . . . . . . . . . . . . . . . . 9 3.2 Sydänsähkökäyrä ja sen tulkinta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 4 EKG epidermaalisten järjestelmien avulla 15 5 Pohdinta 21 6 Yhteenveto 24 Lähdeluettelo 27 i Kuvat 1.1 Tiedonhaun vaiheet esitettynä. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2.1 Sydämen perusanatomia. Lähde: Mukailtu [4]. . . . . . . . . . . . . . 5 2.2 Sydämen johtoratajärjestelmä. Lähde: Mukailtu [6] . . . . . . . . . . 6 2.3 Eteisten ja kammioiden diastolen ja systolen vaiheet päällekkäin la- dottuna. Lähde: Mukailtu [5], [7]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 3.1 Elektrodien standardikytkennät. Lähde: Mukailtu [10]. . . . . . . . . 11 3.2 Yleisin EKG-paperin skaala sekä vaaka- ja pystyakselin merkitykset. . 13 3.3 Tavallisen sähkösydänkäyrän piirteet sekä merkittynä QRS- kompleksi, P- ja T-aallot sekä RR-, PR- ja QT-intervallit. Mukailtu: [16]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 4.1 Eräässä tutkimuksessa käytetty testilaite. Lähde: Mukailtu [24] . . . . 17 4.2 EMG-mittausasetelma kestävän ja hengittävän elektronisen tatuoin- nin kestävyyden mittauksesta. Lähde: Mukailtu [29] . . . . . . . . . . 19 ii Termistö Apekskardiogrammi Sydämen sähköisen toiminnan kuvaus, joka on mitattu sy- dämen kärjestä. Autorytmisyys Sydämen itsenäinen toiminta, joka johtaa sinusrytmiin ilman ul- koisia vaikuttimia. b.p.m. Beats Per Minute, sydämen lyöntejä minuutissa. Diastole Sydämen lepovaihe, kts. systole. EKG elektrokardiogrammi, sydänsähkökäyrä Ekstrasellulaarinen Solun ulkopuolinen Elektrofysiologia Fysiikan osa-alue, joka tutkii sähköisten ilmiöiden syntyä ja vai- kutuksia elävissä organismeissa. Elektrokardiogrami Elektrokardiografian tuottama kuvaaja, esimerkiksi näytöllä tai paperilla näkyvä sähköisten potentiaalierojen kuvaaja. Fibroiini Yksinkertainen valkuaisaine, jota voidaan löytää esimerkiksi luonnonsil- kistä. GET Grafeeninen elektroninen tatuointi, jolla voi olla monia erilaisia toiminnalli- suuksia. iii Holter-monitori Sydämen toimintaa jatkuvasti mittaava laite, joka tallentaa sy- dämen sähköistä toimintaa. Johtoratajärjestelmä Impulssinjohtojärjestelmä, sydämessä toimiva erikoistunei- den lihassolujen muodostama järjestelmä. Kronotropia Kronotropia kuvaa vaikutusta tahtiin tai ajoitukseen fysiologisissa prosesseissa, kuten sydämen sykkeessä. Mediastinum Välikarsina, rintaontelossa sijaitseva alue. lat. mediastinus = kes- kellä oleva Myosyytti Lihassolu, kaiken elimistön lihaskudoksen pienin alayksikkö. Perikardium Kaksilehtinen sidekudospussi, sydänpussi. Prekordiaalinen Sydämen edessä oleva, sijaitsee sydämen edessä, tulee latinan kielen sanoista prae "edessä", cor "sydän"sekä axilla "kainalo"tai "sivu". Seismokardiografia Sydämen toiminnan mittaamiseen perustuva menetelmä, jos- sa mitataan rintakehän liikkeitä. Sydäninfarkti Äkillisen hapenpuutteen aiheuttama vaurio sydämessä, lähes aina sepelvaltimotaudin aiheuttama tukos [1] Systole Sydämen supistumisvaihe, jolloin kammiot supistuvat pumpaten verta. Valkoinen paperi Tekninen dokumentti, joka esittelee uuden teknologian, tuot- teen tai palvelun. iv 1 Johdanto Epidermaaliset järjestelmät, e-tatuoinnit ja sensoritatuoinnit ovat ihon pinnalla tai ihon alla olevia passiivisia tai aktiivisia biosensoreita. Passiivisten sensorien avulla voidaan mitata esimerkiksi jotakin metaboliittia tai kemiallista ominaisuutta, kuten pH:ta tai glukoosipitoisuutta kudoksessa [2]. Aktiivisten sensorien avulla voidaan saada esimerkiksi sydän- tai aivosähkökäyrä ihon pinnalta. Tässä tutkielmassa kes- kitytään epidermaalisen elektroniikan ratkaisuihin, joiden tarkoitus on mitata sy- dämen sähköistä toimintaa. Tällainen laite tuottaa sydänsähkökäyrän eli EKG:n (engl. electrocardiogram, ECG). Sydänsähkökäyrä on diagnostisesti merkittävä sy- dämen toiminnan indikaattori, jota voidaan käyttää tunnistamaan muun muassa taky- tai bradykardiaa, eteisvärinää tai sydäninfarkti. Sydänsähkökäyrä on myös ei- invasiivinen ja lähestulkoon aina turvallinen tapa tutkia sydämen toimintaa, minkä vuoksi sitä käytetään terveydenhuollossa laajalti [3]. Tämä kandidaatintutkielma on toteutettu kirjallisuuskatsauksena. Tutkielman pääasiallinen tavoite on selvittää, millä tavoin sydämen sähköistä toimintaa voi- daan mitata sensoritatuoinneilla ja epidermaalisilla järjestelmillä. Lisäksi tarkoituk- sena on selvittää, miten nämä laitteet ja metodit ovat kehittyneet kuluneiden vuosi- kymmenien aikana, miten niitä voidaan käyttää terveydenhuollossa ja teranostisessa hoidossa sekä minkälaisia eettisiä kysymyksiä niiden käyttöön mahdollisesti liittyy. Näiden päälinjojen pohjalta tutkimuskysymyksiksi ovat muodostuneet seuraavat: LUKU 1. JOHDANTO 2 Tutkimuskysymys 1: Miten epidermaaliset elektroniset järjestelmät ovat kehitty- neet viimeisen vuosikymmenen aikana EKG:n mittauksessa? Tutkimuskysymys 2: Miten epidermaalista elektroniikkaa voidaan käyttää tulevai- suudessa terveydenhuollossa ja teranostisessa hoidossa? Tutkimuskysymys 3: Minkälaisia ratkaisuja on jo olemassa epidermaalisissa järjes- telmissä sähköisen toiminnan mittaamista varten? Tutkielmaa varten on käyty läpi kirjallisuutta pohjatietoja varten sekä käyty läpi artikkeleiden otsikoita ja tiivistelmimä, jotta tästä tutkielmasta saisi mahdolli- simman ajantasaisen kuvan siitä, minkälaisia laitteita ja tekniikoita tulevaisuudessa voitaisiin käyttää. Tutkielmassa käsitellyt artikkelit on koottu kolmesta eri tietokannasta: Pub- Med, IEEE sekä Web of Science. Osa artikkeleista on myös otettu kirjallisuus- katsauksista. Lisäksi tietoa on haettu Terveyskirjasto-palvelusta, Turun yliopiston Volter-tietokannasta sekä perusteoksista, joista on koottu pääasiallisesti pohjatieto- ja koskeva materiaali. Terveyskirjaston haut on suoritettu suomen kielellä, mutta muuten kaikki haut on tehty englannin kielellä. Aiheen terminologia ei ole vakiintu- nut ja epidermaaliset sensorit sekä e-tatuoinnit tai sensoritatuoinnit eivät tarkoita tiettyjä, spesifejä ratkaisuja. Tämän vuoksi haut ovat olleet alussa todella laajoja, jotta materiaalia on ollut tarpeeksi. Löydettyjen artikkelien pohjalta hakuja muu- tettiin muutamien sanojen inkluusiolla, ja osa artikkeleista on löydetty kirjallisuus- katsausten lähdeluetteloista. Kuvassa 1.1 on visualisoitu prosessi, jota käytettiin tiedonhakuun. Hakutuloksis- sa löytyi 136 artikkelia PubMedistä haulla epidermal* electronic* sekä haulla ("epi- dermal electronic*" OR "e-tattoo*") AND ("ECG" OR electrocardio*) 24 artikkelia tai muuta tulosta. IEEE:stä vastaavilla hakusanoilla löytyi 63 artikkelia tai muuta tulosta sekä 10 artikkelia tai muuta tulosta. Web of Sciencestä vastaavilla hakusa- LUKU 1. JOHDANTO 3 noilla löytyi 2 564 artikkelia tai muuta tulosta sekä 84 artikkelia tai muuta tulosta. Web of Sciencestä ensimmäistä hakutulosta ei ole huomioitu, sillä haun tulosten otsikot eivät olleet aihepiiriin kuuluvia. Tulokset on käyty läpi otsikkotasolla. Tietokannat Artikkelit Web of Science IEEE PubMed Artikkelit ensimmäisen haun jälkeen Artikkelit otsikoiden ja tiivistelmien läpikäynnin jälkeen Kandidaatintutkielmassa käytetyt artikkelit (haulla löydetyt artikkelit sekä kirjallisuuskatsausten artikkelit) 84 73 160 317 43 Kuva 1.1: Tiedonhaun vaiheet esitettynä. Tietokannoista hakemisen lisäksi erityisesti kirjallisuuskatsausten lähteiden lä- pikäyminen sekä tutkimusten lähteiden läpikäyminen on tuonut uusia artikkeleita aihepiiristä tähän tutkielmaan. 2 Sydämen anatomia ja fysiologia Ihmisen sydän on naisella noin 250300 grammaa ja miehellä noin 300350 grammaa painava elin. Sydän on autonominen lihas eikä sitä voi hallita kuten luustolihaksia. Sydämen pääasiallinen funktio ihmiskehossa on kuljettaa verta systeemiseen sekä pulmonääriseen verenkiertoon. Sydän on pääasiassa sydänlihaskudoksesta muodos- tunut elin. Sydänlihaskudos poikkeaa luustolihaskudoksesta siten, että sen solut ovat yksitumaisia, sisältävät runsaasti mitokondrioita ja ovat muodoltaan haaraisia [4]. 2.1 Sydämen anatomia ja toiminta Ihmisen sydän sijaitsee rintaontelossa (engl. thoraxic cavity), tarkemmin ottaen me- diastinumissa. Sydäntä ympäröi kaksinkertainen sidekudospussi, perikardium, jossa on liukasta nestettä. Perikardiumin tehtävänä on vähentää sydämen lyöntien aiheut- tamaa kitkaa sekä pitää sydän paikoillaan rintaontelossa. Sydän on jakautunut nel- jään onteloon, oikeaan ja vasempaan eteiseen sekä oikeaan ja vasempaan kammioon. Molemmilla puolilla eteinen sekä kammio toimivat suhteellisen itsenäisinä yksiköinä pumpaten ihmiskehossa verta joko pulmonääriseen verenkiertoon tai systeemiseen verenkiertoon. Puolet jakaa keskellä oleva väliseinä, joka jakautuu kahteen osaan (engl. atrial septum sekä interventricular septum) [5, s. 419-420]. Kuvassa 2.1 on esitelty sydämen anatomiaa. Vasempaan eteiseen saapuva veri kulkeutuu keuhkolaskimoa pitkin ja oikeaan eteiseen saapuva veri tulee ala- ja yläonttolaskimoita pitkin. Vasemmasta eteisestä 2.1 SYDÄMEN ANATOMIA JA TOIMINTA 5 Aortta Oikeat keuhko- laskimot Keuhkovaltimo- läppä Oikea eteinen Oikea kammio Vasen kammio Mitraaliläppä Vasemmat keuhko- laskimot keuhkovaltimo Vasemmat keuhko- valtimot Vasen eteinen Aorttaläppä Alaonttolaskimo Trikuspidaaliläppä Oikeat keuhko- valtimot Yläonttolaskimo Kuva 2.1: Sydämen perusanatomia. Lähde: Mukailtu [4]. Lisensoitu CC BY 4.0 - lisenssillä. veri siirtyy vasempaan kammioon ja sieltä edelleen aorttaa pitkin systeemiseen ve- renkiertoon. Oikeasta eteisestä veri taas siirtyy oikeaan kammioon, josta se siirtyy keuhkovaltimoa pitkin keuhkoihin, joissa tapahtuu kaasujenvaihto. Kaasujenvaihdon aikana happi diffundoituu keuhkon alveoleissa olevaan verikudokseen, ja verestä puo- lestaan diffundoituu hiilidioksidia uloshengitysilmaan. Sydämen sykli (engl. cardiac cycle) voidaan jakaa kahteen pääasialliseen osaan: systoleen ja diastoleen Sydämen supistumisvaiheessa eli systolessa oikea ja va- sen kammio supistuvat pumpaten verta eteenpäin yllä kuvatuin tavoin. Tätä kutsu- taan ventrikulaariseksi supistumiseksi (engl. ventricular contraction). Ventrikulaa- risen supistumisen vuoksi paine kammioissa kasvaa, mikä johtaa mitraali- ja trikus- pidaaliläppien sulkeutumiseen sekä valtimoläppien avautumiseen. Kammioissa ole- vasta verestä noin kaksi kolmasosaa pumppautuu valtimoihin joko pulmmonääriseen tai systeemiseen verenkiertoon [4], [5]. 2.2 SYDÄMEN JOHTORATAJÄRJESTELMÄ 6 2.2 Sydämen johtoratajärjestelmä Sydämen toimintaa pystytään mittaamaan elektrokardiografian avulla, koska sydä- men toiminta perustuu sähköiseen aktiivisuuteen. Jos sydän poistetaan ihmisen rin- taontelosta, voidaan havaita, että se jatkaa edelleen sydämenlyöntien indusointia itsenäisesti. Tämä autorytminen toiminta osoittaa, että sydämen sähköinen toimin- ta ei ole pelkästään muiden kehon impulssien säätelemää. Ihmisen sydämessä on mekanismi, joka muuttaa rytmin noin 100 bpm:n tasolle, jos sydän ei saa mitään ul- koisia hermoimpulsseja. Tämä tarkoittaa aktiopotentiaalin (engl. action potential) syntyä noin joka 600 ms:n välein. Aktiopotentiaalin synty aiheutuu Ca2+-ionien siir- tymisestä solun sisälle, mikä johtaa solun depolarisaatioon. Kuvassa 2.2 on esitelty sydämen johtoratajärjestelmä osana sydämen anatomiaa. Vasen eteinen Yläontto- laskimo Sinussolmuke Oikea eteinen Eteis-kammio- solmuke Oikea kammio Hisin kimppu Vasen kammio Purkinjen säikeet Kimpun vasen haara Kimpun oikea haara Kuva 2.2: Sydämen johtoratajärjestelmä. Lähde: Mukailtu [6] Sydämen rytmiä ylläpitävät herätesignaalit, jotka muodostuvat sydämen soluis- sa. Erityisesti oikean eteisen sinussolmuke on tärkeä sydämen rytmiä ylläpitävä osa, jossa toimivat tahdistinsolut. Kaikki myokardiumin (engl. myocardium) solut voi- vat tarvittaessa toimia tahdistinsoluina, mutta tavallisesti sinussolmuke on ainoa 2.2 SYDÄMEN JOHTORATAJÄRJESTELMÄ 7 osa sydäntä, jossa tahdistinsolut ovat tällä tavalla aktiivisia. Sähköisen signaalin eteneminen eteisistä kammioihin tapahtuu eteis-kammiosolmukkeen kautta. Eteis- kammiosolmukkeesta johtoratajärjestelmä jatkuu kammioihin Hisin kimpun ja siitä edelleen Purkinjen säikeiden avulla. Impulssin eteneminen eteis-kammiosolmukkeen läpi on hitaampaa, jolloin eteisten ja kammioiden välillä on noin 0,1 s:n viive. Ku- vasta 2.3 ilmenee, että eteisten ja kammioiden systole ja diastole ovat eriaikaiset. Vastaavasti Hisin kimpun ja Purkinjen säikeiden solut ovat erittäin tehokkaita vä- littämään impulssia eteenpäin, jolloin solujen aktivoituminen niiden kautta on erit- täin nopeaa. Jotta sähköisen impulssin suunta olisi yksisuuntainen, ovat myosyyttien (engl. myocyte) solukalvot refraktorisia aktiopotentiaalin ajan sekä välittömästi sen jälkeen. Tästä johtuen myosyytti ei voi uudelleen aktivoitua sydämen rentoutumis- vaiheessa. Kuva 2.3: Eteisten ja kammioiden diastolen ja systolen vaiheet päällekkäin ladottu- na. Lähde: Mukailtu [5, s. 423, kuva 28.6],[7]. Reproduced with permission of the Licensor through PLSclear© 2018 Oxford Publishing Limited. Koska johtoratajärjestelmä on sähköinen järjestelmä, siitä syntyy myös ekstrasel- lulaariseen nesteeseen pieniä sähköisiä jännitteitä, jotka luovat pieniä jännite-eroja. Näitä jännite-eroja voidaan havaita elektrodein, jotka kiinnitetään ihon pinnalle. Kun näitä jännite-eroja mitataan, saadaan tulokseksi sydänsähkökäyrä eli EKG, jonka avulla voidaan seurata sydämen syklin vaiheita. EKG:n toiminnasta puhutaan tarkemmin luvussa 3. Kardiodynamiikka on sydämen pumppaustoiminnon säätelyn aiheuttamaa vaih- telua sydämen toiminnassa. Yleensä kardiodynamiikasta tiedetään ainakin se, että urheillessa ja hengästyessä syke kohoaa, mikä aiheuttaa verenkierron nopeutumi- sen koko kehossa. On kuitenkin väärin olettaa, että sykkeen kohoaminen nostaisi 2.2 SYDÄMEN JOHTORATAJÄRJESTELMÄ 8 aina minuuttitilavuutta, sillä sykkeen kohoamisen seurauksena kammioiden täytty- minen hidastuu. Vaikka aiemmin todettiinkin, että sydämen sinussolmukkeella on luontainen rytmisyys, voidaan myös havaita, että sitä tukevat parasympaattisen ja sympaattisen hermoston toiminta. Hermoston fysiologista vaikutusta sydämeen kut- sutaan kronotrooppiseksi vaikutukseksi. Parasympaattisen hermoston hidastava vai- kutus on negatiivista kronotropiaa ja sympaattisen hermoston nopeuttava vaikutus taas positiivista kronotropiaa. Sydämen leposykettä ohjaa erityisesti parasympaatti- nen hermosto, jonka pääasiallinen vaikutusreitti on kiertäjähermoa eli vagushermoa pitkin. Vagushermon stimulointi hidastaa sydämen sähköisen impulssin konduktoi- tumista eteisistä kammioihin sekä vapauttaa asetyylikoliinia, jolla on sykettä hidas- tava vaikutus. Negatiivisesta kronotropiasta johtuen sydämen normaali leposyke on ihmisillä useimmiten lähempänä 70 bpm:ää kuin 100 bpm:ää, vaikka ilman ulkois- ta vaikutusta 100 bpm on tahdistinsolujen iskemä rytmi. Sydämen toimintaan vai- kuttavat myös veressä kiertävät katekoliamiinit, kuten adrenaliini ja noradrenaliini. Näiden vaikutusta ei tässä tutkielmassa käydä läpi tarkemmin. 3 Elektrokardiografia Elektrokardiografian eli EKG:n kehittäjänä pidetään alankomaalaista Willem Eint- hovenia, joka kehitti tekniikan vuonna 1902 [8]. Nimi tulee suoraan saksankielisestä termistä elektrokardiogramm. Elektrokardiografia on lääketieteessä erittäin perus- tavaa laatua oleva tekniikka, jossa hyödynnetään ihon eri kohtien välisiä jännite- eroja. Näiden jännite-erojen avulla voidaan piirtää sydänsähkökäyrä, josta voidaan tarkemmin lukea sydämen lyönnin eri vaiheet sekä tunnistaa erilaisia sydämen ryt- mejä sekä tehdä näiden pohjalta erilaisia diagnooseja [1]. EKG on ei-invasiivinen ja hyvin turvallinen tapa tutkia sydämen toimintaa ja siksi sitä käytetäänkin todella matalalla kynnyksellä terveydenhuollossa. Sydämen sähköistä toimintaa käsitellään tarkemmin luvussa 2.2. 3.1 Elektrokardiografian toimintamekanismi Elektrokardiografian toiminta perustuu siihen, että se kykenee havaitsemaan säh- köiset jännitteet ekstrasellulaarisessa nesteessä, jonka vuoksi se voi muodostaa eri elektrodien avulla kuvaajan siitä, miten sydän toimii sähköisesti. Elektrokardio- grafian tuottamaa kuvaajaa kutsutaan elektrokardiogramiksi. Sydämen myosyyt- tien sähköinen aktivoituminen tapahtuu Ca2+-ionin sisäänoton avulla, jonka jälkeen solu repolarisoituu hitaasti avaamalla K+-ionikanavansa. Sinus- ja eteis-kammio- solmukkeessa aktiopotentiaali voi olla jopa 65mV, jonka jälkeen ne depolarisoitu- vat hitaasti. Eteisten ja kammioiden myosyytit kykenevät huomattavasti nopeam- 3.1 ELEKTROKARDIOGRAFIAN TOIMINTAMEKANISMI 10 paa toimintaan, jossa depolarisaatio johtaa ne avaamaan Na+-kanavansa, joka johtaa Na+ ajautumaan nopeasti solun sisälle. Tässä tapauksessa aktiopotentiaali on noin 300ms ajan noin 100mV, jonka jälkeen solu repolarisoituu nopeasti hyödyntäen kaliumionien ulosvirtausta [9]. Standardisoitu elektrodijärjestys ja -asetelma ei ole juurikaan muuttunut 1940- luvun jälkeen. Edelleen kaikkein yleisin on 12-kytkentäinen EKG, joka on vielä jaettu kuuteen raajakytkentään sekä kuuteen prekordiaaliseen kytkentään. Kuvassa 3.1 havainnollistetaan tarkemmin elektrodien sijaintia ihmiskehossa. Aiemmin kytkennät on jaettu unipolaarisiin ja bipolaarisiin kytkentöihin, mutta tämä käytäntö on poistumassa. Syy tälle on se, että kytkentä mittaa kahden sijain- nin välistä jännite-eroa, jota ei voida mitata ilman relaatiota toiseen kohtaan. Tästä johtuen kaikkia elektrodeja käsitellään bipolaarisina [10], [11]. Elektrodit ovat hopea- hopeakloridielektrodeja, joiden avulla elektronien virtaus voidaan mahdollistaa. Li- säksi kytkennässä käytetään elektrolyyttigeeliä, joka mahdollistaa hyvän kontaktin ihon sekä elektrodin välillä [9, s. 30]. Elektrokardiografian avulla voidaan kerätä erilaisia tietoja tarpeesta riippuen sy- dämestä sekä sen toiminnasta. Nykyään elektrokardiografiaa käytetään muun muas- sa sydämen sähköisen toiminnan monitorointiin, yksittäisten kammioiden lihasmas- san koon mittaamiseen, sähköimpulssin synnyn tai johtumisen ongelmat sydämes- sä ja tahdistinaktiviteetin havaitsemiseen epätavallisissa soluissa [5, s. 450]. Lisäksi elektrokardiografian avulla voidaan mahdollisesti myös havaita epätavallinen plas- man elektrolyyttitasapaino ja sen aiheuttamat johtumisen ongelmat. Elektrokardio- grafian menetelmiä voidaan käyttää kuvantamisen kanssa sydämen metabolian ja metabolisen tilan mittaamiseksi [5], [12], [13]. Tällä hetkellä pitkäaikaista mittaamista suoritetaan sydämen EKG:n pitkäai- kaisrekisteröinnillä eli Holter-tutkimuksella. Tällöin sydämen toimintaa mitataan yleensä vähintään päivän ajan. Tavallisimpia tutkimuksen syitä ovat rytmihäiriöi- 3.1 ELEKTROKARDIOGRAFIAN TOIMINTAMEKANISMI 11 Vasemman käden elektrodi Rintakehän elektrodit Vasemman jalan elektrodi Oikean jalan elektrodi Oikean käden elektrodi Bipolaariset raajojen kytkennät Unipolaariset raajojen kytkennät Kuva 3.1: (a) Kytkentöjen tavalliset sijainnit. (b) Rintaan kytkettävien elektrodien sijainti suhteessa rintakehään. (c) Positiivisten ja negatiivisten kytkentöjen sijainnit raajoille. Prekordiaalisille kytkennöille ihon pinnalla oleva elektrodi on positiivinen ja negatiivinen on maa. Lähde: Mukailtu [10]. 3.2 SYDÄNSÄHKÖKÄYRÄ JA SEN TULKINTA 12 den luonteen, rytmihäiriölääkityksen tarpeen tai tehon sekä tahdistinhoidon tarpeen tunnistaminen [14]. Pienemmät epidermaaliset järjestelmät voisivat tarjota tähän erilaisia ratkaisuja, jotta pitkäaikaisrekisteröinti olisi tutkittavalle mukavampaa ja helpompaa. Tämänhetkiset laitteet ovat pienen kameran kokoisia ja niiden paino on 100500 grammaa. 3.2 Sydänsähkökäyrä ja sen tulkinta Modernit elektrokardiografit mittaavat useimmiten 25mm=s tarkkuudella, mikä on paperinsyöttönopeus tavallisesti laitteissa. Tästä johtuen yksi laatikko on vaaka- akselilla 1mm pitkä ja ajassa se tarkoittaa 0:04 s. Useimmiten paperissa on myös paksummat viivat, joista muodostuu 5x5-kokoisia ruutuja. Yhden tällaisen laatikon pituus on vaaka-akselilla 5mm eli 0:20 s. Pystyakselilla 1mm vastaavasti tarkoit- taa 0:1mV:a, jolloin yksi paksumpi laatikko on pystyakselilla 0:5mV. EKG-paperin tavallinen asettelu on esitetty kuvassa 3.2. Tavallinen QRS-kompleksi on noin 5mV- 15mV sekä ohitse noin 100ms:ssa. Tällöin tavallinen QRS-kompleksi on leveydel- tään noin kaksi ja puoli ruutua. EKG-paperin skaala kuitenkin riippuu laitteesta ja siinä käytettävästä paperista sekä asetuksista. Tavallinen sydänsähkökäyrä on esitelty kuvassa 3.3. Tavallisesta sydänsähkökäy- rästä erottuvat selkeästi P-aalto, QRS-kompleksi sekä T-aalto. Näiden avulla voi- daan myös päätellä RR-intervalli, PR-intervalli sekä QT-intervalli, joita voidaan käyttää hyödyksi erilaisten sydämen rytmien tai tautien diagnosoinnissa [15]. P- aalto kuvaa eteisten depolarisaatiota. Depolarisaatio leviää sinussolmukkeesta eteen- päin ja leviää eteisten solujen johtamana sydämessä eteenpäin luvussa 2.2 kuvatulla tavalla. Q-, R-, ja S-aallot eli QRS-kompleksi kuvaa kammioiden depolarisaatiota. T-aalto puolestaan kuvaa kammioiden repolarisaatiota. Eteisten repolarisaatio ei tu- lisi tavallisessa EKG:ssä olla havaittavissa, sillä se tapahtuu QRS-kompleksin aikana ja sen aiheuttama jännite on hyvin pieni verrattuna kammioiden supistumisen ai- 3.2 SYDÄNSÄHKÖKÄYRÄ JA SEN TULKINTA 13 5 m m = 0 ,5 m V 1 mm = 0,04 sekuntia 5 mm = 0,20 sekuntia Kuva 3.2: Yleisin EKG-paperin skaala sekä vaaka- ja pystyakselin merkitykset. heuttamiin jännite-eroihin. PR-intervalli on aika, joka sähköisellä impulssilla kestää johtua eteisistä eteis-kammio-solmukkeen alapuolella sijaitsevaan Hisin kimppuun. Se alkaa P-aallosta ja päättyy Q-aallon alkuun. QT-intervalli on aika, jonka kam- mioiden de- ja repolarisaatio kestää. Se alkaa Q-aallosta eli QRS-kompleksin alusta ja päättyy, kun T-aalto palautuu takaisin perustasolle. Joskus sydänsähkökäyrässä näkyy T- ja P-aaltojen välissä positiivinen aalto, jota kutsutaan U-aalloksi. 3.2 SYDÄNSÄHKÖKÄYRÄ JA SEN TULKINTA 14 PR-intervalli RR-intervalli s 1 ruutu = 0,1 mV / 0,04 s QT-intervalli Kuva 3.3: Tavallisen sähkösydänkäyrän piirteet sekä merkittynä QRS-kompleksi, P- ja T-aallot sekä RR-, PR- ja QT-intervallit. Mukailtu: [16]. 4 Elektrokardiografia epidermaalisten järjestelmien avulla Epidermaaliset järjestelmät kattavat useita erilaisia ratkaisuja. Ratkaisut ovat var- sin tuoreita ja useimmiten prototyyppivaiheessa. Tästä johtuen tutkimus on useilta eri aloilta, kuten lääketieteen, materiaalitekniikan ja ohjelmistonkehityksen saral- ta. Pirrera ja kollegat [17] ovat jakaneet alan tutkimusta seuraaviin kategorioihin: terveystietojen tarkkailu ja diagnostiikka, usean käyttökohteen laitteet, sensori- ja monitorointitekniikat, puettavat elektroniikka ja biosensorit sekä muut. Ratkaisu- ja Dhond et al. [18] kuvailevat mahdollisiksi ennaltaehkäisyn välineeksi sekä niiden tuovan testaamisen lähemmäksi potilaita. Pirrera ja Giansanti [17] arvioivat, että suurin syy epidermaalisten järjestelmien kehitykselle on ollut lähivuosien kehitys nanoteknologiassa. Ihon pinnalta erilaisia fysiologisia toimintoja ja elektrokemiaa voidaan jo mitata olemassa olevilla ratkai- suilla. Tällaisia ovat esimerkiksi todella laajasti kuluttajien keskuuteen levinneet älyrannekkeet ja -sormukset. Pirrera kollegoineen [17] esittääkin, että jatkuva elin- toimintojen mittaaminen on yleistynyt ja yleistyneekin jatkossa laajalti kuluttajien keskuuteen. Ates tutkimusryhmineen [19] esittää, että modernin lääketieteen suu- rimpia ongelmia on tärkeiden biomarkkerien liian vähäinen ja harvoin tapahtuva mittaus. Erityisesti puettavat laitteet ovat nykyisellään erittäin laajalti hyödynnet- tävissä tiettyjä mittauksia varten. On kuitenkin otettava erityisesti huomioon puet- LUKU 4. EKG EPIDERMAALISTEN JÄRJESTELMIEN AVULLA 16 tavissa laitteissa niiden ulkomuoto ja puettavuus, joiden vuoksi niillä ei ole kokoai- kaista täyttä ihokontaktia. Ates kollegoineen [19] väittääkin, että erityisesti ihossa intiimisti kiinni olevat voivat tarjota jotakin sellaista hoidon ja diagnostiikan tuek- si, mitä ei tällä hetkellä voitaisi saavuttaa puettavilla laitteilla. Sydämen sähköisen toiminnan monitoroinnissa voisi Pirreran ja kollegoiden [17] löytyä vaihtoehtoisia ratkaisuja Holter-monitorointiin juurikin ihon pinnalle kiinni- tettävistä mittauslaitteista. Holter-monitoroinnin ongelmana on iso laite ja elektro- dien kiinnitys, joiden vuoksi käyttäjät eivät välttämättä yhtä helposti suostu mitat- taviksi [20]. Tämän vuoksi myös monitoroinnista saatava data saattaa olla aukol- lisempaa tai heikkolaatuisempaa. Lisäksi Limmroth et al. [21] on saanut lupaavia tuloksia ihoon kiinnitettävistä elektrodeista verrattaessa Holter-monitorointiin. Ro- senberg et al. [22] havaitsivat, että kahden viikon pituisella mittausjaksolla pysty- tään havaitsemaan harvinaisempia sydämen episodeja, jotka saattaisivat ajan myötä muodostua henkeä uhkaaviksi ongelmiksi. Yksi tällainen oli tutkimuksessa havaittu melkein kymmenen sekunnin pituinen sydämenpysähdys, jota ei tavallisessa 24 tun- nin tai 48 tunnin Holter-monitoroinnissa huomattu. Lisäksi tutkimus osoittaa, että oireet saattavat olla sellaisia, joita tutkittava itse ei edes kykene havaitsemaan. Wang et al. [23] korostavat mobiilien ratkaisujen olevan tärkeitä, koska niiden avulla yksilöt voivat kerätä diagnoosia varten terveysdataa sekä arvioida omaa ter- veydentilaansa. Tällaiset ratkaisut voivat olla hyvinkin multimodaalisia, jotta ter- veysdataa saadaan käyttäjästä monipuolisesti ja mitään epäilystä ei varmisteta tai vaihtoehtoisesti suljeta pois pelkästään yksittäisen fysiologisen signaalin perusteel- la. Bhattacharya et al. [24] ovat tutkineet multimodaalista ratkaisua, jossa sydämen sähköistä toimintaa on mitattu EKG:n avulla ja sydämen mekaanista toimintaa on havaittu seismokardiografisin keinoin. Kuvassa 4.1 on esitetty tutkimuksessa käytet- tyä laitetta räjäytyskuvana, kytkentäkaaviona sekä käyttäjän päällä. Tutkimuksen tuloksissa korostuvat erityisesti laitteen sijainnin tärkeys sekä prosessoinnin vaiheet LUKU 4. EKG EPIDERMAALISTEN JÄRJESTELMIEN AVULLA 17 Anisotrooppinen johtava kalvo (AJ- kalvo) Grafiitti- polyuretaani (GPU) -kalvo Kaksipuolinen eristeteippi Akun liitin Tegaderm Akun suojaus Kuva 4.1: A) Langattoman e-tatuoinnin eri komponentit esitettynä räjäytyskuvana. Joustavan painetun piirin (FPC) ja grafiitti-polyuretaani (GPU) -elektrodien kak- si kerrosta Tegaderm-teipillä on koottu muodostamaan e-tatuoinnin. B) Kytkentä- kaavio, joka havainnollistaa e-tatuoinnin tärkeimmät laitteistokomponentit ja niiden väliset yhteydet. C) Kuva langattomasta, multimodaalisesta, rintakehään mukau- tuvasta e-tatuoinnista. Lähde: Mukailtu [24] artefaktien poistamiseksi signaalista. Heidän tutkimusryhmänsä kuitenkin sai lupaa- via tuloksia pitkäaikaisesta mittauksesta sekä tärkeitä tietoja laadukkaan signaalin saamiseksi. Han et al. [25] ovat kirjallisuuskatsauksessaan esittänyt, että nykyisillä biomateri- aaleilla on mahdollista saada aikaiseksi ihoon kiinnittyvä elektrodisetti, jonka avulla voidaan jatkuvasti tarkkailla sydämen sähköistä toimintaa, sekä tunnistaa sydämen arrytmiaa, hypertrofiaa sekä myokardiaalista iskemiaa. Tätä väitettä tukee erityi- sesti se, että Wang tutkimusryhmineen [26] kykeni kehittämään grafeeniin ja silkin fibroiineihin perustuvan elektronisen monitoiminnallisen tatuoinnin, joka kesti ve- nytystä, kompressiota ja vääntymistä niin, että kiinnittyminen ihoon oli edelleen hyvällä tasolla. Lisäksi prototyyppitatuointi omasi itseään korjaavia ominaisuuksia, jotka olivat verrannollisia ihon toiminnallisuuteen. Myöhemmin itseään korjaavia LUKU 4. EKG EPIDERMAALISTEN JÄRJESTELMIEN AVULLA 18 elektronisia tatuointeja ja niiden mahdollisia materiaaleja ovat tutkineet esimerkik- si Jiang ja kollegat [27]. He ovat tutkineet ionisten elastomeerien hyödyntämistä materiaaleina niiden kestävyyden ja kyvyn korjata itseään vuoksi. Myös erilaisia muoviin pohjautuvia materiaaleja on hyödynnetty prototyyppien teossa. Kim tutki- musryhmineen [28] hyödynsi polyestereitä ja PVA:ta elektronisen tatuoinnin proto- tyypissä. Lisäksi he onnistuivat kiinnittämään sähköisen järjestelmän kaupalliseen siirrettävään tatuointiin niin, että tällaisen järjestelmän kosmeettinen haitta jäisi minimaaliseksi. Jang et al. [29] ovat onnistuneet kehittämään ihoon kiinnitettävän laastarimaisen sensorin, joka voidaan irrottaa ja kiinnittää sata kertaa. Erityisesti tutkimustulok- sissa painotetaan sitä, että laite kiinnittyy topografisesti haastavaan ihoon ilman, että ihon karvoitusta tarvitsisi välttämättä poistaa. Lisäksi tämä sensori vaikuttaisi tutkimuksen valossa kestävän myös pesuja, eli se voisi potentiaalisesti mahdollistaa pitkän ajan seurannan ilman suuria muutoksia päivittäiseen elämään. Kuvassa 4.2 on esitelty laitteen kestävyyttä ja tarkkuutta näiden toimintojen jälkeen. Ihoon kiinnitettävien sensorien estetiikkaa on arvioitu muutamien eri alueiden kautta. Erityisesti Pirrera ja Giansanti [17] ovat perustelleet kirjallisuuskatsauksen tekoa sillä, että allergiat, infektiot, kuvien haalistuminen, vaikeat poistoprosessit sekä yhteiskunnalliset huomioon otettavat asiat ovat jääneet toistaiseksi hyvin taka- alalle. Van der Bent ryhmineen [30] saivat tatuointien komplikaatioista selville, että yli 90 % tatuointien ottajista saa jonkinlaisen kroonisen reaktion, kuten allergi- sen reaction, tulehdusreaktion tai systeemistä sarkoidoosia. Tämän kaltaiset tulok- set ovat tärkeitä, kun mietitään sensorien lopullista muotoa ja kuinka intiimisti ne halutaan integroida osaksi kehoa. Miao et al. [31] ehdottivat jo 2015, että nykyis- ten älypuhelimien suurempaa suoritustehoa sekä muita sensoreita voitaisiin käyttää hyödyksi pienen ihoon kiinnitettävän laitteen lisäksi. Prosessoinnin sekä datan vä- littämisen terveydenhuoltoon hoitaisi älypuhelin, kun taas laitteesta saataisiin näin LUKU 4. EKG EPIDERMAALISTEN JÄRJESTELMIEN AVULLA 19 Pesukerran jälkeen Ensimmäinen käyttökerta Jännite (V) Vi rta (m A) Karvoja No rm ali so itu Am pl itu di Aika (s) Ei karvoja Kuva 4.2: (a) EMG-mittausasetelma ja (b) data käsivarren sisäpuolelta (ilman kar- voitusta) ja ulkopuolelta (karvoitusta). (c) Optiset kuvat (mitta-asteikko-palkki, 1 mm) vedellä ja saippualla puhdistamisesta: uusi laite (vasen), lialla kontaminaatio (keskellä) ja vedellä ja saippualla puhdistamisen jälkeen (oikealla). (d) AlInGaP- mikrokuormituksen omaavan epäorgaanisen LED-moduulin virta-jännitekäyrät, jot- ka liittyvät verenkierron seurantaan ensimmäisen käytön jälkeen ja pesun jälkeen. Kuvan sisäkehyksessä näkyy laite saippuavedessä. Lähde: Mukailtu [29] mahdollisimman pieni. Data voitaisiin tätä kautta yhdistää myös muista sensoreis- ta, kuten kiihtyvyysmittareista sekä gyroskoopeista saataviin tietoihin. Näitä tietoja yhdistelemällä voitaisiin päätellä, minkälaisessa tilanteessa EKG:n muutokset ovat tapahtuneet. Erilaisia trendejä on selkeästi havaittavissa tutkimuksen kehityksessä. Pirrera ja Giansanti [17] ovat nostaneet seuraavat pääkohdat trendeiksi viimeisen vuosikym- menen ajalta: hinta, käytettävyys, kajoamaton monitorointi, monitoimintainen ja -mittaava biosensorointi, ihoon kiinnittyminen ja mukavuus, kehittyvät materiaalit ja materiaalien valmistustekniikat sekä toiminnallisuuksien monimuotoisuus. Erityi- sesti tutkimuksen valossa vaikuttaa siltä, että mikäli ihoon kiinnitettäviä pitkän ajan sensoreita jatkokehitetään, niihin haluttaisiin useampia mittaustekniikoita ja toiminnallisuuksia kuin vain yksi yksittäinen toiminto. Tällä tavalla myös vältetään sitä, että ihoon jouduttaisiin kiinnittämään monta erilaista sensoria, jotka voitaisiin komponenttien niin salliessa koota vain yhdeksi toiminnalliseksi kokonaisuudeksi. LUKU 4. EKG EPIDERMAALISTEN JÄRJESTELMIEN AVULLA 20 Lisäksi uudet elektrodiratkaisut voivat pienentää tarvittavaa kokoa sekä tarjota mahdollisia kosmeettisia etuja. Kabiri Ameri ja Wang [32] ovat kehittäneet grafeeni- sen elektronisen tatuoinnin (engl. graphene electronic tattoo, GET). Erityisesti sen joustavuus, kestävyys ja kyky tarttua ihoon ovat tarjonneet etuja verrattuna perin- teisiin Ag/AgCl-elektrodeihin. Lisäksi tällainen GET-tatuointi on paikallaan oleval- la henkilöllä mahdollisesti hieman tarkempi, kun taas liikkuvalla henkilöllä tulokset ovat vanhempien ratkaisuiden kanssa samankaltaisia [32]. 5 Pohdinta Varsinaisesti EKG:n näkökulmasta tutkimusta on suhteellisen vähän, joka voisi vii- tata siihen, että yleisesti tämänkaltaiset laiteratkaisut eivät ole erityisen suosittu- ja tai toimivia. Erityisesti tutkimuksissa korostuivat monitoiminnalliset laitteet, ja vielä tarkemmin mahdollisuudet niissä ratkaisuissa. Harvassa tutkimuksessa otettiin kantaa siihen, kuinka yleistettävä tai kustannustehokas jokin tällainen ratkaisu on, vaan pikemminkin tutkimuksissa keskityttiin todistamaan sitä, että tällaiset laite- ratkaisut voitaisiin mahdollisesti toteuttaa ja niillä voitaisiin saada yhtä laadukasta dataa kuin nykyisilläkin ratkaisuilla. Cheung et al. [20] huomio, että ensimmäisen 24 tunnin mittausaikana perin- teisellä Holter-monitoroinnilla saatiin suurempi havaittua suurempi määrä sydämen arrytmioita, kun taas koko 48 tunnin mittauksen aikana elektroninen tatuointi osoit- tautui huomattavasti tarkemmaksi, vaatisi lisätutkimusta. Tämän epäillään johtu- van siitä, että mukavuussyistä yksilöt mieluummin käyttäisivät ihoon kiinnitettävää laastarinomaista ratkaisua kuin perinteistä Holter-laitetta, jossa on painavampi ja isompi laite sekä monimutkaisempi elektrodien kiinnitys, joka saattaa olla tiellä ar- kipäiväisissä askareissa. Lisäksi Rosenberg et al. [22] havaitsema hyöty pidempiai- kaisessa mittauksessa pienemmällä laitteella on merkittävä. Jos rytmihäiriöoreita saadaan jatkossa tunnistettua enemmän sen ansiosta, että mittausjaksot ovat pidempiä, voidaan niillä säästää niin ihmishenkiä kuin merkit- täviä summia rahaakin. Timmis et al. [33] arvioivat, että tällä hetkellä Euroopan LUKU 5. POHDINTA 22 Unionin ja sen jäsenmaiden terveydenhuoltoon käyttämistä rahoista noin 11 % me- nee kardiovaskulaaristen tautien hoitamiseen. Lisäksi Kela maksaa sydän- ja verisuo- nitaudeista aiheutuneita sairauspoissaoloja päivärahoina. Vuonna 2018 vuosittainen summa, joka käytettiin vain sydän- ja verisuonitautien aiheuttamiin kustannuksiin, oli 41 miljoonaa euroa [34] Suurin osa papereista sivuutti muutamia tärkeitä ja olennaisia seikkoja valmis- tukseen sekä käytännöllisyyteen liittyen. Ratkaisuista saatiin todella siistejä ja ku- vissa ne näyttävät hyvin pieniltä ja käytännöllisiltä, mutta usein niitä oli kuvattu, punnittu ja testattu ilman virtalähdettä, vaikka ulkoinen virtalähde tarvittaisiin kyseisiin laitteisiin. Tämän ansiosta laitteista saatiin huomattavasti kevyempiä sekä niiden muoto on huomattavasti suoralinjaisempi kuin jos niissä olisi kiinni esimer- kiksi akku tai paristo. Toisaalta tämä korostaa myös materiaalitekniikan tulevaisuu- den paristoteknologioiden tutkimuksen tärkeyttä. Mikäli saadaan kehitettyä edulli- nen, kevyt ja pienikokoinen virtalähde, voitaisiin niitä käyttää juuri tämänkaltaisissa tuotteissa. Mielenkiintoinen vaihtoehto sydänsähkökäyrälle olisi You et al. [35] ehdottama apekskardiogrammi, jossa havaitaan sydämen mekaanista liikettä rintakehän seinä- mää vasten. Tekniikka on ennen ollut laajemmassa käytössä, mutta vanhemmat lait- teet ovat tarvinneet suuren äänieristetyn huoneen. Nykyaikaisella tekniikalla tästä voitaisiin saada komplementaarinen mittalaite ihoon kiinnitettävän EKG-elektrodin lisäksi. Kyky havaita erilaisia sydämen sykkeen muutoksia kuin EKG:lla voidaan, olisi suuri etu. On kuitenkin mahdotonta sanoa ilman lisätutkimusta, että tällai- sen mobiilin laitteen toteutus olisi nykyäänkään mahdollista, sillä sen ongelmat ovat olleet erittäin suuri rajoittava tekijä viimeisen kuuden vuosikymmenen ajan. Tutki- musta aiheesta on suhteellisen vähän 2000-luvulta ja edelleen esimerkiksi American Heart Association viittaa Tafur et al. [36] sekä Grey Dimond et al. [37] tutkimuksiin 60-luvulta. LUKU 5. POHDINTA 23 Toinen samankaltainen mahdollinen lisä sydänsähkökäyrään on multimodaali- sen e-tatuoinnin tuoma vektorikardiogrammi (engl. vectorcardiogram. Kabir et al. [38] tutkivat MC10:n tuottamaa e-tatuointia (The BioStamp Research Connect—), jolla voitaisiin saada komplementaarinen vektorikardiogrammi EKG:n lisäksi. Vek- torikardiogrammia ovat tutkineet Tereshchenko et al. [39], jotka huomasivat sen hyödyn ventrikulaaristen arrytmioiden sekä äkillisen sydämenpysähdyksen aiheut- tamien elektrofysiologisten muutosten havaitsemisessa. Molemmat ovat hengenvaa- rallisia tiloja ja sydänperäisten kuolemien arvioidaan lisääntyvän tulevina vuosina, joten tämänkaltaiset ratkaisut voivat olla avainasemassa ennaltaehkäisyssä. Kaupallisia ratkaisuja sydämen sähköiseen mittaamiseen liikkeessä on jo olemas- sa. Osa näistä laiteratkaisuista on ihoon kiinnitettäviä laitteita ja osa on ulkoisia laitteita. Nykyään yleistyneet älyrannekkeet ja -sormukset voisivatkin olla seuraava askel teranostisessa hoidossa, jossa vieritestaus on avainasemassa. Suomessa älyran- nekkeita, joilla voi mitata EKG:ta, on useita. Esimerkiksi Applen Apple Watch, Po- larin rannekkeet sekä Garminin tuotteet ovat urheilijoiden keskuudessa suosittuja. Polarin ranne-EKG:n valkoinen kirja esittää, että Polarin uudet rannekellot kyke- nevät mittaamaan sydämen sykettä melkein yhtä tarkasti kuin perinteiset Holter- laitteet [40]. 6 Yhteenveto Tällä hetkellä tutkimus aiheesta keskittyy pitkälti materiaalitekniikan puolelle, sillä niin kiinnittämiseen kuin virtalähteeseen tarvitaan vielä ratkaisuja, jotta laitteita voitaisiin kaupallistaa ja siirtää laajempaan tuotantoon. Tällaista tutkimusta teh- däänkin, ja merkittäviä saavutuksia ovat saaneet muun muassa Jiang et al. [27]. On vaikeaa kuitenkin tarkastella sitä, kuinka mahdollisia EKG:n saamiseen nykyiset ratkaisut ovat, sillä suurin osa tutkimuksesta keskittyy multimodaalisiin tuotteisiin, jotka voivat mitata montaa arvoa samanaikaisesti. Se toisaalta ehkä osoittaakin sen, että EKG on vain yksi fysiologinen signaali, jonka pohjalta on yksinään vaikeaa teh- dä minkäänlaisia diagnooseja. Se on kuitenkin erityisen hyvä siihen, että voidaan myös samalla mitata sydämen sykettä sekä saada viitteitä mahdollisista ongelmis- ta sydämen toiminnassa, jotka ovat tärkeitä tietoja niin ammattiurheilijoille kuin toimistotyöntekijöille. Tällä hetkellä on jo muutamia laitteita, jotka ovat toimivia  ainakin teoriassa. Monia näitä laitteita ei ole kuitenkaan suunniteltu laajaan tuotantoon, vaan ne ovat testikappaleita. Kim et al. [28] esittelemät tuotteet ovat esimerkki siitä, että nii- tä pystyttäisiin kuitenkin valmistamaan. Kaupalliseen käyttöön ne eivät kuitenkaan vielä ole oikeastaan soveltuvia, niin hintansa kuin toiminnallisuutensakaan vuoksi. Lisäksi on jo olemassa erilaisia ratkaisuja, kuten puettavat laitteet sekä älylaitteet, jotka kykenevät jo erilaisten sensorien avulla mittaamaan fysiologisia signaaleja var- LUKU 6. YHTEENVETO 25 sin tehokkaasti. On siis hyvä myös tutkia näiden laitteiden tehokkuutta sekä toimin- nallisuutta suhteessa e-tatuointeihin, koska ne ovat jo varsin yleisiä. Holter-monitoroinnissa käytetyt laitteet olisi mahdollista korvata ainakin osit- tain e-tatuointien avulla, jolloin myös pidemmän aikavälin seuranta olisi mahdolli- nen. Tätä tukevat muun muassa Cheung et al. [20] sekä Rosenberg et al. [22] tu- lokset. Tämä kuitenkin vaatii lisää tutkimusta sekä validaatiota, sillä tällä hetkellä tuloksia verrataan perinteiseen Holter-monitorointiin. Lisäksi osittain tulokset eivät ole samanlaisia, vaan antavat samalta käyttäjältä hieman erilaisia tuloksia. Tämän esitetään johtuvan siitä, että elektrodit voivat olla erilaisia ja algoritmit eivät vält- tämättä laitteissa ole suoraan verrannollisia. Mikäli kuitenkin suunnitellaan jonkin tutkimusmetodin muuttamista, on tärkeää selvittää, että myös korvaava metodi ky- kenee antamaan luotettavia ja oikeellisia tuloksia. Potentiaaliset säästöt yhteiskunnalle ovat merkittäviä, sillä sydän- ja verisuoni- taudit ovat erittäin kalliita hoitaa, kun tilanne muuttuu akuutiksi. Siksi e-tatuointien mahdollinen ennaltaehkäisevä vaikutus voisi olla merkittävä myös kansantaloudel- lisesti. Vuodelle 2023 tilaston kustannuksista laatineen Timmis et al. [33] mukaan peräti 11 % EU:n sisäisestä terveydenhuollon kuluista syntyy sydän- ja verisuoni- tautien hoidosta ja ennaltaehkäisystä. On kuitenkin syytä huomata, että tautien kehittymisen estäminen ja hidastaminen on aina pidemmällä ajanjaksolla parempi niin kustannustehokkuuden kuin elämänlaadunkin näkökulmasta. Tätä tukevat Kö- nig ja Riedel-Heller [41] tutkimuksen tulokset, vaikkakin on myös huomionarvoista, että kustannustehokkuuden arviointi ei ole suoraviivaista eikä yksinkertaista. Tällä hetkellä tutkimusta ei ole tehty tarpeeksi ja olisi tärkeää, että erityises- ti datan validointia tehtäisiin Holter-monitorointiin verrattuna. E-tatuoinneilla on mahdollisuus korvata myös monia muita laitteita, mutta tällä hetkellä pitkäaikainen EKG-mittaus voisi olla sovelluskohde. Kuitenkin kliinisiin kokeisiin liittyvä byrokra- tia sekä eettiset kysymykset tekevät tutkimuksista vaikeita. Lisäongelmia aiheutuu LUKU 6. YHTEENVETO 26 siitä, että laadukkaat e-tatuoinnit eivät ole välttämättä edullisia valmistaa, varsin- kin, kun niitä valmistetaan pienissä erissä. Mikäli laitteita alettaisiin tuottaa kulut- tajamarkkinoille, voitaisiin myös olettaa, että prosessien kustannukset laskisivat, ja laitteiden kliininen validointi olisi helpompaa ja edullisempaa. Tämä kuitenkin vaatii ensimmäiset laitteet markkinoille, joka on tällä hetkellä hyvin saturoitu ja jolle voi olla vaikea murtautua tuotteella, joka ei näennäisesti tuo yksittäiselle kuluttajalle mitään uutta tai relevanttia tietoa. Kaiken kaikkiaan e-tatuointien yleistyminen vaatii vielä lisää aikaa ja kulutta- jien hyväksyntää. On myös tärkeää selvittää ne hyödyt, jota uudet e-tatuoinnit voi- vat tuoda, jotta niiden käyttö kyettäisiin paremmin perustelemaan. Fysiologisia sig- naaleja mittaavien tuotteiden valmistajat saattavat olla myöhemmin avainasemassa tuotteen yleistymisessä. On siis mahdollista, että tulevaisuudessa juuri potentiaa- listen valmistajien kanssa tehdyt prototyypit voivat edistää e-tatuointien kehitystä sekä tutkimusta merkittävästi. Lähdeluettelo [1] H. Eerola. Sydänsairauksia, joissa EKG:sta on hyötyä, Duodecim Terveys- kirjasto, viitattu 13. lokakuuta 2024. https://www.terveyskirjasto.fi/ snk03211. [2] A. K. Yetisen et al., Dermal Tattoo Biosensors for Colorimetric Metabolite Detection, Angewandte Chemie (International Ed. in English), vol. 58, nro 31, s. 10 50610 513, 2019, issn: 1521-3773. DOI: https://doi.org/10.1002/ anie.201904416. pmid: 31157485. [3] H. Eerola. EKG (sydänfilmi), Duodecim Terveyskirjasto, viitattu 13. loka- kuuta 2024. https://www.terveyskirjasto.fi/snk03210. [4] J. G. Betts et al., Anatomy and Physiology 2e. Houston, Texas: OpenStax, 2022, 1317 s., isbn: 978-1-951693-42-8. https://assets.openstax.org/ oscms-prodcms/media/documents/Anatomy_and_Physiology_2e_-_WEB_ c9nD9QL.pdf. [5] G. Pocock, C. D. Richards ja D. A. Richards, Human Physiology, Fifth edition. Oxford: Oxford University Press, 2018, isbn: 978-0-19-108742-4. [6] S. Hall ja J. Stephens, The Cardiovascular System, teoksessa Crash Course Anatomy and Physiology, S. Hall ja J. Stephens, toim., Fifth Edition, 2019, s. 117136, isbn: 978-0-7020-7375-5. DOI: https://doi.org/http://dx. doi.org/10.1016/B978-0-7020-7375-5.00005-5. LÄHDELUETTELO 28 [7] A. Atkielski, Schematic Diagram of Sinus Rhythm for a Human Heart as Seen on ECG (with English Labels). 2007. https://commons.wikimedia.org/ wiki/File:SinusRhythmLabels.svg. [8] W. B. Fye, A History of the Origin, Evolution, and Impact of Electrocardio- graphy, The American Journal of Cardiology, vol. 73, nro 13, s. 937949, 1994, issn: 0002-9149. DOI: https://doi.org/10.1016/0002-9149(94)90135-X. [9] A. G. Webb, Principles of Biomedical Instrumentation (Cambridge Texts in Biomedical Engineering). Cambridge: Cambridge University Press, 2018, isbn: 978-1-316-28621-0. DOI: https://doi.org/10.1017/9781316286210. [10] F. Kusumoto, ECG Interpretation: From Pathophysiology to Clinical Applica- tion. Cham: Springer International Publishing, 2020, isbn: 978-3-030-40341-6. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-030-40341-6. [11] P. Kligfield et al., Recommendations for the Standardization and Interpre- tation of the Electrocardiogram, Circulation, vol. 115, nro 10, s. 13061324, 2007, issn: 1524-4539. DOI: https://doi.org/10.1161/CIRCULATIONAHA. 106.180200. [12] P. Camici, E. Ferrannini ja L. H. Opie, Myocardial Metabolism in Ische- mic Heart Disease: Basic Principles and Application to Imaging by Positron Emission Tomography, Progress in Cardiovascular Diseases, vol. 32, nro 3, s. 217238, 1989, issn: 0033-0620. DOI: https://doi.org/10.1016/0033- 0620(89)90027-3. [13] S. Obrzut, N. Jamshidi, A. Karimi, U. Birgersdotter-Green ja C. Hoh, Ima- ging and Modeling of Myocardial Metabolism, Journal of Cardiovascular Translational Research, vol. 3, nro 4, s. 384, 2010, issn: 1937-5387. DOI: https://doi.org/10.1007/s12265-010-9170-1. pmid: 20559785. LÄHDELUETTELO 29 [14] H. Eerola. Sydämen EKG:n pitkäaikaisrekisteröinti eli Holter-tutkimus, Duodecim Terveyskirjasto, viitattu 26. lokakuuta 2024. https : / / www . terveyskirjasto.fi/snk99009. [15] E. A. Ashley ja J. Niebauer, Conquering the ECG, teoksessa Cardiology Explained, London: Remedica, 2004, isbn: 978-1-901346-22-0. https://www. ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK2214/. [16] C.-C. Lin, C.-Y. Yang, Z. Zhou ja S. Wu, Intelligent health monitoring sys- tem based on smart clothing, International Journal of Distributed Sensor Networks, vol. 14, nro 8, s. 155 014 771 879 431, 2018, issn: 1550-1477, 1550- 1477. DOI: https://doi.org/10.1177/1550147718794318. [17] A. Pirrera ja D. Giansanti, Smart Tattoo Sensors 2.0: A Ten-Year Progress Report through a Narrative Review, Bioengineering, vol. 11, nro 4, s. 376, 4 2024, issn: 2306-5354. DOI: https : / / doi . org / 10 . 3390 / bioengineering11040376. [18] K. Dhond, Y. Hu ja A. K. Yetisen, Dermal tattoo biosensors, Dermatologie (Heidelberg, Germany), vol. 74, nro 10, s. 819, 2023, issn: 2731-7013. DOI: https://doi.org/10.1007/s00105-023-05195-6. pmid: 37450053. [19] H. C. Ates et al., End-to-End Design of Wearable Sensors, Nature Reviews Materials, vol. 7, nro 11, s. 887907, 2022, issn: 2058-8437. DOI: https: //doi.org/10.1038/s41578-022-00460-x. [20] C. C. Cheung, C. R. Kerr ja A. D. Krahn, Comparing 14-Day Adhesive Patch With 24-h Holter Monitoring, Future Cardiology, vol. 10, nro 3, s. 319322, 2014, issn: 1479-6678. DOI: https://doi.org/10.2217/fca.14.24. [21] V. Limmroth et al., Electrocardiographic assessments and cardiac events after fingolimod first dose  a comprehensive monitoring study, BMC Neurology, LÄHDELUETTELO 30 vol. 17, nro 1, s. 110, 1 2017, issn: 1471-2377. DOI: https://doi.org/10. 1186/s12883-016-0789-7. [22] M. A. Rosenberg, M. Samuel, A. Thosani ja P. J. Zimetbaum, Use of a Nonin- vasive Continuous Monitoring Device in the Management of Atrial Fibrillation: A Pilot Study, Pacing and Clinical Electrophysiology, vol. 36, nro 3, s. 328 333, 2013, issn: 1540-8159. DOI: https://doi.org/10.1111/pace.12053. [23] X. Wang, Z. Liu ja T. Zhang, Flexible Sensing Electronics for Wearable/At- tachable Health Monitoring, Small, vol. 13, nro 25, s. 1 602 790, 2017, issn: 1613-6829. DOI: https://doi.org/10.1002/smll.201602790. [24] S. Bhattacharya et al., Cardiac Time Intervals under Motion Using Bimodal Chest E-Tattoos and Multistage Processing, IEEE Transactions on Biome- dical Engineering, s. 112, 2024, issn: 1558-2531. DOI: https://doi.org/ 10.1109/TBME.2024.3454067. [25] N. Han et al., Recent Progress of Biomaterials-Based Epidermal Electro- nics for Healthcare Monitoring and HumanMachine Interaction, Biosensors, vol. 13, nro 3, s. 393, 3 2023, issn: 2079-6374. DOI: https://doi.org/10. 3390/bios13030393. [26] Q. Wang, S. Ling, X. Liang, H. Wang, H. Lu ja Y. Zhang, Self-Healable Multifunctional Electronic Tattoos Based on Silk and Graphene, Advanced Functional Materials, vol. 29, nro 16, s. 1 808 695, 2019, issn: 1616-3028. DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.201808695. [27] X. Jiang, Y. Cheng, L. Shi, J. Sun ja R. Wang, A Soft, Fatigue-free, and Self-healable Ionic Elastomer via the Synergy of Skin-like Assembly and Bou- ligand Structure, Angewandte Chemie International Edition, vol. 63, nro 43, e202411418, 2024, issn: 1521-3773. DOI: https://doi.org/10.1002/anie. 202411418. LÄHDELUETTELO 31 [28] D.-H. Kim et al., Epidermal Electronics, Science, vol. 333, nro 6044, s. 838 843, 2011, issn: 0036-8075. DOI: https://doi.org/10.1126/science. 1206157. [29] K.-I. Jang et al., Rugged and breathable forms of stretchable electronics with adherent composite substrates for transcutaneous monitoring, Nature Communications, vol. 5, nro 1, s. 4779, 2014, issn: 2041-1723. DOI: https: //doi.org/10.1038/ncomms5779. [30] S. van der Bent, D. Rauwerdink, E. Oyen, K. Maijer, T. Rustemeyer ja A. Wolkerstorfer, Complications of tattoos and permanent makeup: Overview and analysis of 308 cases, Journal of Cosmetic Dermatology, vol. 20, nro 11, s. 36303641, 2021, issn: 1473-2165. DOI: https://doi.org/10.1111/jocd. 14498. [31] F. Miao, Y. Cheng, Y. He, Q. He ja Y. Li, A Wearable Context-Aware ECG Monitoring System Integrated with Built-in Kinematic Sensors of the Smartp- hone, Sensors, vol. 15, nro 5, s. 11 46511 484, 5 2015, issn: 1424-8220. DOI: https://doi.org/10.3390/s150511465. [32] S. Kabiri Ameri ja L. Wang, Graphene Electronic Tattoo Sensors for Point-of- Care Personal Health Monitoring and HumanMachine Interfaces, teoksessa Emerging 2D Materials and Devices for the Internet of Things, sarja Micro and Nano Technologies, L. Tao ja D. Akinwande, toim., Elsevier, 2020, s. 59 86, isbn: 978-0-12-818386-1. DOI: https://doi.org/10.1016/B978-0-12- 818386-1.00003-5. [33] A. Timmis et al., European Society of Cardiology: The 2023 Atlas of Cardio- vascular Disease Statistics, European Heart Journal, vol. 45, nro 38, s. 4019 4062, 2024, issn: 0195-668X. DOI: https://doi.org/10.1093/eurheartj/ ehae466. LÄHDELUETTELO 32 [34] Sydän- ja verisuonitautien kustannukset - THL, Terveyden ja hyvin- voinnin laitos, viitattu 1. tammikuuta 2025. https : / / thl . fi / aiheet / kansantaudit / sydan - ja - verisuonitaudit / sydan - ja - verisuonitautien-kustannukset. [35] I. You et al., Stretchable E-Skin Apexcardiogram Sensor, Advanced Ma- terials, vol. 28, nro 30, s. 63596364, 2016, issn: 1521-4095. DOI: https: //doi.org/10.1002/adma.201600720. [36] E. Tafur, L. S. Cohen ja H. D. Levine, The Normal Apex Cardiogram, Circulation, vol. 30, nro 3, s. 381391, 1964, issn: 1524-4539. DOI: https: //doi.org/10.1161/01.CIR.30.3.381. [37] E. Grey Dimond, A. Duenas ja A. Benchimol, Apex Cardiography, American Heart Journal, vol. 72, nro 1, s. 124130, 1966, issn: 0002-8703. DOI: https: //doi.org/10.1016/0002-8703(66)90635-1. [38] M. M. Kabir, E. A. Perez-Alday, J. Thomas, G. Sedaghat ja L. G. Tereshc- henko, Optimal Configuration of Adhesive ECG Patches Suitable for Long- Term Monitoring of a Vectorcardiogram, Journal of Electrocardiology, vol. 50, nro 3, s. 342348, 2017, issn: 0022-0736. DOI: https://doi.org/10.1016/ j.jelectrocard.2016.12.005. [39] L. G. Tereshchenko, J. W. Waks, M. Kabir, E. Ghafoori, A. Shvilkin ja M. E. Josephson, Analysis of Speed, Curvature, Planarity and Frequency Charac- teristics of Heart Vector Movement to Evaluate the Electrophysiological Sub- strate Associated with Ventricular Tachycardia, Computers in Biology and Medicine, vol. 65, s. 150160, 2015, issn: 0010-4825. DOI: https://doi.org/ 10.1016/j.compbiomed.2015.03.001. [40] Polar Research Center, Wrist-ECG, Polar, 2023. https://www.polar.com/ img/static/whitepapers/pdf/Polar_FECG_whitepaper.pdf. LÄHDELUETTELO 33 [41] H. König ja S. Riedel-Heller, Prävention aus dem Blickwinkel der Gesundheit- sökonomie, Der Internist, vol. 49, nro 2, s. 146153, 2008, issn: 1432-1289. DOI: https://doi.org/10.1007/s00108-007-1994-7.