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Elektrokardiographen erfassen die Herzaktivität des Herzens und werden verwendet, um Krankheiten zu diagnostizieren, Anomalien zu erkennen und mehr über die allgemeine Herzfunktion zu erfahren. Elektrische Signale werden durch Kontraktionen in den Herzwänden erzeugt, die elektrische Ströme antreiben und im ganzen Körper unterschiedliche Potentiale erzeugen. Durch das Platzieren von Elektroden auf der Haut kann man diese elektrische Aktivität in einem EKG erfassen und aufzeichnen. EKGs sind nicht-invasiv und damit ein nützliches Instrument, um zu beurteilen, wie gut das Herz eines Patienten funktioniert, z. B. indem sie messen, wie gut das Blut zum Organ fließt.
Dieses Video veranschaulicht die Prinzipien von EKGs und zeigt, wie ein typisches EKG-Signal mit einem Biopotentialverstärker erfasst, verarbeitet und analysiert wird. Andere biomedizinische Anwendungen, die elektrische Signalverarbeitung zur Diagnose von Krankheiten nutzen, werden ebenfalls diskutiert.
Um die Prinzipien eines EKGs zu verstehen, wollen wir zunächst verstehen, wie das Herz elektrische Signale erzeugt. Für ein normales, gesundes Herz im Ruhezustand zeigt ein EKG eine Reihe von Wellen an, die die verschiedenen Phasen eines Herzschlags widerspiegeln. Das EKG beginnt im Sinusknoten, auch SA-Knoten genannt, der sich im rechten Vorhof befindet und als Schrittmacher im Herzen fungiert. Die elektrischen Signale verursachen eine Vorhofkontraktion, die Blut in die Ventrikel drückt. Diese Sequenz wird als P-Welle im EKG aufgezeichnet. Dieses Signal leitet dann von den Vorhöfen über die Ventrikel weiter, wodurch sie sich zusammenziehen und Blut in den Rest des Körpers pumpen. Dieser wird als QRS-Komplex aufgezeichnet.
Schließlich entspannen sich die Ventrikel und dies wird als T-Welle aufgezeichnet. Der Vorgang beginnt dann von vorne und wiederholt sich bei jedem Herzschlag. Beachten Sie, dass die QRS-Welle viel größer ist als die P-Welle, da die Ventrikel größer sind als die Vorhöfe. Das heißt, sie maskieren die Entspannung der Vorhöfe oder die T-Welle. Andere Prozesse im Körper, wie Atmung oder Muskelkontraktionen, können die EKG-Messung beeinträchtigen. Ebenso wie Ströme aus der Schaltung, die verwendet wird, um sie zu erhalten. Oft sind die elektrischen Signale, die das EKG aufzuzeichnen versucht, recht schwach. Dazu wird ein Biopotentialverstärker verwendet, um ihre Amplitude zu erhöhen, wodurch sie weiterverarbeitet und aufgezeichnet werden können.
Der Biopotentialverstärker besteht aus drei Hauptkomponenten: der Patientenschutzstufe, dem Instrumentenverstärker und dem Hochpassfilter. Wie der Hauptschlüssel andeutet, verwendet die Patientenschutzschaltung eine Kombination aus Widerständen und Dioden, um sowohl den Patienten als auch die Maschine und die Ausrüstung zu schützen. Die Widerstände begrenzen den Strom, der durch den Patienten fließt, während die Dioden den Strom in die richtige Richtung fließen lassen.
Die nächste Stufe ist der Instrumentenverstärker, der die Differenz zwischen den Eingängen jeder Elektrode verstärkt. Er setzt sich aus drei Operationsverstärkern zusammen. Zwei, um den Widerstand von jedem Eingang zu erhöhen, und der dritte, um die Differenz zwischen den Eingangssignalen zu verstärken.
Die letzte Stufe ist der Hochpassfilter, der das Rauschen reduziert und niederfrequente Signale herausfiltert, die durch die Bewegung des Patienten oder die Atmung entstehen. Nachdem Sie nun wissen, wie ein EKG gemessen wird, sehen wir uns an, wie Sie einen Biopotentialverstärker konstruieren und die Daten verarbeiten, um ein sauberes EKG-Signal zu erhalten.
Nachdem wir die Hauptprinzipien der Elektrokardiographie überprüft haben, sehen wir uns an, wie man einen Biopotentialverstärker baut und ein EKG-Signal erfasst. Sammeln Sie zunächst eine Protoplatine, einen AD-620-Instrumentenverstärker und alle notwendigen Schaltungskomponenten. Berechnen Sie dann die Werte aller Widerstände und Kondensatoren in der Schaltung mit der folgenden Gleichung.
Für den Hochpassfilter sollte die Grenzfrequenz 0,5 Hertz betragen.
Geben Sie dann den Kondensatorwert ein, um den Widerstand zu bestimmen. Als nächstes bauen Sie einen Biopotentialverstärker gemäß dem bereitgestellten Diagramm. So sollte die finale Schaltung aussehen. Befestigen Sie drei Drähte mit Krokodilklemmen an den Anschlussklemmen eines Gleichstromnetzteils und schalten Sie dann die Stromquelle ein. Stellen Sie die Spannung auf plus fünf Volt und minus fünf Volt ein und verbinden Sie die Drähte in Reihe mit dem Stromkreis.
Verwenden Sie nun ein Alkoholpräparationspad, um das rechte Handgelenk, das linke Handgelenk und den rechten Knöchel des Patienten abzuwischen. Geben Sie leitfähiges Klebegel auf die Elektroden, bevor Sie sie auf den Patienten legen. Verbinden Sie dann die Elektroden mit Drähten mit Krokodilklemmen mit dem Stromkreis. Schalten Sie das Oszilloskop ein und erfassen Sie das EKG-Signal. Passen Sie die horizontalen und vertikalen Skalen nach Bedarf an. Mit diesen Anpassungen sollten Sie in der Lage sein, den R-Peak der Wellenform zu sehen.
Schließen Sie die Schaltung an das PXI-Chassis an, öffnen Sie dann die Messgerätesoftware und verwenden oder schreiben Sie ein Programm, das das EKG-Signal und ein Wellenformdiagramm anzeigt.
Konfigurieren Sie die Datenerfassungsschnittstelle mit den folgenden Einstellungen. Beschriften Sie die Skala der x-Achse, um Zeit und Sekunden anzuzeigen, und zeigen Sie dann das EKG-Signal als Wellenform an. Wenn das Signal verstärkt werden soll, erstellen Sie einen Verstärkungsregler und stellen Sie ihn so ein, dass die Amplitude des EVGs zwei VP beträgt.
Nachdem wir nun gezeigt haben, wie man ein EKG-Signal erfasst, sehen wir uns an, wie man die Ergebnisse analysiert. Hier ist ein repräsentatives EKG-Signal. Die P-, QRS- und T-Wellen sind kaum wahrnehmbar, da sie durch Rauschen und Schwankungen verdeckt werden. Dieses Signal muss gefiltert werden. Um dieses Signal zu transformieren, wählen Sie zuerst Signalverarbeitung und dann Spektral im Menü. Ein Fast-Fourier-Transform-Algorithmus berechnet und plottet das Spektrum des Signals und zeigt die Frequenz als diskrete Werte auf der horizontalen Achse an. Der größte Teil der Energie im Signal befindet sich bei niedrigen Frequenzen.
Es gibt jedoch eine hohe Intensitätsspitze im mittleren Frequenzbereich, von der angenommen wird, dass es sich um Rauschen handelt. Die Frequenz wird als k auf der horizontalen Achse dargestellt und geht von Null bis N minus eins über zwei, wobei N die Länge der Sequenz ist. Für dieses Experiment ist N gleich 2.000. Berechnen Sie die analoge Frequenz für jeden k-Wert mit der folgenden Gleichung, wobei f s die Abtastfrequenz ist, und bestimmen Sie die Frequenz der Spitze mit hoher Intensität basierend auf dem FFT-Diagramm.
Erstellen Sie dann einen Tiefpassfilter mit einer Grenzfrequenz von 100 Hertz. Verwenden Sie entweder die Butterworth- oder die Chebyshev-Funktion, um das Signal zu filtern, das im Sperrband mindestens 60 Dezibel pro Dekade dämpfen sollte. Verbinden Sie das Ausgangssignal des Daten-Sub-VI mit dem Eingang des Tiefpassfilters. Dieser Filter entfernt die fremden hochfrequenten Wellen des EKGs. Erstellen Sie nun einen Bandstop-Filter und stellen Sie die Grenzfrequenzen auf etwa 55 und 70 Hertz ein.
Um das verrauschte Signal zu entfernen, etwa 60 Hertz. Verbinden Sie dann den Ausgang des Tiefpassfilters mit dem Eingang des Bandstop-Filters. Versuchen Sie es mit Grenzfrequenzen nahe 60 Hertz. Dadurch werden Interferenzen reduziert, ohne andere Frequenzen zu beeinträchtigen. Das EKG-Signal sollte nun klar sein und unterschiedliche P-, QRS- und T-Komplexe aufweisen.
Bestimmen wir nun die Herzfrequenz anhand des gefilterten EKG-Signals. Verwenden Sie zunächst das Sub-VI des Spitzendetektors, um die Spitzen des Signals zu finden. Wählen Sie den am besten geeigneten Wert basierend auf der Signalamplitude der R-Welle für den Schwellenwert. Verwenden Sie dann das Index Array Sub-VI, um die Position der Peaks zu bestimmen.
Subtrahieren Sie die untere Peakposition von der höheren Position und multiplizieren Sie diesen Wert mit der Abtastperiode T, die gleich eins über f s ist. Dieser Wert ist die Zeitspanne zwischen zwei R-Wellen. Passen Sie die Einheiten an, um die Schläge pro Minute zu bestimmen.
In dieser Demonstration betrug die gemessene Herzfrequenz etwa 60 Schläge pro Minute.
EKG und Signalverarbeitung haben wichtige Anwendungen sowohl in der Medizin als auch in der Forschung. EKGs sind nicht nur nicht-invasiv, sondern auch relativ kostengünstig. Das macht es zu einem nützlichen und zugänglichen Werkzeug in Krankenhäusern. EKGs können sogar an eine komplexere und langfristigere Überwachung von Patienten angepasst werden, die wegen des akuten Koronarsyndroms behandelt werden.
Hierfür werden 12 EKG-Ableitungen verwendet, die eine transiente myokardiale Ischämie bei asymptomatischen Patienten erkennen können. Die Signalabtastung und -verarbeitung wird auch in der Elektroenzephalographie verwendet, um elektrische Signale aus dem Gehirn zu messen. EEGs werden häufig in Verbindung mit der funktionellen MRT als multimodales Bildgebungsverfahren eingesetzt.
Die Methode erstellt nicht-invasiv kortikale Karten der Gehirnaktivität für viele Neuroimaging-Anwendungen, z. B. nach visueller oder motorischer Aktivierung.
Sie haben gerade Joves Einführung in die Erfassung und Analyse von EKG-Signalen gesehen. Sie sollten nun verstehen, wie ein EKG-Signal erzeugt wird und wie man einen Biopotentialverstärker erstellt, um schwache elektrische Signale zu erkennen. Sie haben auch einige biomedizinische Anwendungen der Signalverarbeitung für die medizinische Diagnose gesehen.
Danke fürs Zuschauen.
