Acquisizione e analisi di un segnale ECG (elettrocardiogramma)

Gli elettrocardiografi registrano l'attività cardiaca del cuore e vengono utilizzati per diagnosticare malattie, rilevare anomalie e conoscere la funzione cardiaca complessiva. I segnali elettrici sono prodotti da contrazioni nelle pareti del cuore che guidano le correnti elettriche e creano diversi potenziali in tutto il corpo. Posizionando gli elettrodi sulla pelle, è possibile rilevare e registrare questa attività elettrica in un ECG. Gli ECG non sono invasivi, il che li rende uno strumento utile per valutare le prestazioni del cuore di un paziente, ad esempio misurando il flusso sanguigno all'organo.

Questo video illustrerà i principi degli ECG e dimostrerà come acquisire, elaborare e analizzare un tipico segnale ECG utilizzando un amplificatore di biopotenziale. Verranno discusse anche altre applicazioni biomediche che utilizzano l'elaborazione del segnale elettrico per diagnosticare la malattia.

Per comprendere i principi di un ECG, cerchiamo innanzitutto di capire come il cuore produce segnali elettrici. Per un cuore normale e sano, a riposo, un ECG mostra una serie di onde che riflettono le diverse fasi di un battito cardiaco. L'ECG inizia nel nodo seno-atriale, noto anche come nodo SA, che si trova nell'atrio destro e funge da pacemaker nel cuore. I segnali elettrici causano la contrazione atriale costringendo il sangue nei ventricoli. Questa sequenza viene registrata come onda P sull'ECG. Questo segnale passa quindi dagli atri attraverso i ventricoli, provocandone la contrazione e il pompaggio del sangue al resto del corpo. Questo è registrato come complesso QRS.

Infine, i ventricoli si rilassano e questo viene registrato come onda T. Il processo ricomincia quindi e si ripete ad ogni battito cardiaco. Si noti che l'onda QRS è molto più grande dell'onda P, questo perché i ventricoli sono più grandi degli atri. Ciò significa che mascherano il rilassamento degli atri o dell'onda T. Altri processi nel corpo, come la respirazione o le contrazioni muscolari, possono interferire con la misurazione dell'ECG. Così come le correnti provenienti dai circuiti utilizzati per ottenerli. Spesso, i segnali elettrici che l'ECG sta tentando di registrare sono piuttosto deboli. Pertanto, viene utilizzato un amplificatore di biopotenziale per aumentarne l'ampiezza, il che consente loro di essere ulteriormente elaborati e registrati.

L'amplificatore di biopotenziale, lo stadio di protezione del paziente, l'amplificatore della strumentazione e il filtro passa-alto sono costituiti da tre componenti principali. Come suggerisce il principale, il circuito di protezione del paziente utilizza una combinazione di resistori e diodi per proteggere, sia il paziente che la macchina e l'apparecchiatura. I resistori limitano la corrente che scorre attraverso il paziente, mentre i diodi mantengono il flusso di corrente nella direzione corretta.

La fase successiva è l'amplificatore della strumentazione, che amplifica la differenza tra gli ingressi di ciascun elettrodo. È composto da tre amplificatori operazionali. Due per aumentare la resistenza di ciascun ingresso e il terzo per amplificare la differenza tra i segnali di ingresso.

L'ultimo stadio è il filtro passa-alto, che riduce il rumore e filtra i segnali a bassa frequenza derivanti dal movimento o dalla respirazione del paziente. Ora che sai come viene misurato un ECG, vediamo come costruire un amplificatore di biopotenziale ed elaborare i dati per ottenere un segnale ECG pulito.

Dopo aver esaminato i principali principi dell'elettrocardiografia, vediamo come costruire un amplificatore di biopotenziale e acquisire un segnale ECG. Per iniziare, raccogli prima una proto-scheda, un amplificatore per strumentazione AD-620 e tutti i componenti del circuito necessari. Quindi, calcola i valori di tutti i resistori e condensatori nel circuito utilizzando la seguente equazione.

Per il filtro passa-alto, la frequenza di taglio deve essere di 0,5 hertz.

Quindi, collegare il valore del condensatore per determinare la resistenza. Quindi, costruire un amplificatore di biopotenziale secondo lo schema fornito. Ecco come dovrebbe essere il circuito finale. Collegare tre fili con clip a coccodrillo ai morsetti di un alimentatore CC, quindi accendere la fonte di alimentazione. Regolare la tensione a più cinque volt e meno cinque volt e collegare i fili, in serie, al circuito.

Ora, usa un tampone per la preparazione dell'alcol per pulire il polso destro, il polso sinistro e la caviglia destra del paziente. Aggiungere gel adesivo conduttivo agli elettrodi prima di posizionarli sul paziente. Quindi, collegare gli elettrodi al circuito utilizzando fili con clip a coccodrillo. Accendere l'oscilloscopio e acquisire il segnale ECG. Regolare le scale orizzontale e verticale secondo necessità. Con queste regolazioni, dovresti essere in grado di vedere il picco R della forma d'onda.

Collegare il circuito allo chassis PXI, quindi aprire il software di strumentazione e, utilizzare o scrivere un programma che visualizzerà il segnale ECG e un grafico della forma d'onda.

Configurare l'interfaccia di acquisizione dati con le seguenti impostazioni. Etichettare la scala dell'asse x per visualizzare il tempo e i secondi, quindi visualizzare il segnale ECG come forma d'onda. Se il segnale deve essere amplificato, creare un controllo del guadagno e impostarlo in modo che l'ampiezza dell'ECG sia di due VP.

Ora che abbiamo dimostrato come acquisire un segnale ECG, vediamo come analizzare i risultati. Ecco un segnale ECG rappresentativo. Le onde P, QRS e T sono appena percettibili perché sono oscurate dal rumore e dalle fluttuazioni. Questo segnale deve essere filtrato. Per trasformare questo segnale, selezionare prima Elaborazione del segnale, quindi Spettrale dal menu. Un algoritmo di trasformata veloce di Fourier calcola e traccia lo spettro del segnale visualizzando la frequenza come valori discreti sull'asse orizzontale. La maggior parte dell'energia nel segnale è a basse frequenze.

Tuttavia, c'è un picco di alta intensità nella gamma delle medie frequenze, che si presume sia rumore. La frequenza è tracciata come k sull'asse orizzontale e va da zero a N meno uno su due, dove N è la lunghezza della sequenza. Per questo esperimento, N è uguale a 2.000. Calcola la frequenza analogica per ogni valore k utilizzando la seguente equazione, dove f s è la frequenza di campionamento e determina la frequenza del picco ad alta intensità in base al grafico FFT.

Quindi, creare un filtro passa-basso con una frequenza di taglio di 100 hertz. Usa, quindi, la funzione Butterworth o Chebyshev per filtrare il segnale, che dovrebbe attenuare almeno 60 decibel per decennio nella banda di stop. Collegare il segnale di uscita del sub VI dati all'ingresso del filtro passa-basso. Questo filtro rimuove le onde estranee ad alta frequenza dell'ECG. Ora, crea un filtro Bandstop e imposta le frequenze di taglio a circa 55 e 70 hertz.

Per rimuovere il segnale rumoroso, circa 60 hertz. Quindi, collegare l'uscita del filtro passa-basso all'ingresso del filtro Bandstop. Prova frequenze di confine vicine a 60 hertz. Ciò ridurrà le interferenze senza influire su altre frequenze. Il segnale ECG dovrebbe ora essere chiaro con complessi P, QRS e T distinti.

Ora, determiniamo la frequenza cardiaca utilizzando il segnale ECG filtrato. Innanzitutto, utilizzare il rilevatore di picco sub VI per trovare i picchi del segnale. Scegliere il valore più appropriato in base all'ampiezza dei segnali dell'onda R per la soglia. Quindi, utilizzare l'Index Array sub VI per determinare la posizione dei picchi.

Sottrarre la posizione del picco inferiore dalla posizione più alta, quindi moltiplicare questo valore per il periodo di campionamento, T, che è uguale a uno su f s. Questo valore è il periodo di tempo tra due onde R. Regolare le unità per determinare i battiti al minuto.

In questa dimostrazione, la frequenza cardiaca misurata era di circa 60 battiti al minuto.

L'ECG e l'elaborazione del segnale hanno importanti applicazioni, sia in medicina che nella ricerca. Oltre a non essere invasivi, gli ECG sono relativamente economici. Rendendolo uno strumento utile e accessibile negli ospedali. Gli ECG possono anche essere adattati a un monitoraggio più complesso e a lungo termine dei pazienti in trattamento per la sindrome coronarica acuta.

Per questo, vengono utilizzate 12 derivazioni ECG, che possono identificare l'ischemia miocardica transitoria in pazienti asintomatici. Il campionamento e l'elaborazione del segnale vengono utilizzati anche nell'elettroencefalografia per misurare i segnali elettrici provenienti dal cervello. Gli EEG sono comunemente usati in combinazione con la risonanza magnetica funzionale come tecnica di imaging multimodale.

Il metodo genera in modo non invasivo mappe corticali dell'attività cerebrale per molte applicazioni di neuroimaging, ad esempio dopo l'attivazione visiva o motoria.

Hai appena visto l'introduzione di Giove all'acquisizione e all'analisi dei segnali ECG. A questo punto dovresti capire come viene prodotto un segnale ECG e come creare un amplificatore di biopotenziale per rilevare segnali elettrici deboli. Avete anche visto alcune applicazioni biomediche dell'elaborazione del segnale per la diagnosi medica.

Grazie per l'attenzione.