6: ECG (심전도) 신호 수집 및 분석

1. 심전도 신호 획득

1. 소스의 전압을 +5 V 및 -5 V로 조정하고 연재하여 연결합니다.
2. 그림 4에표시된 회로를 빌드합니다. 저항기와 커패시터의 값을 계산합니다. 하이 패스 필터의 경우 컷오프 주파수는 0.5Hz여야 합니다. 커패시터 값은 아래 표에서 선택해야 합니다(가용성에 따라).

3. 환자의 오른팔, 왼팔 및 오른쪽 다리(참조)에 전극을 놓고 회로에 연결합니다.
4. 진동을 사용하여 심전도 신호(V_o)를봅니다. 자동 설정을 누르고 필요에 따라 수평 및 수직 스케일을 조정합니다. 신호의 소음에도 불구하고 R 피크를 볼 수 있어야 합니다.

2. 계측 소프트웨어를 사용하여 심전도 신호를 표시

1. 이 데모에서는 LabVIEW를 사용했습니다. 측정 및 파형 그래프를 구성하기 위한 그래픽 인터페이스를 사용하여 ECG 신호를 표시하는 프로그램을 작성합니다. 아날로그 입력을 선택한 후 다음 설정으로 프로그램을 구성합니다.

• 신호 입력 범위 >> 최대 = 0.5; 최소 = -0.5
• 단말 구성 >> RSE
• 연속 >> 획득 모드
• 읽을 샘플 = 2000
• 샘플링 속도 = 1000

2. 심전도 신호를 획득하고 파형을 관찰합니다. 그림 1과유사한 신호가 표시됩니다.
3. x축의 배율을 조정하여 몇 초 만에 시간을 표시합니다.
4. 관심 신호를 특정 진폭으로 증폭시키는 계측에 종종 필요합니다. 게인 컨트롤을 만들고 ECG의 진폭이 2 Vp되도록 설정합니다.

3. 심전도 신호 분석

이 섹션에서는 심박수를 결정하기 위해 심전도 신호를 필터링하고 분석합니다. 다음 블록 다이어그램은 프로그램의 구성 요소를 보여 주어 있습니다.

1. 파형 그래프를 사용하여 신호를 표시합니다.
2. 진폭 및 위상 스펙트럼 서브비(스펙트럼 → 스펙트럼)를 사용하여 신호스펙트럼을 평가하고 파형 그래프를 사용하여 그 크기를 표시합니다. 가로 축은 주파수에 해당합니다. 컴퓨터가 빠른 푸리에 변환 (FFT) 알고리즘을 사용하여 신호의 스펙트럼을 계산하기 때문에 이산입니다. 주파수는 k = 0에서 k = (N-1)/2로, N은 시퀀스의 길이인 경우 이 경우 4000입니다. 해당 아날로그 주파수를 계산하려면 다음 수식을 사용합니다.
   
   여기서 f는 샘플링 주파수입니다. 신호의 에너지의 대부분은 저주파 범위에 있으며 또한 중간 주파수 범위에서 고강도의 피크가 있다는 것을 유의하십시오. 위에 제공된 수식을 사용하여 해당 피크의 빈도를 계산합니다.
3. 체비셰프 기능의 버터워스를 사용하여 로우 패스 필터를 구현합니다. 100Hz와 동일한 컷오프 주파수를 선택합니다. 필터가 스톱밴드에서 최소 -60dB/10년의 감쇠를 제공하는지 확인합니다.
4. 스프레드시트 서브비에서 로우패스 필터의 입력에 읽기의 출력 신호를 연결합니다.
5. 버터워스 또는 체비셰프 기능을 사용하여 스톱 밴드 필터를 구현합니다. 목표는 다른 주파수를 수정하지 않고 60Hz 간섭을 줄이는 것입니다. 60Hz에 가까운 국경 주파수를 사용해 보십시오.
6. 로우패스 필터의 출력을 스톱밴드 필터의 입력에 연결합니다.
7. 피크 검출기 서브바이를 사용하여 피크를 찾습니다(시그 작동 → 신호 처리에 위치). 임계값의 경우 신호의 진폭을 살펴보고 가장 적합한 값을 선택합니다.
8. 인덱스 배열 subvi(프로그래밍 → 배열)를 사용하여 피크의 위치를 추출합니다.
9. 더 높은 위치에서 낮은 위치를 빼고 샘플링 기간 T = 1/fs를 곱하여 RR 간격을 얻습니다.
10. 상호를 계산하고 단위를 조정하고 BPM을 표시하기 위해 표시기를 배치합니다.

심전도는 심장의 심장 활동을 기록하고 질병을 진단하고 이상을 감지하며 전반적인 심장 기능에 대해 배우는 데 사용됩니다. 전기 신호는 심장 벽의 수축에 의해 생성되며, 이는 전류를 구동하고 몸 전체에 다양한 전위를 생성합니다. 피부에 전극을 삽입하면 ECG에서 이러한 전기 활동을 감지하고 기록할 수 있습니다. ECG는 비침습적이므로 혈액이 장기로 얼마나 잘 흐르는지 측정하는 것과 같이 환자의 심장이 얼마나 잘 작동하는지 평가하는 데 유용한 도구입니다.

이 동영상에서는 ECG의 원리를 설명하고 생체전위 증폭기를 사용하여 일반적인 ECG 신호를 수집, 처리 및 분석하는 방법을 보여줍니다. 질병을 진단하기 위해 전기 신호 처리를 활용하는 다른 생물 의학 응용 분야도 논의됩니다.

ECG의 원리를 이해하려면 먼저 심장이 전기 신호를 생성하는 방법을 이해해야 합니다. 정상적이고 건강한 심장의 경우, 안정 시 ECG는 심장 박동의 여러 단계를 반영하는 일련의 파동을 표시합니다. ECG는 우심방에 위치하며 심장에서 심박 조율기 역할을 하는 SA 노드라고도 하는 동방결절에서 시작됩니다. 전기 신호는 심방 수축을 일으켜 혈액을 심실로 밀어 넣습니다. 이 순서는 ECG에 P파로 기록됩니다. 그런 다음 이 신호는 심방에서 심실을 가로질러 전달되어 심실이 수축하고 신체의 나머지 부분으로 혈액을 펌핑하도록 합니다. 이는 QRS 복합체로 기록됩니다.

마지막으로 심실이 이완되고 이것이 T파로 기록됩니다. 그런 다음 프로세스가 다시 시작되고 모든 하트비트에 대해 반복됩니다. QRS파가 P파보다 훨씬 크다는 점에 주목하십시오., 이것은 심실이 심방보다 크기 때문입니다. 즉, 그들은 심방 또는 T 파의 이완을 가립니다. 호흡이나 근육 수축과 같은 신체의 다른 과정은 ECG 측정을 방해할 수 있습니다. 그것들을 얻는 데 사용되는 회로의 전류도 마찬가지입니다. ECG가 기록하려고 하는 전기 신호는 매우 약한 경우가 많습니다. 따라서 생체 전위 증폭기를 사용하여 진폭을 증가시켜 추가로 처리하고 기록할 수 있습니다.

생체 전위 증폭기에는 세 가지 주요 구성 요소, 환자 보호 단계, 계측 증폭기 및 고역 통과 필터가 있습니다. 주요에서 알 수 있듯이 환자 보호 회로는 저항과 다이오드의 조합을 사용하여 환자와 기계 및 장비를 모두 보호합니다. 저항은 환자를 통해 흐르는 전류를 제한하며, 다이오드는 전류가 올바른 방향으로 흐르도록 유지합니다.

다음 단계는 계측 증폭기로, 각 전극의 입력 간 차이를 증폭합니다. 3개의 연산 증폭기로 구성됩니다. 두 번째는 각 입력의 저항을 증가시키고, 세 번째는 입력 신호 간의 차이를 증폭합니다.

마지막 단계는 고역 통과 필터로, 잡음을 줄이고 환자의 움직임이나 호흡으로 인해 발생하는 저주파 신호를 걸러냅니다. 이제 ECG를 측정하는 방법을 알았으므로 생체 전위 증폭기를 구성하고 데이터를 처리하여 깨끗한 ECG 신호를 얻는 방법을 알아보겠습니다.

심전도의 주요 원리를 검토한 후 생체 전위 증폭기를 구축하고 ECG 신호를 획득하는 방법을 살펴보겠습니다. 시작하려면 먼저 프로토 보드, AD-620 계측 증폭기 및 필요한 모든 회로 구성 요소를 수집합니다. 그런 다음 다음 방정식을 사용하여 회로에 있는 모든 저항과 커패시터의 값을 계산합니다.

고역 통과 필터의 경우 차단 주파수는 0.5Hz여야 합니다.

그런 다음 커패시터 값을 연결하여 저항을 결정합니다. 다음으로, 제공된 다이어그램에 따라 생체 전위 증폭기를 구축합니다. 최종 회로는 다음과 같습니다. 악어 클립이 있는 3개의 전선을 DC 전원 공급 장치의 바인딩 포스트에 연결한 다음 전원을 켭니다. 전압을 플러스 5볼트와 마이너스 5볼트로 조정하고 전선을 직렬로 회로에 연결합니다.

이제 알코올 준비 패드를 사용하여 환자의 오른쪽 손목, 왼쪽 손목 및 오른쪽 발목을 닦습니다. 환자에게 이식하기 전에 전극에 전도성 접착 젤을 추가하십시오. 그런 다음 악어 클립이 있는 와이어를 사용하여 전극을 회로에 연결합니다. 오실로스코프를 켜고 ECG 신호를 획득합니다. 필요에 따라 수평 및 수직 스케일을 조정합니다. 이러한 조정을 통해 파형의 R 피크를 볼 수 있어야 합니다.

회로를 PXI 섀시에 연결한 다음 계측 소프트웨어를 열고 ECG 신호와 파형 그래프를 표시하는 프로그램을 사용하거나 작성합니다.

다음 설정으로 데이터 수집 인터페이스를 구성합니다. x축의 스케일에 레이블을 지정하여 시간과 초를 표시한 다음 ECG 신호를 파형으로 표시합니다. 신호를 증폭해야 하는 경우 게인 컨트롤을 만들고 ECG의 진폭이 2VP가 되도록 설정합니다.

지금까지 심전도 신호를 획득하는 방법을 살펴보았으니, 이제 결과를 분석하는 방법을 알아보겠습니다. 다음은 대표적인 ECG 신호입니다. P파, QRS 파, T파는 잡음과 변동에 가려져 있기 때문에 거의 식별할 수 없습니다. 이 신호를 필터링해야 합니다. 이 신호를 변환하려면 먼저 메뉴에서 신호 처리(Signal Processing)를 선택한 다음 스펙트럼(Spectral)을 선택합니다. 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform) 알고리즘은 신호의 스펙트럼을 계산하고 표시하며, 주파수를 수평 축에 불연속적인 값으로 표시합니다. 신호의 대부분의 에너지는 저주파에 있습니다.

그러나 중간 주파수 범위에서 높은 강도의 피크가 있으며, 이는 잡음으로 간주됩니다. 빈도는 가로 축에 k로 표시되며 0에서 N에서 1 대 2를 뺀 값으로 이동하며, 여기서 N은 시퀀스의 길이입니다. 이 실험에서 N은 2,000과 같습니다. 다음 방정식을 사용하여 각 k 값에 대한 아날로그 주파수를 계산하고, 여기서 fs는 샘플링 주파수이고 FFT 그래프를 기반으로 고강도 피크의 주파수를 결정합니다.

그런 다음 차단 주파수가 100Hz인 저역 통과 필터를 만듭니다. 버터워스 함수나 체비쇼프 함수를 사용하여 신호를 필터링하면 정지 대역에서 10년당 최소 60데시벨이 감쇠됩니다. data sub VI의 출력 신호를 저역 통과 필터의 입력에 연결합니다. 이 필터는 ECG의 외부 고주파를 제거합니다. 이제 대역저지 필터를 만들고 차단 주파수를 약 55Hz와 70Hz로 설정합니다.

잡음이 있는 신호를 제거하려면 약 60Hz입니다. 그런 다음 저역 통과 필터의 출력을 대역저지 필터의 입력에 연결합니다. 60Hz에 가까운 경계 주파수를 사용해 보십시오. 이렇게 하면 다른 주파수에 영향을 주지 않고 간섭을 줄일 수 있습니다. 이제 심전도 신호가 서로 다른 P, QRS, T 복합파로 명확해야 합니다.

이제 필터링된 ECG 신호를 사용하여 심박수를 확인해보겠습니다. 먼저 피크 검출기 sub VI를 사용하여 신호의 피크를 찾습니다. 임계값에 대한 R파의 신호 진폭을 기반으로 가장 적절한 값을 선택합니다. 그런 다음 Index Array sub VI를 사용하여 피크의 위치를 확인합니다.

더 높은 위치에서 더 낮은 피크 위치를 뺀 다음 이 값에 샘플링 주기 T를 곱하며, 이 값은 f s에 대해 1과 같습니다. 이 값은 두 R파 사이의 시간 길이입니다. 단위를 조정하여 분당 비트 수를 결정하십시오.

이 시연에서 측정된 심박수는 분당 약 60회였습니다.

ECG 및 신호 처리는 의학 및 연구 분야에서 중요한 응용 분야를 가지고 있습니다. ECG는 비침습적일 뿐만 아니라 상대적으로 저렴합니다. 병원에서 유용하고 접근하기 쉬운 도구로 만듭니다. ECG는 급성 관상 동맥 증후군으로 치료를 받고 있는 환자에 대한 보다 복잡하고 장기적인 모니터링에도 적용할 수 있습니다.

이를 위해 무증상 환자의 일과성 심근허혈을 식별할 수 있는 12개의 ECG 리드가 사용됩니다. 신호 샘플링 및 처리는 뇌의 전기 신호를 측정하기 위해 뇌파검사에서도 사용됩니다. EEG는 일반적으로 기능적 MRI와 함께 다중 모드 이미징 기술로 사용됩니다.

이 방법은 시각 또는 운동 활성화 후와 같은 많은 신경 영상 응용 프로그램을 위해 뇌 활동의 피질 지도를 비침습적으로 생성합니다.

여러분은 방금 Jove가 ECG 신호를 획득하고 분석하는 방법에 대해 소개하는 것을 시청했습니다. 이제 ECG 신호가 생성되는 방식과 약한 전기 신호를 감지하기 위해 생체 전위 증폭기를 만드는 방법을 이해해야 합니다. 또한 의료 진단을 위한 신호 처리의 몇 가지 생체 의학적 응용 분야를 살펴보았습니다.

시청해 주셔서 감사합니다.