6: Akwizycja i analiza sygnału EKG (elektrokardiografii)

1. Odbieranie sygnału EKG

1. Dostosuj napięcie źródeł do +5 V i -5 V i połącz je szeregowo.
2. Zbuduj obwód pokazany na Rysunek 4. Oblicz wartości rezystorów i kondensatorów. W przypadku filtra górnoprzepustowego częstotliwość odcięcia powinna wynosić 0,5 Hz. Wartość kondensatora należy wybrać z poniższej tabeli (w zależności od dostępności).

3. Umieść elektrody na prawym ramieniu, lewym ramieniu i prawej nodze (jest to odniesienie) pacjenta i podłącz je do obwodu.
4. Użyj oscyloskopu, aby view sygnał EKG (V_o). Naciśnij przycisk Auto Set (Ustaw automatycznie) i dostosuj skale poziome i pionowe zgodnie z potrzebami. Powinieneś być w stanie zobaczyć szczyty R pomimo szumu w sygnale.

2. Wyświetlanie sygnału EKG za pomocą oprogramowania do instrumentacji

1. W tej demonstracji użyliśmy LabVIEW. Napisz program, który wyświetla sygnał EKG za pomocą interfejsu graficznego do konfiguracji pomiarów i wykresu przebiegu. Po wybraniu wejścia analogowego skonfiguruj program z następującymi ustawieniami:

• Zakres wejściowy sygnału >> Max = 0,5; Min = -0,5
• Konfiguracja terminala >> RSE
• Tryb akwizycji >> ciągły
• Próbki do odczytania = 2000
• Częstotliwość próbkowania = 1000

2. Odbierz sygnał EKG i obserwuj przebieg. Zobaczysz sygnał podobny do Rysunek 1.
3. Dostosuj skalę osi x, aby pokazać czas w sekundach.
4. W oprzyrządowaniu często konieczne jest wzmocnienie interesującego nas sygnału do określonej amplitudy. Utwórz regulator wzmocnienia i ustaw go tak, aby amplituda EKG wynosiła 2 Vp.

3. Analiza sygnału EKG

W tej sekcji sygnał EKG zostanie przefiltrowany i przeanalizowany w celu określenia tętna. Poniższy schemat blokowy przedstawia składniki programu.

1. Użyj wykresu kształtu fali, aby wyświetlić sygnał.
2. Oceń widmo sygnału za pomocą Amplitude and phase spectrum subvi (w Przetwarzanie sygnału → Spectral) i wyświetl jego wielkość za pomocą wykresu przebiegu. Oś pozioma odpowiada częstotliwości. Jest dyskretny, ponieważ komputer wykorzystuje algorytm szybkiej transformaty Fouriera (FFT) do obliczania widma sygnału. Częstotliwość przechodzi od k = 0 do k = (N-1)/2, gdzie N jest długością sekwencji, w tym przypadku 4000. Aby obliczyć odpowiednią częstotliwość analogową, użyj następującego wzoru:
   
   gdzie fs to częstotliwość próbkowania. Należy zauważyć, że większość energii sygnału przypada na niski zakres częstotliwości, a także, że w zakresie średnich częstotliwości występuje szczyt o wysokim natężeniu. Oblicz częstotliwość występowania tego szczytu, korzystając ze wzoru podanego powyżej.
3. Zaimplementuj filtr dolnoprzepustowy przy użyciu funkcji Butterwortha z Czebyszewa. Wybierz częstotliwość odcięcia równą 100 Hz. Upewnij się, że filtr zapewnia tłumienie co najmniej -60 dB/dekadę w paśmie zaporowym.
4. Podłącz sygnał wyjściowy read z arkusza kalkulacyjnego subvi do wejścia filtra dolnoprzepustowego.
5. Zaimplementuj filtr pasma zaporowego za pomocą funkcji Butterwortha lub Czebyszewa. Celem jest zmniejszenie zakłóceń 60 Hz bez modyfikowania innych częstotliwości. Wypróbuj częstotliwości graniczne bliskie 60 Hz.
6. Podłącz wyjście filtra dolnoprzepustowego do wejścia filtra pasma zaporowego.
7. Znajdź piki za pomocą detektora szczytów subvi (znajduje się w Przetwarzanie sygnału → Operacja Sig). Jako próg spójrz na amplitudę sygnału i wybierz najbardziej odpowiednią wartość.
8. Wyodrębnij lokalizacje pików za pomocą index array subvi (w Programming → Array).
9. Odejmij dolną pozycję od wyższej, a następnie pomnóż przez okres pobierania próbek T = 1/fs, aby uzyskać przedział RR.
10. Oblicz jednostki odwrotności i regulacji i umieść wskaźnik, aby wyświetlić BPM.

Elektrokardiografy rejestrują czynność serca i służą do diagnozowania choroby, wykrywania nieprawidłowości i poznawania ogólnej czynności serca. Sygnały elektryczne są wytwarzane przez skurcze ścian serca, które napędzają prądy elektryczne i tworzą różne potencjały w całym ciele. Umieszczając elektrody na skórze, można wykryć i zarejestrować tę aktywność elektryczną w EKG. EKG jest nieinwazyjne, co czyni je użytecznym narzędziem do oceny wydajności serca pacjenta, na przykład poprzez pomiar, jak dobrze krew przepływa do narządu.

Ten film zilustruje zasady działania EKG i pokaże, jak pozyskiwać, przetwarzać i analizować typowy sygnał EKG za pomocą wzmacniacza biopotencjału. Omówione zostaną również inne zastosowania biomedyczne, które wykorzystują przetwarzanie sygnału elektrycznego do diagnozowania choroby.

Aby zrozumieć zasady działania EKG, najpierw zrozummy, w jaki sposób serce wytwarza sygnały elektryczne. W przypadku normalnego, zdrowego serca w spoczynku EKG wyświetla serię fal, które odzwierciedlają różne fazy bicia serca. EKG rozpoczyna się w węźle zatokowo-przedsionkowym, znanym również jako węzeł SA, który znajduje się w prawym przedsionku i działa jak rozrusznik serca w sercu. Sygnały elektryczne powodują skurcz przedsionków, wtłaczając krew do komór. Ta sekwencja jest rejestrowana jako załamek P w EKG. Sygnał ten przechodzi następnie z przedsionków przez komory, powodując ich skurcz i pompowanie krwi do reszty ciała. Jest to rejestrowane jako zespół QRS.

W końcu komory rozluźniają się i jest to rejestrowane jako fala T. Następnie proces rozpoczyna się od nowa i jest powtarzany dla każdego uderzenia serca. Zauważ, że załamek QRS jest znacznie większy niż załamek P, dzieje się tak, ponieważ komory są większe niż przedsionki. Oznacza to, że maskują relaksację przedsionków lub załamka T. Inne procesy zachodzące w organizmie, takie jak oddychanie lub skurcze mięśni, mogą zakłócać pomiar EKG. Podobnie jak prądy z obwodów użytych do ich uzyskania. Często sygnały elektryczne, które próbuje zarejestrować EKG, są dość słabe. W tym celu stosuje się wzmacniacz biopotencjału w celu zwiększenia ich amplitudy, co pozwala na ich dalsze przetwarzanie i rejestrację.

Wzmacniacz biopotencjału składa się z trzech głównych elementów: stopnia ochrony pacjenta, wzmacniacza oprzyrządowania i filtra górnoprzepustowego. Jak sugeruje główna, obwód ochrony pacjenta wykorzystuje kombinację rezystorów i diod do ochrony zarówno pacjenta, jak i maszyny i sprzętu. Rezystory ograniczają prąd, który przepływa przez pacjenta, gdzie diody utrzymują prąd płynący we właściwym kierunku.

Kolejnym etapem jest wzmacniacz oprzyrządowania, który wzmacnia różnicę między wejściami z każdej elektrody. Składa się z trzech wzmacniaczy operacyjnych. Dwa w celu zwiększenia rezystancji z każdego wejścia, a trzeci w celu wzmocnienia różnicy między sygnałami wejściowymi.

Ostatnim etapem jest filtr górnoprzepustowy, który redukuje szumy i odfiltrowuje sygnały o niskiej częstotliwości powstające podczas ruchu pacjenta lub oddychania. Teraz, gdy wiesz już, jak mierzy się EKG, zobaczmy, jak skonstruować wzmacniacz biopotencjału i przetworzyć dane, aby uzyskać czysty sygnał EKG.

Po zapoznaniu się z głównymi zasadami elektrokardiografii zobaczmy, jak zbudować wzmacniacz biopotencjału i uzyskać sygnał EKG. Aby rozpocząć, najpierw zbierz proto-płytkę, wzmacniacz oprzyrządowania AD-620 i wszystkie niezbędne komponenty obwodu. Następnie oblicz wartości wszystkich rezystorów i kondensatorów w obwodzie, korzystając z poniższego równania.

W przypadku filtra górnoprzepustowego częstotliwość odcięcia powinna wynosić 0,5 herca.

Następnie podłącz wartość kondensatora, aby określić rezystancję. Następnie zbuduj wzmacniacz biopotencjału zgodnie z dostarczonym schematem. Oto, jak powinien wyglądać końcowy obwód. Podłącz trzy przewody z zaciskami krokodylkowymi do zacisków zasilacza prądu stałego, a następnie włącz źródło zasilania. Dostosuj napięcie do plus pięciu woltów i minus pięć woltów i podłącz przewody szeregowo do obwodu.

Teraz użyj wacika nasączonego alkoholem, aby wytrzeć pacjentowi prawy nadgarstek, lewy nadgarstek i prawą kostkę. Dodaj przewodzący żel adhezyjny do elektrod przed umieszczeniem ich na pacjencie. Następnie podłącz elektrody do obwodu za pomocą przewodów z zaciskami krokodylkowymi. Włącz oscyloskop i odbierz sygnał EKG. W razie potrzeby dostosuj skalę poziomą i pionową. Dzięki tym regulacjom powinieneś być w stanie zobaczyć szczyt R formy fali.

Podłącz obwód do obudowy PXI, a następnie otwórz oprogramowanie oprzyrządowania i użyj lub napisz program, który wyświetli sygnał EKG i wykres przebiegu.

Skonfiguruj interfejs akwizycji danych z następującymi ustawieniami. Oznacz skalę osi x, aby wyświetlić czas i sekundy, a następnie wyświetl sygnał EKG jako przebieg. Jeśli sygnał wymaga wzmocnienia, utwórz regulator wzmocnienia i ustaw go tak, aby amplituda EKG wynosiła dwa VP.

Teraz, gdy pokazaliśmy, jak uzyskać sygnał EKG, zobaczmy, jak analizować wyniki. Oto reprezentatywny sygnał EKG. Fale P, QRS i T są ledwo dostrzegalne, ponieważ są przesłonięte przez szum i fluktuacje. Ten sygnał musi zostać przefiltrowany. Aby przekształcić ten sygnał, najpierw wybierz z menu Przetwarzanie sygnału, a następnie Widmo. Algorytm szybkiej transformaty Fouriera oblicza i wykreśla widmo sygnału, wyświetlając częstotliwość jako wartości dyskretne na osi poziomej. Większość energii w sygnale występuje na niskich częstotliwościach.

Ale w średnim zakresie częstotliwości występuje szczyt o wysokiej intensywności, który zakłada się, że jest szumem. Częstotliwość jest wykreślana jako k na osi poziomej i przechodzi od zera do N minus jeden przez dwa, gdzie N jest długością sekwencji. W tym eksperymencie N jest równe 2 000. Oblicz częstotliwość analogową dla każdej wartości k, korzystając z poniższego równania, gdzie f s jest częstotliwością próbkowania i określ częstotliwość piku o wysokiej intensywności na podstawie wykresu FFT.

Następnie utwórz filtr dolnoprzepustowy z częstotliwością odcięcia 100 Hz. Użyj funkcji Butterwortha lub Czebyszewa do filtrowania sygnału, który powinien tłumić co najmniej 60 decybeli na dekadę w paśmie zatrzymania. Podłącz sygnał wyjściowy sub danych VI do wejścia filtra dolnoprzepustowego. Filtr ten usuwa obce fale o wysokiej częstotliwości z EKG. Teraz utwórz filtr pasmowy i ustaw częstotliwości odcięcia na około 55 i 70 herców.

Aby usunąć zaszumiony sygnał, około 60 Hz. Następnie podłącz wyjście filtra dolnoprzepustowego do wejścia filtra pasmowego. Wypróbuj częstotliwości graniczne bliskie 60 Hz. Zmniejszy to zakłócenia bez wpływu na inne częstotliwości. Sygnał EKG powinien być teraz wyraźny z wyraźnymi kompleksami P, QRS i T.

Teraz określmy tętno za pomocą przefiltrowanego sygnału EKG. Najpierw użyj detektora szczytów sub VI, aby znaleźć szczyty sygnału. Wybierz najbardziej odpowiednią wartość na podstawie amplitudy sygnału fali R dla progu. Następnie użyj tablicy indeksu sub VI, aby określić lokalizację pików.

Odejmij dolną pozycję piku od wyższej pozycji, a następnie pomnóż tę wartość przez okres pobierania próbek, T, który jest równy jeden przez f s. Ta wartość to czas między dwiema falami R. Dostosuj jednostki, aby określić uderzenia na minutę.

W tej demonstracji zmierzone tętno wynosiło około 60 uderzeń na minutę.

EKG i przetwarzanie sygnałów mają ważne zastosowania zarówno w medycynie, jak i badaniach. Oprócz tego, że jest nieinwazyjne, EKG jest stosunkowo niedrogie. Dzięki temu jest to użyteczne i dostępne narzędzie w szpitalach. EKG można nawet dostosować do bardziej złożonego i długoterminowego monitorowania pacjentów leczonych z powodu ostrego zespołu wieńcowego.

W tym celu stosuje się 12 odprowadzeń EKG, które mogą zidentyfikować przemijające niedokrwienie mięśnia sercowego u pacjentów bezobjawowych. Próbkowanie i przetwarzanie sygnałów jest również wykorzystywane w elektroencefalografii do pomiaru sygnałów elektrycznych z mózgu. EEG jest powszechnie stosowane w połączeniu z funkcjonalnym rezonansem magnetycznym jako technika obrazowania multimodalnego.

Metoda ta nieinwazyjnie generuje mapy korowe aktywności mózgu dla wielu zastosowań neuroobrazowania, takich jak aktywacja wzrokowa lub motoryczna.

Właśnie obejrzałeś wprowadzenie Jowisza do pozyskiwania i analizowania sygnałów EKG. Powinieneś teraz zrozumieć, w jaki sposób wytwarzany jest sygnał EKG i jak stworzyć wzmacniacz biopotencjału do wykrywania słabych sygnałów elektrycznych. Widziałeś również niektóre biomedyczne zastosowania przetwarzania sygnałów w diagnostyce medycznej.

Dzięki za oglądanie.