6: Регистрация и анализ сигнала ЭКГ (электрокардиографии)

1. Получение сигнала ЭКГ

1. Отрегулируйте напряжение источников на +5 В и -5 В и подключите их последовательно.
2. Соберем схему, показанную на рисунке Рисунок 4. Рассчитайте значения резисторов и конденсаторов. Для фильтра высоких частот частота среза должна составлять 0,5 Гц. Значение конденсатора следует выбирать из приведенной ниже таблицы (в зависимости от наличия).

3. Поместите электроды на правую руку, левую руку и правую ногу (это ориентир) пациента и подключите их к цепи.
4. Используйте осциллограф для просмотра сигнала ЭКГ (V_o). Нажмите «Автонастройка» и отрегулируйте горизонтальную и вертикальную шкалы по мере необходимости. Вы должны видеть пики R, несмотря на шум в сигнале.

2. Отображение сигнала ЭКГ с помощью инструментального программного обеспечения

1. В этой демонстрации мы использовали LabVIEW. Напишите программу, отображающую сигнал ЭКГ с помощью графического интерфейса для настройки измерений и графика формы сигнала. После выбора аналогового входа настройте программу со следующими параметрами:

• Диапазон входного сигнала >> Max = 0,5; Мин = -0,5
• Конфигурация терминала >> RSE
• Режим сбора данных >> непрерывный
• Образцы для чтения = 2000
• Частота дискретизации = 1000

2. Получите сигнал ЭКГ и понаблюдайте за формой волны. Вы увидите сигнал, похожий на Рисунок 1.
3. Отрегулируйте масштаб оси X, чтобы показать время в секундах.
4. В приборостроении часто возникает необходимость усилить интересующий сигнал до определенной амплитуды. Создайте регулятор усиления и установите его так, чтобы амплитуда ЭКГ составляла 2 В/п.

3. Анализ сигнала ЭКГ

В этом разделе сигнал ЭКГ будет отфильтрован и проанализирован для определения частоты сердечных сокращений. На следующей блок-схеме показаны компоненты программы.

1. Используйте график формы сигнала для отображения сигнала.
2. Оцените спектр сигнала с помощью параметра Амплитуда и фазовый спектр subvi (в разделе Обработка сигнала → Спектральный) и отобразите его амплитуду с помощью графика формы сигнала. Горизонтальная ось соответствует частоте. Он дискретный, потому что компьютер использует алгоритм быстрого преобразования Фурье (БПФ) для вычисления спектра сигнала. Частота изменяется от k = 0 до k = (N-1)/2, где N — длина последовательности, в данном случае 4000. Чтобы рассчитать соответствующую аналоговую частоту, используйте следующую формулу:
   
   где fs — частота дискретизации. Обратите внимание, что большая часть энергии сигнала находится в низкочастотном диапазоне, а также что в среднечастотном диапазоне есть пик высокой интенсивности. Рассчитайте частоту этого пика по приведенной выше формуле.
3. Реализуем фильтр нижних частот с помощью функций Баттерворта Чебышева. Выберите частоту среза, равную 100 Гц. Убедитесь, что фильтр обеспечивает затухание не менее -60 дБ/декаду в полосе задержки.
4. Подключите выходной сигнал чтения из таблицы subvi к входу фильтра нижних частот.
5. Реализуйте фильтр стоп-полос с помощью функций Баттерворта или Чебышева. Цель состоит в том, чтобы уменьшить помехи с частотой 60 Гц без изменения других частот. Попробуйте пограничные частоты, близкие к 60 Гц.
6. Подключите выход фильтра нижних частот к входу фильтра полосы задержки.
7. Найти пики можно с помощью детектора пиков subvi (он находится в разделе Обработка сигналов → Sig Operation). Для порога смотрите на амплитуду сигнала и выбирайте наиболее подходящее значение.
8. Извлеките расположение вершин с помощью индексного массива subvi (в разделе Programming → Array).
9. Вычтите нижнюю позицию из более высокой, затем умножьте на период выборки T = 1/fs, чтобы получить интервал RR.
10. Рассчитайте обратные и корректируйте единицы измерения и разместите индикатор для отображения BPM.

Электрокардиографы регистрируют сердечную деятельность сердца и используются для диагностики заболеваний, выявления аномалий и изучения общей функции сердца. Электрические сигналы производятся сокращениями стенок сердца, которые приводят в движение электрические токи и создают различные потенциалы по всему телу. Размещая электроды на коже, можно обнаружить и записать эту электрическую активность на ЭКГ. ЭКГ неинвазивны, что делает их полезным инструментом для оценки того, насколько хорошо работает сердце пациента, например, путем измерения того, насколько хорошо кровь притекает к органу.

Это видео проиллюстрирует принципы работы ЭКГ и продемонстрирует, как получить, обработать и проанализировать типичный сигнал ЭКГ с помощью усилителя биопотенциала. Также будут обсуждаться другие биомедицинские приложения, использующие обработку электрических сигналов для диагностики заболеваний.

Чтобы понять принципы работы ЭКГ, давайте сначала разберемся, как сердце производит электрические сигналы. Для нормального, здорового сердца в состоянии покоя ЭКГ отображает серию волн, которые отражают различные фазы сердцебиения. ЭКГ начинается в синоатриальном узле, также известном как узел SA, который расположен в правом предсердии и действует как кардиостимулятор в сердце. Электрические сигналы вызывают сокращение предсердий, заставляя кровь поступать в желудочки. Эта последовательность записывается на ЭКГ в виде зубца P. Затем этот сигнал проходит от предсердий через желудочки, заставляя их сокращаться и перекачивать кровь к остальной части тела. Это записывается как комплекс QRS.

Наконец, желудочки расслабляются, и это регистрируется как зубец Т. Затем процесс начинается снова и повторяется для каждого удара сердца. Обратите внимание, что зубец QRS намного больше, чем зубец P, это связано с тем, что желудочки больше, чем предсердия. Это означает, что они маскируют расслабление предсердий или зубца Т. Другие процессы в организме, такие как дыхание или мышечные сокращения, могут мешать измерению ЭКГ. Так же как и токи от схемы, используемой для их получения. Часто электрические сигналы, которые пытается записать ЭКГ, довольно слабые. Для этого используется усилитель биопотенциалов для увеличения их амплитуды, что позволяет в дальнейшем обрабатывать и регистрировать их.

Усилитель биопотенциала состоит из трех основных компонентов: ступени защиты пациента, инструментального усилителя и фильтра высоких частот. Как следует из основной схемы, в схеме защиты пациента используется комбинация резисторов и диодов для защиты как пациента, так и машины и оборудования. Резисторы ограничивают ток, который протекает через пациента, в то время как диоды удерживают ток в правильном направлении.

Следующим этапом является инструментальный усилитель, который усиливает разницу между входами от каждого электрода. Он состоит из трех операционных усилителей. Два для увеличения сопротивления от каждого входа, а третий для усиления разницы между входными сигналами.

Последней ступенью является фильтр высоких частот, который снижает шум и отфильтровывает низкочастотные сигналы, возникающие при движении или дыхании пациента. Теперь, когда вы знаете, как измеряется ЭКГ, давайте посмотрим, как построить усилитель биопотенциала и обработать данные, чтобы получить чистый сигнал ЭКГ.

Рассмотрев основные принципы электрокардиографии, давайте посмотрим, как построить усилитель биопотенциала и получить сигнал ЭКГ. Для начала соберите прототип платы, инструментальный усилитель AD-620 и все необходимые компоненты схемы. Затем рассчитайте значения всех резисторов и конденсаторов в цепи, используя следующее уравнение.

Для фильтра высоких частот частота среза должна составлять 0,5 герц.

Затем вставьте значение конденсатора, чтобы определить сопротивление. Далее постройте усилитель биопотенциала в соответствии с предоставленной схемой. Вот как должна выглядеть финальная трасса. Прикрепите три провода с зажимами типа «крокодил» к клеммам блока питания постоянного тока, затем включите источник питания. Отрегулируйте напряжение на плюс пять вольт и минус пять вольт и подключите провода последовательно к цепи.

Теперь используйте спиртовую салфетку, чтобы протереть правое запястье, левое запястье и правую лодыжку пациента. Добавьте проводящий адгезивный гель на электроды перед тем, как надеть их на пациента. Затем подключите электроды к цепи с помощью проводов с зажимами типа «крокодил». Включите осциллограф и зарегистрируйте сигнал ЭКГ. При необходимости отрегулируйте горизонтальную и вертикальную шкалы. С помощью этих корректировок вы должны увидеть пик R формы волны.

Подключите схему к шасси PXI, затем откройте программное обеспечение КИП и либо используйте, либо напишите программу, которая будет отображать сигнал ЭКГ и график формы волны.

Настройте интерфейс сбора данных со следующими параметрами. Нанесите метку на шкале оси X, чтобы отобразить время и секунды, а затем отобразите сигнал ЭКГ в виде сигнала. Если сигнал нужно усилить, создайте регулятор усиления и установите его так, чтобы амплитуда ЭКГ была равна двум Вп.

Теперь, когда мы продемонстрировали, как получить сигнал ЭКГ, давайте посмотрим, как анализировать результаты. Здесь представлен репрезентативный сигнал ЭКГ. Зубцы P, QRS и T едва различимы, потому что они скрыты шумом и флуктуациями. Этот сигнал нужно отфильтровать. Чтобы преобразовать этот сигнал, сначала выберите в меню «Обработка сигнала», а затем «Спектральный». Алгоритм быстрого преобразования Фурье вычисляет и строит график спектра сигнала, отображая частоту в виде дискретных значений на горизонтальной оси. Большая часть энергии в сигнале находится на низких частотах.

Но в среднем диапазоне частот существует пик высокой интенсивности, который предполагается как шум. Частота отображается как k на горизонтальной оси и идет от нуля до N минус один на два, где N — длина последовательности. Для этого эксперимента N равно 2000. Рассчитайте аналоговую частоту для каждого значения k с помощью следующего уравнения, где f s — частота дискретизации, и определите частоту пика высокой интенсивности на основе графика БПФ.

Затем создайте фильтр нижних частот с частотой среза 100 Гц. Используйте функцию Баттерворта или Чебышева для фильтрации сигнала, которая должна ослаблять не менее 60 децибел за десятилетие в полосе остановки. Подключите выходной сигнал передачи данных sub VI к входу фильтра нижних частот. Этот фильтр удаляет посторонние высокочастотные волны ЭКГ. Теперь создайте фильтр Bandstop и установите частоты среза на отметке 55 и 70 герц.

Для снятия зашумленного сигнала, около 60 герц. Затем подключите выход фильтра нижних частот к входу фильтра Bandstop. Попробуйте пограничные частоты, близкие к 60 герц. Это уменьшит помехи, не влияя на другие частоты. Теперь сигнал ЭКГ должен быть четким с отчетливыми комплексами P, QRS и T.

Теперь давайте определим частоту сердечных сокращений с помощью отфильтрованного сигнала ЭКГ. Во-первых, используйте детектор пиков sub VI для определения пиков сигнала. Выберите наиболее подходящее значение, исходя из амплитуды сигналов волны R для порога. Затем используйте подраздел VI массива индексов для определения местоположения пиков.

Вычтите нижнюю пиковую позицию из более высокой, затем умножьте это значение на период дискретизации T, который равен единице за f s. Эта величина представляет собой промежуток времени между двумя зубцами R. Отрегулируйте единицы измерения для определения ударов в минуту.

В этой демонстрации измеренная частота сердечных сокращений составила примерно 60 ударов в минуту.

ЭКГ и обработка сигналов имеют важное применение как в медицине, так и в научных исследованиях. Помимо того, что ЭКГ является неинвазивной, она относительно недорога. Что делает его полезным и доступным инструментом в больницах. ЭКГ может быть даже адаптирована для более сложного и долгосрочного наблюдения за пациентами, проходящими лечение от острого коронарного синдрома.

Для этого используются 12 отведений ЭКГ, которые позволяют выявить транзиторную ишемию миокарда у бессимптомных пациентов. Выборка и обработка сигналов также используется в электроэнцефалографии для измерения электрических сигналов от мозга. ЭЭГ обычно используется в сочетании с функциональной МРТ в качестве мультимодального метода визуализации.

Метод неинвазивно генерирует корковые карты активности мозга для многих приложений нейровизуализации, таких как после визуальной или моторной активации.

Вы только что посмотрели введение Юпитера в получение и анализ сигналов ЭКГ. Теперь вы должны понять, как создается сигнал ЭКГ и как создать усилитель биопотенциала для обнаружения слабых электрических сигналов. Вы также видели некоторые биомедицинские применения обработки сигналов для медицинской диагностики.

Спасибо за просмотр.