6: EKG (elektrokardiyografi) sinyalinin alınması ve analizi

1. EKG Sinyali Alma

1. Kaynakların voltajını +5 V ve -5 V olarak ayarlayın ve seri olarak bağlayın.
2. Şekil 4'de gösterilen devreyi oluşturun. Dirençlerin ve kapasitörlerin değerlerini hesaplayın. Yüksek geçiren filtre için kesme frekansı 0,5 Hz olmalıdır. Kondansatör değeri aşağıdaki tablodan seçilmelidir (müsaitlik durumuna göre).

3. Elektrotları hastanın sağ koluna, sol koluna ve sağ bacağına (bu referanstır) yerleştirin ve devreye bağlayın.
4. EKG sinyalini görüntülemek için osiloskopu kullanın (V_o). Otomatik Ayarla'ya basın ve yatay ve dikey ölçekleri gerektiği gibi ayarlayın. Sinyaldeki gürültüye rağmen R tepe noktalarını görebilmeniz gerekir.

2. Enstrümantasyon Yazılımını kullanarak EKG sinyalini görüntüleme

1. Bu gösterimde LabVIEW kullandık. Ölçümleri yapılandırmak için grafiksel bir arayüz ve bir dalga formu grafiği kullanarak EKG sinyalini görüntüleyen bir program yazın. Bir analog giriş seçildikten sonra, programı aşağıdaki ayarlarla yapılandırın:

• Sinyal giriş aralığı >> Maks = 0,5; dk = -0.5
• RSE
>> Terminal Yapılandırması
• Alım modu >> sürekli
• Okunacak örnek sayısı = 2000
• Örnekleme oranı = 1000

2. EKG sinyalini alın ve dalga biçimini gözlemleyin. Şekil 1'ye benzer bir sinyal göreceksiniz.
3. Zamanı saniye cinsinden göstermek için x ekseninin ölçeğini ayarlayın.
4. Enstrümantasyonda, ilgilenilen sinyali belirli bir genliğe yükseltmek genellikle gereklidir. Bir kazanç kontrolü oluşturun ve EKG'nin genliği 2 Vp olacak şekilde ayarlayın.

3. EKG sinyalinin analizi

Bu bölümde, kalp atış hızını belirlemek için bir EKG sinyali filtrelenecek ve analiz edilecektir. Aşağıdaki blok diyagram programın bileşenlerini göstermektedir.

1. Sinyali görüntülemek için bir dalga formu grafiği kullanın.
2. Genlik ve faz spektrumu subvi (Sinyal işleme → Spektral'de) kullanarak sinyalin spektrumunu değerlendirin ve büyüklüğünü bir dalga formu grafiği kullanarak görüntüleyin. Yatay eksen frekansa karşılık gelir. Ayrıktır çünkü bilgisayar sinyalin spektrumunu hesaplamak için bir Hızlı Fourier Dönüşümü (FFT) algoritması kullanır. Frekans k = 0'dan k = (N-1)/2'ye gider, burada N dizinin uzunluğudur, bu durumda 4000. Karşılık gelen analog frekansı hesaplamak için aşağıdaki formülü kullanın:
   
   burada fs örnekleme frekansıdır. Sinyalin enerjisinin çoğunun düşük frekans aralığında olduğunu ve ayrıca orta frekans aralığında yüksek yoğunluklu bir tepe noktası olduğunu unutmayın. Yukarıda verilen formülü kullanarak bu zirvenin frekansını hesaplayın.
3. Butterworth of Chebyshev işlevlerini kullanarak düşük geçiren bir filtre uygulayın. 100 Hz'e eşit bir kesme frekansı seçin. Filtrenin durdurma bandında en az -60 dB/on yıllık bir zayıflama sağladığından emin olun.
4. elektronik tablosundan subvi'nin çıkış sinyalini alçak geçiren filtrenin girişine bağlayın.
5. Butterworth veya Chebyshev işlevlerini kullanarak bir durdurma bandı filtresi uygulayın. Amaç, diğer frekansları değiştirmeden 60 Hz parazitini azaltmaktır. 60 Hz'e yakın sınır frekanslarını deneyin.
6. Alçak geçiren filtrenin çıkışını durdurma bandı filtresinin girişine bağlayın.
7. tepe dedektörü subvi kullanarak tepe noktalarını bulun (Sinyal işleme → Sig İşleminde bulunur). Eşik için sinyalin genliğine bakın ve en uygun değeri seçin.
8. index array subvi (Programlama → Dizisinde) kullanarak tepe noktalarının konumlarını çıkarın.
9. Alt konumu daha yüksek konumdan çıkarın, ardından RR aralığını elde etmek için örnekleme periyodu T = 1/fs ile çarpın.
10. Karşılıklı olarak hesaplayın ve birimleri ayarlayın ve BPM'yi görüntülemek için bir gösterge yerleştirin.

Elektrokardiyograflar kalbin kardiyak aktivitesini kaydeder ve hastalığı teşhis etmek, anormallikleri tespit etmek ve genel kalp fonksiyonu hakkında bilgi edinmek için kullanılır. Elektrik sinyalleri, elektrik akımlarını harekete geçiren ve vücutta farklı potansiyeller yaratan kalp duvarlarındaki kasılmalar tarafından üretilir. Elektrotları cilde yerleştirerek, bu elektriksel aktiviteyi bir EKG'de tespit edebilir ve kaydedebilirsiniz. EKG'ler non-invazivdir, bu da onları, kanın organa ne kadar iyi aktığını ölçmek gibi, bir hastanın kalbinin ne kadar iyi performans gösterdiğini değerlendirmek için yararlı bir araç haline getirir.

Bu video, EKG'lerin ilkelerini gösterecek ve bir biyopotansiyel amplifikatör kullanarak tipik bir EKG sinyalinin nasıl elde edileceğini, işleneceğini ve analiz edileceğini gösterecektir. Hastalığı teşhis etmek için elektrik sinyali işlemeyi kullanan diğer biyomedikal uygulamalar da tartışılacaktır.

Bir EKG'nin ilkelerini anlamak için önce kalbin elektrik sinyallerini nasıl ürettiğini anlayalım. Normal, sağlıklı bir kalp için, istirahatte, bir EKG, bir kalp atışının farklı aşamalarını yansıtan bir dizi dalga gösterir. EKG, sağ atriyumda bulunan ve kalpte kalp pili görevi gören SA düğümü olarak da bilinen sinoatriyal düğümde başlar. Elektrik sinyalleri atriyal kasılmaya neden olur ve kanı ventriküllere zorlar. Bu sekans EKG'de P dalgası olarak kaydedilir. Bu sinyal daha sonra kulakçıklardan ventriküller boyunca geçer ve onların kasılmasına ve vücudun geri kalanına kan pompalamasına neden olur. Bu, QRS kompleksi olarak kaydedilir.

Son olarak ventriküller gevşer ve bu T dalgası olarak kaydedilir. İşlem daha sonra tekrar başlar ve her kalp atışı için tekrarlanır. QRS dalgasının P dalgasından çok daha büyük olduğuna dikkat edin, bunun nedeni ventriküllerin kulakçıklardan daha büyük olmasıdır. Yani kulakçıkların veya T dalgasının gevşemesini maskelerler. Solunum veya kas kasılmaları gibi vücuttaki diğer süreçler EKG ölçümünü etkileyebilir. Onları elde etmek için kullanılan devreden gelen akımlar gibi. Çoğu zaman, EKG'nin kaydetmeye çalıştığı elektrik sinyalleri oldukça zayıftır. Bu nedenle, genliklerini artırmak için bir biyopotansiyel amplifikatör kullanılır, bu da daha fazla işlenmelerine ve kaydedilmesine izin verir.

Biyopotansiyel amplifikatörün, hasta koruma aşamasının, enstrümantasyon amplifikatörünün ve yüksek geçiren filtrenin üç ana bileşeni vardır. Ana önerdiği gibi, hasta koruma devresi hem hastayı hem de makine ve ekipmanı korumak için dirençler ve diyotların bir kombinasyonunu kullanır. Dirençler, hastadan geçen akımı sınırlar, burada diyotlar akımın doğru yönde akmasını sağlar.

Bir sonraki aşama, her elektrottan gelen girişler arasındaki farkı yükselten enstrümantasyon amplifikatörüdür. Üç işlemsel yükselteçten oluşur. İki, her girişten gelen direnci artırmak için ve üçüncüsü giriş sinyalleri arasındaki farkı yükseltmek için.

Son aşama, gürültüyü azaltan ve hasta hareketinden veya solunumundan kaynaklanan düşük frekanslı sinyalleri filtreleyen yüksek geçiren filtredir. Artık bir EKG'nin nasıl ölçüldüğünü bildiğinize göre, bir biyopotansiyel amplifikatörün nasıl oluşturulacağını ve temiz bir EKG sinyali elde etmek için verilerin nasıl işleneceğini görelim.

Elektrokardiyografinin ana prensiplerini gözden geçirdikten sonra, bir biyopotansiyel amplifikatörün nasıl oluşturulacağını ve bir EKG sinyalinin nasıl elde edileceğini görelim. Başlamak için önce bir proto-board, bir AD-620 enstrümantasyon amplifikatörü ve gerekli tüm devre bileşenlerini toplayın. Ardından, aşağıdaki denklemi kullanarak devredeki tüm direnç ve kapasitörlerin değerlerini hesaplayın.

Yüksek geçiren filtre için kesme frekansı 0,5 hertz olmalıdır.

Ardından, direnci belirlemek için kapasitör değerini takın. Ardından, sağlanan şemaya göre bir biyopotansiyel amplifikatör oluşturun. İşte son devrenin nasıl görünmesi gerektiği. Timsah klipsli üç kabloyu bir DC güç kaynağının bağlama direklerine takın, ardından güç kaynağını açın. Voltajı artı beş volt ve eksi beş volt olarak ayarlayın ve kabloları seri olarak devreye bağlayın.

Şimdi, hastaların sağ bileğini, sol bileğini ve sağ ayak bileğini silmek için bir alkol hazırlama pedi kullanın. Hastaya yerleştirmeden önce elektrotlara iletken yapışkan jel ekleyin. Ardından, timsah klipsli teller kullanarak elektrotları devreye bağlayın. Osiloskopu açın ve EKG sinyalini alın. Yatay ve dikey ölçekleri gerektiği gibi ayarlayın. Bu ayarlamalarla, dalga formunun R zirvesini görebilmelisiniz.

Devreyi PXI kasasına bağlayın, ardından enstrümantasyon yazılımını açın ve EKG sinyalini ve bir dalga formu grafiğini görüntüleyecek bir program kullanın veya yazın.

Veri toplama arayüzünü aşağıdaki ayarlarla yapılandırın. Zamanı ve saniyeyi görüntülemek için x ekseninin ölçeğini etiketleyin, ardından EKG sinyalini bir dalga biçimi olarak görüntüleyin. Sinyalin yükseltilmesi gerekiyorsa, bir kazanç kontrolü oluşturun ve EKG'nin genliği iki VP olacak şekilde ayarlayın.

Artık bir EKG sinyalinin nasıl alınacağını gösterdiğimize göre, sonuçları nasıl analiz edeceğimizi görelim. İşte temsili bir EKG sinyali. P, QRS ve T dalgaları, gürültü ve dalgalanmalar tarafından gizlendikleri için zar zor fark edilebilirler. Bu sinyalin filtrelenmesi gerekiyor. Bu sinyali dönüştürmek için önce menüden Sinyal İşleme'yi ve ardından Spektral'i seçin. Hızlı Fourier Dönüşümü algoritması, frekansı yatay eksende gizli değerler olarak görüntüleyen sinyalin spektrumunu hesaplar ve çizer. Sinyaldeki enerjinin çoğu düşük frekanslardadır.

Ancak, orta frekans aralığında gürültü olduğu varsayılan yüksek yoğunluklu bir tepe noktası vardır. Frekans, yatay eksende k olarak çizilir ve sıfırdan N'ye eksi iki bölü bir gider, burada N dizinin uzunluğudur. Bu deney için N, 2.000'e eşittir. Aşağıdaki denklemi kullanarak her k değeri için analog frekansı hesaplayın, burada f s örnekleme frekansıdır ve FFT grafiğine göre yüksek yoğunluklu tepe noktasının frekansını belirleyin.

Ardından, kesme frekansı 100 hertz olan bir alçak geçiren filtre oluşturun. Sinyali filtrelemek için Butterworth veya Chebyshev işlevini kullanın, bu da durdurma bandında on yılda en az 60 desibel azaltmalıdır. Veri alt VI'nın çıkış sinyalini alçak geçiren filtrenin girişine bağlayın. Bu filtre, EKG'nin yabancı yüksek frekanslı dalgalarını ortadan kaldırır. Şimdi, bir Bant Durdurma filtresi oluşturun ve kesme frekanslarını yaklaşık 55 ve 70 hertz'e ayarlayın.

Gürültülü sinyali gidermek için, yaklaşık 60 hertz. Ardından, alçak geçiren filtrenin çıkışını Bant durdurucu filtrenin girişine bağlayın. 60 hertz'e yakın sınır frekanslarını deneyin. Bu, diğer frekansları etkilemeden paraziti azaltacaktır. EKG sinyali artık farklı P, QRS ve T kompleksleri ile net olmalıdır.

Şimdi filtrelenmiş EKG sinyalini kullanarak kalp atış hızını belirleyelim. İlk olarak, sinyalin tepe noktalarını bulmak için tepe dedektörü alt VI'yı kullanın. Eşik için R dalgasının sinyal genliğine göre en uygun değeri seçin. Ardından, tepe noktalarının konumunu belirlemek için Dizin Dizisi alt VI'yı kullanın.

Alt tepe konumunu daha yüksek konumdan çıkarın, ardından bu değeri f s üzerinde bire eşit olan örnekleme periyodu T ile çarpın. Bu değer, iki R dalgası arasındaki sürenin uzunluğudur. Dakikadaki vuruş sayısını belirlemek için birimleri ayarlayın.

Bu gösteride, ölçülen kalp atış hızı dakikada yaklaşık 60 atıştı.

EKG ve sinyal işleme, hem tıpta hem de araştırmada önemli uygulamalara sahiptir. Non-invaziv olmasının yanı sıra, EKG'ler nispeten ucuzdur. Hastanelerde kullanışlı ve erişilebilir bir araç haline getirmek. EKG'ler, Akut Koroner Sendrom tedavisi gören hastaların daha karmaşık ve uzun süreli izlenmesine bile uyarlanabilir.

Bunun için asemptomatik hastalarda geçici miyokard iskemisini tanımlayabilen 12 EKG ucu kullanılır. Sinyal örnekleme ve işleme, beyinden gelen elektrik sinyallerini ölçmek için elektroensefalografide de kullanılır. EEG'ler genellikle multimodal bir görüntüleme tekniği olarak fonksiyonel MRG ile birlikte kullanılır.

Yöntem, görsel veya motor aktivasyondan sonra olduğu gibi birçok nörogörüntüleme uygulaması için noninvaziv olarak beyin aktivitesinin kortikal haritalarını oluşturur.

Jove'un EKG sinyallerini alma ve analiz etme tanıtımını az önce izlediniz. Artık bir EKG sinyalinin nasıl üretildiğini ve zayıf elektrik sinyallerini tespit etmek için bir biyopotansiyel amplifikatörün nasıl oluşturulacağını anlamalısınız. Ayrıca tıbbi teşhis için sinyal işlemenin bazı biyomedikal uygulamalarını da gördünüz.

İzlediğiniz için teşekkürler.