רכישה וניתוח של אות אק"ג (אלקטרוקרדיוגרפיה)

האלקטרוקרדיוגרפיה חייבת להיות מסוגלת לזהות לא רק אותות חלשים מאוד הנעים בין 0.5 mV ל 5.0 mV, אלא גם רכיב DC של עד ±300 mV (הנובע ממגע האלקטרודה-עור) ורכיב במצב משותף של עד 1.5 V, הנובע מהפוטנציאל בין האלקטרודות לקרקע. רוחב הפס השימושי של אות אק"ג תלוי ביישום ויכול לנוע בין 0.5-100 הרץ, לפעמים להגיע עד 1 kHz. זה בדרך כלל סביב 1 mV שיא לשיא בנוכחות רעש הרבה יותר גדול בתדר גבוה חיצוני, הפרעות 50 או 60 הרץ, ופוטנציאל היסט אלקטרודה DC. מקורות רעש אחרים כוללים תנועה המשפיעה על ממשק האלקטרודה-עור, התכווצויות שרירים או קוצים אלקטרומיוגרפיים, נשימה (שעשויה להיות קצבית או לא סדירה), הפרעה אלקטרומגנטית (EMI) ורעש ממכשירים אלקטרוניים אחרים המצמידים לקלט.

ראשית, מגבר ביופוטנציאלי יופק לעיבוד האק"ג. לאחר מכן, אלקטרודות יונחו על המטופל כדי למדוד את ההבדל הפוטנציאלי בין שתי זרועות. הפונקציה העיקרית של מגבר ביופוטנציאלי היא לקחת אות חשמלי חלש ממוצא ביולוגי ולהגדיל את המשרעת שלו, כך שניתן יהיה לעבד אותו עוד יותר, להקליט או להציג אותו.

איור 3. מגבר אק"ג.

כדי להיות שימושי מבחינה ביולוגית, כל המגברים הביופוטנטיים חייבים לעמוד בדרישות בסיסיות מסוימות:

• הם חייבים להיות בעליעכבת קלט גבוהה, כך שהם מספקים טעינה מינימלית של האות הנמדד. אלקטרודות ביופוטנציאליות יכולות להיות מושפעות מהעומס שלהן, מה שמוביל לעיוות האות.
• מעגל הכניסה של מגבר ביופוטנציאלי חייב גם לספק הגנה לנושא הנחקר. המגבר צריך להיות מעגלי בידוד והגנה, כך הזרם דרך מעגל האלקטרודה ניתן לשמור ברמות בטוחות.
• מעגל הפלט מניע את העומס, שהוא בדרך כלל התקן מציין או הקלטה. כדי להשיג נאמנות מרבית וטווח בקריאה, המגבר חייב להיות בעל עכבה פלט נמוכה ולהיות מסוגל לספק את הכוח הנדרש על ידי העומס.
• מגברים ביופוטנטיים חייבים לפעול בספקטרום התדרים שבו קיימים הביופוטנציאלים שהם מגבירים. בגלל הרמה הנמוכה של אותות כאלה, חשוב להגביל את רוחב הפס של המגבר כדי לקבל יחס אות לרעש אופטימלי. ניתן לעשות זאת באמצעות מסננים.

איור 3 הוא דוגמה למגבר א.ק.ג. איור 4 הוא המעגל של מגבר האק"ג שנבנה במהלך הדגמה זו. יש לו שלושה שלבים עיקריים: מעגל ההגנה, מגבר המכשור ומסנן המעבר הגבוה.

איור 4. מגבר ביופוטנציאלי.

השלב הראשון הוא מעגלי ההגנה על המטופלים. דיודה היא התקן מוליכים למחצה המוליך זרם בכיוון אחד. כאשר הדיודה מוטה קדימה, הדיודה פועלת כקצר חשמלי ומוליך חשמל. כאשר דיודה מוטה לאחור, היא פועלת כמעגל פתוח ואינה מוליכת חשמל,_אני ≈ 0.

כאשר דיודות נמצאות בתצורה מוטה קדימה יש מתח המכונה מתח הסף (VT = כ 0.7 V) כי יש לחרוג על מנת הדיודה לנהל זרם. לאחר VT כבר חריגה, ירידת המתח על פני הדיודה יישאר קבוע בVT ללא קשר מה V_הוא.

כאשר הדיודה מוטה לאחור הדיודה תפעל כמו במעגל פתוח וירידת המתח על פני הדיודה תהיה שווה ל- V_ב.

איור 5 הוא דוגמה למעגל הגנה פשוט המבוסס על דיודות שישמשו בהדגמה זו. הנגד משמש להגבלת הזרם הזורם דרך המטופל. אם תקלה במגבר המכשור או בדיודות מקצרת את החיבור של המטופל לאחת מפסי החשמל, הזרם יהיה פחות מ-0.11 מיליאמפר-אם-איי. דיודות הדליפה הנמוכה FDH333 משמשות להגנה על התשומות של מגבר המכשור. בכל פעם שהמתח במעגל עולה על 0.8 V בסדר גודל, הדיודות משתנות לאזור הפעיל שלהן או למצב "ON"; הזרם זורם דרכם ומגן הן על המטופל והן על הרכיבים האלקטרוניים.

איור 5. מעגל הגנה.

השלב השני הוא מגבר המכשור, IA, המשתמש בשלושה אמפרים תפעוליים (op-amp). יש מגבר אופ אחד המחובר לכל קלט כדי להגביר את התנגדות הקלט. המגבר השלישי הוא מגבר דיפרנציאלי. לתצורה זו יש את היכולת לדחות הפרעות המופנות לקרקע ורק להגביר את ההבדל בין אותות הקלט.

איור 6. מגבר מכשור.

השלב השלישי הוא מסנן המעבר הגבוה, המשמש להגברת מתח AC קטן שרוכב על גבי מתח DC גדול. האק"ג מושפע מאותות בתדר נמוך המגיעים מתנועת המטופלים ומנשימה. מסנן מעבר גבוה מפחית רעש זה.

מסנני מעבר גבוהים יכולים להתממש עם מעגלי RC מסדר ראשון. איור 7 מציג דוגמה למסנן מעבר גבוה מסדר ראשון ולפונקציית ההעברה שלו. תדירות הניתוק ניתנת על-ידי הנוסחה הבאה:

,
  

איור 7. מסנן מעבר גבוה.

1. רכישת אות אק"ג

1. התאם את המתח של המקורות ל+ 5 V ו- -5 V וחבר אותם בסדרה.
2. בנו את המעגל המוצג באיור 4. חשב את הערכים של הנגדים והחיברים. עבור מסנן המעבר הגבוה, תדירות הניתוק צריכה להיות 0.5 הרץ. יש לבחור את ערך הקבל מהטבלה שלהלן (בכפוף לזמינות).

3. מניחים אלקטרודות על זרוע ימין, זרוע שמאל ורגל ימין (זוהי התייחסות) של המטופל, וחברו אותם למעגל.
4. השתמש באוסצילוסקופ כדי להציג את אות האק"ג (V_o). הקש על הגדר אוטומטית והתאם את קנה המידה האופקי והאנכי לפי הצורך. אתה אמור להיות מסוגל לראות את פסגות R למרות הרעש באות.

2. הצגת אות האק"ג באמצעות תוכנת מכשור

1. בהדגמה זו השתמשנו ב- LabVIEW. כתוב תוכנית המציגה את אות האק"ג באמצעות ממשק גרפי לתצורת מדידות וגרף צורת גל. לאחר בחירת קלט אנלוגי, קבע את תצורת התוכנית עם ההגדרות הבאות:

• טווח קלט אותות >> מקסימום = 0.5; מינימום = -0.5
• >> תצורת מסוף RSE
• מצב רכישה >> רציף
• דוגמאות לקריאה = 2000
• קצב דגימה = 1000

2. לרכוש את אות האק"ג ולהתבונן צורת הגל. תראה אות דומה לאיור 1.
3. כוונן את קנה המידה של ציר ה- x כדי להציג זמן בשניות.
4. לעתים קרובות יש צורך מכשור כדי להגביר את האות של עניין משרעת ספציפית. צור בקרת רווח והגדר אותה כך שהמשרעת של האק"ג היא 2 סמנכ"לים.

3. ניתוח אות האק"ג

בסעיף זה, אות אק"ג יעבור סינון וניתוח כדי לקבוע את קצב הלב. דיאגרמת החסימה הבאה מציגה את רכיבי התוכנית.

1. השתמש בגרף צורת גל כדי להציג את האות.
2. להעריך את הספקטרום של האות באמצעות משרעת ואת ספקטרום הפאזה subvi (בעיבוד אותות → ספקטרלי) ולהציג את גודלו באמצעות גרף צורת גל. הציר האופקי תואם לתדר. הוא דיסקרטי מכיוון שהמחשב משתמש באלגוריתם של שינוי פורייה מהיר (FFT) כדי לחשב את הספקטרום של האות. התדירות עוברת מ- k = 0 ל- k = (N-1)/2, כאשר N הוא אורך הרצף, במקרה זה 4000. כדי לחשב את התדירות האנלוגית המתאימה, השתמש בנוסחה הבאה:
   
   כאשר fs הוא תדר הדגימה. שים לב שרוב האנרגיה של האות היא בטווח התדרים הנמוכים וגם שיש שיא של עוצמה גבוהה בטווח התדרים הבינוני. חשב את התדירות של פסגה זו באמצעות הנוסחה שסופקה לעיל.
3. ליישם מסנן נמוך לעבור באמצעות באטרוורת ' של פונקציות Chebyshev. בחר תדירות חיתוך השווה ל- 100 הרץ. ודא שהמסנן מספק נכה של לפחות -60 dB/עשור בפס העצירה.
4. חבר את אות הפלט של הקריאה מ- subvi גיליון אלקטרוני לקלט של מסנן המעבר הנמוך.
5. יש ליישם מסנן סטופ-פס באמצעות פונקציות באטרוורת' או צ'בישב. המטרה היא להפחית את ההפרעה של 60 הרץ מבלי לשנות את התדרים האחרים. נסה תדרי גבול קרוב ל- 60 הרץ.
6. חבר את הפלט של מסנן lowpass לקלט של מסנן פס העצירה.
7. מצא את הפסגות באמצעות subvi גלאי שיא (הוא ממוקם עיבוד אותות → פעולת סיג). עבור הסף, הסתכלו על משרעת האות ובחרו את הערך המתאים ביותר.
8. חלץ את מיקומי הפסגות באמצעות subvi מערך האינדקס (במערך → תכנות).
9. הפחת את המיקום התחתון ממיקום גבוה יותר ולאחר מכן, הכפל בתקופת הדגימה T = 1/fs כדי להשיג את מרווח הזמן של RR.
10. חשב את יחידות ההדדיות והתאם וצב מחוון כדי להציג את ה- BPM.

בהדגמה זו, שלוש אלקטרודות היו מחוברות לאדם, והתפוקה עברה דרך מגבר ביופוטנציאלי. גרף אק"ג לדוגמה לפני הסינון הדיגיטלי מוצג להלן (איור 8).

איור 8. אות אק"ג ללא סינון דיגיטלי.

לאחר עיצוב המסננים והזנת הנתונים לאלגוריתם המפותח, זוהו הפסגות בגרף ושימשו לחישוב קצב פעימות הלב (BPM). איור 9 מציג את הנתונים הגולמיים אות אק"ג (לפני כל סינון) בתחום הזמן והתדירות. איור 10 מציג את התוצאה של סינון האות.

איור 9. אות אק"ג לפני הסינון.

איור 10. אות אק"ג מסונן.

בחלקת האק"ג המקורית היו מתחמי P, QRS ו- T גלויים מעט שהציגו תנודות רבות מהרעש. הספקטרום של אות האק"ג הראה גם ספייק ברור ב 65 הרץ, אשר נחשב רעש. כאשר האות עובד באמצעות מסנן עם מעבר נמוך כדי להסיר חלקים בתדר גבוה זרים ולאחר מכן מסנן עצירת רצועה כדי להסיר את רכיב האות 65 הרץ, הפלט נראה נקי יותר באופן משמעותי. האק"ג מראה כל רכיב של האות בבירור עם כל הרעש הוסר.

בנוסף, קצב הלב הנמדד היה כ 61.8609 פעימות לדקה.

התכווצות שריר הלב במהלך מחזור הלב מייצרת זרמים חשמליים בתוך בית החזה. ירידות מתח על פני רקמה התנגדותית מזוהות על ידי אלקטרודות המונחות על העור ומוקלטות על ידי אלקטרוקרדיוגרפיה. מאז המתח חלש, בטווח של 0.5 mV, וקטן בהשוואה לעוצמת הרעש, עיבוד וסינון האות יש צורך. בניסוי זה, התקן אלקטרוקרדיוגרפיה המורכב ממעגל עיבוד אותות אנלוגי ודיגיטלי של שני חלקים תוכנן לנתח את אות האק"ג שנוצר, ולחשב את קצב פעימות הלב.

הדגמה זו הציגה את היסודות של מעגלים אלקטרוניים וסינון של אותות אק"ג. כאן, טכניקות עיבוד אותות מעשיות שימשו לחילוץ אות חלש מרקע רועש. טכניקות אלה ניתן להשתמש ביישומים דומים אחרים שבהם הגברת אותות והפחתת רעש נדרש.

רשימת חומרים