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心电图(心电图)信号的采集与分析
 

心电图(心电图)信号的采集与分析

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心电图记录心脏活动,用于诊断疾病、检测异常和了解心脏整体功能。电信号是由心脏壁的收缩产生的,这些收缩驱动电流,并在整个身体产生不同的电位。通过在皮肤上放置电极,可以在心电图中检测并记录此电活动。ECG 是非侵入性的,使其成为评估患者心脏表现的有用工具,例如通过测量血液流向器官的能力。

本视频将说明 ECG 的主要部分,并演示如何使用生物电位放大器获取、处理和分析典型的 ECG 信号。还将讨论利用电信号处理诊断疾病的其他生物医学应用。

为了理解心电图的原理,让我们首先了解心脏是如何产生电信号的。对于正常、健康的心脏,在休息时,心电图会显示一系列反映心跳不同阶段的波。ECG 从中心节点开始,也称为 SA 节点,位于右中心中心,在心脏中充当心脏起搏器。电信号导致心房收缩,迫使血液进入心室。此序列记录为心电图上的 P 波。然后,这个信号从心室穿过心室,导致他们收缩并泵血到身体的其余部分。这将记录为 QRS 复合体。

最后,心室放松,这是记录为T波。然后,该过程重新开始,并针对每个检测信号重复。请注意,QRS 波比 P 波大得多,这是因为心室比心室大。这意味着它们掩盖了atria或T波的放松。身体的其他过程,如呼吸或肌肉收缩,可能会干扰心电图测量。用于获取它们的电路的电流也相同。通常,心电图试图记录的电信号相当微弱。因此,生物电位放大器用于增加其振幅,从而可以对其进行进一步处理和记录。

生物电位放大器、患者保护级、仪器放大器和高通滤波器有三个主要组件。如主要建议,患者保护电路使用电阻和二极管的组合来保护患者以及机器和设备。电阻器限制流经患者的电流,因为二极管保持电流向正确方向流动。

下一个阶段是仪表放大器,它放大了每个电极输入之间的差异。它由三个运算放大器组成。两个增加每个输入的电阻,第三个放大输入信号之间的差值。

最后一个阶段是高通滤波器,它减少噪声并过滤出患者运动或呼吸产生的低频信号。现在,您已经了解了 ECG 的测量方式,让我们看看如何构建生物电位放大器并处理数据以获得干净的 ECG 信号。

在回顾了心电图的主要原则后,让我们看看如何构建生物电位放大器并获取心电图信号。首先,首先收集一个原板、一个AD-620仪表放大器和所有必要的电路元件。然后,使用以下方程计算电路中所有电阻和电容器的值。

对于高通滤波器,切断频率应为0.5赫兹。

然后,插入电容器值以确定电阻。接下来,根据所提供的图构建一个生物电位放大器。下面是最终电路的外观。将三根带鳄鱼夹的导线连接到直流电源的接合柱上,然后打开电源。将电压调整到加 5 伏和负 5 伏,并将导线串联连接到电路。

现在,使用酒精准备垫擦拭患者右手腕、左手腕和右脚踝。在将导电胶胶添加到电极中,然后再将其放入患者身上。然后,使用带有鳄鱼夹的导线将电极连接到电路。打开示波器并获取心电图信号。根据需要调整水平和垂直比例。通过这些调整,您应该能够看到波形的 R 峰值。

将电路连接到 PXI 机箱,然后打开仪表软件,使用或编写显示 ECG 信号和波形图的程序。

使用以下设置配置数据采集接口。将 x 轴的比例标上以显示时间和秒,然后将 ECG 信号显示为波形。如果需要放大信号,请创建增益控制并设置它,以便 ECG 的振幅为两个 VP。

现在,我们已经演示了如何获取 ECG 信号,让我们看看如何分析结果。这是一个代表性的ECG信号。P、QRS 和 T 波几乎无法识别,因为它们被噪音和波动所遮蔽。此信号需要滤波。要转换此信号,首先在菜单上选择"信号处理",然后选择频谱。快速傅立叶变换算法计算并绘制信号频谱,在水平轴上以隐蔽值显示频率。信号中的大部分能量处于低频。

但是,在中频范围内有一个高强度的峰值,假定是噪声。频率在水平轴上绘制为 k,从零到 N 减去 1,其中 N 是序列的长度。对于此实验,N 等于 2,000。使用以下公式计算每个 k 值的模拟频率,其中 f s 是采样频率,并根据 FFT 图确定高强度峰值的频率。

然后,创建截止频率为 100 赫兹的低通滤波器。使用巴特沃斯或切比舍夫函数来过滤信号,信号在停止带中每十年至少衰减 60 分贝。将数据子 VI 的输出信号连接到低通滤波器的输入。此滤波器可去除 ECG 的无关高频波。现在,创建一个带停止滤波器,并将截止频率设置为大约 55 和 70 赫兹。

要移除嘈杂的信号,大约 60 赫兹。然后,将低通滤波器的输出连接到 Bandstop 滤波器的输入。尝试接近 60 赫兹的边框频率。这将减少干扰,而不会影响其他频率。ECG 信号现在应该是明确的,具有不同的 P、QRS 和 T 复合体。

现在,让我们使用过滤的心电图信号确定心率。首先,使用峰值检测器子 VI 查找信号的峰值。根据阈值的 R 波的信号振幅选择最合适的值。然后,使用索引数组子 VI 确定峰值的位置。

从较高位置减去较低的峰值位置,然后将此值乘以采样周期 T,T 等于 f s 以上。此值是两个 R 波之间的时间长度。调整单位以确定每分钟的节拍。

在本演示中,测得的心率约为每分钟 60 次。

心电图和信号处理在医学和研究方面都有重要的应用。除了非侵入性外,ECG 还相对便宜。使其成为医院的有用且易于访问的工具。ECG甚至可以适应对正在治疗急性冠状动脉综合征的患者进行更加复杂和长期的监测。

为此,使用12条心电图引线,可以识别无症状患者的瞬态心肌缺血。信号采样和处理也用于脑电图测量来自大脑的电信号。EEG 通常与功能 MRI 结合使用,作为多模态成像技术。

该方法无创地生成大脑活动皮质图,用于许多神经成像应用,例如视觉或运动激活后。

您刚刚观看了 Jove 关于获取和分析 ECG 信号的介绍。您现在应该了解如何产生 ECG 信号,以及如何创建生物电位放大器来检测弱电信号。您也看到信号处理在医学诊断中的一些生物医学应用。

谢谢你的收看。

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