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Erfassung und Analyse eines EKG-Signals (Elektrokardiographie)
 

Erfassung und Analyse eines EKG-Signals (Elektrokardiographie)

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Elektrokardiographen zeichnen die Herzaktivität des Herzens auf und werden verwendet, um Krankheiten zu diagnostizieren, Anomalien zu erkennen und mehr über die allgemeine Herzfunktion zu erfahren. Elektrische Signale werden durch Kontraktionen in den Herzwänden erzeugt, die elektrische Ströme antreiben und unterschiedliche Potenziale im ganzen Körper erzeugen. Durch das Platzieren von Elektroden auf der Haut kann man diese elektrische Aktivität in einem EKG erkennen und aufzeichnen. EKGs sind nicht-invasiv, was sie zu einem nützlichen Werkzeug macht, um zu beurteilen, wie gut ein Patientenherz funktioniert, z. B. indem sie messen, wie gut Blut in das Organ fließt.

Dieses Video zeigt die Prinzipien von EKGs und zeigt, wie man ein typisches EKG-Signal mit einem Biopotential-Verstärker erfasst, verarbeitet und analysiert. Andere biomedizinische Anwendungen, die elektrische Signalverarbeitung nutzen, um Krankheiten zu diagnostizieren, werden ebenfalls diskutiert.

Um die Prinzipien eines EKG zu verstehen, lassen Sie uns zuerst verstehen, wie das Herz elektrische Signale erzeugt. Für ein normales, gesundes Herz, das im Ruhezustand ruht, zeigt ein EKG eine Reihe von Wellen an, die die verschiedenen Phasen eines Herzschlags widerspiegeln. Das EKG beginnt im sinoatrialen Knoten, auch bekannt als SA-Knoten, der sich im rechten Vorhof befindet und als Herzschrittmacher im Herzen fungiert. Die elektrischen Signale verursachen eine Vorhofkontraktion, die Blut in die Ventrikel zwingt. Diese Sequenz wird als P-Welle auf dem EKG aufgezeichnet. Dieses Signal geht dann von den Vorhöfen über die Ventrikel, wodurch sie sich zusammenziehen und Blut in den Rest des Körpers pumpen. Dies wird als QRS-Komplex aufgezeichnet.

Schließlich entspannen sich die Ventrikel und dies wird als T-Welle aufgezeichnet. Der Prozess beginnt dann wieder und wird für jeden Herzschlag wiederholt. Beachten Sie, dass die QRS-Welle viel größer als die P-Welle ist, dies liegt daran, dass die Ventrikel größer sind als die Vorhöfe. Das bedeutet, dass sie die Entspannung der Vorhöfe oder der T-Welle verschleiern. Andere Prozesse im Körper, wie Atmung oder Muskelkontraktionen, können die EKG-Messung stören. Wie kann Ströme aus der Schaltung verwendet, um sie zu erhalten. Oft sind die elektrischen Signale, die das EKG aufzeichnen will, recht schwach. Dazu wird ein Biopotentialverstärker eingesetzt, um deren Amplitude zu erhöhen, wodurch sie weiterverarbeitet und aufgezeichnet werden können.

Der Biopotentialverstärker, die Patientenschutzstufe, der Instrumentationsverstärker und der Hochpassfilter sind mit drei Hauptkomponenten verbunden. Wie die Hauptsache andeutet, verwendet der Patientenschutzkreis eine Kombination aus Widerständen und Dioden, um sowohl den Patienten als auch die Maschine und ausrüstung zu schützen. Die Widerstände begrenzen den Strom, der durch den Patienten fließt, wobei die Dioden den Strom in die richtige Richtung fließen lassen.

Die nächste Stufe ist der Instrumentationsverstärker, der den Unterschied zwischen den Eingängen jeder Elektrode verstärkt. Es besteht aus drei Operationsverstärkern. Zwei, um den Widerstand von jedem Eingang zu erhöhen, und der dritte, um die Differenz zwischen den Eingangssignalen zu verstärken.

Die letzte Stufe ist der Hochpassfilter, der das Rauschen reduziert und niederfrequente Signale aus der Patientenbewegung oder Atmung herausfiltert. Nun, da Sie wissen, wie ein EKG gemessen wird, sehen wir uns an, wie man einen Biopotential-Verstärker baut und die Daten verarbeitet, um ein sauberes EKG-Signal zu erhalten.

Nachdem wir die Hauptprinzipien der Elektrokardiographie überprüft haben, sehen wir uns an, wie man einen Biopotential-Verstärker baut und ein EKG-Signal erhält. Zunächst sollten Sie zunächst ein Proto-Board, einen AD-620-Instrumentierungsverstärker und alle notwendigen Schaltungskomponenten zusammentragen. Berechnen Sie dann die Werte aller Widerstände und Kondensatoren in der Schaltung mit der folgenden Gleichung.

Für den Hochpassfilter sollte die Schnittfrequenz 0,5 Hertz betragen.

Schließen Sie dann den Kondensatorwert an, um den Widerstand zu bestimmen. Als nächstes bauen Sie einen Biopotential-Verstärker nach dem mitgelieferten Diagramm. So sollte die letzte Schaltung aussehen. Befestigen Sie drei Drähte mit Alligatorclips an den Bindepfosten eines DC-Netzteils, und schalten Sie dann die Stromquelle ein. Stellen Sie die Spannung auf plus fünf Volt und minus fünf Volt ein, und schließen Sie die Drähte in Reihe an die Schaltung an.

Verwenden Sie nun ein Alkohol-Prep-Pad, um die Patienten am rechten Handgelenk, am linken Handgelenk und am rechten Knöchel zu wischen. Fügen Sie den Elektroden leitfähiges Klebegel hinzu, bevor Sie sie auf den Patienten legen. Verbinden Sie dann die Elektroden mit der Schaltung über Drähte mit Alligatorclips. Schalten Sie das Oszilloskop ein und erfassen Sie das EKG-Signal. Passen Sie die horizontalen und vertikalen Skalen nach Bedarf an. Mit diesen Einstellungen sollten Sie in der Lage sein, die R-Spitze der Wellenform zu sehen.

Schließen Sie die Schaltung an das PXI-Chassis an, öffnen Sie dann die Instrumentierungssoftware und verwenden oder schreiben Sie entweder ein Programm, das das EKG-Signal und ein Wellenformdiagramm anzeigt.

Konfigurieren Sie die Datenerfassungsschnittstelle mit den folgenden Einstellungen. Beschriften Sie den Maßstab der x-Achse, um Zeit und Sekunden anzuzeigen, und zeigen Sie dann das EKG-Signal als Wellenform an. Wenn das Signal verstärkt werden muss, erstellen Sie eine Gain-Steuerung und stellen Sie sie so ein, dass die Amplitude des EKG zwei VP beträgt.

Nun, da wir gezeigt haben, wie man ein EKG-Signal erfasst, sehen wir uns an, wie die Ergebnisse analysiert werden. Hier ist ein repräsentatives EKG-Signal. Die P-, QRS- und T-Wellen sind kaum erkennbar, da sie durch Lärm und Schwankungen verdeckt sind. Dieses Signal muss gefiltert werden. Um dieses Signal zu transformieren, wählen Sie zuerst Signalverarbeitung und dann Spektral im Menü aus. Ein Fast Fourier Transform-Algorithmus berechnet und zeichnet das Spektrum des Signals, das die Frequenz als diskrete Werte auf der horizontalen Achse anzeigt. Der größte Teil der Energie im Signal ist bei niedrigen Frequenzen.

Aber es gibt eine hohe Intensität Spitze im mittleren Frequenzbereich, die als Lärm angenommen wird. Die Frequenz wird als k auf der horizontalen Achse dargestellt und geht von Null nach N minus eins über zwei, wobei N die Länge der Sequenz ist. Für dieses Experiment entspricht N 2.000. Berechnen Sie die analoge Frequenz für jeden k-Wert mit der folgenden Gleichung, wobei f s die Abtastfrequenz ist, und bestimmen Sie die Frequenz des Hochintensitätsspitzen basierend auf dem FFT-Diagramm.

Erstellen Sie dann einen Tiefpassfilter mit einer Grenzfrequenz von 100 Hertz. Verwenden Sie entweder die Butterworth- oder Chebyshev-Funktion, um das Signal zu filtern, das mindestens 60 Dezibel pro Jahrzehnt im Stoppband dämpfen sollte. Schließen Sie das Ausgangssignal des Datensub VI an den Eingang des Tiefpassfilters an. Dieser Filter entfernt die überflüssigen Hochfrequenzwellen des EKG. Erstellen Sie nun einen Bandstop-Filter und stellen Sie die Grenzfrequenzen auf etwa 55 und 70 Hertz ein.

Um das laute Signal zu entfernen, ca. 60 Hertz. Verbinden Sie dann den Ausgang des Tiefpassfilters mit dem Eingang des Bandstop-Filters. Versuchen Sie Grenzfrequenzen, die in der Nähe von 60 Hertz liegen. Dadurch werden Interferenzen reduziert, ohne dass andere Frequenzen bewirken. Das EKG-Signal sollte nun mit deutlichen P-, QRS- und T-Komplexen klar sein.

Lassen Sie uns nun die Herzfrequenz mit dem gefilterten EKG-Signal bestimmen. Verwenden Sie zunächst den Peak-Detektor Sub VI, um die Spitzen des Signals zu finden. Wählen Sie den am besten geeigneten Wert basierend auf der Signalamplitude der R-Welle für den Schwellenwert aus. Verwenden Sie dann das Index-Array-Sub VI, um die Position der Peaks zu bestimmen.

Subtrahieren Sie die untere Spitzenposition von der höheren Position, und multiplizieren Sie diesen Wert dann mit dem Stichprobenzeitraum T, der gleich eins über f s ist. Dieser Wert ist die Zeitdauer zwischen zwei R-Wellen. Passen Sie die Einheiten an, um die Beats pro Minute zu bestimmen.

Bei dieser Demonstration betrug die gemessene Herzfrequenz etwa 60 Schläge pro Minute.

EKG und Signalverarbeitung haben wichtige Anwendungen sowohl in der Medizin als auch in der Forschung. EKGs sind nicht nur nicht invasiv, sondern auch relativ kostengünstig. Ein nützliches und zugängliches Werkzeug in Krankenhäusern. EKGs können sogar an eine komplexere und langfristigere Überwachung von Patienten angepasst werden, die wegen des akuten Koronarsyndroms behandelt werden.

Dazu werden 12 EKG-Leitungen verwendet, die bei asymptomatischen Patienten eine vorübergehende Myokard-Ischämie identifizieren können. Signalprobeundund-Verarbeitung wird auch in der Elektroenzephalographie verwendet, um elektrische Signale aus dem Gehirn zu messen. EEGs werden häufig in Verbindung mit funktioneller MRT als multimodale Bildgebungstechnik verwendet.

Die Methode nichtinvasiv erzeugt kortikale Karten der Gehirnaktivität für viele Neuroimaging-Anwendungen, wie nach visueller oder motorischer Aktivierung.

Sie haben gerade Joves Einführung in den Erwerb und die Analyse von EKG-Signalen beobachtet. Sie sollten nun verstehen, wie ein EKG-Signal erzeugt wird und wie ein Biopotential-Verstärker erstellt wird, um schwache elektrische Signale zu erkennen. Sie haben auch einige biomedizinische Anwendungen der Signalverarbeitung für die medizinische Diagnose gesehen.

Danke fürs Zuschauen.

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