Quelle: Peiman Shahbeigi-Roodposhti und Sina Shahbazmohamadi, Biomedical Engineering Department, University of Connecticut, Storrs, Connecticut

Ein Elektrokardiograph ist ein Graph, der durch elektrische Potentialveränderungen zwischen Elektroden aufgezeichnet wird, die auf den Oberkörper eines Patienten gelegt werden, um die Herzaktivität zu demonstrieren. Ein EKG-Signal verfolgt herzrhythmusstörungen und viele Herzkrankheiten, wie z. B. schlechte Durchblutung des Herzens und strukturelle Anomalien. Das DurchKontraktionen der Herzwand erzeugte Aktionspotenzial breitet elektrische Ströme aus dem Herzen im ganzen Körper aus. Die sich ausbreitenden elektrischen Ströme erzeugen an Stellen im Körper unterschiedliche Potenziale, die durch Elektroden auf der Haut wahrgenommen werden können. Die Elektroden sind biologische Messumformer aus Metallen und Salzen. In der Praxis werden 10 Elektroden an verschiedenen Punkten am Körper befestigt. Es gibt ein Standardverfahren zum Erfassen und Analysieren von EKG-Signalen. Eine typische EKG-Welle eines gesunden Individuums ist wie folgt:

Abbildung 1. EKG-Welle.

Die "P"-Welle entspricht der Vorhofkontraktion und der "QRS"-Komplex der Kontraktion der Ventrikel. Der "QRS"-Komplex ist aufgrund der relativen Dfference in der Muskelmasse der Vorhöfe und Ventrikel viel größer als die "P"-Welle, die die Entspannung der Vorhöfe verschleiert. Die Entspannung der Ventrikel ist in Form der "T"-Welle zu sehen.

Es gibt drei Hauptleitungen, die für die Messung des elektrischen Potentials zwischen Armen und Beinen verantwortlich sind, wie in Abbildung 2 dargestellt. In dieser Demonstration wird einer der Gliedmaßen, Blei I, untersucht, und der elektrische Potentialunterschied zwischen zwei Armen wird aufgezeichnet. Wie bei allen EKG-Bleimessungen gilt die mit dem rechten Bein verbundene Elektrode als Bodenknoten. Ein EKG-Signal wird mit einem Biopotential-Verstärker erfasst und dann mit Einer Instrumentierungssoftware angezeigt, wo eine Gain-Steuerung erstellt wird, um seine Amplitude anzupassen. Schließlich wird das aufgezeichnete EKG analysiert.

Abbildung 2. EKG Gliedmaßen führt.

Der Elektrokardiograph muss nicht nur extrem schwache Signale von 0,5 mV bis 5,0 mV erkennen können, sondern auch eine DC-Komponente von bis zu 300 mV (die sich aus dem Elektroden-Hautkontakt ergibt) und eine Common-Mode-Komponente von bis zu 1,5 V, die sich aus dem zwischen den Elektroden und dem Boden. Die nutzgebrachte Bandbreite eines EKG-Signals hängt von der Anwendung ab und kann zwischen 0,5-100 Hz liegen und manchmal bis zu 1 kHz erreichen. Es ist in der Regel um 1 mV Peak-to-Peak in Gegenwart von viel größeren externen Hochfrequenz-Rauschen, 50 oder 60 Hz Interferenzen und DC-Elektroden-Offset-Potenzial. Andere Lärmquellen sind Bewegungen, die die Haut-Elektroden-Schnittstelle, Muskelkontraktionen oder elektromyographische Spitzen, Atmung (die rhythmisch oder sporadisch sein kann), elektromagnetische Interferenzen (EMI) und Geräusche von anderen elektronischen Geräten beeinflussen. das paart sich in den Eingang.

Zunächst wird ein Biopotential-Verstärker zur Verarbeitung des EKG hergestellt. Dann werden Elektroden auf den Patienten gelegt, um den potenziellen Unterschied zwischen zwei Armen zu messen. Die Hauptfunktion eines Biopotentialverstärkers besteht darin, ein schwaches elektrisches Signal biologischen Ursprungs zu nehmen und seine Amplitude zu erhöhen, so dass es weiterverarbeitet, aufgezeichnet oder angezeigt werden kann.

Abbildung 3. EKG-Verstärker.

Um biologisch nützlich zu sein, müssen alle biopotenziellen Verstärker bestimmte Grundanforderungen erfüllen:

• Sie müssen eine hohe Eingangsimpedanz haben, damit sie eine minimale Belastung des gemessenen Signals ermöglichen. Biopotente Elektroden können durch ihre Belastung beeinflusst werden, was zu einer Verzerrung des Signals führt.
• Die Eingangsschaltung eines Biopotentialverstärkers muss auch dem untersuchten Thema Schutz bieten. Der Verstärker sollte isolations- und schutzkreissicher sein, damit der Strom durch den Elektrodenkreis auf einem sicheren Niveau gehalten werden kann.
• Die Ausgangsschaltung treibt die Last an, die in der Regel ein Anzeige- oder Aufzeichnungsgerät ist. Um maximale Genauigkeit und Reichweite in der Auslesung zu erhalten, muss der Verstärker eine geringe Ausgangsimpedanz haben und in der Lage sein, die von der Last benötigte Leistung zu liefern.
• Biopotential-Verstärker müssen in dem Frequenzspektrum betrieben werden, in dem die biopotentials existieren, die sie verstärken. Aufgrund des niedrigen Pegels solcher Signale ist es wichtig, die Bandbreite des Verstärkers zu begrenzen, um optimale Signal-Rausch-Verhältnisse zu erhalten. Dies kann mit Filtern erfolgen.

Abbildung 3 ist ein Beispiel für einen EKG-Verstärker, und Abbildung 4 ist die Schaltung des EKG-Verstärkers, der während dieser Demonstration gebaut wird. Es hat drei Hauptstufen: die Schutzschaltung, den Instrumentationsverstärker und den Hochpassfilter.

Abbildung 4. Biopotential Verstärker.

Die erste Stufe ist die Patientenschutzschaltung. Eine Diode ist ein Halbleitergerät, das Strom in eine Richtung leitet. Wenn eine Diode vorwärts-voreingenommen ist, fungiert die Diode als Kurzschluss und leitet Strom. Wenn eine Diode rückwärts-voreingenommen ist, wirkt sie wie ein offener Kreislauf und leitet keinen Strom, i_r 0.

Wenn sich Dioden in der vorwärtsgerichteten Konfiguration befinden, gibt es eine Spannung, die als Schwellenspannung (VT = ca. 0,7 V) bezeichnet wird, die überschritten werden muss, damit die Diode Strom leiten kann. Sobald der VT überschritten wurde, bleibt der Spannungsabfall über die Diode bei VT konstant, unabhängig davon, was V_in ist.

Wenn die Diode rückwärts-voreingenommen ist, wird die Diode wie auf offenem Stromkreis wirken und der Spannungsabfall über die Diode wird gleich V_insein.

Abbildung 5 ist ein Beispiel für eine einfache Schutzschaltung, die auf Dioden basiert, die in dieser Demo verwendet werden. Der Widerstand wird verwendet, um den Strom zu begrenzen, der durch den Patienten fließt. Wenn ein Fehler im Instrumentationsverstärker oder dioden die Verbindung des Patienten mit einer der Stromschienen kurzschließt, würde der Strom weniger als 0,11 mA betragen. Die Leckagedioden FDH333 werden zum Schutz der Eingänge des Instrumentationsverstärkers eingesetzt. Wenn die Spannung in der Schaltung 0,8 V in der Größe überschreitet, ändern sich die Dioden in ihren aktiven Bereich oder "ON"-Zustand; der Strom fließt durch sie und schützt sowohl den Patienten als auch die elektronischen Komponenten.

Abbildung 5. Schutzschaltung.

Die zweite Stufe ist der Instrumentationsverstärker IA, der drei Operationsverstärker (Op-Amp) verwendet. An jedem Eingang ist ein Op-Amp angebracht, um den Eingangswiderstand zu erhöhen. Der dritte Op-Amp ist ein Differentialverstärker. Diese Konfiguration hat die Möglichkeit, bodenbezogene Interferenzen abzulehnen und nur den Unterschied zwischen den Eingangssignalen zu verstärken.

Abbildung 6. Instrumentierungsverstärker.

Die dritte Stufe ist der Hochpassfilter, der verwendet wird, um eine kleine Wechselstromspannung zu verstärken, die auf einer großen Gleichspannung reitet. Das EKG wird von niederfrequenten Signalen beeinflusst, die von Patientenbewegungen und Atmung kommen. Ein Hochpassfilter reduziert dieses Rauschen.

Hochpassfilter können mit RC-Schaltungen erster Ordnung realisiert werden. Abbildung 7 zeigt ein Beispiel für einen Hochpassfilter erster Ordnung und dessen Übertragungsfunktion. Die Cut-off-Frequenz wird durch die folgende Formel angegeben:

,
  

Abbildung 7. Hochpassfilter.

1. Erwerb eines EKG-Signals

1. Stellen Sie die Spannung der Quellen auf +5 V und -5 V ein und schließen Sie sie in Reihe an.
2. Erstellen Sie die in Abbildung 4gezeigte Schaltung . Berechnen Sie die Werte der Widerstände und Kondensatoren. Für den Hochpassfilter sollte die Grenzfrequenz 0,5 Hz betragen. Der Kondensatorwert sollte aus der folgenden Tabelle ausgewählt werden (je nach Verfügbarkeit).

3. Legen Sie Elektroden auf den rechten Arm, linken Arm und rechten Bein (dies ist Referenz) des Patienten, und verbinden Sie sie mit dem Schaltkreis.
4. Verwenden Sie das Oszilloskop, um das EKG-Signal (V_o) anzuzeigen. Drücken Sie Auto Set und passen Sie die horizontalen und vertikalen Skalen nach Bedarf an. Sie sollten in der Lage sein, die R-Spitzen trotz des Rauschens im Signal zu sehen.

2. Anzeige des EKG-Signals mit Instrumention-Software

1. In dieser Demo haben wir LabVIEW verwendet. Schreiben Sie ein Programm, das das EKG-Signal über eine grafische Schnittstelle zur Konfiguration von Messungen und ein Wellenformdiagramm anzeigt. Nachdem ein analoger Eingang ausgewählt wurde, konfigurieren Sie das Programm mit den folgenden Einstellungen:

• Signaleingangsbereich >> Max = 0,5; Min = -0,5
• Terminalkonfiguration >> RSE
• Erfassungsmodus >> kontinuierlich
• Lesebeispiele = 2000
• Abtastrate = 1000

2. Erfassen Sie das EKG-Signal und beobachten Sie die Wellenform. Es wird ein Signal ähnlich Abbildung 1angezeigt.
3. Passen Sie die Skalierung der x-Achse an, um die Zeit in Sekunden anzuzeigen.
4. Bei der Instrumentierung ist es oft notwendig, das Signal des Interesses auf eine bestimmte Amplitude zu verstärken. Erstellen Sie eine Verstärkungssteuerung und legen Sie sie so fest, dass die Amplitude des EKG 2 Vp beträgt.

3. Analyse des EKG-Signals

In diesem Abschnitt wird ein EKG-Signal gefiltert und analysiert, um die Herzfrequenz zu bestimmen. Das folgende Blockdiagramm zeigt die Komponenten des Programms.

1. Verwenden Sie ein Wellenformdiagramm, um das Signal anzuzeigen.
2. Bewerten Sie das Spektrum des Signals mit dem Subvi amplitude und Phase Spectrum (in Der Signalverarbeitung - Spektral) und zeigen Sie seine Größe mit einem Wellenformdiagramm an. Die horizontale Achse entspricht der Frequenz. Es ist diskret, weil der Computer einen Fast Fourier Transform (FFT) Algorithmus verwendet, um das Spektrum des Signals zu berechnen. Die Frequenz geht von k = 0 bis k = (N-1)/2, wobei N die Länge der Sequenz ist, in diesem Fall 4000. Um die entsprechende analoge Frequenz zu berechnen, verwenden Sie die folgende Formel:
   
   wobei fs die Abtasthäufigkeit ist. Beachten Sie, dass sich die meiste Energie des Signals im niederfrequenten Bereich befindet und dass es auch einen Spitzenwert hoher Intensität im mittleren Frequenzbereich gibt. Berechnen Sie die Häufigkeit dieses Peaks mit der oben angegebenen Formel.
3. Implementieren Sie einen Tiefpassfilter mit Butterworth of Chebyshev-Funktionen. Wählen Sie eine Grenzfrequenz von 100 Hz. Stellen Sie sicher, dass der Filter eine Dämpfung von mindestens -60 dB/Dekade im Stoppband bietet.
4. Schließen Sie das Ausgangssignal des Lese-Aus-Tabellensubvi an den Eingang des Tiefpassfilters an.
5. Implementieren Sie einen Stop-Band-Filter mit Butterworth- oder Chebyshev-Funktionen. Ziel ist es, die 60 Hz Interferenzen zu reduzieren, ohne die anderen Frequenzen zu verändern. Versuchen Sie Grenzfrequenzen in der Nähe von 60 Hz.
6. Schließen Sie den Ausgang des Tiefpassfilters an den Eingang des Stoppbandfilters an.
7. Finden Sie die Spitzen mit dem Peak-Detektor subvi (es befindet sich in Signalverarbeitung - Sig Operation). Sehen Sie sich für den Schwellenwert die Amplitude des Signals an, und wählen Sie den am besten geeigneten Wert aus.
8. Extrahieren Sie die Positionen der Peaks mithilfe des Index-Array-Subvi (in Programming - Array).
9. Subtrahieren Sie die untere Position von der höheren Position, multiplizieren Sie dann mit der Stichprobenperiode T = 1/fs, um das RR-Intervall zu erhalten.
10. Berechnen Sie die Wechsel- und Einstelleinheiten und platzieren Sie einen Indikator, um das BPM anzuzeigen.

In dieser Demonstration wurden drei Elektroden an eine Person angeschlossen, und der Ausgang ging durch einen Biopotentialverstärker. Ein Beispiel-EKG-Diagramm vor der digitalen Filterung ist unten dargestellt (Abbildung 8).

Abbildung 8. EKG-Signal ohne digitale Filterung.

Nach dem Entwerfen der Filter und der Zuführung der Daten an den entwickelten Algorithmus wurden die Spitzen im Diagramm erkannt und zur Berechnung der Herzfrequenz (BPM) verwendet. Abbildung 9 zeigt die Rohdaten eines EKG-Signals (vor jeder Filterung) in Zeit- und Frequenzbereich. Abbildung 10 zeigt das Ergebnis der Filterung dieses Signals.

Abbildung 9. EKG-Signal vor dem Filtern.

Abbildung 10. Gefiltertes EKG-Signal.

Das ursprüngliche EKG-Diagramm hatte leicht sichtbare P-, QRS- und T-Komplexe, die viele Schwankungen des Rauschens aufwiesen. Das Spektrum des EKG-Signals zeigte auch eine deutliche Spitze bei 65 Hz, die als Rauschen angenommen wurde. Wenn das Signal mit einem Tiefpassfilter verarbeitet wurde, um überflüssige Hochfrequenzabschnitte zu entfernen, und dann einen Band-Stop-Filter, um die 65 Hz-Signalkomponente zu entfernen, erschien der Ausgang deutlich sauberer. Das EKG zeigt jede Komponente des Signals klar mit allen entfernten Geräuschen an.

Darüber hinaus betrug die gemessene Herzfrequenz etwa 61.8609 Schläge pro Minute.

Kontraktion des Herzmuskels während des Herzzyklus erzeugt elektrische Ströme innerhalb des Thorax. Spannungstropfen über Widerstandsgewebe werden durch Elektroden auf der Haut erkannt und von einem Elektrokardiographen aufgezeichnet. Da die Spannung schwach ist, im Bereich von 0,5 mV, und klein im Vergleich zur Größe des Rauschens, ist die Verarbeitung und Filterung des Signals notwendig. In diesem Experiment wurde ein Elektrokardiographengerät, das aus einem zweiteiligen analogen und digitalen Signalverarbeitungskreis besteht, entwickelt, um das resultierende EKG-Signal zu analysieren und die Herzfrequenz zu berechnen.

Diese Demonstration führte die Grundlagen der elektronischen Schaltung und Filterung von EKG-Signalen ein. Hier wurden praktische Signalverarbeitungstechniken eingesetzt, um ein schwaches Signal aus einem lauten Hintergrund zu extrahieren. Diese Techniken können in anderen ähnlichen Anwendungen eingesetzt werden, in denen Signalverstärkung und Rauschunterdrückung erforderlich sind.

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