Fonte: Peiman Shahbeigi-Roodposhti e Sina Shahbazmohamadi, Dipartimento di Ingegneria Biomedica, Università del Connecticut, Storrs, Connecticut

Un elettrocardiografo è un grafico registrato dai cambiamenti del potenziale elettrico che si verificano tra gli elettrodi posizionati sul busto di un paziente per dimostrare l'attività cardiaca. Un segnale ECG tiene traccia del ritmo cardiaco e di molte malattie cardiache, come scarso flusso di sangue al cuore e anomalie strutturali. Il potenziale d'azione creato dalle contrazioni della parete cardiaca diffonde correnti elettriche dal cuore in tutto il corpo. Le correnti elettriche di diffusione creano diversi potenziali in punti del corpo, che possono essere percepiti da elettrodi posizionati sulla pelle. Gli elettrodi sono trasduttori biologici fatti di metalli e sali. In pratica, 10 elettrodi sono attaccati a diversi punti del corpo. Esiste una procedura standard per l'acquisizione e l'analisi dei segnali ECG. Una tipica onda ECG di un individuo sano è la seguente:

Figura 1. Onda ECG.

L'onda "P" corrisponde alla contrazione atriale e il complesso "QRS" alla contrazione dei ventricoli. Il complesso "QRS" è molto più grande dell'onda "P" a causa della relativa differenza nella massa muscolare degli atri e dei ventricoli, che maschera il rilassamento degli atri. Il rilassamento dei ventricoli può essere visto sotto forma di onda "T".

Ci sono tre cavi principali responsabili della misurazione della differenza di potenziale elettrico tra braccia e gambe, come mostrato nella Figura 2. In questa dimostrazione, verrà esaminato uno dei conduttori degli arti, il piombo I, e verrà registrata la differenza di potenziale elettrico tra due bracci. Come in tutte le misurazioni del piombo ECG, l'elettrodo collegato alla gamba destra è considerato il nodo di terra. Un segnale ECG verrà acquisito utilizzando un amplificatore biopotenziale e quindi visualizzato utilizzando un software di strumentazione, dove verrà creato un controllo del guadagno per regolarne l'ampiezza. Infine, verrà analizzato l'ECG registrato.

Figura 2. Cavi dell'arto ECG.

L'elettrocardiografo deve essere in grado di rilevare non solo segnali estremamente deboli che vanno da 0,5 mV a 5,0 mV, ma anche una componente DC fino a ±300 mV (derivante dal contatto elettrodo-pelle) e una componente di modo comune fino a 1,5 V, che deriva dal potenziale tra gli elettrodi e la terra. La larghezza di banda utile di un segnale ECG dipende dall'applicazione e può variare da 0,5-100 Hz, a volte raggiungendo fino a 1 kHz. Generalmente è di circa 1 mV da picco a picco in presenza di rumore esterno ad alta frequenza molto più grande, interferenze a 50 o 60 Hz e potenziale di offset dell'elettrodo DC. Altre fonti di rumore includono il movimento che colpisce l'interfaccia pelle-elettrodo, contrazioni muscolari o picchi elettromiografici, respirazione (che può essere ritmica o sporadica), interferenze elettromagnetiche (EMI) e rumore da altri dispositivi elettronici che si accoppiano nell'ingresso.

In primo luogo, verrà prodotto un amplificatore biopotenziale per elaborare l'ECG. Quindi, gli elettrodi saranno posizionati sul paziente per misurare la differenza di potenziale tra due bracci. La funzione principale di un amplificatore biopotenziale è quella di prendere un segnale elettrico debole di origine biologica e aumentarne l'ampiezza in modo che possa essere ulteriormente elaborato, registrato o visualizzato.

Figura 3. Amplificatore ECG.

Per essere utili biologicamente, tutti gli amplificatori biopotenziali devono soddisfare determinati requisiti di base:

• Devono avere un'elevata impedenza di ingresso in modo da fornire un carico minimo del segnale misurato. Gli elettrodi biopotenziali possono essere influenzati dal loro carico, il che porta alla distorsione del segnale.
• Il circuito di ingresso di un amplificatore biopotenziale deve anche fornire protezione al soggetto studiato. L'amplificatore deve avere circuiti di isolamento e protezione in modo che la corrente attraverso il circuito dell'elettrodo possa essere mantenuta a livelli di sicurezza.
• Il circuito di uscita guida il carico, che di solito è un dispositivo di indicazione o registrazione. Per ottenere la massima fedeltà e portata nella lettura, l'amplificatore deve avere una bassa impedenza di uscita ed essere in grado di fornire la potenza richiesta dal carico.
• Gli amplificatori biopotenziali devono operare nello spettro di frequenza in cui esistono i biopotenziali che amplificano. A causa del basso livello di tali segnali, è importante limitare la larghezza di banda dell'amplificatore per ottenere rapporti segnale/rumore ottimali. Questo può essere fatto usando i filtri.

La Figura 3 è un esempio di amplificatore ECG e la Figura 4 è il circuito dell'amplificatore ECG costruito durante questa dimostrazione. Ha tre stadi principali: il circuito di protezione, l'amplificatore della strumentazione e il filtro passa alto.

Figura 4. Amplificatore biopotenziale.

Il primo stadio è il circuito di protezione del paziente. Un diodo è un dispositivo a semiconduttore che conduce corrente in una direzione. Quando un diodo è polarizzato in avanti, il diodo agisce come un cortocircuito e conduce elettricità. Quando un diodo è a polarità inversa, agisce come un circuito aperto e non conduce elettricità, I_r ≈ 0.

Quando i diodi sono nella configurazione a polarizzazione diretta c'è una tensione nota come tensione di soglia (VT = circa 0,7 V) che deve essere superata affinché il diodo conduca corrente. Una volta superato il VT, la caduta di tensione attraverso il diodo rimarrà costante a VT indipendentemente da quale_V sia.

Quando il diodo è polarizzato inversamente, il diodo agirà come su circuito aperto e la caduta di tensione attraverso il diodo sarà uguale a V_in.

La Figura 5 è un esempio di un semplice circuito di protezione basato su diodi che verrà utilizzato in questa dimostrazione. Il resistore viene utilizzato per limitare la corrente che scorre attraverso il paziente. Se un guasto nell'amplificatore della strumentazione o nei diodi cortocircuita la connessione del paziente con una delle guide di alimentazione, la corrente sarebbe inferiore a 0,11 mA. I diodi fDH333 a bassa perdita vengono utilizzati per proteggere gli ingressi dell'amplificatore di strumentazione. Ogni volta che la tensione nel circuito supera 0,8 V di grandezza, i diodi cambiano nella loro regione attiva o stato "ON"; la corrente scorre attraverso di loro e protegge sia il paziente che i componenti elettronici.

Figura 5. Circuito di protezione.

Il secondo stadio è l'amplificatore di strumentazione, IA, che utilizza tre amplificatori operazionali (op-amp). C'è un amplificatore operazionato collegato a ciascun ingresso per aumentare la resistenza dell'ingresso. Il terzo amplificatore operazionale è un amplificatore differenziale. Questa configurazione ha la capacità di respingere le interferenze a terra e amplificare solo la differenza tra i segnali di ingresso.

Figura 6. Amplificatore di strumentazione.

Il terzo stadio è il filtro passa-alto, che viene utilizzato per amplificare una piccola tensione CA che cavalca una grande tensione CC. L'ECG è influenzato da segnali a bassa frequenza che provengono dal movimento e dalla respirazione del paziente. Un filtro passa alto riduce questo rumore.

I filtri passa-alto possono essere realizzati con circuiti RC di primo ordine. La Figura 7 mostra un esempio di filtro passa-alto del primo ordine e la relativa funzione di trasferimento. La frequenza di cut-off è data dalla seguente formula:

,
  

Figura 7. Filtro passa alto.

1. Acquisizione di un segnale ECG

1. Regolare la tensione delle sorgenti a +5 V e -5 V e collegarle in serie.
2. Costruire il circuito mostrato nella Figura 4. Calcolare i valori dei resistori e dei condensatori. Per il filtro passa alto, la frequenza di cut-off deve essere di 0,5 Hz. Il valore del condensatore deve essere scelto dalla tabella seguente (in base alla disponibilità).

3. Posizionare gli elettrodi sul braccio destro, sul braccio sinistro e sulla gamba destra (questo è il riferimento) del paziente e collegarli al circuito.
4. Utilizzare l'oscilloscopio per visualizzare il segnale ECG (V_o). Premere Imposta automaticamente e regolare le scale orizzontale e verticale in base alle esigenze. Dovresti essere in grado di vedere i picchi R nonostante il rumore nel segnale.

2. Visualizzazione del segnale ECG utilizzando il software Instrumention

1. In questa dimostrazione abbiamo utilizzato LabVIEW. Scrivi un programma che visualizzi il segnale ECG utilizzando un'interfaccia grafica per la configurazione delle misurazioni e un grafico della forma d'onda. Una volta selezionato un ingresso analogico, configurare il programma con le seguenti impostazioni:

• Intervallo di ingresso del segnale >> Max = 0,5; Min = -0,5
• Configurazione terminale >> RSE
• Modalità di acquisizione >> continua
• Campioni da leggere = 2000
• Frequenza di campionamento = 1000

2. Acquisire il segnale ECG e osservare la forma d'onda. Verrà visualizzato un segnale simile alla Figura 1.
3. Regolate la scala dell'asse x per visualizzare il tempo in secondi.
4. Spesso è necessario nella strumentazione amplificare il segnale di interesse ad una specifica ampiezza. Creare un controllo del guadagno e impostarlo in modo che l'ampiezza dell'ECG sia di 2 Vp.

3. Analisi del segnale ECG

In questa sezione, un segnale ECG verrà filtrato e analizzato per determinare la frequenza cardiaca. Il seguente diagramma a blocchi mostra i componenti del programma.

1. Utilizzare un grafico della forma d'onda per visualizzare il segnale.
2. Valutare lo spettro del segnale utilizzando la sottovi Ampiezza e spettro di fase (in Elaborazione del segnale → Spettrale) e visualizzarne la magnitudine utilizzando un grafico della forma d'onda. L'asse orizzontale corrisponde alla frequenza. È discreto perché il computer utilizza un algoritmo FFT (Fast Fourier Transform) per calcolare lo spettro del segnale. La frequenza va da k = 0 a k = (N-1)/2, dove N è la lunghezza della sequenza, in questo caso 4000. Per calcolare la frequenza analogica corrispondente, utilizzare la seguente formula:
   
   dove fs è la frequenza di campionamento. Si noti che la maggior parte dell'energia del segnale è nella gamma di bassa frequenza e anche che c'è un picco di alta intensità nella gamma di frequenze medie. Calcola la frequenza di quel picco usando la formula fornita sopra.
3. Implementare un filtro passa-basso utilizzando le funzioni di Butterworth of Chebyshev. Scegliere una frequenza di taglio pari a 100 Hz. Assicurarsi che il filtro fornisca un'attenuazione di almeno -60 dB/decennio nella banda di arresto.
4. Collegare il segnale di uscita della lettura dal foglio di calcolo subvi all'ingresso del filtro passa-basso.
5. Implementare un filtro stop-band utilizzando le funzioni Butterworth o Chebyshev. L'obiettivo è ridurre l'interferenza dei 60 Hz senza modificare le altre frequenze. Prova le frequenze di confine vicine a 60 Hz.
6. Collegare l'uscita del filtro passa-basso all'ingresso del filtro stopband.
7. Trova i picchi usando il subvi del rilevatore di picco (si trova in Elaborazione del segnale →Operazione Sig). Per la soglia, guarda l'ampiezza del segnale e scegli il valore più appropriato.
8. Estrarre le posizioni dei picchi utilizzando la sottovi matrice di indici (in Programmazione → array).
9. Sottrarre la posizione inferiore dalla posizione più alta, quindi moltiplicare per il periodo di campionamento T = 1/fs per ottenere l'intervallo RR.
10. Calcola le reciproche unità e regola e posiziona un indicatore per visualizzare il BPM.

In questa dimostrazione, tre elettrodi sono stati collegati a un individuo e l'uscita è passata attraverso un amplificatore biopotenziale. Di seguito è riportato un grafico ECG di esempio prima del filtraggio digitale (Figura 8).

Figura 8. Segnale ECG senza filtraggio digitale.

Dopo aver progettato i filtri e aver alimentato i dati all'algoritmo sviluppato, i picchi sul grafico sono stati rilevati e utilizzati per calcolare la frequenza cardiaca (BPM). La Figura 9 visualizza i dati grezzi di un segnale ECG (prima di qualsiasi filtraggio) nel dominio del tempo e della frequenza. La Figura 10 mostra il risultato del filtraggio di quel segnale.

Figura 9. Segnale ECG prima del filtraggio.

Figura 10. Segnale ECG filtrato.

Il grafico ECG originale aveva complessi P, QRS e T leggermente visibili che presentavano molte fluttuazioni dal rumore. Lo spettro del segnale ECG ha anche mostrato un chiaro picco a 65 Hz, che si presumeva fosse rumore. Quando il segnale è stato elaborato utilizzando un filtro passa-basso per rimuovere porzioni estranee ad alta frequenza e quindi un filtro di arresto della banda per rimuovere la componente del segnale a 65 Hz, l'uscita è apparsa significativamente più pulita. L'ECG mostra chiaramente ogni componente del segnale con tutto il rumore rimosso.

Inoltre, la frequenza cardiaca misurata era di circa 61,8609 battiti al minuto.

La contrazione del muscolo cardiaco durante il ciclo cardiaco produce correnti elettriche all'interno del torace. Le cadute di tensione attraverso il tessuto resistivo vengono rilevate da elettrodi posizionati sulla pelle e registrate da un elettrocardiografo. Poiché la tensione è debole, nell'intervallo di 0,5 mV e piccola rispetto all'entità del rumore, è necessario elaborare e filtrare il segnale. In questo esperimento, un dispositivo elettrocardiografico costituito da un circuito di elaborazione del segnale analogico e digitale in due parti è stato progettato per analizzare il segnale ECG risultante e calcolare la frequenza cardiaca.

Questa dimostrazione ha introdotto i fondamenti della circuiteria elettronica e del filtraggio dei segnali ECG. Qui, sono state utilizzate tecniche pratiche di elaborazione del segnale per estrarre un segnale debole da uno sfondo rumoroso. Queste tecniche possono essere utilizzate in altre applicazioni simili in cui è richiesta l'amplificazione del segnale e la riduzione del rumore.

Elenco dei materiali