Acquisizione e analisi di un segnale ECG (elettrocardiogramma)
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Overview
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.
Principles
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, Ir ≈ 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 qualeV 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 Vin.
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.
Procedure
Results
In this demonstration, three electrodes were connected to an individual, and the output passed through a biopotential amplifier. A sample ECG graph prior to digital filtering is shown below (Figure 8).
Figure 8. ECG signal without digital filtering.
After designing the filters and feeding the data to the developed algorithm, the peaks on the graph were detected and used to calculate heart beat rate (BPM). Figure 9 displays the raw data an ECG signal (before any filtering) in time and frequency domain. Figure 10 shows the result of filtering that signal.
Figure 9. ECG signal before filtering.
Figure 10. Filtered ECG signal.
The original ECG plot had slightly visible P, QRS, and T complexes that presented many fluctuations from the noise. The spectrum of the ECG signal also showed a clear spike at 65 Hz, which was assumed to be noise. When the signal was processed using a low-pass filter to remove extraneous high frequency portions and then a band-stop filter to remove the 65 Hz signal component, the output appeared significantly cleaner. The ECG shows each component of the signal clearly with all noise removed.
In addition, the measured heart rate was approximately 61.8609 beats per minute.
Applications and Summary
Contraction of cardiac muscle during the heart cycle produces electric currents within the thorax. Voltage drops across resistive tissue are detected by electrodes placed on the skin and recorded by an electrocardiograph. Since the voltage is weak, in the range of 0.5 mV, and small compared to the magnitude of noise, processing and filtering the signal is necessary. In this experiment, an electrocardiograph device consisting of a two part analog and digital signal processing circuit was designed to analyzing the resulting ECG signal, and calculate the heartbeat rate.
This demonstration introduced the fundamentals of electronic circuitry and filtering of ECG signals. Here, practical signal processing techniques were used to extract a weak signal from a noisy background. These techniques can be used in other similar applications where signal amplification and noise reduction is required.
Materials List
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Equipment | |||
| Power supply | B&K Precision | 1760A | |
| Multimeter | |||
| Oscilloscope | |||
| Proto-board | |||
| 4 FDH333 diodes | |||
| 1 AD620 | |||
| 3 47kΩ resistor | |||
| 2 100nF capacitors | |||
| 3 ECG electrodes | |||
| Several alligator clips and Tektronix probe. |
Transcript
Electrocardiographs record cardiac activity of the heart and are used to diagnose disease, detect abnormalities, and learn about overall heart function. Electrical signals are produced by contractions in the heart walls which drive electrical currents and create different potentials throughout the body. By placing electrodes on the skin, one can detect and record this electrical activity in an ECG. ECGs are non-invasive, making them a useful tool to assess how well a patients heart is performing, such as by measuring how well blood flows to the organ.
This video will illustrate the principals of ECGs and demonstrate how to acquire, process, and analyze a typical ECG signal using a biopotential amplifier. Other biomedical applications that utilize electrical signal processing to diagnose disease will also be discussed.
To understand the principles of an ECG, let’s first understand how the heart produces electrical signals. For a normal, healthy heart, at rest, an ECG displays a series of waves that reflect the different phases of a heartbeat. The ECG starts in the sinoatrial node, also known as the SA node, which is located in the right atrium and acts as a pacemaker in the heart. The electrical signals cause atrial contraction forcing blood into the ventricles. This sequence is recorded as the P wave on the ECG. This signal then passes from the atria across the ventricles, causing them to contract and pump blood to the rest of the body. This is recorded as the QRS complex.
Finally, the ventricles relax and this is recorded as the T wave. The process then begins again and is repeated for every heartbeat. Notice that the QRS wave is much larger than the P wave, this is because the ventricles are larger than the atria. Meaning they mask the relaxation of the atria or the T wave. Other processes in the body, like respiration or muscle contractions, can interfere with the ECG measurement. As can currents from the circuitry used to obtain them. Often, the electrical signals that the ECG is attempting to record are quite weak. Therefor, a biopotential amplifier is used to increase their amplitude which allows them to be further processed and recorded.
There are three main components to the biopotential amplifier, the patient protection stage, the instrumentation amplifier, and the high pass filter. As the main suggests, the patient protection circuit uses a combination of resistors and diodes to protect, both, the patient and the machine and equipment. The resistors limit the current that flows through the patient, where as the diodes keep the current flowing in the correct direction.
The next stage is the instrumentation amplifier, which amplifies the difference between the inputs from each electrode. It is composed of three operational amplifiers. Two to increase the resistance from each input, and the third to amplify the difference between the input signals.
The last stage is the high pass filter, which reduces the noise and filters out low frequency signals arising from patient movement or respiration. Now that you know how an ECG is measured, let’s see how to construct a biopotential amplifier and process the data to get a clean ECG signal.
Having reviewed the main principals of electrocardiography, let’s see how to build a biopotential amplifier and acquire an ECG signal. To begin, first gather a proto-board, an AD-620 instrumentation amplifier, and all necessary circuit components. Then, calculate the values of all of the resistors and capacitors in the circuit using the following equation.
For the high pass filter, the cut off frequency should be 0.5 hertz.
Then, plug in the capacitor value to determine the resistance. Next, build a biopotential amplifier according to the provided diagram. Here is what the final circuit should look like. Attach three wires with alligator clips to the binding posts of a DC power supply, then turn on the power source. Adjust the voltage to plus five volts and minus five volts, and connect the the wires, in series, to the circuit.
Now, use an alcohol prep pad to wipe the patients right wrist, left wrist, and right ankle. Add conductive adhesive gel to the electrodes before placing them on the patient. Then, connect the electrodes to the circuit using wires with alligator clips. Turn on the oscilloscope and acquire the ECG signal. Adjust the horizontal and vertical scales as needed. With these adjustments, you should be able to see the R peak of the wave form.
Connect the circuit to the PXI chassis, then open the instrumentation software and, either, use or write a program that will display the ECG signal and a wave form graph.
Configure the data acquisition interface with the following settings. Label the scale of the x-axis to display time and seconds, then display the ECG signal as a waveform. If the signal needs to be amplified, create a gain control and set it so that the amplitude of the ECG is two VP.
Now that we have demonstrated how to acquire an ECG signal, let’s see how to analyze the results. Here is a representative ECG signal. The P, QRS, and T waves are barely discernible because they are obscured by noise and fluctuations. This signal needs to be filtered. To transform this signal, first, select Signal Processing then Spectral on the menu. A Fast Fourier Transform algorithm calculates and plots the spectrum of the signal displaying the frequency as discreet values on the horizontal axis. Most of the energy in the signal is at low frequencies.
But, there is a high intensity peak in the medium frequency range, which is assumed to be noise. Frequency is plotted as k on the horizontal axis and goes from zero to N minus one over two, where N is the length of the sequence. For this experiment, N equals 2,000. Calculate the analog frequency for each k value using the following equation, where f s is the sampling frequency and determine the frequency of the high intensity peak based on the FFT graph.
Then, create a low pass filter with a cutoff frequency of 100 hertz. Use, either, the Butterworth or Chebyshev function to filter the signal, which should attenuate at least 60 decibels per decade in the stop band. Connect the output signal of the data sub VI to the input of the low pass filter. This filter removes the extraneous high frequency waves of the ECG. Now, create a Bandstop filter and set the cutoff frequencies at around 55 and 70 hertz.
To remove the noisy signal, around 60 hertz. Then, connect the output of the low pass filter to the input of the Bandstop filter. Try border frequencies that are close to 60 hertz. This will reduce interference without effecting other frequencies. The ECG signal should now be clear with distinct P, QRS, and T complexes.
Now, let’s determine the heart rate using the filtered ECG signal. First, use the peak detector sub VI to find the peaks of the signal. Choose the most appropriate value based on the signals amplitude of the R wave for the threshold. Then, use the Index Array sub VI to determine the location of the peaks.
Subtract the lower peak position from the higher position, then multiply this value by the sampling period, T, which is equal to one over f s. This value is the length of time between two R waves. Adjust the units to determine the beats per minute.
In this demonstration, the measured heart rate was approximately 60 beats per minute.
ECG and signal processing have important applications in, both, medicine and research. In addition to being non-invasive, ECGs are relatively inexpensive. Making it a useful and accessible tool in hospitals. ECGs can even be adapted to more complex and longterm monitoring of patients who are being treated for Acute Coronary Syndrome.
For this, 12 ECG leads are used, which can identify transient myocardial ischemia in asymptomatic patients. Signal sampling and processing is also used in electroencephalography to measure electrical signals from the brain. EEGs are commonly used in conjunction with functional MRI as a multimodal imaging technique.
The method noninvasively generates cortical maps of brain activity for many neuroimaging applications, such as after visual or motor activation.
You’ve just watched Jove’s introduction to acquiring and analyzing ECG signals. You should now understand how an ECG signal is produced and how to create a biopotential amplifier to detect weak electrical signals. You have also seen some biomedical applications of signal processing for medical diagnosis.
Thanks for watching.