13E053AESAkvizicija elektrofizioloških signala

Elektrokardiografija

2019/2020

UNIVERZITET U BEOGRADU – ELEKTROTEHNIČKI FAKULTETKatedra za Signale i sisteme

Istraživačka grupa za Biomedicinsku Instrumentaciju i Tehnologije

http://www.who.int/gho/mortality_burden_disease/causes_death/top_10/en/

Primena:•Monitoring (bolnički, holter, sport)•Dijagnostika•Predikcija•Intraoperativno

SrceAkcioni potencijali na srčanom mišiću

Podsetnik

• P talas: sekvencijalna aktivacija (depolarizacija) leve i desne pretkomore

• QRS kompleks: depolarizacija leve i desne komore (simultano)

• ST-T talas: ventrikularna repolarizacija

PR interval: vremenski interval od početka depolarizacije pretkomora (P talas) do početka depolarizacije komora (QRS kompleks)

QT interval: interval ventrikularne depolarizacije i repolarizacije

RR interval: trajanje srčanog ciklusa (ventrikularnog)

PP interval: trajanje atrijalnog ciklusa

REZIME: EKG je signal sakarakterističnom morfologijom pričemu se razlikuje nekoliko pojava(talasa).

Akcioni potencijali srca na površini tela

Elektrokardiografski EKG signalPodsetnik

Srce kao dipol

Srce kao dipol

Ravni u odnosu na telo čoveka

Vektor odvodaLINEARNOST - F je linearno srazmerno amplitudi dipola

SUPERPOZICIJA

Potencijal F je skalarni proizvod vektora odvoda i vektora el. polja dipola :

Vektor odvoda

- opisuje kako dipol utiče na potencijal

Bipolarni odvodi

Waller, 188710 bipolarnih EKG odvoda

Einthoven, 19083 bipolarna EKG odvoda

STANDARDNI ODVODI

Standardni odvodi

Standardni odvodi

Standardni odvodi

EKG sabipolarnihodvoda

R-rightL-leftA-armF-foot

Odvod I: LA (+) - RA (-)

Odvod II: LF (+) - RA (-)

Odvod III: LF (+) - LA (-)

RA LA RA

LF

LA

LF

Standardni (bipolarni) odvodiFRONTALNA RAVAN

RF se povezuje na uzemljenje!

Preciznija merenja uzimaju uobzir nehomogenosti u građiljudskog grudnog koša ipostojanje distorzije signala.Jednakostranični trougao sezbog ovoga modifikuje, inaziva se Burgerov trougao.

U kliničkoj praksi se skoroisključivo koristi Einthovenovtrougao.

Burgerov trougao?

Unipolarni odvodi

Unipolarni odvodi

Unipolarni odvodi

Unipolarni odvodi

Unipolarni odvodi

Unipolarni odvodi

Augmentirani odvod u odnosu na:

R-rightL-leftA-armF-foot

Augmentirani (unipolarni) odvodiFRONTALNA RAVAN

Zajednički odvod za dve elektrodenazivamo indiferentni odvod, apotencijali koje merimo seoznačavaju saaVR, aVL i aVF, gde slovo "a" (od reči"augmented") označava povećansignal u odnosu na signal merenprema Wilsonovom CT.

Naponi augmentiranih odvoda semogu direktno povezati sastandardnim odvodima formulama:

aVR = -0.5 · (I+II),

aVL = 0.5 · (I-III),

aVF = 0.5 · (II+III).

2 odvoda sunezavisna!

RF se povezuje na uzemljenje!

EKG odvodi u frontalnoj ravni

Prekordijalni odvodi – transverzalna ravanWilson, 1944

RF se povezuje na uzemljenje!

RF

12 – odvodni sistemsagitalna frontalna

transverzalna

Vektor standardnih odvoda

...

Vektorska elektrokardiografija (VKG)

Nehomogenosti u teluonemogućuju da se zaistadobije precizanvektorkardiogram.

Najbolje standardizovanametoda je tzv. Frankovsistem postavljanjaelektroda.

Mreža otpornika imazadatak atenuacije ikompenzacije zanehomogenosti tela.

Vektorska elektrokardiografija (VKG)

Ezofagalno EKG merenje – sagitalna ravan

Koristi se za utvrđivanje stanjasrčanog mišića u infarktnom ipredinfarktnom stanju.

Elektroda se kateterom postavljau ezofagus kroz nozdrvu.

Obavezno i referentna elektrodana masu pojačavača!

indiferentnaelektroda

Standardi za EKG merenja

B=(0.2-100 Hz)

Standardni EKG uređaj

Standardni EKG uređaj

pojačanje200 – 2000

CMRR ≥ 60 dB

+

_

+

+

filtri A/D

A/D konverzija: ≥ 12−bitsFrekvencija odabiranjafs >200 Hz

fg = 0.2 - 100 HzNotch filter

Ulazna impedansa za diferencijalni signal:>10 MΩ

elektroda 1

elektroda 2

Ulazna impedansa za signal sr. vrednosti:100 - 200 MΩ

diff

1diff

2

Izlazna impedansa:~100 Ω

Standardni EKG uređaj

Smetnje pri EKG snimanju

Diferencijalni pojačavač, uzemljenje, DRL kola!

Upredanje parica!

Izbor elektroda!

Smetnje pri EKG snimanju

Frekvencijska distorzija EKG zapisa:a) dobar zapis, b) nisu dovoljnopojačane visoke učestanosti, i c) nisupojačane niske učestanosti.

Odgovarajuće filtriranje!

Vout=VEKGmajka -VEKGfetusa

EKG fetusa

EKG merenje majke i fetusaEKG majke

Blondheim-ovakonfiguracijasa 6 elektroda

KOMPARATOR Vcc

0 VIN

VREF

PROBLEM: male promene Vin

u okolini Vref dovodedo promene Vout

sa -VCC na VCC, ili obrnuto

KOMPARATOR

KOMPARATOR SA HISTEREZISOM

REŠENJE: dodavanje otpornika RLower i RFB.

ΔV zavisi od odnosa RLOWER i RFB.

(Šmitov triger)

http://www.labbookpages.co.uk/electronics/resNetworks/comparator.html

Detekcija QRS kompleksa softverski:

Pan Tompkins algoritam

https://www.mathworks.com/matlabcen

tral/fileexchange/45840-complete-pan-

tompkins-implementation-ecg-qrs-

detector

Zaštita pacijenta

Zaštita pacijenta

U slučaju istovremene primene stimulatora – galvansko odvajanje!

Driven Right Leg (DRL) kolo

R0

Ra

Ra

v = ?

Driven Right Leg (DRL) kolo

v = ?

v = vcm

signal sr.vrednosti

Kolo za potiskivanje signala srednje vrednosti

Driven Right Leg (DRL) kolo

+

+

-

RRL

id

Ro

Rf

id

uo/Rf2ucm/Ra

Ra/2

uo

ucm

cm

a

f

o

f

o

a

cm

vR

Rv

R

v

R

v

2

02

-

af

dRLcm

odRLcm

RR

iRv

viRv

/21

Ra = 25 k, RRL= 100 kRf = 5 Mid = 0.2 mA

vcm=50 mV

ucm

Driven Right Leg (DRL) kolo

INA114www.burr-brown.com

Driven Right Leg (DRL) kolo

ulaz

Izolacioni pojačavač

otpornička mreža za uklanjanje ofseta

DRL kolo

vcm DIF. POJAČAVAČ

NE

UT

RA

LN

A

TA

ČK

ADriven Right Leg (DRL) kolo

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1564053/

High Resolution ECG

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1564053/

High Resolution ECG

Heart rate variability (HRV)

Iz master rada Borisa Milićevića, 2018

Respiratorna sinusna aritmija

http://www.recoveryaftertraining.net/heart-rate-variability/

Heart rate variability (HRV)https://physionet.org/tutorials/hrv-toolkit/https://www.kubios.com/Softveri za HRV analizu:

Iz master rada Borisa Milićevića, 2018

Poincare plot (Poincare grafik) predstavlja geometrijski prikaz vremenske serije udvodimenzionalnoj ravni. Tačke na grafiku predstavljaju duplete vrednosti izvremenske serije. Važan parametar za Poincare plot jeste kašnjenje (eng. lag) ipredstavlja udaljenost između odbiraka u dupletu (ukoliko je lag = 1 duplet sadržisusedne odbirke, ukoliko je lag = 2 onda duplet sadrži odbirke između kojih senalazi 1 odbirak... ).

Heart rate variability (HRV)

lag=1

SD1, SD2 – pokazateljiaktivnosti parasimpatičkog nervnog sistema

Primer primene: detekcija pospanosti.

Iz master rada Dalibora Veljkovića, 2018

Heart rate variability (HRV)

HF: mera aktivnosti parasimpatikusa

LF: mera aktivnosti simpatikusa

LF/HF odnos – indikator stresa (<2 za zdrave)

Elektrodermalna aktivnostElectroDermal Activity (EDA)Galvanic Skin Response (GSR)

Stres – lučenje hormona adrenalina –povećanje protoka krvi – luči se znoj – provodnost kože raste.

https://www.mindfield.de

Primer primene:-detekcija laži-biofeedback

Iz diplomskog rada Ane Bogdanović, 2018

Elektrodermalna aktivnost

https://wiki.pumpingstationone.org/Biosensor_Array_Galvanic_Skin_Response

https://www.tobiipro.com/