Захват слабых сигналов электрокардиограммы в медицине

Измерительная задача

Электрокардиограмма (ЭКГ) широко используется в медицине для контроля небольших изменений электрических характеристик кожного покрова тела человека, обусловленных работой сердца. Это простое и неинвазивное измерение позволяет легко диагностировать разнообразные болезни сердца. Медицинская промышленность создает специализированное диагностическое оборудование. Для разработки и верификации этого оборудования требуются точные осциллографы.

Контрольно-измерительное решение

ЭКГ-оборудование обычно содержит 12 электродов, которые подсоединяются к груди, рукам и ногам человека. Напряжение измеряется между различными точками соединения. В этом документе описывается сигнал с электрода 1, который представляет собой напряжение между левой и правой руками.

На рисунке слева показан этот сигнал (электрод 1), который повторяется с частотой сердечных сокращений. Сигнал начинается с зубца P, который инициирует цикл, продолжается интервалом QRS и завершается зубцом T. Помехонасыщенная среда, несимметричное подключение электродов и низкая амплитуда сигнала создают определенные трудности для инженера по испытаниям. Обычно уровень сигнала ниже 1 мВ, а частота повторений соответствующего сердечным сокращениям сигнала изменяется от 40 до 220 ударов в минуту.

В типовой установке для усиления сигнала требуется усилитель, с которым связаны дополнительный шум, зависящая от канала задержка и погрешность смещения. Для уменьшения шума нельзя использовать усреднение сигнала, поскольку сигнал не является строго периодическим, и важная информация может быть утрачена. На графике показан пример последовательности импульсов с непериодическими искажениями, на основании которых медицинский персонал получает важные признаки определенных заболеваний.

Обычно амплитуда сигнала ЭКГ равна 1 мВ или менее в зависимости от точки измерения при полосе пропускания < 10 кГц. Захват и анализ этих сигналов непосредственно на осциллографах затруднены ввиду малой амплитуды.

Однако цифровой осциллограф R&S^®RTE оснащен основными функциями для непосредственного подробного анализа сигналов.

Применение

На снимке экрана показан сигнал ЭКГ, захваченный прибором R&S^®RTE в стандартной конфигурации. Из-за высокого уровня шума зубцы P и T видны с трудом.

Чтобы улучшить захваченный сигнал, задается вертикальный масштаб 500 мкВ/деление без ограничения масштабирования или полосы пропускания. Это уникальная возможность для данного класса осциллографов. Режим HD используется с пределом полосы пропускания 10 кГц.

В результате значительно повышается разрешение и чувствительность запуска, которая требуется, чтобы фиксировать четкие и стабильные сигналы для последующего анализа.

Использование тестирования по маске для простого обнаружения медицинских признаков

С использованием этого стабильного сигнала можно выполнять дополнительные тесты. Например, тестирование по маске позволяет легко обнаружить ряд медицинских признаков в искаженном сигнале. Можно применять различные маски для тестирования на предмет определенных признаков. На снимке экрана показан сигнал ЭКГ здорового человека с результатом тестирования по маске. Белая зона вокруг осциллограммы сигнала соответствует допустимой области. Окрашенные зоны (верхняя и нижняя) соответствуют верхней и нижней маскам.

Производительность, указанная как 1 кадр/с и 1 цикл сбора данных/св значке производительности, соответствует частоте сердечных сокращений 60 ударов в минуту. В этой установке прибор R&S^®RTE осуществляет запуск, сбор данных и обработку для каждого отдельного импульса. Время сбора данных занимает 80%от периода 1 с, для обработки остается всего 200 мс. Этот пример демонстрирует превосходную производительность R&S^®RTE.

Сравнение с современным конкурирующим осциллографом с высоким разрешением

В аналогичной измерительной установке вместо R&S^®RTE использовался конкурентный 10-разрядный осциллограф с высоким разрешением. Ниже на снимке экрана представлен результат измерения при включенном режиме высокого разрешения HighRes и наименьшем разрешении по вертикали 1 мВ/деление.

Амплитуда сигнала меньше чувствительности запуска, поэтому запуск осциллографа по сигналу невозможен. Чтобы сделать сигнал видимым на снимке экрана, послесвечение экрана увеличивается до нескольких секунд. Уровень запуска показан голубой пунктирной линией. Предыдущие осциллограммы отображаются затененными (1).

Фильтр, применяемый при цифровой постобработке сигнала, обладает недостаточной полосой пропускания, поэтому пики из измерительной установки не отфильтровываются (2). Число 3 указывает на шум и ограниченную вертикальную шкалу 1 мВ/дел. Как следствие, P-зубец сигнала едва виден и погружен в шум.

Заключение

Осциллограф R&S^®RTE — это лучший выбор для анализа малых сигналов (например, сигналов ЭКГ) с высокой точностью измерения сигналов. Он отлично подходит для применения в медицине. Входной каскад обеспечивает превосходные низкие уровни шума и наименьший в своем классе вертикальный масштаб 500 мкВ. Для анализа не требуются дополнительные схемы. В режиме HD повышается разрешение по вертикали и чувствительность запуска, а также уменьшается мощность внутриполосного шума. В результате пользователь может фиксировать важные для анализа детали сигнала. Осциллограф R&S^®RTE превосходит конкурентные осциллографы с высоким разрешением.