Menerima sinyal EKG pada PC dan menyentuh pada EEG

Dalam pekerjaan saya pada disertasi, tugas saya adalah mendapatkan sinyal EEG. Ini adalah sinyal listrik yang sangat lemah dari permukaan korteks serebral, yang menembus jaringan tulang dan lapisan epidermis. Dibandingkan dengan EEG, ada sinyal listrik yang lebih kuat - EKG. Pada artikel ini saya akan memberi tahu Anda tentang perangkat keras dan perangkat lunak yang dengannya sinyal ECG dibaca dan saya akan menganalisis perangkat kerasnya. Artikel ini mungkin bermanfaat bagi orang-orang yang juga bekerja ke arah ini.

Di jantung papan baca EKG adalah op-amp instrumental. Ada banyak IC seperti itu di pasaran. Beberapa didasarkan pada teknologi CMOS (misalnya, INA321 ~ 170 rubel), yang lain pada transistor bipolar (misalnya, AD620 - 450 rubel).
Ketika membandingkan parameter opamp dalam hal sensitivitas terhadap sinyal input, yang bipolar menang, sedangkan yang lapangan menang dalam harga dan konsumsi saat ini. INA321 dipilih untuk pembacaan EKG.
Karakteristik teknis utama dari INA321 TKI:
1. Tegangan suplai adalah unipolar Vcc +5 V.
2. Konsumsi saat ini adalah 45 μA (maks).
3. Microcircuit dibuat sesuai dengan teknologi CMOS.
4. Nilai penolakan gangguan mode umum: 95dB.
5. Penguatan sinyal diferensial dari 5 hingga 500 kali, ditentukan oleh pembagi resistif eksternal.
6. Tingkat kebisingan intrinsik: 10 uV.

Dalam deskripsi teknis tentang IC, diagram skematik untuk EKG diberikan. Untuk mendigitalkan sinyal, kita akan menggunakan chip suara dari motherboard PC ALC662 (atau serupa). Dengan menggabungkan diagram sirkuit dari dua perangkat, kami memperoleh rangkaian berikut:

Gbr. 1 Diagram skematis
Karena sinyal EKG tidak berfrekuensi tinggi, frekuensi pengambilan sampel perangkat suara lebih dari cukup. Ketika mengukur tegangan rendah seperti EEG dan EKG, opamps diatur untuk memperkuat sinyal ribuan kali. Tetapi amplifikasi ini dilakukan bukan pada satu op-amp, tetapi dalam kaskade. Dengan demikian, papan perangkat didasarkan pada INA321 dan op amp LM358 tujuan umum.

Fig. 2 Lokasi voltase terukur
Gain total yang dapat disesuaikan dari papan menurut perhitungan adalah dari 1200 hingga 3300 kali (penyesuaian dengan menyetel resistor). Papan dirancang sedemikian rupa sehingga memiliki berbagai perubahan dalam perolehan dan pada nilai minimum 1200 kali sesuai dengan papan yang dengannya sinyal ECG diterima dari tubuh manusia. Papan dibuat menggunakan teknologi LUT. USB hanya digunakan untuk daya, sinyal ditransmisikan melalui 3,5 jeck.

Fig. 3 Papan untuk EKG. Tampak atas
Sinyal dari papan, setelah amplifikasi, dikirim ke chip suara motherboard PC, didigitalkan, diproses oleh driver, dan kemudian ditransmisikan ke program akhir untuk diproses.

Fig. 4 titik koneksi elektroda
Menurut skema standar menghubungkan elektroda untuk membaca EKG, dua elektroda ditempatkan di pergelangan tangan dan diperbaiki di sana, dan elektroda ketiga terletak di kaki untuk menerapkan tegangan referensi untuk itu. Elektroda terbuat dari karet busa dengan kelongsong kertas timah dengan luas ~ 2 cm2 dan dibasahi dengan salin untuk menurunkan ketahanan stratum korneum epidermis.

Fig. 5 Elektroda untuk
merekam sinyal ECG . Sound Forge Pro 11 digunakan untuk merekam sinyal (suara) .Setelah merekam pengujian pertama, hasilnya adalah sebagai berikut:

Gambar. 6 Grafik EKG pertama bukanlah EKG sama sekali.
Setelah modifikasi perangkat keras, pengaturan program dan driver, dan tarian lainnya dengan rebana, kami masih berhasil mendapatkan EKG yang stabil.

Gambar 7. Contoh-contoh grafik EKG yang diperoleh.
Di atas adalah sumbu waktu, yang memungkinkan Anda menghitung frekuensi denyut per menit. Hasil penghitungan yang diperoleh mengkonfirmasikan bahwa grafik yang diamati adalah denyut ECG - 75 per menit yang direkam dengan periodisitas yang jelas antara ketukan tetangga 0,8 detik. Grafik ini didigitalkan dalam resolusi - 8bit, frekuensi pengambilan sampel - 8kHz. Meskipun untuk frekuensi 75 Hz, pengambilan sampel pada 8 kHz agak banyak.
Program Sound Forge memiliki kemampuan untuk memproses trek yang direkam menggunakan plugin XFX. Dengan pengaturan tertentu dalam program, dimungkinkan untuk menekan tip 50Hz, setelah itu grafik menjadi lebih mirip dengan yang diperoleh saat merekam EKG di rumah sakit.
Misalnya, grafik awal:

Setelah menerapkan efek equalizer ke grafik:

Karena sinyal kami didigitalkan ke dalam soundtrack, dimungkinkan untuk menyimpan dan mendengarkannya. Sinyal yang didengar sangat mirip dengan suara yang didengar seseorang ketika dia mendengarkan denyut nadi melalui stetoskop, misalnya, ketika mengukur tekanan.
Saat membaca sinyal, perlu selalu memastikan kontak semua elektroda dengan tubuh. Larutan garam tidak cocok untuk ini. Tanda kehilangan kontak dan, karenanya, peningkatan resistensi antara elektroda dan kulit adalah peningkatan 50-55 Hz gangguan pada grafik dan hilangnya ritme.

Fig. 8 Kehilangan sinyal dan amplifikasi noise.
Fluktuasi tegangan suplai juga ditangkap dengan baik oleh sirkuit. Suara-suara dalam tegangan suplai mengubah nilai tegangan referensi, yang harus stabil mungkin, karena itu disuplai ke tubuh dan sinyal diterima relatif terhadap itu. Osilasi tegangan referensi ditumpangkan pada sinyal yang direkam dan diperkuat oleh opamp, dicetak pada grafik yang dihasilkan. Ketika papan beralih ke daya baterai, kebisingan dari tegangan suplai terasa lebih lemah.

Fig. 9 Suara dalam tegangan suplai saat ditenagai oleh listrik dan baterai (satu grafik).
Juga memperhitungkan bahwa ada noise IC yang dihasilkan sendiri. Misalnya, menurut dokumentasi teknis pada INA321, grafik dari kebisingannya sendiri, meskipun jauh lebih lemah daripada sinyal EKG:

Gbr. 10 grafik gangguan tegangan INA321
Masalahnya adalah bagaimana membedakan bahwa jadwal EEG yang direncanakan di masa depan bukan kebisingan IC sendiri atau yang lainnya? Grafik EKG ternyata, tetapi kita tahu bagaimana tampilannya. Dan seperti apa seharusnya sinyal EEG? Saat menerima sinyal EEG, ada risiko mendapatkan sinyal yang salah sama sekali dan menghabiskan banyak waktu untuk itu.

Kesimpulan
Penerimaan sinyal EEG pada akhirnya diperlukan untuk membuat antarmuka komputer-otak. Ini adalah tugas yang sulit dan banyak lembaga di seluruh dunia yang terlibat di dalamnya. Saya tidak tahu bagaimana proses penelitian mereka diatur, tetapi saya harus bekerja berdasarkan prinsip saya sendiri dan membuat papan benar-benar "berlutut", yang memberi saya pengerasan, dan kemudian di laboratorium semuanya akan tampak begitu mudah dilakukan.

Source: https://habr.com/ru/post/id388011/