Recebendo sinal de ECG em um PC e tocado em um EEG

No meu trabalho na dissertação, minha tarefa é obter um sinal de EEG. Este é um sinal elétrico muito fraco da superfície do córtex cerebral, que rompe o tecido ósseo e as camadas da epiderme. Comparado com o EEG, há um sinal elétrico mais forte - o ECG. Neste artigo, falarei sobre o hardware e o software com os quais o sinal de ECG foi lido e analisarei o hardware. O artigo pode ser útil para pessoas que também estão trabalhando nessa direção.

No coração do painel de leitura de ECG está um amplificador operacional instrumental. Existem muitos CIs no mercado. Alguns são baseados na tecnologia CMOS (por exemplo, INA321 ~ 170 rublos), outros em transistores bipolares (por exemplo, AD620 - 450 rublos).
Ao comparar os parâmetros opamp em termos de sensibilidade ao sinal de entrada, os bipolares vencem, enquanto os de campo vencem no preço e no consumo atual. Um INA321 foi selecionado para leitura do ECG.
As principais características técnicas do INA321 IOW:
1. A tensão de alimentação é unipolar Vcc +5 V.
2. O consumo de corrente é de 45 μA (máx).
3. O microcircuito é fabricado de acordo com a tecnologia CMOS.
4. Valor de rejeição de interferência no modo comum: 95dB.
5. O ganho do sinal diferencial de 5 a 500 vezes, determinado por um divisor resistivo externo.
6. Nível de ruído intrínseco: 10 uV.

Na descrição técnica do CI, é apresentado um diagrama esquemático do ECG. Para digitalizar o sinal, usaremos o chip de som da placa-mãe do PC ALC662 (ou similar). Combinando os diagramas de circuito dos dois dispositivos, obtivemos o seguinte circuito:

Fig. 1 Diagrama esquemático
Como o sinal de ECG não é de alta frequência, a frequência de amostragem do dispositivo de som é mais que suficiente. Ao medir tensões baixas como EEG e ECG, os opamps são configurados para amplificar o sinal milhares de vezes. Mas essa amplificação é feita não em um amplificador operacional, mas em uma cascata. Consequentemente, a placa do dispositivo é baseada no INA321 e no amplificador operacional de uso geral LM358.

Fig. 2 Localização das tensões medidas
O ganho total ajustável da placa de acordo com os cálculos é de 1200 a 3300 vezes (ajuste por resistores de sintonia). A placa é projetada de tal maneira que possui uma ampla gama de alterações no ganho e, no valor mínimo de 1200 vezes, corresponde às placas com as quais o sinal de ECG é recebido do corpo humano. A placa é feita usando a tecnologia LUT. USB é usado apenas para energia, o sinal é transmitido através de 3,5 jeck.

Fig. 3 Placa para ECG. Vista superior
O sinal da placa, após amplificação, é enviado ao chip de som da placa-mãe do PC, digitalizado, processado pelo driver e depois transmitido ao programa final para processamento.

Fig. 4 pontos de conexão do eletrodo
De acordo com o esquema padrão de conexão dos eletrodos para leitura do ECG, dois eletrodos são colocados no pulso e fixados no mesmo, e o terceiro eletrodo está localizado na perna para aplicar tensão de referência a ele. Os eletrodos foram feitos de espuma de borracha com revestimento de folha com uma área de ~ 2 cm2 e foram umedecidos com solução salina para diminuir a resistência do estrato córneo da epiderme.

Fig. 5 Eletrodos para
gravação do sinal de ECG O Sound Forge Pro 11 foi usado para gravar o sinal (som) Após a primeira gravação de teste, o resultado foi o seguinte:

Fig. 6 O primeiro gráfico de ECG não é um ECG.Depois de
modificações de hardware, configurações de programa e driver e outras danças com um pandeiro, ainda conseguimos um ECG estável.

Fig. 7. Exemplos de gráficos de ECG obtidos.
Acima está o eixo do tempo, que permite calcular a frequência de batimentos por minuto. Os resultados obtidos da contagem confirmam que o gráfico observado é um ECG - 75 batimentos por minuto, com uma periodicidade clara entre os batimentos vizinhos de 0,8 s. O gráfico foi digitalizado em resolução - 8 bits, frequência de amostragem - 8kHz. Embora para uma frequência de 75 Hz, a amostragem a 8 kHz seja um pouco demais.
O programa Sound Forge tem a capacidade de processar a faixa gravada usando plug-ins XFX. Com uma determinada configuração no programa, é possível suprimir uma ponta de 50Hz, após o que o gráfico se torna mais semelhante ao obtido ao gravar um ECG em um hospital.
Por exemplo, o gráfico inicial:

Depois de aplicar o efeito equalizador ao gráfico:

Como nosso sinal é digitalizado na trilha sonora, é possível salvá-lo e ouvi-lo. O sinal ouvido é muito parecido com o som que uma pessoa ouve quando ouve um pulso através de um estetoscópio, por exemplo, ao medir a pressão.
Ao ler um sinal, é necessário garantir constantemente o contato de todos os eletrodos com o corpo. A solução salina não é adequada para isso. Um sinal de perda de contato e, consequentemente, um aumento na resistência entre o eletrodo e a pele é um aumento de 50-55 Hz de interferência no gráfico e a perda de ritmo.

Fig. 8 Perda de sinal e amplificação de ruído.
Flutuações na tensão de alimentação também são muito bem capturadas pelo circuito. Os ruídos na tensão de alimentação alteram o valor da tensão de referência, que deve ser o mais estável possível, porque é fornecida ao corpo e um sinal é recebido em relação a ele. As oscilações da tensão de referência são sobrepostas no sinal gravado e amplificadas pelo opamp, impressas no gráfico resultante. Quando a placa muda para a energia da bateria, o ruído da tensão de alimentação é notavelmente mais fraco.

Fig. 9 Ruídos na tensão de alimentação quando alimentados por rede elétrica e bateria (um gráfico).
Também leve em consideração que há ruído de IC gerado próprio. Por exemplo, de acordo com a documentação técnica do INA321, o gráfico de seu próprio ruído, embora seja muito mais fraco que o sinal de ECG:

Fig. Gráfico de ruído de tensão de 10 INA321
O problema é como distinguir que o cronograma planejado futuro do EEG não é seu próprio ruído de IC ou outro? O gráfico do ECG acabou, mas sabemos como deve ser. E como deve ser o sinal de EEG? Ao receber um sinal de EEG, existe o risco de receber o sinal errado e gastar muito tempo com ele.

Conclusão
O recebimento de um sinal de EEG é necessário para criar uma interface cérebro-computador. Essa é uma tarefa difícil e muitas instituições ao redor do mundo estão envolvidas nela. Não sei como o processo de pesquisa é organizado, mas tenho que trabalhar com meus próprios princípios e criar pranchas literalmente "de joelhos", o que me fortalece e, em laboratório, tudo parece tão fácil de fazer.

Source: https://habr.com/ru/post/pt388011/