Acquisire segnali ECG di ampiezza ridotta in applicazioni mediche

Attività da eseguire

L'elettrocardiogramma (ECG) è un esame diagnostico molto usato in medicina per monitorare piccole variazioni elettriche sulla pelle del corpo di un paziente provenienti dalle attività del cuore umano. Questa misura semplice e non invasiva permette di diagnosticare facilmente una grande varietà di malattie cardiache. L'industria medicale costruisce apparecchiature dedicate che aiutano nella diagnosi. La progettazione e la verifica di queste apparecchiature richiedono l'utilizzo di oscilloscopi molto precisi.

Soluzione di misura e collaudo

Lo strumento per l'ECG ha tipicamente 12 sensori, che vengono collegati al torace umano, alle braccia e alle gambe. La tensione viene misurata tra i diversi punti di connessione. Questo articolo descrive l'esempio del segnale della connessione 1, che è la tensione rilevata tra braccio sinistro e destro.

La figura a sinistra mostra questo segnale (connessione 1), che si ripete con il ritmo del battito cardiaco. Inizia con un'onda P, che avvia il ciclo, continua con il complesso QRS e termina con l'onda T. Per un tecnico addetto ai test, l'ambiente rumoroso, il collegamento riferito a massa (single-ended) delle connessioni e la bassa ampiezza del segnale rappresentano una sfida. I livelli tipici sono inferiori a 1 mV, mentre la frequenza di ripetizione del segnale del battito cardiaco è compresa tra i 40 e i 220 battiti/minuto (bpm).

In una configurazione tipica di misura è necessario utilizzare un amplificatore, con l'inconveniente di introdurre rumore aggiuntivo, un ritardo specifico su ogni canale e un errore di offset. Inoltre, non è possibile utilizzare il processo di media delle forme d'onda per ridurre il rumore, in quanto il segnale non è ripetitivo e, pertanto, andrebbero perse informazioni importanti. Il diagramma mostra un esempio di una sequenza di impulsi con disturbi non periodici, che fornisce al personale medico preziose indicazioni su malattie specifiche.

L'ampiezza tipica del segnale ECG è 1 mV o inferiore, a seconda del punto di misura, con una larghezza di banda < 10 kHz. A causa dell'ampiezza ridotta, l'acquisizione e l'analisi di questi segnali direttamente con gli oscilloscopi sono difficili.

Tuttavia, l'oscilloscopio digitale R&S^®RTE offre funzionalità chiave per l'analisi diretta e approfondita del segnale ECG.

Applicazione

L'immagine mostra un segnale ECG acquisito con l'oscilloscopio R&S^®RTE in una configurazione standard. Il segnale ha un elevato livello di rumore, le onde P e T sono appena visibili.

Per migliorare il segnale acquisito, la scala verticale è impostata a 500 μV/div senza limiti di zoom o di larghezza di banda. Questa è una caratteristica unica per questa classe di oscilloscopi. La modalità HD viene utilizzata con un limite di banda di 10 kHz.

Questa configurazione aumenta significativamente la risoluzione, ma migliora anche la sensibilità del trigger, necessaria per ottenere un'acquisizione pulita e stabile del segnale per ulteriori analisi.

Utilizzo di test con maschera per una facile individuazione di indicazioni mediche

Possono essere eseguite ulteriori prove utilizzando questo segnale stabile. Ad esempio, un test con maschera rileva facilmente diverse indicazioni mediche che appaiono in un segnale distorto. Per la ricerca di indicazioni specifiche possono essere applicate diverse maschere. La schermata mostra il segnale ECG con il test con maschera associato, proveniente da una persona sana. L'area bianca attorno alla traccia del segnale è l'area ammissibile; le aree colorate (sopra e sotto) sono le maschere superiore e inferiore.

Si noti la prestazione indicata come 1 frame/s e 1 acquisizione/snell'icona performance, che equivale a un battito cardiaco di 60 bpm. In questa configurazione, l'oscilloscopio R&S^®RTE aggancia, acquisisce ed elabora ogni singolo impulso, anche se il tempo di acquisizione occupa l’ 80 %del periodo di 1 s, lasciando solo 200 ms per l'elaborazione. Questo esempio mostra le eccellenti prestazioni dell'oscilloscopio R&S^®RTE.

Confronto con un oscilloscopio moderno ad alta risoluzione della concorrenza

In una configurazione di misura identica, l'oscilloscopio R&S^®RTE è stato sostituito con un oscilloscopio ad alta risoluzione a 10 bit della concorrenza. La schermata seguente mostra il risultato della misura con modalità HighRes abilitata e la minima risoluzione verticale disponibile di 1 mV/div.

In questo caso, l'ampiezza del segnale è inferiore alla sensibilità del trigger, quindi l'oscilloscopio non riesca ad agganciarsi sul segnale. Per renderlo visibile in una schermata, la persistenza viene aumentata ad alcuni secondi, e il livello di trigger è mostrato come una linea azzurra tratteggiata. Le tracce precedenti sono visibili come ombre (1).

Il filtro applicato, implementato nella sezione di post-elaborazione digitale del segnale, dispone di una larghezza di banda insufficiente a eliminare i picchi dal sistema di misura (2). Il numero 3 indica il rumore e la scala verticale limitata di 1 mV/div. Di conseguenza, l'onda P del segnale è appena visibile ed è immersa nel rumore.

Riassunto

L'oscilloscopio R&S^®RTE è la scelta migliore per l'analisi ad alta fedeltà di piccoli segnali, come i segnali ECG. È l'ideale per applicazioni medicali. Lo stadio d'ingresso offre valori di rumore bassissimi e con 500 μV la scala verticale più bassa della sua categoria. L'analisi non richiede circuiteria addizionale, e la modalità HD aumenta la risoluzione verticale, migliora la sensibilità del trigger e riduce la potenza del rumore in banda. Ciò permette di acquisire tutti i dettagli del segnale che sono importanti per l'analisi medica. L'oscilloscopio R&S^®RTE è superiore, in questo aspetto, agli oscilloscopi ad alta risoluzione della concorrenza.