EKG (ELECTROCARDIOGRAM) Jozef Janáčik, Miroslav Kelemen KTK FRI ŢU v Ţiline Univerzitná 1, 010 08 Ţilina, Slovenská republika email: jozefkojanacik@gmail.com, kelemen.miroslav@gmail.com Abstrakt: Článok sa zaoberá stručným popisom projektu EKG, konkrétne popisom samotného zariadenia, jeho hardvérových a softvérových prostriedkov. Súčasťou je aj oboznámenie s cieľmi projektu a využitím v praxi. Kľúčové slová: Freescale, EKG, ECG, electrocardiogram, elektrokardiogram. 1 Úvod Prezentovaný projekt predstavuje ukáţku prístroja na meranie jedného EKG signálu. Zariadenie je postavené na báze vývojového modulu od spoločnosti Freescale Semiconductor. K modulu je pripojená DPS s navrhnutým EKG zvodom, jeho zosilnením a filtráciou. Signál spracovaný mikrokontrolérom sa cez USB prenáša do PC, kde sa potom ďalej filtruje a vykresľuje pomocou vytvoreného softvéru. Softvér umoţňuje viacero funkcií ako ukladanie signálu do súboru, aplikáciu rôznych filtrov (napr. 50Hz zo siete) ale aj spektrálnu analýzu signálu. 2 Popis úlohy Vytvoriť zariadenie schopné snímať, zobrazovať a zaznamenávať srdcový EKG priebeh Úloha zahŕňa: návrh EKG (elektrokardiogramu) moţnosť zobrazenia EKG priebehu v reálnom čase moţnosť záznamu EKG priebehu do súboru komunikácia prostredníctvom USB (príp. Ethernet) návrh HTTP servera pre moţnosť kontroly EKG priebehu so vzdialených miest prostredníctvom internetu 3 Teoretické poznatky EKG (Elektrokardiogram) je prístroj na zaznamenávanie bioelektrických potenciálov v súčasnosti sa vyuţívajú 12-zvodové EKG prístroje 3.1 Popis EKG zvodov 3 bipolárne končatinové zvody - I, II, III 3 unipolárne zosilnené zvody - avr, avl, avf 6 unipolárnych hrudných zvodov - V1-6
Princíp EKG zvodov: Základom sú prvé 3 končatinové zvody I, II, III. Tieto zaznamenávajú rozdiely elektrických potenciálov medzi dvoma miestami ľudského tela (elektródami). Ostatných 9 zvodov vyuţíva kombinácie prepojenia končatinových elektród. Pouţívajú len jednu (exploratívnu) elektródu, pričom počítajú rozdiel potenciálu k indiferentnej elektróde, ktorá je tvorená spojením určitých končatinových elektród. Končatinové zvody I, II, III [1]: zvod I: + ľavá ruka pravá ruka zvod II: + ľavá noha pravá ruka zvod III ( = zvod II zvod I ): + ľavá noha ľavá ruka 3.2 Popis EKG priebehu Srdcová frekvencia z intervalu RR: 60/trvanie RR v sekundách, normálne 60-80 min. Trvanie vlny P od začiatku vlny P do konca vlny P, normálne 60-100 ms. Interval PQ od začiatku vlny P po začiatok komplexu QRS, normálne 120-200 ms. Šírka QRS od začiatku do konca komorového komplexu, normálne 60-100 ms. Interval QT od začiatku komplexu QRS do konca vlny T, jeho dĺţka závisí na srdcovej frekvencii a preto sa obvykle vyjadruje ako QTC, tj. pri frekvencii 60 /min, normálna hodnota QTC je 0,340-0,420 s, ale môţe sa predlţovať s vekom. Obr. 3.1. Popis EKG priebehu
4 Hardware Hardware pozostáva z EKG modulu a vývojového modulu MC56F8006 s DSC 56800E od spoločnosti Freescale. Navrhnutý EKG modul slúţi na meranie jedného z prvých troch končatinových EKG zvodov, ktoré boli spomenuté v predchádzajúcej kapitole. Pre testovanie sa vyuţíval prvý končatinový EKG zvod, kde sa meria rozdiel elektrických potenciálov medzi pravou a ľavou rukou pacienta. Celý návrh je tvorený z obvodov pre meranie EKG priebehu, z obvodov pre filtráciu nametaného priebehu a z obvodu pre vytvorenie vnútenej zeme na elektróde pravej nohy. K zariadeniu sa pripájajú tri zvodové káble s lekárskymi elektródami. Pre výpočet zvodov, resp. elektrických potenciálov medzi elektródami boli pouţité prístrojové operačné zosilňovače AD620 od spoločnosti Analog Devices. Celý modul je napájaný adaptérom, prípadne tromi tuţkovými (AA) batériami. Obr. 4.1. Všeobecná schéma EKG modulu s jedným zvodom [2] Výstup znázornený na obrázku je zároveň vstupom do AD prevodníka na Freescale DSC na vývojovom module. Signál spracovaný prevodníkom postupuje z vývojového modulu prostredníctvom USB rozhrania priamo do počítača, kde je ďalej spracovaný a zobrazený softvérovou aplikáciou. Pre návrh a predbeţnú simuláciu EKG modulu bolo pouţité návrhové prostredie Circuit Maker 2000. Doladenie navrhnutej filtrácie signálu bolo prevedené za pomoci prostredí MATLAB v7.4.0 (R2007a) a Texas Instruments FilterPro v2. DSP pre modul na meranie EKG priebehu bola vytvorená za pomoci vývojového prostredia Eagle v5.2.0. 5 Software Software bol navrhnutý vo vývojovom prostredí Microsoft Visual Studio C# a riadenie mikrokontroléra v prostredí Freescale CodeWarrior. Zariadenie je schopné komunikácie cez rozhrania USB, príp. Ethernet. PC software je tvorený aplikáciou EKG Logger, ktorá poskytuje mnoţstvo nástrojov pre manipuláciu so zobrazovaným priebehom.
5.1 EKG Logger Základný prvok, vďaka ktorému je moţné prijímaný signál zobraziť v reálnom čase na monitore počítača. Súčasne sú zobrazované tri priebehy, ktoré môţu predstavovať aţ tri základné končatinové EKG zvody, prípadne jeden zvod zobrazený tromi odlišnými spôsobmi. Vizualizácia signálov je postavená na technológii DirectX, vďaka čomu je pre zobrazovanie vyuţitý grafický procesor, čo zabezpečuje vysoký výkon pri vykresľovaní priebehu signálu. Software zahŕňa aj ďalšie funkcie: zobrazovanie EKG priebehu moţnosť výberu komunikačného portu komunikácia cez Ethernet (výberom IP adresy) výpočet srdcového pulzu pomocou autokorelácie záznam EKG priebehu do súboru nastavenie časovej základne softvérová filtrácia prijímaného signálu spektrálna analýza prijímaného signálu úprava zosilnenia signálu a zobrazovanej úrovne signálu Obr. 5.1. Aplikácia EKG Logger pre zobrazovanie EKG priebehu v reálnom čase
Filtráciu signálu je moţné riadiť ľubovoľnou kombináciou troch dostupných filtrov, ktorými sú sieťový filter (na odfiltrovanie 50Hz zo siete), dolnopriepustný filter a svalový filter (na čiastočné odfiltrovanie interferencií zo svalov). Ako bolo spomenuté, aplikácia dovoľuje zobraziť súčasne tri priebehy. Pri meraní len jedného EKG priebehu sa tento zobrazí tri krát, pričom v kaţdom z troch kanálov je moţné nastaviť inú kombináciu filtrov. To umoţní pozorovať rozdiely vplyvov rušenia na meraný signál. Pre stopercentné vyladenie navrhnutých filtrov poslúţi aj moţnosť zobrazenia spektrálnej analýzy signálu. Vďaka tejto analýze je moţné zistiť dominantnú frekvenciu meraného signálu na jednotlivých kanáloch. Čím presnejšia hodnota rušiacich frekvencií sa zistí, tým presnejšie filtre moţno navrhnúť. Spektrálna analýza taktieţ veľmi dobre poslúţi pre pozorovanie vplyvov rušenia na meraný signál. 6 Ciele a závery Toto zariadenie má slúţiť ako lekársky prístroj na meranie a záznam EKG priebehu. Cieľom do budúcnosti je rozšíriť prístroj o ďalšie dva zvody a aplikovať bezdrôtové technológie pre komunikáciu, čo zabezpečí moţnosť monitorovať pacienta bez obmedzenia v priebehu celého dňa. Ďalším cieľom je vytvoriť nový modul HTTP servera, ktorý bude bezdrôtovo prijímať signál z EKG modulu pacienta. Ošetrujúci lekár bude potom môcť kedykoľvek prostredníctvom internetu sledovať srdcovú činnosť svojho pacienta. Zariadenie by malo byť určené najmä pre starších ľudí ale aj pre športovcov. Poďakovanie Poďakovanie patrí Katedre technickej kybernetiky na Fakulte riadenia a informatiky ŢU za neustálu podporu. Špeciálne poďakovanie patrí pánu doc.ing. Jurajovi Mičekovi, PhD., ktorého rady a postrehy boli a sú veľkou inšpiráciou pre tento projekt. Zoznam literatúry [1] Výukový web EKG - Prehľad EKG zvodov, dostupné 2.5.2009 na adrese: http://ekg.kvalitne.cz/svody.htm [2] DATASHEET AD620, Analog Devices, dostupné 2.5.2009 na adrese: http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ad620.pdf