Rejestracja sygnałów EKG za pomocą oscyloskopu R&S

Elektrokardiogram (EKG) jest powszechnie stosowany w medycynie do monitorowania małych zmian elektrycznych na skórze pacjenta, które odzwierciedlają aktywność jego serca. Ten prosty, nieinwazyjny pomiar pozwala zdiagnozować wiele różnych chorób serca. Powstały specjalne przyrządy przeznaczone do wspomagania diagnozy. Jednak projektowanie i weryfikacja działania tych przyrządów wymaga stosowania precyzyjnych oscyloskopów.

Przyrządy EKG zazwyczaj mają 12 odprowadzeń, które są przyczepiane do klatki piersiowej, ramion i nóg. Napięcie jest mierzone między różnymi odprowadzeniami. W niniejszym artykule opisano przykładowy sygnał na odprowadzeniu 1, który oznacza napięcie między lewym a prawym ramieniem.

Rys. 1. Sygnał EKG powtarza się zgodnie z rytmem serca. Zaczyna się od załamka P (początku cyklu), następnie występuje zespół QRS, a kończy się załamkiem T.
Rys. 1. Sygnał EKG powtarza się zgodnie z rytmem serca. Zaczyna się od załamka P (początku cyklu), następnie występuje zespół QRS, a kończy się załamkiem T.

Dla inżyniera dokonującego testów zaszumione środowisko, sygnały niesymetryczne na odprowadzeniach i ich niska amplituda stanowią spore wyzwanie. Typowe poziomy sygnału są poniżej 1 mV, a tętno mieści się w zakresie od 40 do 220 uderzeń na minutę (bpm).

W zwykłej konfiguracji potrzebny jest wzmacniacz do wzmocnienia sygnału, który jednak wnosi dodatkowy szum, opóźnienie zależne od kanału i błąd przesunięcia poziomu. Jednocześnie nie jest możliwe obniżenie szumów metodą uśredniania przebiegów – sygnał nie jest powtarzalny i doprowadziłoby to do utraty ważnej informacji. Poniższy wykres przedstawia przykładową sekwencję impulsów, którym towarzyszą nieokresowe zaburzenia. Niosą one cenne informacje, na podstawie których personel medyczny może stwierdzić występowanie pewnych schorzeń.

rys2

Typowa amplituda sygnału EKG jest nie większa, niż 1 mV w zależności od punktu pomiaru. Pasmo natomiast mieści się poniżej 10 kHz. Bezpośrednia rejestracja i analiza tych sygnałów za pomocą oscyloskopu jest trudna ze względu na ich małą amplitudę. Jednak oscyloskop cyfrowy R&S RTE oferuje ważne funkcjonalności przeznaczone do bezpośredniej i dokładnej analizy takiego sygnału.

Zrzut ekranu (rys. 3) pokazuje sygnał EKG zarejestrowany przy pomocy R&S RTE w standardowej konfiguracji. Sygnał ten jest silnie zaszumiony, załamki P i T są ledwo widoczne.

Aby poprawić jakość uzyskanego sygnału, skala pozioma została ustawiona na 500 µV/div bez powiększenia ani ograniczenia pasma. To możliwość unikalna w tej klasie oscyloskopów. Tryb HD został wykorzystany z pasmem ograniczonym do 10 kHz. To znacząco poprawiło nie tylko rozdzielczość, ale też i czułość układu wyzwalania – jest ona niezbędna do uzyskania klarownego i stabilnego obrazu w celu dalszej analizy.

Rys. 3. Zarejestrowany sygnał EKG z ustawieniami Autoset
Rys. 3. Zarejestrowany sygnał EKG z ustawieniami Autoset

Uzyskany stabilny test można wykorzystać w dalszych testach. Przykładowo, test z maską pozwala łatwo wykryć kilka anomalii medycznych, które pojawiają się w zaburzonym sygnale. Można stosować różne maski do testowania różnych anomalii. Zrzut ekranu 4. przedstawia sygnał EKG zdrowego człowieka poddany odpowiedniemu testowi z maską. Biały obszar wokół przebiegu jest dopuszczalny, natomiast kolorowe obszary na górze i na dole to maski.

Rys. 4. Zarejestrowany sygnał EKG. Skala 600 µV/div, tryb HD test z maską.
Rys. 4. Zarejestrowany sygnał EKG. Skala 600 µV/div, tryb HD test z maską.

W identycznym środowisku pomiarowym przyrząd R&S RTE został zastąpiony konkurencyjnym oscyloskopem o rozdzielczości 10 bitów. Ostatni zrzut ekrany przedstawia wynik w trybie HighRes przy minimalnej rozdzielczości pionowej 1 mV/div.

Okazuje się, że amplituda sygnału jest niższa, niż czułość układu wyzwalania, zatem wyzwalanie takim sygnałem jest niemożliwe. Aby to uwidocznić, czas utrzymania obrazu został zwiększony do kilku sekund. Niebieska przerywana linia oznacza próg wyzwalania. Wcześniejsze przebiegi są widoczne jako cienie (1).

Zastosowany filtr cyfrowy na końcowym etapie ma niewystarczające pasmo, zatem impulsy pochodzące z systemu pomiarowego nie zostały odfiltrowane (2). Punkt (3) wskazuje na występujący szum i ograniczoną rozdzielczość pionową 1mV/div. Z tego powodu załamek P jest ledwo widoczny w zaszumionym sygnale.

Rys. 5. Sygnał EKG na konkurencyjnym oscyloskopie. Rozdzielczość pozioma 100 ms/div, pionowa 1 mV/div, terminacja kanału 1 MΩ, pasmo < 20 kHz, tryb HighRes, filtracja wysokich częstotliwości przed wyzwalaniem.
Rys. 5. Sygnał EKG na konkurencyjnym oscyloskopie. Rozdzielczość pozioma 100 ms/div, pionowa 1 mV/div, terminacja kanału 1 MΩ, pasmo < 20 kHz, tryb HighRes, filtracja wysokich częstotliwości przed wyzwalaniem.

Oscyloskop R&S RTE jest skutecznym narzędziem do analizy słabych sygnałów, takich jak EKG, z dużą dokładnością. Nadaje się zatem do zastosowań medycznych. Układy wejściowe zapewniają bardzo niski poziom szumów i najbardziej dokładną skalę pionową w tej klasie – 500 µV. Analiza nie wymaga stosowania dodatkowych układów. Tryb HD zwiększa rozdzielczość pionową, poprawia czułość układu wyzwalania i zmniejsza moc szumów w obserwowanym paśmie. To pozwala użytkownikowi na obserwację szczegółów sygnału istotnych z punktu widzenia analizy.

Pod tym względem R&S RTE ma przewagę nad konkurencyjnymi oscyloskopami wysokiej rozdzielczości.

O pomiarach z wysoką rozdzielczością przy pomocy RTO – bardziej zaawansowanych oscyloskopów R&S – można przeczytać w dwuczęściowym artykule: http://mikrokontroler.pl/2015/08/18/1-pomiary-z-wysoka-rozdzielczoscia-przy-uzyciu-oscyloskopow-rs-rto/ (cz.1) i http://mikrokontroler.pl/2015/09/04/2-pomiary-z-wysoka-rozdzielczoscia-przy-uzyciu-oscyloskopow-rs-rto/ (cz.2).

Więcej informacji o tych oscyloskopach znajduje się w artykule http://mikrokontroler.pl/2016/06/15/oscyloskopy-rohde-schwarz-rto2000-2/.

O autorze