Cuprins 1. PRINCIPIUL DE FUNCȚIONARE AL ELECTROCARDIOGRAMEI. 3 1.1. Generalități 3 1.1.1. Ce determină inima să bată? 3 1.1.2. De unde provine… [305281]

Cuprins
1. PRINCIPIUL DE FUNCȚIONARE AL ELECTROCARDIOGRAMEI. 3
1.1. Generalități 3
1.1.1. Ce determină inima să bată? 3
1.1.2. De unde provine electricitatea? 3
1.1.3. Provocarea înregistrării milivolților 3
1.1.4. De la electrod la hârtie 4
1.1.5. Distanţele dintre electrozii de pe două membre şi triunghiul lui Einthoven 4
1.1.6. Munţi şi văi 4
1.1.7. Celule care direcţionează muşchiul inimii 4
1.2. Definirea și clasificarea semnalelor biologice (biosemnale) 5
1.3. Sursa semnalului electric cardiac 5
1.4. Geneza electrocardiogramei 11
1.4.1. Teoria dipolului 11
1.4.2. Teoria vectorială 12
1.4.3. Teoria unghiului solid 14
1.5. Derivaţiile ECG 14
1.5.1. Derivaţiile standard 15
1.5.2. Derivaţiile unipolare 16
1.5.2.1. Derivaţiile unipolare ale membrelor. 17
1.5.2.2. Derivaţiile unipolare precordiale. 18
1.6. Electrocardiograful 20
1.7. [anonimizat] 20
2. COMPONENTELE UNUI SISTEM DE ACHIZIȚIE DE TIP ECG 22
2.1. Definiția și clasificarea bioinstrumentației exploratorie 22
2.2. Ideea de bază 23
2.2.1. Prelevarea semnalului 26
2.2.1.1. Electrozi 27
2.2.2. Amplificarea semnalului 33
2.2.2.1. Amplificatoarele operaţionale 34
2.2.2.2. Amplificatorul diferențial 34
2.2.2.3. Amplificatoarele de instrumentaţie 34
2.2.3. Filtrarea semnalului 35
2.2.3.1. Zgomotul extern 36
2.2.3.2. Zgomotul intern 36
2.2.3.3. Filtrele active 36
2.2.4. Conversia semnalului 38
2.2.5. Procesarea digitală a semnalului 41
3. PROIECTAREA SISTEMULUI DE ACHIZIȚIE PENTRU ECG 44
3.1. Alegerea procesorului de semnal (ATMEGA 328 „Arduino UNO” ) 44
3.1.1. Istoric 44
3.1.2. Hardware 44
3.1.3. Caracteristici tehnice: 45
3.2. Alegerea amplificării și filtrării („Shield ECG/EMG Olimex”) 47
3.3. Alegerea senzorilor 49
3.4. Alegerea instrumentului virtual potrivit ( LabVIEW) 50
3.4.1. Panou frontal 50
3.4.2. Diagrama bloc 50
3.4.3. Terminale 51
3.4.4. Noduri 52
3.4.5. Conexiuni prin fire 52
3.4.6. Structuri 52
3.4.7. Pictograma şi panoul conector 52
3.4.8. Mediul LabVIEW 52
3.4.8.1. Fereastra Getting Started 53
3.4.8.2. Paleta de controale 53
3.4.8.3. Paleta de funcţii 53
3.4.8.4. Navigarea prin paleta de controale sau de funcţii 53
3.4.8.5. Paleta de unelte 53
3.4.8.6. Meniuri şi bare de instrumente 54
4. CONFIGURAREA ȘI PROGRAMAREA COMPONENTELOR SISTEMULUI DE ACHIZIȚIE DE TIP ECG/EMG 56
4.1. Placa Arduino + Placa Shield ECG/EMG 56
4.1.1. Pașii pentru interconectarea și punerea în funcțiune a celor două plăci. 56
4.1.2. Algoritmul Arduino folosit 57
4.2. Concepția instrumentului software în LabVIEW 62
4.2.1. [anonimizat] ( drivere VISA) 62
4.2.2. Conceptul urmat 62
5. OBSERVAȚII ȘI CONCLUZII PERSONALE 65
5.1. Deflexiuni anormale datorate mișcării subiectului: 66
5.2. Cauze particulare a apariției artefactelor 66
6. BIBLIOGRAFIE 67

Principiul de funcționare al electrocardiogramei.

Generalități

Electrocardiograma sau ECG (uneori EKG) este utilizată astăzi în lumea întreagă că o metodă relativ simplă pentru diagnosticarea bolilor inimii. O electrocardiogramă este o înregistrare a micilor unde electrice generate în timpul activității inimii.
Curenții electrici din inimă sunt măsurați de mai mult de 100 [anonimizat] a ECG aşa cum o ştim noi astăzi a fost dezvoltată de savantul olandez Willem Einthoven la începutul secolului XX. În 1924, Einthoven a fost recompensat cu premiul Nobel în fiziologie sau medicină, “pentru descoperirea mecanismului electrocardiogramei”.

Ce determină inima să bată?
O bătaie normală a inimii este iniţiată de un mic impuls de curent electric. Acest “şoc” electric foarte mic se răspândește rapid în interiorul inimii şi determină contracţia muşchiului acesteia. Activitatea electrică porneşte în partea superioară a inimii şi se răspândeşte către parte inferioară
Dacă întregul muşchi al inimii s-ar contracta în acelaşi timp, efectul de pompare nu ar exista. Prin urmare, activitatea electrică începe în partea superioară a inimii şi se răspândeşte în jos, apoi din nou în sus, determinând astfel muşchiul miocardului să se contracte în modul optim pentru pomparea sângelui.

De unde provine electricitatea?

În inimă există celule specializate în producerea electricității. Acestea sunt cunoscute drept celule stimulatoare cardiace. Ele produc electricitate schimbând rapid încărcătura electrică de la pozitiv la negativ şi invers.
Primă undă electrică dintr-o bătaie a inimii este initiatia în porţiunea superioară a inimii. Datorită capacităţii celulelei inimii de a-şi “împrăştia” încărcătură electrică la celulele adiacente ale inimii, această undă iniţială va fi suficientă pentru a determina o reacţie în lanţ.

Provocarea înregistrării milivolților

La începuturile ECG, a face electrozii suficient de sensibili reprezenta o provocare. Primele încercări de la sfârşitul anilor 1800 de a măsura activitatea electrică în inimile broaştelor au fost încununate de succes doar atunci când inimile erau expuse direct echipamentului de măsurare. Condiţiile de măsurare erau fără îndoială dificile. Savanţii doreau să fie capabili să măsoare semnalele electrice fără a fi nevoiţi să pătrundă în interiorul corpului. Problema o reprezenta faptul că unda electrică devenea mai slabă din cauză că era nevoită să străbată os şi ţesut înainte de a ajunge la electrodul fixat pe piele. Această problemă a fost rezolvată câteva decenii mai târziu de către Willem Einthoven. Acesta a reuşit să îmbunătăţească sensibilitatea ECG utilizând un galvanometru sub forma de coardă. O mare parte a terminologiei lui Einthoven este încă folosită, iar cercetările lui originale rămân fundamentale pentru eletrocardiografia de astăzi.

De la electrod la hârtie

Undele electrice din inima sunt înregistrate în milivolţi de către electrocardiograf. Undele sunt înregistrate de către electrozi plasaţi pe anumite părţi ale corpului. Fiecare electrod coordonează un ac cu cerneală care scrie pe o bandă de hârtie. Cu cât intensitatea undei electrice este mai mare, cu atât acul se va deplasa mai sus pe hârtie. Hârtia se mişcă la o anumită viteza sub ac, rezultând într-o curbă de cerneală.

Distanţele dintre electrozii de pe două membre şi triunghiul lui Einthoven

Electrozii sunt de obicei doisprezece la număr. Einthoven a numit distanţele dintre cei trei electrozi de pe membre “distanţă standard I, II şi III”, referindu-se la electrozii de pe cele două braţe şi la cel de pe piciorul stâng. El a studiat relaţiile dintre aceşti electrozi, formând un triunghi acolo unde inima constituie punctul nul din punct de vedere electric. Relaţiile dintre distanţele standard sunt numite triunghiul lui Einthoven. Acesta este utilizat pentru a determina axa electrică a inimii.

Munţi şi văi

O curbă ECG are caracteristici diferite, depinzând de localizarea electrodului care o înregistrează. Atunci când curbă coboară sub linia de bază, arată o deviere negativă, iar când se ridică deasupra liniei bazei, este rezultatul unei devieri pozitive. O deviere negativă indică faptul că unda înregistrată s-a îndepărtat de electrod, iar o deviere pozitivă înseamnă că unda s-a apropiat de acesta.

/

Celule care direcţionează muşchiul inimii

Când miocardul este în starea de repaus, celulele stimulatoare cardiace sunt încărcate negativ, iar atunci când inima se contractă, acestea sunt încărcate pozitiv. Când o undă pozitivă este înregistrată de către un electrod pozitiv, curba ECG va indică o direcţie ascendentă şi viceversa.
Celulele îşi modifică încărcătura electrică în termeni de depolarizare şi repolarizare. Depolarizarea are loc atunci când ionii încărcaţi negativ din interiorul celulei ies din aceasta prin membrana celulară, iar ionii încărcaţi pozitiv intră în celulă (repolarizare).
Definirea și clasificarea semnalelor biologice (biosemnale)

Organismul viu este privit ca o sursă permanentă de semnale spontane în activitatea curentă și evocate prin diverse mijloace de modificare a stării inițiale (stimulare electrică, farmacologică, etc.).
Biosemnalul este un suport al informației biologice provenit din variate surse si reflecta o manifestare fizico – chimică ce însoțește și caracterizează diverse activități biologice.
Semnalele prezente în sistemele biologice pot fi împărțite în:

Semnale continui și discontinui;

Semnale periodice și aperiodice;

Semnalul continuu / discontinuu reprezintă o succesiune continuă / discretă de valori ale unei marimi specifice pentru un fenomen sau proces fizico – chimic al biosistemului.
Intre tipurile enumerate de semnale se pot întâlni următoarele combinații:

Semnale continui, de aspect variabil, cum sunt :

Curbe presionale sanguine înregistrate la diverse nivele ale sistemului circulator, corelate cantitativ pentru a descrie comportamentul sistemului vascular;

Frecvența respiratorie (pattern-uri tipice) corelată cu presiunea parțială a oxigenului, bioxidului de carbon și a pH-ului din sânge ;

Efectul reglator al hormonilor, investigat prin studiul dinamic cantitativ al concentrațiilor sanguine;

Semnale combinate, predominant discontinui, cu componentă continuă se întâlnesc în:

Relația dintre trenul de potențiale generat de moto neuron si contracția musculară susținută;

Activitate vasomotorie, arterială și venoasă;

Semnale discontinui, manifestate în rețele neuronale, studiate de neuroanatomie;

Semnale combinate, predominant continui, cu componentă discontinuă se întâlnesc la nivelul receptorilor, în special chemoreceptori.

Semnalul este o expresie temporală a modului in care evoluează procesul în desfășurarea sa naturala. Relația care definește aceasta dependentă este cunoscută sub numele de funcție semnal descrisa prin :f = x (t)
Prelucrarea inițială a biosemnalelor prin intermediul traductorilor permite obținerea acestor funcții – semnal prin transformarea variației tuturor mărimilor biofizice în semnale electrice.

Sursa semnalului electric cardiac

Inima umană acționează ca o pompă biologică. Ea primește sânge prin vene și pompează sânge în artere. După cum se poate observa din figura de mai jos ,inima este formată din patru camere:

• atriul drept și atriul stâng (camere de primire a sângelui);

• ventriculul drept și ventriculul stâng (camere de expulzare a sângelui în corp).

Funcția de pompă este determinată de țesutul dominant și anume de mușchiul inimii numit miocard (myo=mușchi, cardia=inimă). Contracția regulată, ritmică, alternantă a miocardului atriul urmată de cea a miocardului ventricular se numește ciclu cardiac.
Ca pentru oricare alt mușchi din corp, contracția se realizează la trecere unui impuls electric prin celulele musculare, determinând depolarizarea acestora. In cazul inimii, situația este puțin diferită și anume contracția miocardului este generată de un impuls electric generat chiar de mușchiul inimii în sine. Astfel, nu este nevoie de o sursă exterioară pentru acest semnal cum ar fi o celulă nervoasă (ca în cazul mușchilor scheletici). Deși inima este inervată de nervi motorii care ar putea influenta ritmul și forța contracțiilor, aceștia nu joacă nici un rol în generarea bătăii inimii ci controlează doar frecvența acestora. Dacă nervii extrinseci (simpatici și parasimpatici) ar fi tăiați, sau chiar dacă inima ar fi scoasă din corp, aceasta va continua să bată ritmic atâta timp cât este aprovizionată cu oxigen si nutrienţi, și temperatura este menținută constantă. Astfel, inima posedă abilitatea unică de a iniția un ciclu cardiac fără nicio stimulare din restul corpului. Această proprietate a mușchiului cardiac este numită ritmicitate inerentă.
Controlul și coordonarea ritmicității inerente a mușchiului cardiac este dependentă de un sistem specializat, format din țesuturi conductive aflate în interiorul inimii. Proprietatea mușchiului cardiac de a se contracta independent este datorată faptului că în inimă există celule ce au proprietatea de depolarizare spontană, numite celule pacemaker, care generează impulsuri electrice ce se transmit prin țesuturile conductive ale inimii determinând în final contracția acesteia. Astfel de celule se găsesc în tot sistemul de conducție, numit si sistem pacemaker, ce este format din următoarele țesuturi specializate: nodul sinoatrial (SA), căi internodale şi interatriale, nodul atrioventricular (AV), mănunchiul His, ramura stângă și dreaptă a mănunchiului, și rețeaua de fibre Purkinje.

/
Transmiterea impulsului electric prin inimă

Celulele pacemaker care au rata de auto depolarizare cea mai mare, între 60 si 100 de depolarizări pe minut, se găsesc în nodul sinoatrial (SA). Acestea sunt cele care coordonează contracțiile inimii. Celule pacemaker se găsesc și în alte regiuni ale sistemului conductiv al inimii, dar acestea au o rata de auto depolarizare mult mai mică și astfel sunt „resetate” practic de impulsul generat de celulele din nodul SA: între 40-50 depolarizări pe minut (nodul atrioventricular AV), între 20-40 depolarizări pe minut (mușchiul ventricular).
Astfel, o dată ce impulsul electric a fost iniţiat de către nodul SA, este transmis prin căile internodale şi interatriale, stimulând muşchii atriilor să se contracte. De asemenea, datorită faptului că atriile și ventriculele sunt izolate din punct de vedere electric, impulsul ”se colectează” către o regiune specializată a sistemului de conducţie, nodul AV, care este o parte a ţesutului de joncţiune (electrică) dintre atriul şi ventriculul drept. Nodul AV, controlat de frecvenţa de generare a impulsurilor a nodului SA, retransmite impulsul către ventricule cu o anumită întârziere (acest lucru este pozitiv deoarece în acest timp ventriculele se umplu cu sânge şi atriile se contractă la maxim). Mai departe, impulsul electric ajunge în ventricul prin intermediul mănunchiului His, un mănunchi format din fibre cu celule pacemaker, conductive, localizate în partea superioară a septului interventricular. Mănunchiul se desparte în două ramuri, stângă, ce conduce impulsul electric către ventriculul stâng, şi dreaptă, ce conduce impulsul către ventriculul drept. Fiecare ramură a mănunchiului se subdivide în numeroase fibre mici numite fibre Purkinje, ce retransmit impulsul electric direct către muşchiul ventricular, stimulând ventriculele să se contracte.
În figura de mai jos este evidenţiat timpul scurs de la plecarea impulsului electric din nodul SA și momentul în care acesta ajunge în diferite locații ale sistemului conductiv al inimii.

De observat, aşa cum a fost specificat mai sus, că orice celulă din sistemul de conducţie al inimii descris anterior poate genera un impuls electric. În cazul în care apare o leziune la nivelul nodului sinoatrial (SA), nodul AV va avea rolul de pacemaker pentru ventricule, deşi frecvenţa de generare a impulsurilor electrice este de doar 40 -60 pe minut, mai mică decât cea normală a nodului SA (80-100 pe minut).
Mai trebuie reţinut faptul că celulele miocardului au proprietatea unică de a transmite potenţialul de acţiune de la o celulă la cele adiacente prin conducţie directă. Până în anul 1945 specialiştii considerau că miocardul este de fapt un sinciţiu (structură ce conţine citoplasmă cu mai multe nuclee).

Cu ajutorul microscopului electronic s-a demonstrat că de fapt miocardul este format din celule individuale, deci separate între ele printr-o membrană, care sunt foarte „înghesuite” permiţând transmiterea tensiunii şi a curentului electric foarte rapid de la o celulă la alta, figura de mai jos.
Celule cardiace sunt conectate prin joncţiuni ce se numesc „discuri intercalate”; practic membranele celulelor fuzionează la nivelul acestor discuri, permiţând astfel aproape difuzie totală a purtătorilor de sarcină electrică (ioni).
Aceasta caracteristică face ca miocardul să se comporte ca un sinciţiu din punct de vedere electric; astfel, un impuls generat oriunde în miocard se va propaga în întreaga inimă, aproape instantaneu, rezultând într-o contracţie mecanică.
Curenţii electrici datoraţi mişcării ionilor în procesul de depolarizare/repolarizare ajung şi la ţesuturile ce înconjoară inima. Mai mult, o fracţiune din aceşti curenţi ajunge la nivelul suprafeţei pielii de unde pot fi înregistraţi cu ajutorul unor electrozi plasaţi pe piele. Înregistrarea activităţii electrice a inimii se realizează cu ajutorul unui instrument numit electrocardiograf (prezentat în subcapitolul următor), iar înregistrarea pe hârtie a acesteia poartă numele de electrocardiogramă (ECG).

Caracteristici ECG
Descriere

Unda P

Corespunde depolarizării atriale;

Depolarizarea celor doua atrii nu se face simultan și astfel debutul undei P aparține atriului drept, iar sfârșitul ei activității electrice a atriului stâng;

Preceda complexul QRS;

Este ritmica cu variații mici și fără uniformitate;

Durata < 0.12 s;

Amplitudine < 0.25 mV;

Aceeași frecvență ca cea a complexului QRS;

O crestătura pronunțată cu un interval vârf la vârf de peste 0.04 s sugerează mărimea atriului stâng;

Devine înaltă și ascuțită în cazul hipertrofierii atriului drept iar în cazul hipertrofierii atriului stâng unda își păstrează amplitudinea normală dar este mai largă și prezintă o crestătură;


Complexul QRS

Toate cele trei unde prezintă deflecții abrupte ale liniei izoelectrice;

Corespunde depolarizării ventriculare;

Durata < 0.12 s;

Amplitudine < 1mV (0.6mV – 1mV);

Unda Q are durata < 0.03s ; amplitudinea ¼ din unda R;

Unda S are durata < 0.04s și amplitudinea în jur de 2/5 din unda R;


Unda T

Reprezintă partea terminală, rapidă a repolarizării ventriculare (epicard → endocard). În acest timp se înscriu diferenţe mari de potenţial între zonele repolarizate şi cele încă depolarizate;

Formă rotunjită, asimetrică, cu panta ascendentă mai înclinată decât cea descendentă, care este mai abruptă. Această diferenţă de oblicitate este interpretată ca fiind rezultatul unei viteze mai mari de refacere în finalul procesului de repolarizare;

Durata < 0.2s;

Amplitudine < 0.4mV (0.2mV – 0.4mV);


Unda U

Deflecţie mică obtuză (probabil inexistentă) a liniei izoelectrice;

Este localizată la sfârşitul undei T;

Atribuită existenţei unor diferenţe de potenţial la sfârşitul sistolei electrice;

Devine mai pronunţată, uneori chiar de mărimea undei T, în cazul unei deficienţe de potasiu;


Intervalul PR (PQ)

Reprezintă durata activităţii atriale şi a conducerii atrioventriculare şi este măsurat de la începutul undei P până la începutul complexului QRS;

Durata < 0.12s – 0.22s;


Intervalul QT

Reprezintă stadiul depolarizat ventricular şi repolarizarea ventriculară, măsurată de la începutul complexului QRS până la sfârşitul undei T;

Durata ≈ ½ din intervalul RR;

Dependent de frecvenţa pulsului (frecvenţa pulsului rapidă, durată mică);

Segmentul ST

Reprezintă întârzierea pe care o suferă stimulul în propagarea sa la nivelul joncţiunii atrio-ventriculare şi se măsoară de la sfârşitul complexului QRS până la începutul undei T;

Izoelectric cu divergenţă de ± 0.1mV;

Durata < 0.08s;


Intervalul RR

Reprezintă durata unei revoluţii cardiace;

Este dependent de pulsul (puls ridicat, durată mică);

Durata ≈ 0.86s cu un ritm cardiac de 70 bătăi pe minut;


Interval PP

Aproximativ egal cu intervalul RR;


Segmentul TP

Depinde de frecvenţa pulsului;

Durata < 0.4s cu un ritm cardiac de 70 de bătăi pe minut.




Geneza electrocardiogramei

Pentru a înţelege geneza undelor ECG, amplitudinea şi durata acestora este important să fie cunoscute şi înţelese câteva teorii şi principii preluate din fizică şi matematică. Este vorba despre teoria dipolului, teoria vectorială şi cea a unghiului solid.

Teoria dipolului

Constituie un mod extrem de simplu de a explica fenomenele electrice cardiace. Prin dipol se înţelege un cuplu de sarcini electrice: una pozitivă şi alta negativă.
Această teorie a fost enunţată de Waller şi Craib şi compară câmpul electric creat de un dipol artificial într-un mediu conductor, cu câmpul electric generat de miocard. La nivelul ţesutului miocardic, excitaţia este iniţiată într-un punct, în condiţii fiziologice în nodulul sino-atrial şi se propagă cu rapiditate de la o celulă la alta.

Porţiunea din miocard activată sau depolarizată devine electronegativă, iar cea neactivată, aflată încă în repaus rămâne electropozitivă, creânduse astfel un dipol care se propagă pe masură ce se desfăşoară ciclul cardiac.
Diferenţele de potenţial în câmpul electric creat sunt mai mari în apropierea polilor dipolului şi scad pe măsură ce ne îndepărtăm de ei. La egală distanţă între cei doi poli ai dipolului, diferenţa de potenţial este neglijabilă, iar în electrocardiografie se consideră a fi 0 (linia de “0” – zero potenţial).
Linia imaginară care trece prin cei doi poli se numeşte axa dipolului. Pe ea înregistrăm cele mai ample diferenţe de potenţial, de un sens sau altul, după semnul plus sau minus al celor doi poli.
Se observă că un electrod plasat în câmpul (polul) pozitiv va înregistra o undă pozitivă, iar cel plasat în campul (polul) negativ, o undă negativă, a cărei amplitudine scade pe măsură ce ne îndepărtăm de polul respective.
Prin comparaţie, dacă se reduce activitatea electrică a inimii la numai două sarcini (una pozitivă şi alta negativă) deci, un dipol, acesta se mişcă, se deplasează în torace odată cu depolarizarea progresivă a miocardului, în faţa unor electrozi exploratori plasaţi în puncte fixe.
Dipolul electric se formează între segmentul depolarizat (negativ) şi cel aflat în repaus (pozitiv).
Se observă că, dacă plasăm 2 electrozi cuplaţi la un galvanaometru pe suprafaţa unei fibre miocardice aflată în depolarizare, aceştia vor înregistra o diferenţă de potenţial de sens pozitiv, care
se va inscrie pe un traseu ECG ca o undă pozitivă (condiţia A pe imagine). Dacă fibra miocardică este complet depolarizată sau complet repolarizată, cei 2 electrozi nu vor înregistra nicio diferenţă de potenţial. Pe ECG se va înscrie o linie izoelectrică (care exprimă situaţia de “0” potenţial) sau deflexiunea coboară către linia izoelectrică (condiţia B).

Teoria vectorială

Un dipol poate fi reprezentat printr-un vector, orientat dinspre zona electronegativă înspre zona electropozitivă şi având o mărime determinată de diferenţa de potenţial dintre cei doi poli ai dipolului.
Există vectori cardiaci care corespund dipolului unei fibre miocardice, numiţi vectori elementari, alţii sunt vectorii instantanei, care reprezintă grafic însumarea unor vectori elementari dintr-un anumit moment, din timpul activităţii cardiace. Toţi aceşti vectori, se supun legilor matematice putând fi însumaţi, deplasaţi sau măsuraţi, prin proiecţiile lor ortogonale pe anumite axe, numite derivaţii ECG sau conduceri ECG.
Un vector, este caracterizat de modul (mărime), punct de aplicare, direcţie şi sens. Fiind expresia grafică a unor forţe, vectorii se pot însuma, astfel:
− doi vectori de sens contrar şi de mărimi diferite se însumează algebric (scăzând vectorul mai mic din cel mai mare), rezultanta având sensul vectorului mai mare
(fig.a);
− doi vectori egali, dar de sens opus, prin însumare se anulează, rezultanta fiind zero (fig.b);

/
Compunerea a doi vectori coliniari, de direcţii opuse a) de mărime diferită; b) de mărime egală.
− doi vectori cu punct de origine comun, dar cu direcţii diferite, se însumează după regula paralelogramului forţelor, construit prin ducerea din capetele lor a unor paralele la vectori.
Diagonala paralelogramului astfel format reprezentă rezultanta R (fig. a, b).

/
Exemple de compunere a vectorilor. a) aplicarea regulii paralelogramului pentru doi vectori; b) compunerea a patru vectori de direcţii diferite; c) compunerea a doi vectori ce nu au origine comună.








În consecinţă, orice modificare a unui vector elementar (adică a procesului de depolarizare a unei fibre miocardice) va afecta şi vectorul instantaneu.
Diferenţa de potenţial dintre două puncte, în câmpul creat de un dipol electric, este proporţională cu proiecţia momentului dipolar pe acea direcţie. Astfel, fluctuaţiile de potenţial care apar între diverse puncte (în cazul ECG între punctele de aplicare ale electrozilor) de măsură sunt în directă legătură cu variaţiile (direcţie şi modul) ale vectorului dipol electric.
Înregistrarea vectorilor instantanei de depolarizare şi repolarizare în spaţiu reprezintă o vectocardiogramă. Prin unirea vârfurilor vectorilor multipli instantanei, în spaţiu, se obţine o buclă spaţială de vectocardiografie. Proiecţia desfăşurată a acestei bucle, în funcţie de timp, pe o dreaptă din corpul omenesc, corespunzătoare unei derivaţii, reprezintă electrocardiograma (ECG) înregistrată în aceea derivaţie.
Inima, organ cu fibre musculare orientate în toate sensurile, cu pereţi inegali şi diferit orientaţi în spaţiu, aflat permanent în activare (depolarizare) sau repolarizare, într-o anumită succesiune şi nu simultan, va genera o multitudine de vectori care, însumaţi, vor da câţiva vectori rezultanţi. La formarea ECG participă vectorii finali: de depolarizare atrială; de depolarizare septală; de depolarizare ventriculară şi de repolarizare ventriculară. Aceştia vor fi exploraţi prin ECG .
/
Vectorul rezultant al depolarizarii ventriculare: este orientat de sus în jos şi de la dreapta la stânga. Urmareşte axul anatomic, longitudinal al cordului

Teoria unghiului solid

Unghiul solid este o noţiune matematică utilizată în ECG, pentru a ajuta înţelegerea mai bună a reprezentării fenomenelor electrice în conducerile unipolare, toracice.
/
Unghiul solid (după Kleinerman, 1968). În punctul E, unghiul solid este mai mic decât cel determinat din E1, deci unda înregistrată din E va avea o amplitudine mai mică decât cea din E’.

Semnalul cules dintr-o anumită regiune este invers proporţional cu pătratul distanţei de la sursă la electrod).
Relaţia de definiţie este:
Ω= S/r2

unde Ω este unghiul solid, S este suprafaţa considerată, iar r distanţa dintre punctul de observaţie şi suprafaţa explorată.
Presupunem o suprafaţă “S” explorată dintr-un punct E care este centrul unei sfere. Suprafaţa tăiată din sferă de conul unei suprafeţe "S" este unghiul solid, conceput în spaţiu, deci tridimensional.
Potenţialul electric cules din E are sensul polarităţii feţei care este orientată spre E (de exemplu: dacă E este orientat spre faţa pozitivă, se va înregistra un potenţial electric pozitiv, adică unde pozitive). Amplitudinea potenţialului înregistrat din E, va fi cu atât mai mare cu cât unghiul solid va fi mai mare. Cu cât punctul E din care explorăm suprafaţa S este mai aproape de S (punctul E1), cu atât unghiul solid va mai mare şi invers, cu cât punctul E va fi mai îndepărtat de S (punctul E2), unghiul solid va fi mai mic, deci amplitudinea undei va fi mai mică (figura X.6).
Acestă teorie ne ajută să înţelegem modul în care, electrozii plasaţi pe torace “privesc inima”. Prin electrozii aşezaţi pe torace în dreapta sau stânga inimii, se explorează două mase miocardice (dreapta mai mică şi stânga mai mare) ale căror suprafeţe endocardice au o polaritate diferită faţă de cele epicardice.

Derivaţiile ECG

Câmpul electric produs de inimă, poate fi înregistrat prin plasarea unor electrozi în diferite puncte ale corpului: pe membre şi pe torace. Din aceste puncte, electrozii ECG “privesc” inima din unghiuri diferite şi “traduc” activitatea electrică a inimii în unde care se înregistrează pe o hârtie specială.
Linia imaginară de-a lungul căreia se înregistrează diferenţa de potenţial dintre 2 electrozi plasaţi în puncte diferite se numeşte derivaţie.
Din punct de vedere grafic, fiecărei derivaţii îi corespunde un ax, căruia i se atribuie convenţional un sens.
Axul unei derivaţii sau linia derivaţiei este o dreaptă care uneşte cele 2 puncte de înregistrare. Orice derivaţie are un sens pozitiv şi unul negativ.
Axul unei derivaţii unipolare este dreapta care uneşte punctul de plasare al electrodului explorator cu centrul electric al inimii, acesta fiind situat în centrul de greutate al masei miocardului. Anatomic, acesta se găseşte plasat lateral dreapta de centrul cavităţii ventriculului stâng.
Derivaţiile ECG sunt standardizate şi sunt grupate în sisteme de derivaţii. În practică se folosesc în mod curent 3 sisteme de derivaţii:
− derivaţiile standard, bipolare, notate DI, DII, DIII;
− derivaţiile unipolare ale membrelor, notate cu aVR, aVL şi aVF;
− derivaţiile unipolare toracice sau precordiale, notate de la V1….la V6.
După numărul electrozilor exploratori utilizaţi, în ECG se disting: derivaţii bipolare, în care ambii electrozi sunt exploratori (culeg diferenţa de potenţial) şi derivaţii unipolare, în care doar un electrod este explorator.
După planul în care sunt plasaţi electrozii, cele 3 sisteme sunt grupate:
În plan frontal: – 3 derivaţii bipolare standard, (DS) ale membrelor (DI, DII şi DIII)

– 3 derivaţii unipolare ale membrelor (DUM) (aVR, aVL şi aVF)
În plan orizontal se utilizează, cel mai frecvent tot 6 derivaţii. Se numesc derivaţii unipolare precordiale sau toracice şi se notează cu V1, V2, V3, V4, V5 şi V6.
Electrozii pentru derivaţiile membrelor se plasează pe membrele superioare deasupra articulaţiei pumnului, iar pe membrele inferioare deasupra gleznei, evitându-se planul osos.
În caz de amputaţii electrozii se plasează cât mai aproape de torace, la originea membrului respectiv.
În total pe membre se plasează 4 electrozi: doi pe membrele superioare şi doi pe picioare. Piciorul drept este folosit pentru împământare (potenţial constant).
Cei 6 electrozi precordiali se plasează pe torace în puncte standardizate.

Derivaţiile standard

Sunt derivaţii bipolare ale membrelor, imaginate de W. Einthoven, care explorează activitatea inimii în planul frontal. În aceste derivaţii, electrozii sunt plasaţi în 3 puncte:
− membrul superior drept (braţ drept: BD); electrodul plasat în acest punct se leagă întotdeauna la borna negativă a galvanometrului;
− membrul superior stâng (braţ stâng: BS); electrodul plasat aici se poate leaga la borna pozitivă sau negativă a galvanometrului, în funcţie de derivaţie;
− membrul inferior stâng (picior stâng: PS) care se leagă întodeauna la borna pozitivă a galvanometrului.

/

Cele 3 derivaţii explorează activitatea electrică a cordului prin două puncte situate la egală distanţă faţă de cord, un electrod legându-se la polul negativ, celălalt electrod la polul pozitiv al galvanometrului. Cele 3 derivaţii se construiesc conform schemei de mai jos:

Derivaţia I: BD (-) – BS (+);

Derivaţia II: BD (-) – PS (+);

Derivaţia III: BS (-) – PS (+);

Conform acestei scheme construite de Einthoven, suma amplitudinii undelor obţinute:

DI, DIII = DII (DI + DIII = D II)

Linia derivaţiei bipolare este o linie imaginară care uneşte cei doi electrozi exploratori.
Cele trei linii delimitează un triunghi echilateral (Einthoven), în centrul căruia se găseşte inima.
Fiecare latură a triunghiurilor are o jumătate negativă şi una pozitivă, în legătură cu sensul polarităţii derivaţiei respective (vezi figura de sus şi X8).

Derivaţiile unipolare

Au un singur electrod explorator, iar cel de-al 2-lea este indiferent.

Reguli generale de formare a derivaţiilor unipolare:

Electrodul explorator se leagă întotdeauna la borna pozitivă a galvanometrului;

Electrodul indiferent se leagă la borna negativă şi este plasat la distanţă faţă de cord, cât mai la periferia câmpului electric;

Derivaţiile unipolare sunt: unipolare ale membrelor şi precordiale sau toracice.

Derivaţiile unipolare ale membrelor.

Aceste derivaţii culeg diferenţele de potenţial în plan frontal.
Pentru formarea electrodului indiferent, Wilson a luat drept bază teoretică legea I a lui Kirchoff, conform căreia suma algebrică a intensităţilor curenţilor dintr-un nod de circuit este egală cu zero. Pentru a simula “nodul”, Wilson a construit o bornă centrală, din conductorii membrelor neexplorate şi apoi a făcut legătura acesteia la polul negativ al galvanometrului. Se consideră că, la nivelul bornei centrale, potenţialul electric este apropiat de zero.

Reguli de formare:

Electrodul explorator este plasat pe rând pe braţul drept (R), pe bratul stâng (L) şi pe piciorul stâng (F) şi se leagă intotdeauna la borna pozitivă a galvanometrului;

Electrodul indiferent este plasat în borna centrală, unde potenţialul electric este apropiat de zero şi se formează prin unirea membrelor neexplorate în acea derivaţie şi scurtcircuitarea membrului explorat;

/
Formarea derivaţiilor aVR, aVL şi aVF

Orice derivaţie unipolară care utilizează borna centrală pentru electrodul indiferent este notată cu “V”. Deci, derivatiile unipolare ale membrelor sunt: VR, VL, VF.
Deoarece derivaţiile unipolare ale membrelor sunt amplificate (potenţialele culese sunt prea mici), denumirea prescurtată a acestor derivaţii include un „a”. Prin urmare, cele 3 derivaţii unipolare ale membrelor sunt:

aVR (derivaţie amplificată cu bornă centrală a braţului drept);

aVL (derivaţie amplificată cu bornă centrală a braţului stâng);

aVF (derivaţie amplificată cu bornă centrală a piciorului);

Linia derivaţiei unipolare este o linie imaginară care uneşte electrodul explorator cu centrul electric cardiac (cu borna centrală).
Dacă plasăm liniile celor trei DUM în triunghiul lui Einthoven, ele reprezintă bisectoarele unghiurilor din triunghiul echilateral. În triunghiul lui Einthoven, centrul electric cardiac este considerat a fi centrul triunghiului. Fiecare linie de derivaţie are o polaritate pozitivă între punctul de plasare al electrodului şi centrul electric cardiac şi o jumătate negativă pe prelungirea derivaţiei, dincolo de centrul electric. (figura din stanga)

Liniile derivaţiilor unipolare ale membrelor, împreună cu cele ale derivaţiilor bipolare se pot reprezenta într-un cerc, în care liniile derivaţiilor bipolare se aduc în centrul acestuia, prin mişcare de translaţie.
Se obţine astfel un cerc tăiat de 6 axe din 30 în 30 de grade (sistemul hexaxial al lui Bayley, Pallares, Cabrerra).
Semicercul inferior (corespunzător părţilor pozitive ale derivaţiilor) este notat cu grade pozitive.
Semicercul superior
(corespunzător părţilor negative ale derivaţiilor) este notat cu grade negative (figura din stânga )

Sistemul hexaxial este util pentru proiecţia vectorilor rezultanţi şi pentru calculul axului electric al unei unde.

Derivaţiile unipolare precordiale.

Acestea înregistrează activitatea electrică a inimii, în plan orizontal.
Electrodul explorator se plasează în anumite puncte standardizate ale regiunii precordiale şi se leagă la borna pozitivă a galvanometrului, iar electrodul indiferent se pune în centrul electric care se leagă la borna negativă a galvanometrului .

/

Prin convenţie internaţională s-au stabilit şase puncte toracice de fixare a electrozilor în derivaţiile precordiale notate cu V1…V6, în care “V” înseamnă derivaţie unipolară cu bornă centrală, iar cifrele 1…6, reprezintă locul de plasare pe torace.

V1 – în spaţiul IV intercostal, parasternal dreapta;

V2 – în spaţiul IV intercostal, parasternal stânga;

V3 – la mijlocul liniei care uneşte V2 cu V4;

V4 – în spaţiul V intercostal, pe linia medioclaviculară stânga;

V5 – pe o linie orizontală care trece prin V4 şi intersectează linia axilară anterioară;

V6 – pe aceeaşi orizontală care trece prin V4 şi intersectează linia axilară medie;

Derivaţiile V1 şi V2 sunt situate în dreptul inimii drepte, V3 şi V4 în dreptul septului şi V5, V6 în dreptul inimii stângi (vezi figura de mai sus). Linia derivaţiei precordiale este o linie imaginară care uneşte electrodul explorator cu centrul electric cardiac.
În afara acestor derivaţii clasice, folosite curent, se mai cunosc:

derivaţia V7 – electrodul explorator este situat la intersecţia liniei axilare posterioare cu orizontala care trece prin V4;

derivaţia V8 – electrodul explorator este situat la intersecţia verticalei care trece prin vârful omoplatului stâng, cu aceeaşi orizontală care trece prin V4 ;

conduceri precordiale drepte: V3R, V4R, V5R, V6R – electrozii fiind plasaţi pe partea dreaptă a toracelui, simetric faţă de conducerile precordiale corespunzătoare de pe hemitoracele stâng;

Electrocardiograful

Biopotenţialele generate de celulele şi ţesuturile vii, se produc prin faptul că între două puncte ale unui conductor electric există la un moment dat o diferenţă de potenţial electric.
Un electrocardiograf este un galvanometru modificat care înregistrează cu viteză mare variaţiile de curent electric generate de inimă.
În principiu, un astfel de aparat este alcătuit din:

Electrozi şi cabluri care stabilesc legătura dintre câmpul electric cardiac şi aparat;

Sistemul de amplificare electronic;

Sistem de filtrare a “zgomotelor”;

Comutatori de derivaţii;

Sistemul de înregistrare care diferă după tipul aparatului: pe hârtie termosensibilă, mecanosensibilă, cu cerneală, pe un tub catodic, pe ecranul unui computer;

În funcție de numărul de canale, electrocardiografele pot fi cu 3,6 sau 12 canale.

Noțiuni generale despre mărimi, unități de măsură si erori

Evaluarea cantitativă a mărimilor fizice (biologice) se realizează prin operația de măsurare. A măsura o mărime M înseamnă a compara cu o mărime de referință (M) de aceeași natură, aleasă în mod convențional drept unitate de măsură : m = M / (M), unde m este valoarea numerică a mărimii M. In operația de măsurare intervin următoarele elemente :

Obiectul măsurării (mărimea de măsurat) ;

Metoda de măsurare ( modul de comparare a mărimii de măsurat cu unitatea de măsură);

Mijloace de măsurare (totalitatea mijloacelor tehnice- instrumentație, aparatura electronică cu ajutorul cărora se determină cantitativ mărimea de măsurat).

Măsurările pot fi efectuate in condiții bazale în care se află sistemul, și în condiții modificate (stimulare electrică, chimică, farmacologice, climatică, nutrițională, etc.)
Valoarea măsurată (X) include o eroare datorită preciziei limitate a aparatelor de măsurat, imperfecțiunii metodelor de măsurare și a operatorului uman, precum și datorită unor influențe întâmplătoare.
Valoarea adevărată X0 a unei mărimi este valoarea ei exactă, fără erori.

Clasificarea erorilor de măsurare :

Din punct de vedere al exprimării :

Eroarea absolută E, ce reprezintă diferența dintre valoarea măsurată (X) și valoarea adevărată (X0) a mărimii măsurate. Eroarea absolută se exprimă în aceleași unități ca și mărimea de măsurat : E= X- X0

Eroarea relativă Er reprezintă raportul dintre eroarea absolută și valoarea adevărată a mărimii măsurate. Pe baza erorii relative se stabilește precizia măsurării, cu cât eroarea este mai mică, cu atât precizia este mai bună.

Din punct de vedere al manifestării :

Eroarea sistematica, care se repeta la masurarea in conditii identice ;

Eroarea aleatoare, care reprezintă eroarea ale cărei valori și semn variază imprevizibil la măsurarea în condiții practic identice. Pentru a micșora influența erorilor întâmplătoare asupra rezultatului măsurării, se recomandă repetarea, în condiții identice a măsurării și prelucrarea statistică a rezultatelor;

Eroarea grosolană este eroarea care depășește cu mult erorile cele mai probabile în condițiile date de măsurare (ex. citirea eronată a valorii indicate, utilizarea incorectă a unui mijloc de măsurare, etc.). Aceste erori pot fi întotdeauna evitate.

Din punct de vedere al surselor de eroare :

Erorile de model (erorile provenind de la obiectul supus măsurării) ;

Erorile instrumentale (erorile datorate mijloacelor de măsurare);

Erorile de interacțiune (erorile datorate interacțiunii mijloc de măsurare – obiect supus măsurării și interacțiunii beneficiar măsurare-mijloc de măsurare) ;

Erorile de influență (erorile datorate influențelor exterioare) .

Componentele unui sistem de achiziție de tip ECG

Definiția și clasificarea bioinstrumentației exploratorie

Bioinstrumentația exploratorie reprezintă ansamblul de dispozitive, aparate și instrumente de măsură destinate pentru captarea, prelucrarea, stocarea și cuantificarea diverselor tipuri de biosemnale.

Clasificarea bioinstrumentației se face funcție de mai multe criterii :

a) Caracteristici tehnice și constructive ale aparatelor:

Miniaturizate sau de dimensiuni mari;

Modulare sau compacte;

De joasă sau mare putere;

Cu sursă de alimentare independentă sau alimentate la rețea;

Asistate sau nu de calculator;

b) Domeniul de utilizare în diverse investigații:

Laboratoare clinice (analize biochimice și biofizice);

Servicii de explorări funcționale specifice fiecărui compartiment de investigație;

Tehnici moderne de explorare morfologică și funcțională (microscopie optică video-monitorizata), tomografie computerizată, radiodiagnostic prin emisie de fotoni unici (SPET) sau pozitroni (PET), radiodiagnostic de tip RIA sau scintigrafie, velocimetrie Doppler, telemetrie;

c) Modul de efectuare al explorării :

În staționar;

În ambulator, cu următoarele variante:

Montate în unități mobile auto;

Truse portabile;

Pentru explorare directă;

Pentru explorare la distanță (telemetrie) sau urmărire continuă (monitorizarea parametrilor vitali);

Structura lanțului bioelectrometric

Măsurarea parametrilor biologici se realizează cu ajutorul bioinstrumentației în structura căreia intră :

Mijloace de captare (preluare) a semnalului biologic;

Componente de prelucrare primară;

Sisteme monitorizare, redare, stocare;

Asamblarea acestor componente constituie lanțul bioelectrometric.

Ideea de bază

În sensul cel mai restrâns, un sistem de achiziție de date trebuie sa poată executa trei
funcții fundamentale:

Convertirea fenomenului fizic într-un semnal care poate fi măsurat;

Măsurarea semnalelor generate de senzori sau traductori în scopul extragerii
informației;

Analizarea datelor și prezentarea lor într-o forma utilizabilă;

Semnalele electrofiziologice sunt disponibile fie direct ca variație electrică detectabilă cu electrozi (semnale electrofiziologice), fie sub forma variației altei mărimi neelectrice (semnale fiziologice de altă natură), transformată în semnal electric cu ajutorul unui traductor.

/
Schema de principiu a unui sistem de instrumentaţie biomedicală

Arhitectura generală a unui sistem de instrumentaţie biomedicală, ilustrată în figura de mai sus cuprinde:

Electrozi/traductoare;

Etaje de amplificare şi filtrare a semnalelor analogice;

Convertoare A/D;

Sistemul de prelucrare numerică (primară) a datelor;

Recomandări pentru standardizare a tehnologiei folosită pentru înregistrarea activității electrice a inimii

Caracteristici/ capabilități
Standard/Recomandare

Frecvență de eșantionare

500 sau 1000 Hz atunci când electrocardiograful nu procesează semnale provenite de la pacemaker;

10 kHz, 50 kHz (supra-eșantionare) atunci când electrocardiograful trebuie să detecteze semnale provenite de la pacemaker, care au o durată < 0.5 ms.


Filtrul digital trece jos

Frecvența de tăiere este de 0.67 Hz, deoarece în practică semnalul ECG nu conține informație sub această frecvență (sub 40 bpm). În acest caz, sunt înregistrate și artefacte de mișcare de aceea electrocardiograful trebuie să prezinte capabilități de eliminare a acestui zgomot fără a afecta componentele semnalului ECG (majoritatea filtrelor de eliminare a artefactelor de mișcare introduc o înălțare a segmentului ST). Astfel filtrul de eliminare trebuie să fie unul digital cu distorsiune de fază zero


Filtrul digital trece sus

Frecvența cea mai mare din spectrul de frecvențe este jumătate din frecvența de eșantionare; dacă inițial se considera că ECG conține informație până la 100 Hz, studii recente arată că pentru a reduce erorile de amplitudine la 1% (<25 µV) pentru adulți trebuie ca banda semnalului ECG să meargă până la 150 Hz iar pentru cazuri pediatrice până la 250 Hz. Astfel, orice frecvență de tăiere a filtrului trece sus mai mică ca 150 Hz, respectiv 250 Hz, invalidează semnalul ECG pentru diagnosticare;

Electrocardiograful trebuie să aibă un sistem de alertă automat, atunci când o frecvență de tăiere sub -optimală este folosită (de exemplu 40 Hz).


Formarea template-ului ECG

Pentru a reduce și elimina variațiile de la o bătaie la alta în amplitudine ș i durată electrocardiograful trebuie să aibă capabilitatea de a realiza un template al undelor PQRST, deoarece studiile au demonstrat că analiza pe un complex PQRST medie prezintă mult mai puțină variabilitate decât cea care măsoară fiecare bătaie în parte;

Alinierea complexelor pentru calcularea template-ului este foarte importantă. Zgomotul care apare datorită unei alinieri eronate, măsurat ca eroare reziduală RMS (rădăcină medie pătratică) poate afecta durata undelor și deci o micșorare a senzitivității;

Nu există un standard pentru modul de formare a template-ului însă electrocardiograful trebuie să pună la dispoziție alinierea bătăilor și formarea unui template fidel adecvat pentru diagnosticare;

Este localizată la sfârșitul undei T;

atribuită existenței unor diferențe de potențial la sfârșitul sistolei electrice;

Devine mai pronunțată, uneori chiar de mărimea undei T, în cazul unei deficiențe de potasiu;


Măsurători globale obținute din derivații multiple simultane

Opțional, electrocardiograful poate oferi măsurători globale obținute din derivații multiple înregistrate în același timp, care ajută la detectarea exactă a duratei unor unde și intervale din ECG (prin detectarea celui mai devreme început, respectiv cel mai târziu sfârșit al unei unde);

Măsurători globale pentru durata undei P, a intervalului PR, a complexului QRS și a intervalului QT trebuie să apară pe raportul ECG;

Există diferențe între algoritmii folosiți pentru determinarea măsurătorilor globale, în special la durata intervalului QT, deoarece punctul de sfârșit al undei T este definit diferit. De aceea, aceste diferențe trebuie să fie minimizate pentru a putea realiza o standardizare și de asemenea, trebuie avut în vedere algoritmul folosit pentru a putea deriva domeniul normal al intervalelor. Pentru intervalul QT, sfârșitul undei T, determinat global, trebuie să se potrivească cu un sfârșit bine definit al undei T în cel puțin una din derivațiile înregistrate simultan;


Compresie de date pentru transmitere și stocare

Compresia datelor afectează în principal componentele de înaltă frecvență, și anume complexul QRS, durata undei Q, amplitudinea undei R;

Compresia trebuie făcută în așa manieră încât datele recuperate (decompresie) să nu varieze cu mai mult de 10 µV pentru fiecare eșantion.




Mergând după principiile de bază ale unui sistem de achiziții de date, în concordanță cu tema acestui proiect și ținând cont de factorii prezentați în principiul de funcționare al unui electrocardiograf, se merge după următorul plan:

Prelevarea semnalului

Întrucât semnalul are o amplitudine foarte mică ( de ordinul microvolților) este foarte important ca acesta să fie prelevat cu ajutorul unor electrozi foarte buni conductori. Dat fiind că și curentul care circulă prin ei este de ordinul miliamperilor, este foarte important ca rezistența electrozilor și a cablurilor lor să fie foarte mică in raport cu curentul cei ii străbate.
În tabelul de mai jos sunt sintetizate o serie dintre caracteristicile semnalelor electrofiziologice prelevate des la intrarea sistemului instrumentației biomedicale.

/
Caracteristici ale semnalelor electrofiziologice

Biopotențialul generat de inimă este determinat de un schimb de ioni ce are loc la nivelul celulelor miocardului. O proiecție a curenților determinați de mișcarea ionilor ajunge la suprafața pielii și astfel aici se regăsește o componentă a biopotențialului generat de inimă. Pentru a putea înregistra acest semnal este nevoie de un senzor care să poată transforma curentul electric ionic în curent electric electronic. Acești senzori se numesc electrozi. În funcție de locul unde sunt plasați, electrozii pot fi de suprafață (atunci când se înregistrează ECG) când sunt plasați pe suprafața pielii sau plasați direct în miocard. În tabelul de mai jos sunt prezentate diferite tipuri de electrozi folosiți pentru măsu rarea câmpului electric generat de inimă.

Electrozi

Procesele ce au loc în țesuturile vii sunt procese chimice la care participă un electrolit. Culegerea diferențelor de potențial generate de activitățile din celule și țesuturi se realizează cu electrozi.
Interfața electrod – țesut este, în felul său, un traductor prin care procesele electrochimice complicate, asociate cu conducția ionică din țesut, își transferă informația în conducția electronică din circuitul de măsură.
Un electrod este o bucată de metal căreia i se asigură un contact stabil cu un electrolit într-unul din urmatoarele scopuri:

Pentru măsurarea unui potențial (electrodul – traducator);

Pentru a obține electricitate prin reacții chimice (pilă electrică);

Pentru a obține transformări electrochimice utile prin trecerea unui curent (electroliză)

Electrolitul

Este un conductor ionic, trecerea curentului electric prin electroliți (acizi, baze, săruri) având loc, nu prin deplasarea electronilor, ca în metale, ci prin deplasarea ionilor. Starea de agregare a electrolitului este importantă pentru conductivitatea acestuia, deoarece determina mobilitatea ionilor.

Potențialul de electrod

Culegerea semnalului bioelectric presupune realizarea unui contact între un electrod metalic și electrolitul biologic. Între cele două elemente se formează celule electro-chimice care dezvoltă diferente de potențial (potențial de electrod), comparabile ca ordin de marime cu potențialul măsurat. Aceasta impune utilizarea unor electrozi nepolarizabili (cu potențial de electrod neglijabil): electrod de calomel, electrod de Ag / AgCl
Electrolitul biologic este un lichid în care, printre moleculele de apă, a căror configurație dipolară este esențială pentru puterea de dizolvarea a apei, sunt dispersați ionii pozitivi sau negativi.
Pentru unele metale, ionii din soluție pot dobândi mai multa stabilitate în nodurile rețelei cristaline decât înconjurați de dipolii de apă din electrolit și au tendința de a se atașa metalului.
La alte metale, lucrurile se petrec invers: există tendința de trecere a ionilor din metalul electrodului în electrolit pană la stabilirea echilibrului, realizat ca urmare a incărcarii negative a metalului.
Testul contactului cu o soluție a propriilor ioni furnizează o informație despre tăria legăturilor dintr-o rețea cristalină, exprimată prin mărimea și semnalul potențialului de electrod.
Determinarea potențialului de electrod implică măsurarea unei tensiuni între electrodul respectiv și un electrod de referință cu potențialul de electrod mic și stabil, considerat prin convenție nul.
Celula standard cu care se fac măsurători are ca electrod de referință ,,electrodul de hidrogen" – electrod de platină având stratul superficial spongios (negru de platină), iar interfața cu electrolitul – soluție acidă cu concentrația ionilor de hidrogen 1 mol/l, barbotată cu un flux de hidrogen la presiunea de 1 atm. Cealaltă semi celulă este compusă din metalul testat cufundat în soluție a ionilor săi cu concentrația de 1 mol/l.
Prin experiențe de acest tip s-au aranjat elementele chimice într-o serie electrochimică prezentată în tabelul următor:

Metal electrod
Ion
Potențial de electrod (V0)

Litiu
Li+
-3,04

Potasiu
K+
-2,95

Calciu
Ca2+
-1,66

Sodiu
Na+
-0,76

Aluminiu
Al3+
-2,86

Zinc
Zn2+
-2,71

Hidrogen
2H+
0,00

Cupru
Cu2+
+0,34

Argint
Ag+
+0,52

Mercur
Hg2+
+0,80

Aur
Au+
+1,60



Metalele cu potențial standard negativ tind să lase ioni în soluție, deci să se dizolve și sunt considerate mai puțin nobile decât cele cu potențial standard pozitiv, care atasează ionii din soluție.
Dacă se introduc doi electrozi din metale diferite într-un electrolit oarecare, se obține o tensiune destul de bine aproximată de diferența între potențialele de electrod din seria electrochimică. Analiza detaliată arată că eroarea este în limitele de ±0,1V. Dacă introducem două metale identice într-un electrolit oarecare, un voltmetru suficient de sensibil va mai arata și o tensiune reziduală, care poate fi atribuită micilor diferențe în puritatea electrozilor sau unor asimetrii de interfață.
Pentru culegerile bioelectrice această structură este avantajoasă fată de cele precedente, deoarece o tensiune reziduală mică poate avea numai fluctuații mici, care vor contamina mai puțin semnalul bioelectric
Când metalul este utilizat ca electrod de măsură – pentru a detecta anumite variații de potențial în electrolitul din vecinătatea sa, stratul dublu constituie un inconvenient proporțional cu mărimea potențialului de electrod care-l caracterizează astfel încât:

Transferul informației implică circulația liberă a sarcinilor între metal și electrolit, dar câmpul electric al stratului dublu se opune acestei circulații;

Instabilitatea stratului dublu provoacă fluctuații ale potențialului de electrod, care pot îneca semnalul util;

Polarizarea

Se referă la procesele care se dezvoltă la suprafața electrod – electrolit, oricând aceasta este străbătuta de un curent sesizabil un timp suficient de lung. Se știe că trecerea unui curent continuu între doi electrozi produce electroliza soluției, adică o descompunere prin efect electric urmata de acumularea produșilor (bule de gaz de exemplu) la electrozi. Se consideră că, datorită acumulării produșilor de electroliză la electrozi, rezistența pe care o întâmpină curentul la traversarea celulei de electroliză creste în timp; această sporire în timp a rezistenței celulei este cauzată de apariția unui potențial care se opune trecerii curentului, numit polarizare.
Potențialul de decalaj electrochimic – un amplificator diferențial va ,,simți" înseriat cu semnalul util un potențial continuu care provine din diferența între potențialele de electrod (cauzată de mici diferențe în puritatea metalului) și din diferența între supra potențialele de polarizare (provocată de asimetriile de orice fel ale interfețelor); prin analogie cu tensiunea de decalaj a amplificatorului, din cauza căreia tensiunea de ieșire a acestuia este diferită de zero când terminalele de intrare sunt legate între ele, această tensiune inerent adăugată semnalului bioelectric este desemnată prin potențial de decalaj electrochimic.
Valoarea absolută a decalajului electrochimic este puțin interesantă, deoarece acesta poate fi aproape întotdeauna compensat din reglajul de echilibrare a amplificatorului. Electrozi din metale diferite pot însă introduce decalaje peste ,,forța" de echilibrare disponibilă, care adesea nu depășește câteva zeci de mV. În esența, decalajul electrochimic este supărător prin instabilitate; fluctuațiile sale lente reprezintă derive, iar cele rapide zgomotul electrozilor.
Deriva se referă la stabilizarea lentă a interfețelor în urma apariției unui curent mic în circuitul închis prin rezistența de intrare diferențială a amplificatorului. Măsura obișnuită anti derivă este cuplajul în curent alternativ între etajele amplificatorului.
După ce deriva a fost stăpânita prin alegerea convenabilă a electrozilor și a constantei de timp de cuplare, pe primul plan ajunge zgomotul electrozilor.
Interfața electrozilor de măsură este străbătută de curenți slabi, care au supra potențiale de polarizare modeste. La interfața de stimulare, prezenta unor curenți importanți aduce în discuție un criteriu inedit la ,,judecata" electrozilor: caracteristica de stocare a sarcinii la interfețe.
Sarcina stocată pe durata impulsului de stimulare trebuie să fie cât mai mică, iar disiparea ei între pulsuri să fie cât mai completă, adică descărcarea condensatorului de interfața – revenirea – să fie cât mai rapidă;
Pentru o interfață dată – care asociază o capacitate determinată – sarcina stocată depinde de ,,forța" stimulului, iar revenirea depinde de rezistența de iesire a stimulatorului.
Comparând răspunsurile electrozilor de Ag ׀ AgCl, Cu și inox la testul stocării sarcinii de interfață, s-a putut concluziona că, la nevoie, Cu ar putea fi acceptat cât timp interfața nu este deliberat supusă unui curent, în timp ce inoxul este inacceptabil de ,,lent"; aceasta trebuie evitat chiar și la recoltarea biopotențialelor, deoarece microcurenții induși de rețelele vecine de curent alternativ străbat în mod obișnuit interfețele de măsurare.
In funcție de destinația și modul lor de utilizare electrozii se clasifică după cum urmează:

In funcție de dimensiuni:

Microelectrozii sunt destinați înregistrărilor de potențiale celulare;

Macroelectrozii sunt utilizați curent în explorările funcționale electrofiziologice

În funcție de nivelul de captare a semnalului bioelectric se disting :

Macroelectrozi de suprafață (culeg transcutanat, neinvaziv biopotențialele electrice);

b) Macroelectrozi de profunzime;

Utilizarea corectă a electrozilor impune cunoașterea tipului de semnal biologic investigat și adaptarea lor  la structurile și parametrii  biofuncționali de explorare (biofizică, biochimică, etc.)

Caracteristici tehnice generale

Impedanța electrozilor este cuprinsă între sute de ohmi – sute de megaohmi (Mohmi), datorandu-se electrodului propriu-zis, soluției electro-conductive intermediare și interfeței electrod-țesut.
La macroelectrozii de formă plată este necesară introducerea între electrodul metalic și țesut a unei bucați de tifon îmbibată în soluție salină sau a unei paste electroconductive care realizează:

Micșorarea impedanței la interfața electrod țesut;

Creșterea conductibilității la interfața pastă electroconductivă – piele;

Stabilizarea impedanței;

Caracteristici tehnice particulare

Electrozi de suprafață

Electrozii practici

Criteriile majore în selecția electrozilor (E) sunt cele asociate decalajului electrochimic: deriva, zgomotul, revenirea. Dintre criteriile de plan secund, se va face referire la toxicitate, inerție, caracteristici mecanice, fotosensibilitate și puritatea materialului de bază.
Multe metale formează cu electrolitul biologic săruri solubile care sunt toxice și nu pot fi utilizate decât ca electrozi de suprafață pe pielea intactă. Electrozii de Ag sunt netoxici, întrucât clorura de argint este aproape insolubilă într-o soluție apoasă care conține ionii Cl-.
Electrodul trebuie să fie pe cât posibil inert chimic. Semnul și mai ales valoarea absolută a potențialului standard în seria electrochimică sunt elocvente în privința reactivității chimice relative. Metalele accentuate electronegativ, precum Al, sunt mai active chimic decât metalele ,,nobile" din vârful coloanei pozitive, precum Au și Pt. un metal mai puțin inert este mai ușor părăsit de ionii săi și asocierea acestora cu anionii electrolitului poate da combinații toxice sau iritante. Pasivizarea unui metal înseamnă formarea la suprafața sa a unei sări insolubile de apă, urmată de scăderea potențialului de electrod; pasivizarea poate să anihileze disoluția anodică a metalului într-o celulă de electroliză.
Caracteristicile mecanice nu sunt lipsite de importantă; curățirea și sterilizarea repetată impun materialului o anumită oboseală pe care electrozii subțiri o acuză.
Electrozii Ag ׀ AgCl prezintă fotosensibilitate, exprimată prin variații în potențialul de electrod; protecția față de lumina directă poate fi necesară în anumite aplicații
Argintul, utilizat ca atare sub formă de Ag ׀ AgCl, pretinde puritate avansată (99,999% grad spectroscopic), sub amenințarea zgomotului.
Modelele electrod/electrolit discutate pot fi cu greu aplicate unui electrod fixat pe pielea perfect uscată (contact direct). Realitatea se apropie de model dacă pielea este umedă; contactul se ameliorează în continuare, dacă între electrod și electrolit se introduce un tifon îmbibat în soluție salină. În plus, așa cum se procedează adesea, introducerea unei paste conductive – contact indirect electrod-piele – are efecte salutare asupra rezistenței de contact și stabilizează mecanic interfața, amortizând tendința de ,,fugă" a electrodului la mișcările bruște ale subiectului.
Variatele rețete de pastă de electrod au comune următoarele ingrediente:

O bază bună conducătoare, de obicei soluție salină;

O substanță higroscopică pentru conservarea umidității;

Un liant;

Uneori, un micro-abraziv;

Folosind aceste principii generale, practica înregistrărilor bioelectrice poate conduce ușor utilizatorul spre pasta ,,personală", verificată adesea cu un simplu ohmmetru, dar întotdeauna prin calitatea traseelor. Buna pregătire a epidermei înainte de contactul indirect – spălare, degresare, îndepărtarea stratului cornos cu abraziv fin, masaj cu pastă – este de mare importanță pentru o rezistență de contact scăzută.
Formele uzuale ale electrozilor de suprafață sunt: plăcuța, sârma multifilară, rețea, disc, cupă.
Pentru captarea corectă, neperturbată a potențialelor reale se impun următoarele condiții:

Alegerea unei forme și suprafețe adecvate zonei explorate, modalității de explorare (statică, dinamică) ăi parametrilor explorați :

Suprafață de 5-10 cm2 pentru ECG, 10 – 50 mm2 pentru EEG si EMG;

Forme uzuale : plăcuță, disc, cupă (pentru înregistrări de lungă durată, dinamice), ace hipodermice  (culegeri EEG în dinamică), lacuri și spray-uri conductive,etc.

Alegerea unor caracteristici electrice (material, polarizare) corespunzătoare:

Electrodul Ag/AgCl are calități optime pentru culegerea potențialelor de suprafață;

Electrodul Pt/PtCl are performanțe bune pentru culegerea curenților mici;

Electrozii din aliaje de staniu și plumb sunt utilizați frecvent în culegerile EEG;

Electrozii de Pb sub formă de foaie ușor mulabilă sunt utilizați pentru determinarea rezistenței electrice a pielii prin contact direct;

Electrozi de profunzime

Electrozii de profunzime sunt electrozi aciculari simpli sau coaxiali (monofilari, multifilari), utilizați pentru electromiografie sau explorări EEG în neurochirurgie. Excepție face acul hipodermic utilizat ca electrod de suprafață de unică folosință în monitorizarea EEG intraoperatorie.
Acul coaxial monofilar are suprafață de culegere situată la vârful acului – culege între cămașă și miez, monopolar sau bipolar.
Acul coaxial multifilar are mai multe suprafețe de culegere plasate lateral de-a lungul "cămășii" (ex electrodul multifilar  pentru culegerile tip jitter la o singură fibră musculară). Ariile receptoare pentru electrodul – ac (EMG) obișnuit sunt sub 1 mm2, iar acul pentru culegeri monofibră realizează arii receptoare cu diametrul de 25 microni.
Pentru ECG, pot fi folosiți electrozii epiductivi care sunt lacuri conductive ,,pictate" pe zona de interes (în neurostimulare) și care se usucă în câteva minute; contactul se face cu un electrod disc convențional.
Ancorarea electrozilor de suprafață se face de cele mai multe ori cu bandă adezivă medicală, deși se fabrică o gamă largă de rondele adezive, potrivite însă numai pentru un anumit tip de electrod (de o anumită greutate).
Sterilizarea se face în autoclavă la 1440ºC, 4 bari, 10 minute, sau la rece folosind lichide dezinfectante. Electrozii nu supoartă acizi tari și solventi organici (etanol, formalină), dar sunt rezistenți la acizi slabi (acetic, de exemplu) sau la baze tari sau slabe. Rezistența la procedurile de sterilizare este o calitate cerută electrozilor refolosibili.
Electrozii ac – acele sunt consacrate în EMG, fiind tipic, electrozi ,,de interior"; o excepție notabilă este acul hipodermic scurt din oțel inoxidabil, electrod de suprafață de o singură utilizare în monitorizarea ECG intraoperatorie sau în alte aplicații care cer culegeri prompte.
Acul concentric simplu are un miez izolat de o camașă de araldit, culegînd între camașa și miez: monopolar, când camașa este la masă, sau bipolar, când se folosește drept masă un electrod de suprafață.
Tratamentul electrolitic al electrozilor ac are rolul de a șterge de pe ariile receptoare ,,memoria” fenomenelor de polarizare și se dovedește important pentru reducerea rezistenței de contact și a zgomotului de interfață, precum și pentru comportarea în frecvență. Acul de fibră unică trebuie tratat înaintea fiecarui examen prin trecerea unui current de oridinul a 20 µA timp de 10 s printr-o soluție izotonică în care miezurile sunt puse la anod. Acele normale se tratează la intervale de câteva săptamani timp de 5 s folosind un current la limita formării bulelor de gaz.

Microelectrozi

Măsurarea potențialelor intracelulare pretinde diametrul la vârf de ordinul 1 µm sau mai puțin, în intenția ca microelectrodul să nu perturbe major funcția celulară.

Tipuri de electrozi pentru măsurarea semnalului ECG

Tip electrod
Descriere

/
/


In figurile din stânga sunt prezentați senzori de unică folosință cu două tipuri de electrolit: hidrogel (stânga) și electrolit lichid (dreapta).

Acești electrozi se așază în configurații specifice pentru a măsura semnalul ECG. ( foto jos).

/
/


În stânga este prezentată o rețea de electrozi (80 de electrozi) folosită pentru a măsura semnal ECG cu densitate mare. Aceasta se folosește pentru a crea o hartă a activării electrice a inimii. Conform unor studii recente acest tip de înregistrare oferă o senzitivitate mai bună decât metodele clasice (3, 6 sau 12 derivații) în detectarea anumitor afecțiuni ale inimii, cum ar fi infarctul miocardic. Mai mult, acest tip de configurație a electrozilor este folosit pentru rezolvarea problemei inverse și anume a detecta potențialele la suprafața inimii folosind ECG de suprafață cu densitatea mare și un model al mediului de propagare (al toracelui)


Amplificarea semnalului

Pentru a putea fi procesat, semnalul trebuie amplificat din starea lui pură la o valoare cu cel puțin două ordine de mărime mai mare. Asta deoarece procesorul de semnal ales lucrează cu valori mult mai mari față de valoarea naturală obtinută la prelevare.

Amplificatoarele operaţionale

AO reprezintă o categorie de circuite analogice amplificatoare cu performanţe deosebite. Denumirea are o justificare istorică fiind datorată faptului că au fost create şi utilizate pentru realizarea unor operaţii matematice în calculatoarele analogice.
Primele tipuri de AO aveau componente discrete şi performanţe relativ modeste. Tehnologia circuitelor integrate a condus la variantele actuale de AO care au performanţe spectaculoase.
Măsurătorile de precizie care necesită amplificarea unor semnale de nivel foarte redus, în prezenţa unor tensiuni de mod comun mari, impun utilizarea unor amplificatoare de mare performanţă.
Un AO integrat este un circuit integrat monolitic care conţine tranzistoare, diode, rezistoare şi condensatoare realizând:

O amplificare în tensiune de valoare ridicată, în buclă deschisă, în regiunea liniara de funcționare:
𝐴
0
=
10
4
÷
10
6
;

O impedanță de intrare foarte mare:
𝑍
𝑖𝑛
=
10
6
÷
10
15
Ω;

O impedanță de ieșire foarte mică:
𝑍
𝑜𝑢𝑡
=
10
2
÷
10
3
Ω;

O bandă de trecere începând din curent continuu și cuprinsă uzual între 0Hz÷
10
6
Hz;

Două intrări și o ieșire pentru semnal: intrarea neinversoare la care un semnal aplicat este regăsit la ieşire cu aceeaşi fază şi intrarea inversoare la care acelaşi semnal aplicat este regăsit la ieşire defazat cu ( ;

Un raport semnal zgomot foarte bun în procesul de amplificare ;

Sensibilitate deosebită la intrare:
10
−8
÷
10
−6

𝑉
𝑒𝑓
;

Consum redus de putere şi alimentare la tensiuni joase ((12V (;

Amplificatorul diferențial

Este un element important în amplificarea semnalelor de măsurare și este utilizat în instrumentație, întorcând rezultate foarte bune. Practic, amplificatorul diferențial produce un semnal de ieșire proportional cu diferența semnalelor aplicate la intrare.

Amplificatoarele de instrumentaţie

Sunt amplificatoare diferențiale cu CMRR (factor de rejecție a modului comun) de valori foarte mari, impedanță de intrare mare și amplificarea foarte precisă, eventual reglabilă în trepte prin intermediul unei singure rezistențe variabile. Configuraţia lor este aceeaşi şi poate fi realizată cu componente discrete şi AO sau circuite integrate specializate.
Parametrii lor garantează performanţe deosebite într-o gamă mare de variaţie a amplificării A = 1÷1000, deriva termică de maxim 0.5μV/˚C, CMRR = 100÷120dB, neliniaritate sub 0.01%.

/
Schema funcțională a unui AI cu modificarea amplificării prin varierea unui singur rezistor

Caracteristicile funcționale ale AI sunt:
factorul de amplificare A – în modulele integrate A este, în general, reglabil în limitele 1 -1000. fabricantul indică, adesea, eroarea de nelinearitate a factorului de amplificare.

Tensiunea de decalaj; curenții de polarizare – fabricantul indică valoarea tensiunii de decalaj la ieșire; trebuie tinut însș cont și de deriva acestui parametru cu temperatura (deriva constituie un semnal perturbator care nu poate fi separat de semnalul util; efectul de derivă constă în faptul că deși la intrarea unui amplificator semnalul este nul, la iesire apere un raspuns, un semnal diferit de zero). Curentul de polarizare intervine în situația în care rezistențele surselor de semnal sunt importante;

Impedanța de ieșire – are valoare scăzută, de ordinul 10-1 – 10-2 Ω;

Rejecția semnalelor de mod comun – factorul de recjție de mod comun se poate exprimă în funcție de elementele schemei de măsurare și cele ale AI. Notat cu CMR (,,Common Mode Rejection ratio”), el este definit ca raportul dintre câstigul diferențial și cel în modul comun ale amplificatorului. Amplificatoarele fiind în mod special realizate cu o simetrie foarte bună, perturbațiile au practic același efect asupra celor două intrări; ele produc, prin urmare, un semnal de mod comun (căci se insumează) al carui efect asupra răspunsului (semnalul de ieșire) poate fi făcut neglijabil dacă se asigură amplificatorului un factor CMR suficient de mare.

Filtrarea semnalului

Pe fundamentala semnalului obținut apar perturbații sub formă de zgomot. Acestea au surse diferite cum ar fi zgomotul termic al componentelor sistemului, proasta izolare sau inexistența separării galvanice față de rețeaua de alimentare, influența câmpurilor electromagnetice din exterior datorată inexistenței unei ecranări pe măsura etc. Din acest motiv se impune folosirea unor filtre proiectate și dimensionate pentru fiecare tip de perturbație, așa încât forma finală a semnalului să fie cât mai apropiată de cea naturală. Filtarea se poate face atât înainte cât și după etajul de amplificare.
Orice semnal care afectează în mod nedorit un semnal util se numeşte zgomot.
Zgomotul este considerat dăunător numai atunci când se suprapune şi se compune (interferă) cu semnale utile.
Funcţie de originea faţă de sistemul studiat, zgomotele se clasifică în: zgomot extern şi zgomot intern.

Zgomotul extern

Are drept cauză interacțiunea, de natură electrică, magnetică sau electromagnetică nedorită dintre un circuit (sau un element de circuit) şi mediul exterior. O altă sursă de zgomot extern o constituie etajele de alimentare a circuitelor electronice, precum şi legătura la masă. Efectul zgomotului extern poate fi micşorat prin: ecranare electrostatică şi electromagnetică, plasarea corectă în spaţiu a diferitelor componente electronice şi fire de legătură, eliminarea buclelor de masă, filtrarea, decuplarea, gradarea sau utilizarea surselor de alimentare cu zgomot redus.

Zgomotul intern

Este zgomotul produs în interiorul sistemului (circuitului). Poate fi datorat componentelor interne sistemului (de ex. zgomot termic, de alice, de licărire, de avalanșă) sau funcționarii dispozitivelor active/circuitelor (de ex. la comutația circuitelor digitale).
Indicatorul pentru calitatea semnalului în prezenta zgomotului este raportul semnal-zgomot (S/N) adică raportul dintre puterea semnalului util (Ps) şi puterea zgomotului (Pz) calculate sau măsurate în acelaşi moment şi în acelaşi punct, al unui lanţ de prelucrare de semnal.

Zgomotele externe pot fi menţionate următoarele:

zgomotul de reţea – de frecvenţă (50 Hz) şi armonicile sale, uzual de amplitudine aproximativ 50% din amplitudinea vârf la vârf a semnalului;

semnale biomedicale de altă natură decât cel supus investigării – de exemplu cum ar fi în cazul semnalului ECG zgomotele provenite de la muşchi (zgomot electromiografic, de frecvenţă max. 10KHz) sau respiraţie (de frecvenţă joasă 0.15 – 0.3Hz);

zgomotul de contact electrozi – ţesut apare de obicei la întreruperea contactului dintre electrozi şi ţesut. Fluctuaţiile rapide ale potenţialului de electrod definesc zgomotul electrodului, iar cele lente deriva.

artefactele de mişcare apar datorită modificării impedanţei electrod – ţesut odată cu mişcarea electrodului cauzată de mişcarea subiectului.

Dintre zgomotele interne pot fi menţionate următoarele: zgomotul termic zgomotul de licărire (flicker noise), zgomotul de alice şi zgomotul de avalanşă.

Filtrele active

Sunt circuite proiectate să atenueze/rejecteze selectiv anumite componente spectrale ale unui semnal. Ideal un filtru ar trebui să transmită toate frecvenţele utile, fără atenuare şi defazaj, eliminând în acelaşi timp celelalte componente de frecvenţă considerate zgomote. În realitate însă este imposibil de obţinut un astfel de filtru şi se admite până la urmă compromisul dintre caracteristicile impuse de aplicaţia dată şi posibilităţile de realizare. Imperfecţiunile ce caracterizează un filtru activ sunt explicate prin faptul că atenuarea (în dB) în banda de trecere nu este de fapt nulă, iar tranziţia între banda de trecere şi banda de atenuare nu se face brusc, ci lent.
Realizarea filtrelor active cu amplificatoare operaţionale prezintă avantajul unei bune independenţe a caracteristicii de transfer de parametri elementelor active utilizate, respectiv de variaţia acestora la modificări ale mediului ambiant.

Cele mai cunoscute tipuri de filtre de frecvență sunt:

Filtrul trece-jos (FTJ) – lasă să treacă frecvențele joase și blochează frecvențele înalte;

Filtrul trece-sus (FTS) – lasă să treacă frecvențele înalte și blochează frecvențele joase;

Filtrul trece-bandă (FTB) – lasă să treacă o anumită bandă de frecvențe și blochează frecvențele care sunt mai înalte sau mai joase decât cele din bandă;

Filtrul oprește-bandă (FOB) – oprește o bandă de frecvență și lasă să treacă frecvențele mai joase sau mai înalte decât cele din bandă;

Filtrele utilizate pot fi fixe sau adaptative (cele adaptive își modifică automat parametrii). Instrumentația biomedicală dispune de două niveluri de filtrare :

Filtru trece-sus (cut-up), care atenuează sau chiar elimină semnalul perturbator situat deasupra limitei superioare a semnalului util;

Filtru trece-jos (cut-down), care elimină semnalul parazitar situat sub limita inferioară a semnalului util;

/
Forma semnalului brut ( inainte de filtare)

/
Forma semnalului dupa filtrare

Conversia semnalului

În această fază cu ajutorul unui convertor analog-digital semnalul este convertit din analogic în digital și transmis mai departe în formă binară.
CAN sau Convertor analogic-numeric (convertor analogic-digital) reprezintă un bloc sau un circuit care poate accepta o mărime analogică (curent, tensiune) la intrare, furnizând la ieșire un număr care constituie o aproximare (mai mult sau mai puțin exactă) a valorii analogice a semnalului de la intrare.

/

Reprezentarea grafică a unui semnal analogic

Spre deosebire de o mărime analogică ale cărei valori se pot găsi în orice punct din domeniul său de variație, mărimea numerică (sau digitală) posedă numai o variație în trepte. Astfel, întreg domeniul de variație este divizat într-un număr finit de „cuante” (trepte elementare) de mărime determinată de rezoluția sistemului, în acest mod, diferența între cele mai apropiate valori numerice nu poate fi făcută mai mică decât această treaptă elementară, ceea ce face ca, principial, reprezentarea informației sub forma numerică să fie legată de introducerea unei erori, numită eroare de cuantificare.
Cu toate că un sistem pur analogic este capabil (cel puțin în mod teoretic) de o acuratețe mai bună decât un sistem hibrid (analog/numeric) această acuratețe este rar folosită în mod complet. Acest lucru se datorează formei analogice a semnalului care nu permite o citire, înregistrare sau interpretare de mare exactitate. Pe de-altă parte, datele sub formă numerică reprezintă deja o formă în care se face manipularea, prelucrarea sau memorarea lor, teoretic fără nici o eroare sau practic, cu erori extrem de mici. Odată transformate în forma numerică, datele pot fi prelucrate matematic, sortate, analizate sau folosite pentru diverse funcții de control mult mai precis, rapid și flexibil decât sub formă analogică, în plus, dacă după achiziția lor este nevoie de un volum mare de prelucrare, forma numerică prezintă din nou avantaj deoarece posibilitatea de acumulare a unor erori prin manipulări succesive este extrem de mică. De asemenea, forma numerică prezintă un avantaj considerabil în cazul păstrării datelor pentru durate mari, prin posibilitatea stocării lor în memorii nevolatile de mare capacitate.
Orice mărime electrică, având o formă analogică trebuie transformată în prealabil, într-o formă numerică pentru a putea fi prelucrată sub o formă sau alta de un astfel de sistem de prelucrare.
O caracteristică importantă a unui ADC o constituie rezoluția acestuia. Rezoluția indică numarul de valori discrete pe care convertorul poate să le furnizeze la ieșirea sa în intervalul de măsura. Deoarece rezultatele conversiei sunt de obicei stocate intern sub formă binară, rezoluția unui convertor analog-digital este exprimată in biți.
De exemplu, dacă rezoluția unui convertor este de 10 biți atunci el poate furniza 2^10 = 1024 valori diferite la ieșire. Daca gama de măsurare este de 0-5V, rezoluția de măsurare va fi : (5V-0V) / 1024 = 0,005V = 5mV

/

Același semnal analogic eșantionat la rezoluții diferite

/

Același semnal analogic eșantionat la rezoluții diferite

O altă caracteristică importantă a unui convertor analog-digital o constituie rata de eșantionare. Aceasta depinde de timpul dintre două conversii succesive și afectează modul în care forma de undă originală va fi redată după procesarea digitală figură de mai jos arată modul în care semnalul eșantionat în figura de mai sus va fi reconstituit în urma trecerii printr-un convertor digital – analog (DAC).
După cum se poate observa, semnalul reprodus nu este identic cu cel original. Dacă rata de eșantionare ar crește este de la sine înțeles ca semnalul reprodus ar aproxima din ce în ce mai bine originalul.

/

Semnal analogic eșantionat la perioade regulate de timp

Refacerea semnalului analogic din digital se va face la fel de fidel cu rezoluția convertorului. Semnalul obținut după refacerea semnalului inițial va avea forma prezentată în figura de mai jos.

/

Semnalul analogic refăcut in urma conversiei inverse

Procesarea digitală a semnalului

Informația binara din stadiul precedent are forma finală ce poate fi prelucrată în vederea obținerii rezultatului așteptat, care în cazul de față este afișarea formei de unda a semnalului de tip ECG. În acest caz prelucrarea se va face cu ajutorul unu procesor de semnal (DSP) iar mai târziu eventual cu ajutorul instrumentației virtuale, care va ajuta la simularea instrumentelor necesare afișării acestor unde.
Procesoarele numerice de semnal, numite în literatura de specialitate DSP-uri (DSP – Digital Signal Processors), sunt sisteme de calcul programabile de tip "singlechip", destinate prelucrării complexe a semnalelor digitale. Deşi se numesc procesoare, ele înglobează într-un singur circuit integrat principalele subsisteme componente ale unui sistem de calcul (unitate centrală, subsistem de memorie, subsistem de intrare / ieşire, etc.), realizând funcţii complexe de transfer şi de prelucrare a datelor.

/
Structura bloc a unui DSP

Pentru efectuarea unor prelucrări în timp real asupra datelor, procesoarele de semnal lucrează la frecvenţe mari şi dispun de un set complex de instrucţiuni, putând astfel executa zeci de milioane de operaţii în virgulă mobilă pe secundă (MFLOPS – Million Floating-Point Operations per Second). Totodată, structura internă paralelă permite efectuarea mai multor operaţii simultan, ceea ce creşte considerabil puterea de calcul a DSP-ului.
Evoluţia în timp a procesoarelor de semnal a fost condiţionată de dezvoltarea tehnologiei de fabricaţie a circuitelor integratedigitale. În general, tendinţele dezvoltării tehnologice au în vedere următoarele aspecte:

Mărirea densităţii de integrare, prin creşteea numărului de tranzistoare pe unitatea de suprafaţă a cipului. Aceasta permite creşterea numărului unităţilor funcţionale integrate şi a complexităţii acestora;

Creşterea frecvenţei interne de lucru a procesoarelor, care se poate face explicit prin îmbunătăţirea calităţii tranzistoarelor şi, implicit, prin micşorarea dimensiunilor tranzistoarelor şi a distanţelor dintre ele pe cip;

Realizarea mai multor unităţi paralele de prelucrare şi mărirea cuvintelor prelucrate şi respectiv, memorate;

Micşorarea consumului energetic şi a puterii disipate, factori care tind să crească odată cu creşterea frecvenţei de lucru a procesoarelor;

Păstrarea compatibilităţii software cu modelele anterioare din aceeaşi familie de procesoare;

Astăzi, marile firme producătoare de DSP-uri au în vedere două aspecte majore:

Asigurarea unei game largi de produse şi de soluţii complete cu DSP-uri, adaptându-se permanent la cerinţele pieţii;

Crearea suportului software pentru dezvoltarea aplicaţiilor cu DSP-uri.

Aplicatii ale DSP-urilor

Datorită performanţelor în timp real şi a capacităţii mari de prelucrare, procesoarele de semnal sunt utilizate astăzi într-o gamă foarte variată de aplicaţii.
Tehnicile DSP tind să înlocuiască metodele clasice de procesare analogică a semnalelor în multe domenii. Procesarea numerică a semnalelor a devenit o tehnică standard în multe domenii, printre care: telecomunicaţiile, analiza şi prelucrarea semnalelor biomedicale, controlul numeric, procesarea vorbirii şi a semnalelor audio / video, instrumentaţia numerică, tehnicile radar, sonar, etc.
Câteva exemple de aplicaţii în care se utilizează procesarea numerică a semnalelor sunt prezentate în continuare:

Prelucrare de semnale (procese)
Filtrare digitală, Convoluţie şi corelaţie, Transformări Hilbert, Transformări Fourier rapide, Filtrare adaptivă, Generare de semnale, Ferestre de timp.

Grafică şi prelucrări de imagine
Transformări 3D / Renderizare, Recunoaştere de forme, Transmisie / Compresie de imagini, Îmbunătăţirea calitativă a imaginilor, Scanare coduri de bare, Staţii de lucru grafice, Animaţie / Hărţi digitale, Vedere artificială, Camere digitale.

Instrumentaţie
Analiza spectrală, Generare de funcţii, Potrivire de şabloane, Simulări seismice, Filtrare digitală

Recunoaştere vocală
Scrisoare vocală (Voice Mail), Recunoaştere după voce, Verificare amprentă vocală, Îmbunătăţirea vorbirii, Sinteza vocală, Controlul incintelor acustice, Conversia text / vorbire (Text-to-Speech), Videoconferinţe, Protocoale de transfer voce pe Internet (Voice Over Internet).

Comandă şi control
Controlul discului, Comandă servo, Comanda roboţilor, Imprimante laser, Comanda motoarelor, Filtre Kalman.

Aplicaţii industriale
Comanda numerică, Robotică, Securitatea accesului, Monitorizarea surselor de putere, Inspecţie vizuală, CAM (Computer-Aided Manufacturing).

Procesare audio
Codificare şi decodificare (codec), Generatoare de efecte, Sintetizare de sunet tridimensional, Procesare de sunet spaţial (Surround-Sound).

Transporturi
Controlul activ al zgomotului şi al vibraţiilor, Securitatea comunicaţiilor, Controlul adaptiv al rulării, Sisteme anti-coliziune, GPS (Global Positioning System), Comanda vocală a autovehicolelor, Radio digital, Sisteme audio / video pentru transporturi.

Comunicaţii
Securitatea comunicaţiilor, Detecţie, Codificare şi decodificare, Radiouri software, Sintetizatoare de unde.

Telecomunicaţii
Suprimarea ecoului, Transcodere, Multiplexarea canalelor, Modemuri, Codare / decodare, Criptare date, Comunicaţii în spectru larg, Egalizatoare adaptive, FAX, Telefonie celulară, Telefoane inteligente, Interpolare, Videoconferinţe, Sisteme de comunicaţii personale (PCS – Personal Communication System), PDA-uri
(Personal Digital Assistants), etc.

Aplicaţii militare
Securitatea comunicaţiilor, Procesare de semnale radar, Procesare sonar, Procesare imagini, Instrumente de navigaţie, Ghidare rachete, Modemuri în radiofrecvenţă.

Domeniul medical
Echipamente de diagnostic, Proteze, Echipamente cu ultrasunete, Proteze auditive, Monitorizare pacienţi;

Bunuri de larg consum
Detectoare de radar (anti-radar), Instrumente de putere, Audio/TV digitale, Sintetizatoare muzicale, Jucării inteligente, Roboţi telefonici, Produse educaţionale, Pagere, PDA-uri, etc
.
Acestă sumară trecere în revistă a domeniilor şi a aplicaţiilor în care procesarea numerică a semnalelor şi-a găsit o largă aplicabilitate nu este nici pe departe completă; mai mult, aria de utilizare a DSP-urilor se lărgeşte odată cu trecerea timpului. Aici s-au evidenţiat doar aplicaţiile în care aportul utilizării procesoarelor numerice de semnal a fost unul revoluţionar. Se poate observa şi că domeniul procesării numerice a semnalelor este unul interdisciplinar, bazându-se pe noile descoperiri din diverse alte domenii. Aşa cum se poate vedea în figura de mai jos graniţele dintre domeniul DSP şi al altor discipline tehnice nu sunt bine delimitate, existând multe puncte comune.

/
Interdisciplinaritatea domeniului DSP

Proiectarea sistemului de achiziție pentru ECG

Alegerea procesorului de semnal (ATMEGA 328 „Arduino UNO” )

Istoric

Arduino a început în 2005, ca un proiect al unui student al Institutului de Interacțiune a Designului din Ivrea, Italia. La acea vreme studenții foloseau o plăcuță de dezvoltare BASIC Stamp, care costa 100 de dolari, ceea ce era considerat foarte scump pentru studenți. Massimo Banzi, unul dintre fondatori, era student la Ivrea. Numele "Arduino" provine de la un bar din Ivrea, locul unde o parte din fondatori obișnuiau să se întâlnească.
Studentul columbian Hernando Barragán a creat platforma de dezvoltare Wiring care a servit ca bază pentru Arduino. După finalizarea platformei Wiring, mai multe versiuni, mai light și mai ieftine au fost create și puse la dispoziția comunităților open-source. Din echipa inițială Arduino au făcut parte Massimo Banzi, David Cuartielles, Tom Igoe, Gianluca Martino și David Mellis.

Hardware

O plăcuță Arduino este compusă dintr-un microcontroler Atmel AVR de 8-, 16- sau 32-biți (deși începând cu 2015, s-au folosit microcontrolere de la alți producători) cu componente complementare care facilitează programarea și încorporarea în alte circuite.
Un aspect important la Arduino este că acesta dispune de conectori standard, care permitut uilizatorului să conecteze plăcuța cu procesorul la diferite module interschimbabile numite shield-uri. Unele shield-uri comunică cu Arduino direct prin pinii digitali sau analogici, dar altele sunt adresabile individual prin magistrala serială I²C permițând utilizarea mai multor module în paralel.
Până în anul 2015, plăcuțele Arduino oficiale au folosit cipuri Atmel din seria megaAVR, în special ATmega8, ATmega168, ATmega328, ATmega1280 și ATmega2560, iar în 2015 au fost adăugate cipuri de la alți producători. O multitudine de alte procesoare au fost folosite de dispozitive compatibile Arduino.
Multe plăcuțe includ un regulator liniar de 5 V și un oscilator cu cuarț de 16 MHz (sau un rezonator ceramic în unele variante), deși anumite plăcuțe, cum ar fi LilyPad, funcționează la 8 MHz și nu necesită regulator, datorită restricțiilor de formă.
Un microcontroler instalat pe Arduino vine preprogramat cu un bootloader care simplifică încărcarea programelor pe memoria flash a cipului, în comparație cu alte dispozitive care necesită programatoare externe. Acest aspect face Arduino o soluție simplă, permițând programarea de pe orice computer ordinar. În prezent, bootloader-ul optiboot este bootloader-ul implicit instalat pe Arduino UNO.
La nivel conceptual, când se folosește mediul de dezvoltare integrat Arduino, programarea tuturor plăcuțelor se face prin conexiune serială. Implementarea acesteia diferă în funcție de versiunea hardware. Unele plăcuțe Arduino au implementate convertoare de nivel logic pentru a realiza conversia între nivelele logice RS-232 și cele TTL.
Plăcuțele Arduino din prezent sunt programate prin USB, având integrate cipuri de conversie USB-serial, cum ar fi FTDI FT232. Unele modele UNO, mai noi, folosesc un cip AVR separat programat să funcționeze ca un convertor USB-serial, care poate fi reprogramat printr-un port ICSP dedicat. Alte variante, cum ar fi Arduino Mini și versiunea neoficială Boarduino, folosesc adaptoare detașabile USB-serial, cabluri, Bluetooth sau alte metode.
Plăcuța Arduino are expuși mulți dintre pinii de intrare/ieșire ai microcontrolerului, pentru ca aceștia să fie folosiți de alte circuite. Diecimila, Duemilanove și UNO oferă 14 pini digitali de intrare/ieșire, dintre care 6 pot produce semnale PWM și 6 intrări analogice, care, de asemenea, pot fi folosite ca intrări/ieșiri digitale. Acești pini sunt accesibili prin partea superioară a plăcuței, prin intermediul unor barete mamă cu pasul între pini de 2,54 mm.

Caracteristici tehnice:

Microcontroller ATmega328P
Tensiunea de lucru 5V
Tensiunea de intrare (recomandat) 7-12V
Limitele tensiunii de intrare (limit) 6-20V
Pinii digitali I/O 14 (dintre care 6 asigura iesire PWM )
Pini digitali PWM I/O 6
Pini analogici de intrare 6
Valoarea curentului (continuu) pe fiecare pin I/O 20 mA
Valoarea curentului (continuu) pe pin pentru 3.3V 50 mA
Memorie Flash 32 KB (ATmega328P)
Dintre care 0.5 KB utilizati de catre bootloader
SRAM 2 KB (ATmega328P)
EEPROM 1 KB (ATmega328P)
Frecventa Ceasului 16 MHz

/
Semnificatia pinilor pentru controllerul ATmega168/328
Schema electrică originală a Arduino UNO
/

Alegerea amplificării și filtrării („Shield ECG/EMG Olimex”)

Placa aceasta este un shield de tip ECG/EMG „open source” proiectat si fabricat în Bulgaria ce permite plăcilor precum Arduino ( dar si altora asemănătoare cu aceasta) să captureze semnalele de tip electrocardiogramă si electromiogramă.
Shield-ul lărgește posibilitățile experimentale ale bio feedback-ului. Cu ajutorul lui se pot recunoaște gesturi prin monitorizarea și analiza activității musculare, se pot monitoriza bătăile inimii și înregistra pulsul exact ca și în acest proiect.
Acesta convertește semnalul analog diferențial ( bio potențialele ECG/ EMG generate de către mușchi) atașat intrărilor CH1_IN+/CH1_IN-, într-un singur flux de date la ieșire. Semnalul de ieșire este analog și mai departe trebuie discretizat în vedea procesării. În mod obișnuit acest lucru este realizat prin intermediul unui convertor analog digital încorporat în microcontrolerul plăcii de bază (Arduino). Amplificarea totală a shield-ului este produsul dintre amplificările fiecărei etape de discretizare: Amplificator de instrumentaţie ( A1=10), Amplificator operațional cu amplificare variabilă ( A2=6..101) și filtrul Bessel de ordinul 3 (A3=3.56). Așadar amplificarea totală este Atotal=A1*A2*A3=10*(6..101)*3,56. A2 vine presetată la aproximativ 80 asta însemnând că amplificarea totală Atotal=10*(~80)*3.56 ~ 2848.
Tot prestabilită vine și frecvența de tăiere a filtrului Bessel. Amplitudinea maximă a semnalului de intrare este Vmaxanalog=3V/2848 ~ 1mV.
Pe scurt, la baza acestei plăci stă un amplificator de instrumentație însoțit de un amplificator operațional, două filtre trece sus , un filtru Bessel de ordinul 3, un etaj de rejecție a frecvențelor înalte și un etaj de protecție la supratensiuni.
Aceste părți și modul de interconectare se pot observa detaliat pe schema originală a produslui, expusă în pagina urmatoare:
/
Schema electrică originală a plăcii shield
/

Această placă are următoarele caracteristici:
Este potrivită pentru electrocardiografie – monitorizare și colectare de date;
Este potrivită pentru electromiografie – monitorizare și colectare de date;
Este stivuibilă ( pinii trec prin ea mai departe ) – se pot monta până la 6 asemenea plăci formând 6 canale fiecare fiind legate la câte una din cele 6 intrări analogice;
Este proiect open source deci există acces la toate documentele de proiectare;
Generator de semnal de calibrare prin ieșirile digitale D4/D9;
Potențiometru de calibrare ( deși ele vin testate și calibrate );
Conector jack 3.5 mm pentru electrozi activi și pasivi;
Funcționează atât cu 3.3 V cât și cu 5V ca tensiune de alimentare;
Exemple de cod optimizate gata de a fi încărcate în plăcile Arduino;

Alegerea senzorilor

Senzorii folosiți sunt unii pasivi. Electrozii lor sunt refolosibili și sunt ideali pentru funcționarea într-un laborator. Acestia sunt perfect compatibili cu shield-ul ( sunt produși de aceeași companie ) având o mufă jack de 3.5 mm. Părțile lor din spate sunt inscripționate cu L- left ( brațul stâng), R-right ( brațul drept) si D-DRL ( piciorul stâng sau drept in funcție de tipul de derivație folosit ca principiu). Pentru măsurători mai precise se recomandă folosirea unor electrozi de unică folosință pe bază de gel electroconductor.

Alegerea instrumentului virtual potrivit ( LabVIEW)

LabVIEW este un limbaj grafic de programare care permite dezvoltarea de aplicaţii utilizând pictograme. Spre deosebire de limbajele de programare textuale, în cadrul cărora instrucţiunile sunt cele care determină execuţia programului, LabVIEW-ul foloseşte, în locul acestora, fluxul de date evidenţiat printr-o prezentare grafică adecvată.
Pe de altă parte, în mod asemănător cu celelalte limbaje de programare, LabVIEW-ul conţine biblioteci extinse de funcţii şi subrutine care pot fi utilizate în numeroase aplicaţii, precum achiziţia, prelucrarea, analiza, prezentarea şi stocarea datelor. Cu ajutorul unor echipamente de achiziţie de semnale de la diverse tipuri de traductoare, LabVIEW-ul permite utilizarea performantă a calculatorului pentru măsurarea diverselor mărimi fizice, precum şi controlul anumitor procese.
Numele utilitarului provine din faptul că National Instruments, corporaţia care a introdus programele LabVIEW, a denumit generic aplicaţiile Instrumente Virtuale, prescurtat VI (din limba engleză Virtual Instruments). LabVIEW-ul a avut în vedere, în primele sale versiuni, realizarea de programe care să substituie prin intermediul calculatorului o serie de instrumente şi aparate electronice, adesea imitând imaginile şi modurile de operare ale acestora. De altfel, LabVIEW reprezintă prescurtarea denumirii din limba engleză Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench.
În LabVIEW un VI este constituit cu ajutorul următoarelor trei componente:

• Panoul frontal, care serveşte ca interfaţă cu utilizatorul;

• Diagrama bloc, care conţine sub formă grafică codurile sursă care realizează funcţionarea VI- ului;

• Pictograma (icon) şi panoul conector, prin intermediul cărora este identificat VI-ul şi se asigură posibilitatea ierahizării, adică a interconectării în cadrul altui VI, constituind un subVI (asemănător cu o subrutină);

Panou frontal

Panoul frontal este interfaţa cu utilizatorul al VI-uluia. Puteţi construi un panou frontal folosind comenzile şi indicatoarele, care sunt terminalele interactive de intrare şi de ieşire ale VI-ului, respective. Controalele sunt butoane rotunde, butoane de apăsat, cadrane, şi alte mecanisme de intrare. Indicatorii sunt grafice, LED-uri, şi alte adispozitive de afişare de ieşire. Controale simulează mecanismele de intrare ale instrumentul şi datele de aprovizionare la schema bloc a VI-ului. Indicatorii simulează mecanismele de ieşire ale instrumentului şi a informaţiilor de afişare din schema bloc, achiziţionează sau generează.

Diagrama bloc

După ce ati construit panoul frontal, adăugaţi codul folosind reprezentări grafice de funcţii pentru a controla obiectele de pe panoul frontal. Diagrama bloc conţine acest cod sursă grafică, de asemenea, cunoscut sub numele de cod G sau Codul bloc diagrama. Obiectele de pe panoul frontal apare ca terminale în blocul diagramă.

Următoarul VI conţine mai multe obiecte din schema bloc – terminale, funcţii, şi fire şi este prezentat în figura 1.

Terminale

Terminalele reprezintă tipuri de date de control sau indicator. Puteţi configura controalele de pe panoul frontal sau indicatorii să apară ca pictograme sau date de tip terminale pe diagrama bloc. În mod implicit, obiectele panoului frontal apar ca terminale pictograma. De exemplu, un terminal pictograma buton, prezentate după cum urmează, reprezintă un buton de pe panoul frontal.

DBL de la partea de jos a terminalului reprezintă un tip de date flotante dublu-precizie. Un terminal DBL, prezentate după cum urmează, reprezintă un control numeric în virgula mobila dublă precizie.

Terminalele sunt porturi de intrare şi de ieşire care produc schimbul de informaţii între panoul frontal şi diagrama bloc. Datele pe care le introduceţi în panoul frontal controleaza (a şi b din figura anterioară) intrările din diagrama bloc prin terminale de control. Datele apoi introducese sunt supuse funcţiilor de adunare şi scadere. Când funcţiile de adunare şi scădere completează calculele lor, ele produc noi valorile de date. Valorile de date curg către terminale indicatoare, unde actualizează valorile indicatorilor de pe panoul frontal (a+b şi a-b în figura anterioară).

Noduri

Nodurile sunt obiecte pe diagrama bloc care au intrări şi/sau ieşiri şi efectuează operaţiuni atunci când un VI se execută. Ele sunt similare la declaraţii, operatori, funcţii şi subrutine cu instrucţiunile din limbajele de programare bazate pe text. Funcţiile de adunare şi scădere din figura anterioară sunt exemple de noduri.

Conexiuni prin fire

Puteţi să transferaţi date între obiectele din diagrama bloc prin fire. În figura precedentă, firele conectează bornele terminalelor de control şi a indicatorilor la funcţiile de adunare şi scădere. Fiecare fir are o singură sursă de date, dar le puteţi conecta la mai funcţii de VI şi care citesc datele. Fire sunt de diferite culori, stiluri, şi grosimi, în funcţie de tipurile de date. Un fir rupt apare ca o linie neagră întreruptă cu un X roşu în mijloc. Firele rupte apar pentru o varietate de motive, cum ar fi atunci când încercaţi să conectaţi două obiecte cu tipuri de date incompatibile.

Structuri

Structurile sunt reprezentări grafice ale buclelor şi sunt echivalente custructurile case din limbaje de programare bazate pe text. Utilizaţi structuri pe diagrama bloc pentru a repeta blocuri de cod şi pentru a executa un cod condiţional într-o anumită comandă.

Pictograma şi panoul conector

După ce a aţi construit un panou frontal al VI-ului şi o diagrama bloc, construiţi o pictogramă şi un panou conector astfel încât să puteţi utiliza VI ca un subVI. Pictograma şi panoul conector corespund prototipul funcţiei în limbajele de programare bazate pe text.

Fiecare VI afişează o pictogramă, cum ar fi cea prezentată mai jos, în colţul din dreapta sus al panoului frontal şi al diagramei bloc.
O pictogramă este o reprezentare grafică a unui VI. Acesta poate conţine text, imagini, sau o combinaţie a celor două. Dacă utilizaţi un al VI-lea ca un subVI, pictograma identifică subVI-ul pe schema bloc a VI-ului. Puteţi face dublu-clic pe pictograma pentru a o particulariza sau a o edita.

De asemenea, aveţi nevoie pentru a construi un panou conector, prezentate după cum urmează, pentru a utiliza VI ca un subVI.

Panoul conector este un set de terminale care corespund la controalele şi indicatorii acelui VI, similare cu lista de parametrii ai unui apel de funcţie în limbaje de programare bazate pe text. Panoul de conector defineşte intrări şi ieşiri pe care le puteţi cabla la al VI-a, astfel încât să-l folosiţi ca un subVI. Un panou conector primeşte date la bornele sale de intrare şi pasează datele la codul din diagrama bloc prin controalele din panoul frontal şi care primeşte rezultatele ca terminalele de ieşire ale indicatoriilor de pe panoul frontal.

Mediul LabVIEW

Se folosesc paletele LabVIEW, instrumentele şi meniurile pentru a construi panouri frontale şi diagrame bloc VI. LabVIEW include trei palete: de controale, de funcţii, de unelte. Mediul de asemenea include fereastra Getting Started (noţiuni de bază), fereastra Context Help (ajutor contextual), fereastra Project Explorer şi fereastra de navigare Navigation. Puteţi particulariza paletele de comenzi şi de funcţii şi puteţi seta mai multe opţiuni pentru prezentarea mediului.
Fereastra Getting Started

Fereastra Getting Started (noţiuni de bază) apare la lansarea LabVIEW. Utilizaţi aceasta fereastră pentru a crea noi VI-uri, pentru a selecta printre cele mai recente fişiere LabVIEW deschise, pentru a găsi exemple, şi a lansa LabVIEW Help. De asemenea, puteţi avea acces la informaţii şi resurse pentru a vă ajuta să înveţaţi despre LabVIEW, cum ar fi manuale specifice, subiecte de ajutor, şi resursele de pe web site-ul National Instruments ni.com.

Fereastra Getting Started dispare atunci când deschideţi un fişier nou sau unul existent. Fereastra Getting Started apare atunci când se închid panourile frontale şi diagramele bloc. De asemenea, puteţi afişa fereastra selectând View » Getting Started Window.

Paleta de controale

Paleta Controls este disponibilă numai pe panoul frontal. Paleta de controale conţine comenzile şi indicatoarele pe care le utilizaţi pentru a crea panoul frontal. Controalele şi indicatorii sunt situate pe subpalete pe baza tipurilor de controale şi indicatori.

Selectaţi View » Controls Palette sau faceţi clic dreapta pe spaţiul de lucru din panoul frontal pentru a afişa paleta Controls. LabVIEW păstrează poziţia şi mărimea paletei Controls când reporniţi LabVIEW, paleta apare în aceeaşi poziţie şi are aceeaşi dimensiune. Aveţi posibilitatea să modificaţi conţinutul paletei.

Paleta de funcţii

Paleta de funcţii este disponibilă numai pe diagram bloc. Paleta Functions contine VI-urile şi funcţiile pe care le folosiţi pentru a construi diagrama bloc. VI-ul şi funcţiile sunt situate pe subpalete bazate pe tipuri de VI şi de funcţii.

Selectaţi View » Functions Palette sau faceţi clic dreapta pe diagrama bloc într-un spaţiu de lucru pentru a afişa paleta Functions. LabVIEW reţine poziţia şi dimensiunea paleta Functions astfel încât când reporniţi LabVIEW, paleta apare în aceeaşi poziţie şi are aceeaşi dimensiune. Aveţi posibilitatea să modificaţi conţinutul paletei Functions.

Navigarea prin paleta de controale sau de funcţii

Faceţi clic pe un obiect de pe paleta pentru a plasa obiecte de pe cursorul astfel încât să puteţi să-l poziţionaţi pe panoul frontal sau pe diagrama bloc. De asemenea, puteţi să faceţi clic dreapta pictograma VI-ului de pe paleta şi selectaţi Open VI din meniul de comenzi rapide pentru a deschide un VI.

Faceţi clic pe săgeţile negre din partea stângă a paletelor de controaler sau de funcţii pentru a extinde sau a restrânge subpaletele. Aceste săgeţi apar numai dacă setaţi formatul paletelor la Category (Standard) sau Category (Icons and Text).

Paleta de unelte

Paleta Tools (de unelte) este disponibilă pe panoul frontal şi diagrama bloc. O unealtă este un mod de funcţionare special a cursorului mouse-ului. Cursorul corespunde cu pictograma uneltei selectate din paletă. Utilizaţi uneltele din paletă pentru a opera şi de a modifica panoul frontal şi obiectele din schema bloc.

Dacă selectarea automată a uneltei este activată şi mişcaţi cursorul peste obiectele de pe panoul frontal sau schema bloc, LabVIEW selectează automat unealta corespunzătoare din paleta Tools.

Selectaţi View » Tools Palette pentru a afişa paleta Tools. LabVIEW păstrează poziţia paletei Tools aşa că atunci când reporniţi LabVIEW, paleta apare în aceeaşi poziţie. Apăsaţi tasta <Shift> şi faceţi clic dreapta pentru a afişa o versiune temporară a paletei la locaţia cursorului.

Meniuri şi bare de instrumente

Folosiţi elementele de meniu şi bara de instrumente pentru a opera şi de a modifica obiectele din panoul frontal şi diagrama bloc.

Meniurile din partea de sus a ferestrei VI conţine elemente comune cu alte aplicaţii, cum ar fi Open, Save, Copy şi Paste, precum şi alte elemente specifice LabVIEW. Unele elemente de meniu de asemenea, se pot lista prinde comenzi rapide de la tastatură.

Faceţi clic pe săgeţile din partea de jos a meniului pentru a afişa toate elementele meniului. Puteţi afişa toate elementele de meniu în mod implicit prin selectarea Tools » Options, selectând Environment din lista Category, şi îndepărtarea bifa din caseta de validare Use abridged menus.

Meniuri de comenzi rapide Toate obiectele LabVIEW au asociate meniuri de comenzi rapide. Ca să creaţi un VI, utilizaţi elementele de meniu de comenzi rapide pentru a schimba aspectul sau comportamentul faţă de panoul frontal şi obiectele din schema bloc. Pentru a accesa meniul de comenzi rapide, faceţi clic dreapta pe obiect.

Meniuri de comenzi rapide în modul Run Când un VI se execută, sau este în modul de funcţionare run, toate obiectele de pe panoul frontal au un set prescurtată de comenzi rapide în mod implicit. Utilizaţi comanda prescurtată pentru a şterge, copia sau lipi conţinutul obiectului, pentru a stabili obiectul la valoarea implicită, sau pentru a citi descrierea obiectului.

Unele dintre controale mai complexe au opţiuni suplimentare. De exemplu, butonul knob include elemente de meniul contextual pentru a adăuga elemente şi de a schimba afişari de markeri scală.

Uneltele din bara de instrumente Utilizaţi butoanele de pe bara de instrumente al VI-ului pentru a rula un VI, a face pauză de rulare într-un VI, a abandoba execuţia unui Vi, a depana un VI, a configura fonturile, şi alinierea, de grup, şi distribuirea obiectelor.
Fereastra de unelte Project Explorer Utilizaţi butoanele Standard, Project, Build şi Source Control din bara de instrumente pentru a efectua operaţiuni în cadrul unui proiect LabVIEW. Barele de instrumente sunt disponibile în partea de sus a ferestrei Project Explorer. Poate fi necesar să se extindă fereastra Project Explorer pentru a vizualiza toate barele de instrumente.

LabVIEW dispune de numeroase instrumente care asigură o configurare uşoară a unui anumit tip de VI. De asemenea, include sute de exemple de VI-uri corespunzătoare unor variate domenii de aplicaţii, pe care utilizatorul poate să le folosească ca atare şi să le încorporeze în VI-uri de mai mare complexitate potrivit scopului urmărit, sau le poate modifica pentru a le adapta particularităţilor aplicaţiei.
Utilizarea completă şi eficientă a multiplelor resurse şi facilităţi pe care le oferă acest mediu de programare grafică necesită studierea atentă a documentaţiilor 95 II.1. Introducere în LabVIEW cuprinse în pachetul LabVIEW şi care pot fi accesate din meniul Help. Dintre acestea, pentru început, cele mai importante sunt: LabVIEW Tutorial şi LabVIEW User Manual.

/
Caseta de lansare a programului LabVIEW

Configurarea și programarea componentelor sistemului de achiziție de tip ECG/EMG

Placa Arduino + Placa Shield ECG/EMG

Placa shield ECG/EMG este alimentată din placa gazda (Arduino) pe care este montată. Are ca opțiune sa fie alimentată atât cu 3.3V cât și cu 5V alegerea putând fi făcută cu ajutorul unui jumper. Atunci când este alimentată, un LED de control de culoare roșie ar trebui să fie aprins.

Pașii pentru interconectarea și punerea în funcțiune a celor două plăci.

Se descarcă și se instalează de pe site-ul oficial Arduino programul ce include compilatorul și instrumentul de încărcare a algoritmilor în memoria controller-ului.

Se descarcă și se plasează în folderul cu librării, pachetul ce conține librăriile TimerOne și FlexiTimer2.
Se descarcă proiectul demo scris în limbajul Arduino, de pe pagina oficială a placii shield.
Se setează jumperii plăcii shield după cum urmează:
REF_E – închis
3.3/5V – poziția 5V
D4/D9 – poziția D9
ANI_SEL – poziția 1 ( canalul 1)
Se conectează placa shield la placa Arduino.
Se conectează placa Arduino la PC prin portul USB.
Se deschide compilatorul Arduino, se deschide și se încarcă în memoria Arduino demo-ul descărcat la pașii precedenți ( fișierul cu extensia „.ino”)
Se descarcă de pe site-ul oficial al plăcii shield arhiva ce conține programul ElecGuru40, pentru a testa buna funcționare a dispozitivului.
Se setează programul în functie de câte plăci shield sunt folosite.
Se conectează electrozii la brațe și la piciorul drept.
Se pornește monitorizarea și odată cu asta se obține primul rezultat care arată ca mai jos.

Algoritmul Arduino folosit

Varianta demo a algoritmului Arduino, descărcată de pe site-ul oficial al plăcii shield și folosită în testarea de mai sus este o variantă foarte bine concepută și optimizată, conține comentarii detaliate despre conceptele folosite, iar fiecare porțiune de cod este foarte bine explicată pentru a putea fi îmbunătățită, în caz că s-ar dori acest lucru. Tocmai de aceea s-a decis să fie folosită mai departe pe parcursul acestui proiect.
Algoritmul în limbajul ARDUINO cu comentariile de rigoare este următorul:

/**********************************************************/
/* Demo program for: */
/* Board: SHIELD-EKG/EMG + Olimexino328 */
/* Manufacture: OLIMEX */
/* COPYRIGHT (C) 2012 */
/* Designed by: Penko Todorov Bozhkov */
/* Module Name: Sketch */
/* File Name: ShieldEkgEmgDemo.ino */
/* Revision: Rev.A */
/* -> Added is suppport for all Arduino boards. */
/* This code could be recompiled for all of them! */
/* Date: 19.12.2012 */
/* Built with Arduino C/C++ Compiler, version: 1.0.3 */
/**********************************************************/
/**********************************************************
Purpose of this programme is to give you an easy way to
connect Olimexino328 to ElectricGuru(TM), see:
https://www.olimex.com/Products/EEG/OpenEEG/EEG-SMT/resources/ElecGuru40.zip
where you'll be able to observe yours own EKG or EMG signal.
It is based on:
***********************************************************
* ModularEEG firmware for one-way transmission, v0.5.4-p2
* Copyright (c) 2002-2003, Joerg Hansmann, Jim Peters, Andreas Robinson
* License: GNU General Public License (GPL) v2
***********************************************************
For proper communication packet format given below have to be supported:
///////////////////////////////////////////////
////////// Packet Format Version 2 ////////////
///////////////////////////////////////////////
// 17-byte packets are transmitted from Olimexino328 at 256Hz,
// using 1 start bit, 8 data bits, 1 stop bit, no parity, 57600 bits per second.

// Minimial transmission speed is 256Hz * sizeof(Olimexino328_packet) * 10 = 43520 bps.

struct Olimexino328_packet
{
uint8_t sync0; // = 0xa5
uint8_t sync1; // = 0x5a
uint8_t version; // = 2 (packet version)
uint8_t count; // packet counter. Increases by 1 each packet.
uint16_t data[6]; // 10-bit sample (= 0 – 1023) in big endian (Motorola) format.
uint8_t switches; // State of PD5 to PD2, in bits 3 to 0.
};
*/
/**********************************************************/
#include <compat/deprecated.h>
#include <FlexiTimer2.h>
//http://www.arduino.cc/playground/Main/FlexiTimer2

// All definitions
#define NUMCHANNELS 6
#define HEADERLEN 4
#define PACKETLEN (NUMCHANNELS * 2 + HEADERLEN + 1)
#define SAMPFREQ 256 // ADC sampling rate 256
#define TIMER2VAL (1024/(SAMPFREQ)) // Set 256Hz sampling frequency
#define LED1 13
#define CAL_SIG 9

// Global constants and variables
volatile unsigned char TXBuf[PACKETLEN]; //The transmission packet
volatile unsigned char TXIndex; //Next byte to write in the transmission packet.
volatile unsigned char CurrentCh; //Current channel being sampled.
volatile unsigned char counter = 0; //Additional divider used to generate CAL_SIG
volatile unsigned int ADC_Value = 0; //ADC current value

//~~~~~~~~~~
// Functions
//~~~~~~~~~~

/****************************************************/
/* Function name: Toggle_LED1 */
/* Parameters */
/* Input : No */
/* Output : No */
/* Action: Switches-over LED1. */
/****************************************************/
void Toggle_LED1(void){

if((digitalRead(LED1))==HIGH){ digitalWrite(LED1,LOW); }
else{ digitalWrite(LED1,HIGH); }

}

/****************************************************/
/* Function name: toggle_GAL_SIG */
/* Parameters */
/* Input : No */
/* Output : No */
/* Action: Switches-over GAL_SIG. */
/****************************************************/
void toggle_GAL_SIG(void){

if(digitalRead(CAL_SIG) == HIGH){ digitalWrite(CAL_SIG, LOW); }
else{ digitalWrite(CAL_SIG, HIGH); }

}

/****************************************************/
/* Function name: setup */
/* Parameters */
/* Input : No */
/* Output : No */
/* Action: Initializes all peripherals */
/****************************************************/
void setup() {

noInterrupts(); // Disable all interrupts before initialization

// LED1
pinMode(LED1, OUTPUT); //Setup LED1 direction
digitalWrite(LED1,LOW); //Setup LED1 state
pinMode(CAL_SIG, OUTPUT);

//Write packet header and footer
TXBuf[0] = 0xa5; //Sync 0
TXBuf[1] = 0x5a; //Sync 1
TXBuf[2] = 2; //Protocol version
TXBuf[3] = 0; //Packet counter
TXBuf[4] = 0x02; //CH1 High Byte
TXBuf[5] = 0x00; //CH1 Low Byte
TXBuf[6] = 0x02; //CH2 High Byte
TXBuf[7] = 0x00; //CH2 Low Byte
TXBuf[8] = 0x02; //CH3 High Byte
TXBuf[9] = 0x00; //CH3 Low Byte
TXBuf[10] = 0x02; //CH4 High Byte
TXBuf[11] = 0x00; //CH4 Low Byte
TXBuf[12] = 0x02; //CH5 High Byte
TXBuf[13] = 0x00; //CH5 Low Byte
TXBuf[14] = 0x02; //CH6 High Byte
TXBuf[15] = 0x00; //CH6 Low Byte
TXBuf[2 * NUMCHANNELS + HEADERLEN] = 0x01; // Switches state

// Timer2
// Timer2 is used to setup the analag channels sampling frequency and packet update.
// Whenever interrupt occures, the current read packet is sent to the PC
// In addition the CAL_SIG is generated as well, so Timer1 is not required in this case!
FlexiTimer2::set(TIMER2VAL, Timer2_Overflow_ISR);
FlexiTimer2::start();

// Serial Port
Serial.begin(57600);
//Set speed to 57600 bps

// MCU sleep mode = idle.
//outb(MCUCR,(inp(MCUCR) | (1<<SE)) & (~(1<<SM0) | ~(1<<SM1) | ~(1<<SM2)));

interrupts(); // Enable all interrupts after initialization has been completed
}

/****************************************************/
/* Function name: Timer2_Overflow_ISR */
/* Parameters */
/* Input : No */
/* Output : No */
/* Action: Determines ADC sampling frequency. */
/****************************************************/
void Timer2_Overflow_ISR()
{
// Toggle LED1 with ADC sampling frequency /2
Toggle_LED1();

//Read the 6 ADC inputs and store current values in Packet
for(CurrentCh=0;CurrentCh<6;CurrentCh++){
ADC_Value = analogRead(CurrentCh);
TXBuf[((2*CurrentCh) + HEADERLEN)] = ((unsigned char)((ADC_Value & 0xFF00) >> 8)); // Write High Byte
TXBuf[((2*CurrentCh) + HEADERLEN + 1)] = ((unsigned char)(ADC_Value & 0x00FF)); // Write Low Byte
}

// Send Packet
for(TXIndex=0;TXIndex<17;TXIndex++){
Serial.write(TXBuf[TXIndex]);
}

// Increment the packet counter
TXBuf[3]++;

// Generate the CAL_SIGnal
counter++; // increment the devider counter
if(counter == 12){ // 250/12/2 = 10.4Hz ->Toggle frequency
counter = 0;
toggle_GAL_SIG(); // Generate CAL signal with frequ ~10Hz
}
}

/****************************************************/
/* Function name: loop */
/* Parameters */
/* Input : No */
/* Output : No */
/* Action: Puts MCU into sleep mode. */
/****************************************************/
void loop() {

__asm__ __volatile__ ("sleep");

}

Se observă că în cadrul comentariilor, ca și placa de bază se face referire la Olimexino 328 care este echivalentul Arduino produs de compania Olimex. Arduino și Olimexino sunt perfect compatibile, programarea celei din urma facându-se tot prin intermediul mediului dezvoltat de către Arduino.

Concepția instrumentului software în LabVIEW

Compatibilitatea ARDUINO – Labview ( drivere VISA)

Virtual Instrument Software Architecture (VISA) este un standard pentru configurarea, programarea și depanarea sistemelor de instrumente cuprinzând interfețe GPIB, VXI, PXI, Serial, Ethernet, și / sau USB.
VISA oferă interfața de programare între mediile hardware și cele de dezvoltare, cum ar fi LabVIEW, LabWindows / CVI și Measurement Studio pentru Microsoft Visual Studio.
NI-VISA este implementarea National Instruments a standardului VISA I / O. NI-VISA include biblioteci software, utilitare interactive, cum ar fi NI I / O Trace și control interactiv VISA și programe de configurare prin intermediul Measurement & Automation Explorer pentru toate nevoile de dezvoltare. NI-VISA este standard în întreaga linie de produse National Instruments. NI-VISA sunt în continuă dezvoltare pentru a nu exista probleme de compatibilitate datorate apariției de hardware nou.
Din secțiunea „Drivers and Add-ons” se instalează driverele VISA iar apoi Arduino este perfect compatibil cu mediul LabVIEW.

Conceptul urmat

Instrumentul folosește ca și sursă a semnalului de intrare unul din porturile seriale ( COM-USB) ale pc-ului, de unde este preluat și prelucrat pâna ajunge în varianta finală adică un semnal ECG în timp real afișat pe display.
La fel ca și partea hardware a proiectului, partea software a fost proiectată pentru a putea fi dezvolotată în continuare.
Diagrama bloc este formată din două parți:

Schema de bază – aici semnalul digital brut este divizat, monitorizat de anumiți markeri, pus într-o stivă te tip coadă și afișat.

Schema de experimentare – aici semnalul este scos din stiva de tip coadă și pus într-un fișier text. De asemenea tot aici se pot aduce îmbunătățiri pe partea de prelucrare semnal.

Diagrama bloc a VI-ului
/

Rezultatul final, obținut după rularea programului este vizibil în schema de mai jos
cu următoarea interfață:

/
Rezultatul final așteptat

Întrucât proiectul a fost preluat dintr-unul open source asemănător bazat pe electroencefalogramă, o parte dintre elemente au fost păstrate în caz că vor fi folositoare în dezvoltarea pe viitor a proiectului iar altele au fost adaptate la cerințele actuale.
Fereastra conține următoarele elemente importante cum ar fi:

Diagrama de tip matură – este tipul de diagramă cel mai folosit pentru acest tip de aplicație. Pentru electromiografie este recomandată schimbarea acesteia într-o diagramă cu benzi.

Posibilitatea selectării intrărilor analogice ce pot fi afișate. De menționat că în acest proiect doar intrarea analogică 0 este activă ( placa shield folosește o singură intrare analogică). Se recomandă selecția celorlalte doar în cazul în care ele sunt folosite (prin montarea mai multor plăci shield)

Posibilitatea salvării fișierului într-un folder prestabilit. Numele și calea spre fișier sunt afișate sub diagramă.

Buton STOP pentru oprirea simulării.

Alte elemente ce vor ajuta în continuare dezvoltarea proiectului cum ar fi: indicatori de stări ori de valori, matrice cu valori instantanee, numărătoare etc.

Observații și concluzii personale

Analiza în timp real este esențială în domeniul medical unde feedback-ul este prioritar în prelevarea datelor potrivite. De aici rezultă o mare flexibilitate în găsirea semnalului “potrivit” pentru analiză, nu numai în domeniul timp, aşa cum se făcea până acum prin găsirea undelor T, Q, R, S, cât mai favorabil, ci şi în domeniul frecvenţă si timp-frecventa, fapt ce deschide noi perspective de diagnosticare.
Undele perioadei cardiace trebuie să aibă o abatere cunoscută de la un standard definibil, pentru a putea fi detectate cu succes de programul de prelucrare. Optimizarea poziţiei se face funcţie de calitatea undelor din perioada cardiacă. Procesul este unul de autoreglare (feed-back) a vectorului cardiac funcţie de semnal, foarte important, deoarece este esenţial ca semnalul să fie “adaptat” cât mai bine pentru prelucrarea ce va urma.
Problematica artefactelor este una complexă pentru acest proiect, de rezolvarea acesteia depinzând gradul de succes. Astfel se vor căuta soluții originale care vor fi validate prin experiment. O primă variantă pentru ejectarea acestora se face încă de la achiziția acestora printr-un feed-back in timp real intre cuplarea senzorilor.
Surprinderea semnalului optim în domeniul timp, frecvenţă şi timp-frecvenţă a unui semnal ECG este un deziderat important.
Intervenţia corectă în cursul achiziţiei, înlătură aşa zisele “evenimente unice” cât şi nestaţionarităţile forţate. În figura de mai jos se poate observa un eveniment unic filtrat din Transformata Wavelet. Aceasta “aruncă” frecvenţe pe toate benzile la un anumit moment dat. Momentul apariţie acestor artefacte putea fi evitat printr-un feed-back de reglare a poziţiei senzorilor:

/
Ruperea benzilor de frecvenţă

Deflexiuni anormale datorate mișcării subiectului:

Contracțiile musculare introduc oscilații în traseul ECG. Minimizarea acestor artefacte se realizează prin optimizarea procesului de achiziție;

O altă mișcare a pacientului este cauzată de modificarea volumului toracic în cazul respirației. Variația unghiului vectorului cardiac produce o modulare respiratorie în amplitudine;

Mișcări bruște;

Cauze particulare a apariției artefactelor

Prezenta oricăror câmpuri electrice în zona ce apar datorită aparatelor de aer condiționat, televizoare, uneori și telefoane. Se recomandă oprirea sau îndepartarea lor de zona unde se fac măsurători;

O calitate precară a contactului electrod-piele. Se recomandă folosirea gelului și îndepărtarea părului din zona cu pricina;

Starea de agitație a subiectului expus măsurătorii. Se așteaptă calmarea acestuia;

Bibliografie

http://www.scientia.ro/37-biologie/cum-functioneaza-corpul-omenesc/3016-electrocardiograma.html

http://www.ecgpedia.org

http://www.umfcv.ro/files/e/k/EKG1.pdf

https://ro.wikipedia.org/wiki/Electrocardiogram%C4%83

https://ro.wikipedia.org/wiki/Convertor_analogic-numeric

https://www.olimex.com

http://www.ace.tuiasi.ro/users/103/Rotariu_rezumat.pdf

https://mail.uaic.ro/~ftufescu/Amplificatoare%20operationale.pdf

http://andrei.clubcisco.ro/cursuri/3pm/lab4.pdf

http://pns.ac.tuiasi.ro/Doc/curs

http://colegiul-medicilor.ro/notiuni-practice-de-metrologie-metodologie-si-tehnica-instrumentala-pentru-masurarea-semnalelor-bio

http://www.automation.ro/Invata_Automatica/pdf/NI_Labview.pdf

https://github.com/rehmanali1994/LabVIEW-Interface-for-Olimex-ECG-EMG-Arduino-Shield