نویسنده: مهندس سعیده لطفی محمد آباد

روش های تولید سیگنال الکتروکاردیوگرام (‏ECG‏)

در سال های اخیر توجه زیادی به تولید مصنوعی سیگنال های الکتروکاردیوگرام(‏‎ (ECG‎به کمک مدل های ریاضی معطوف شده است . یکی از کاربردهای مدل های دینامیکی که سیگنال های ‏ECG‏ مصنوعی تولید می کند، ارزیابی آسان دستگاه های پردازش سیگنال تشخیصی ‏‎  ECGاست.

همچنین باید مدل از توانایی لازم برای تولید سیگنال های ‏ECG‏ طبیعی و غیر طبیعی برخوردار باشد.اختلاف پتانسیل ثبت شده بین دو الکترود که روی سطح پوست قرارداده شده اند، به الکتروکاردیوگرام ‏‎(ECG)‎‏ سطحی معروف است . دی پلاریزاسیون/ ری پلاریزاسیون های دهلیزی و بطنی متوالی که در هر دوره قلبی اتفاق می افتد قله و دره هایی در یک سیکل منفرد سیگنال ‏ECG‏ طبیعی ایجاد می کند . این قله ها و دره ها با حروف ‏T,S,R,Q,P‏ نام گذاری می شوند.‏
تنوع ضربان - ضربان در ‏RR‏ داخلی ، تنوع درمحدوده مقیاس زمانی از ثانیه تا روز است بعضی از این تغییرات به خوبی قابل درک هستند و برگرفته از :‏

 شکل 1- اتصال سیستم عصبی به قلب

‏1- حمله قلبی بین مکانیزم کنترل متفاوت فیزیولوژی از قبیل آریتمی سینوس تنفسی ‏‎(RSA)  ‎‏ و موج های مایراست.
2- میزان فعالیت فیزیکی و ذهنی
3- ریتم ‏circadian‏
4- اثرات مراحل مختلف خواب
انتشار ضربان قلب از گره سینوسی - دهلیزی به دهلیزها و سپس به دسته دهلیزی بطنی هیس و سرانجام به بطن ها همراه با تغییرات پتانسیل الکتریکی است که می توان آن را در فاصله ای دورتر از قلب ثبت کرد. منحنی تغییرات الکتریکی قلب را الکتروکاردیوگرام یا به اختصار ‏ECG‏ می نامند .‏
سیستم اعصاب مرکزی ‏‎(ANS) ‎‏ مسئول تنظیم کوتاه مدت فشار خون  است . ‏ANS، قسمتی  ‏از سیستم اعصاب مرکزی ‏‎(CNS) ‎‏ است. ‏ANS‏ از دو زیر سیستم سمپاتیک و پاراسمپاتیک استفاده می کند. سیستم سمپاتیک در شرایط استرس فعال می شود تا نرخ ضربان قلب را بالا ببرد . سیستم سمپاتیک می تواند نرخ ضربان قلب را تا 180 ضربان دردقیقه ‏‎(bpm)‎‏ بالا ببرد ‏‎.‎فیبر های عصبی سمپاتیک تمام قلب از جمله گره سینوسی - دهلیزی ، گره دهلیزی - بطنی ، مسیر های هدایتی و عضلات دهلیزی و بطنی را تحت تاثیر قرار می دهد‏‎.‎‏ با افزایش فعالیت سمپاتیک نرخ ضربان قلب و نیروی انقباضی افزایش می یابد. به علاوه میزان هدایت قلب افزایش و مدت انقباض آن کاهش می یابد. در مقابل ، سیستم پاراسمپاتیک در زمان استراحت فعال می شود و می تواند نرخ ضربان قلب را تا ‏bpm‏ 60 پایین بیاورد. سیستم پاراسمپاتیک مسیر های هدایت دهلیزی - بطنی و عضلات دهلیزی‎ ‎را تحت تأثیر قرار  می دهد‏‎.

‎روش های مختلفی برای تولید سیگنال وجود دارد که می توان به دو بخش عمده خطی و غیر خطی تقسیم کرد.

شکل2- مسیر حرکت نمونه تولید شده توسط مدل ‏Mc sharry

چند نمونه از روش های غیر خطی به صورت ذیل است:

روش ‏MC sharry‏ ، شبکه عصبی، ‏IPFM‏ ، مدل دینامیکی، مدل ‏zeeman، مدل ترکیبی ‏GCM‏ و از روش های خطی نیز می توان به روش های پارامتری مانند مدل های ‏AR,ARMA,‎‏ نام برد.‏
مدل ‏McSharry‏  یک سیکل جدی در فضای سه بعدی ‏‎(x,Y,Z)‎‏ ایجاد می کند به طوری که هر حرکت کامل روی آن متناظر با یک سیکل قلبی در نظر گرفته می شود. تصویر مسیر حرکت روی صفحه ‏x-y‏ یک دایره است. تصویر این حرکت روی محور ‏z‏ ، سیگنال ‏ECG‏ را فراهم می کند.‏
‎ ‎در مدلIPFM‏ از ورودی انتگرال گرفته می شود تا هنگامی که  حاصل انتگرال به سطح آستانه ای برابر ‏TH‏ برسد، در این زمان پالسی به عنوان ضربان قلب می شود. سطح آستانه ‏Th‏ را می توان با یک توزیع تصادفی گوسی انتخاب کرد. ورودی انتگراتور مجموع دو سیگنال است . یکی ‏m(t)‎‏ که بیانگر فعالیت اعصاب سمپاتیک و پاراسمپاتیک است و دیگری ‏‏ که به‏‎ ‎عنوان یک ورودی داخلی برای گره ‏SA‏ در نظر گرفته می شود. هنگامی که ‏m(t)‎‏ برابر صفر باشد ، پالس های تولید شده دارای فرکانس متناسب با ‏‏ خواهد بود. البته باید توجه کرد که  باید همواره مثبت باشد. بلوک دیاگرام مدل ارائه شده برای تولید ‏HRV‏ توسط ‏IPFM‏ به صورت روبه رواست.
در مدل غیر خطی از مبنای شبکه های عصبی برای تولید سیگنال الکتروکاردیوگرام همراه با شبکه عصبی با توابع شعاعی ‏‎(RBF) ‎‏ در یک مدل دینامیکی غیر خطی که بر پایه مدل دینامیکی ‏Mc Sharry ‎‏ و همکاران بنا شده است استفاده شده که ، روش مناسبی برای تولید مصنوعی سیگنال های الکتروکاردیوگرام است.‏

شکل3-  بلوک دیاگرام مدل ‏IPFM

درروش مدل ‏zeeman‏  یک مدل جبرانی برای تولید سیگنال ‏ECG‏ مصنوعی مطرح شده است .  این مدل اثر آریتمی سینوسی تنفسی ، موج های مایر از همه مهم تر مولفه فرکانس پایین در طیف توان ‏HRV‏ را دخالت داده است . در مدل ، اثرات فعالیت های سمپاتیک و پاراسمپاتیک در مولفه های ‏LF , HF , VLF‏ در طیف توان ‏HRV‏ شامل می شود . 
درروش تولید سیگنال ‏ECG‏ با استفاده از مدل ترکیبی گوسین ‏‎(GCM)‎‏ برای تولید الکترو کاردیو گرام ‏‎(ECG)‎‏ مولد سیگنال ویژگی های مورفولوژی ‏ECG‏ را در اطراف نقاط اکسترمم بیان می کند. دو روش برای تعداد شناسه های گوسین وجود دارد:1 روش  دستی : اپراتور تعداد گوسین ها را در این مدل پیشنهاد می کند .2 روش اتوماتیک : تعداد گوسین ها به طور اتوماتیک شناسایی شده و بر پایه خطای نهایی مطلوب است.
در تولید ‏ECG‏ با استفاده از روش ‏GCM‏ باید تطبیقی بین صحت و زمان اجرا شدن وجود داشته باشد. نتایج تطبیق در این روش به تعداد گوسین ها بستگی دارد.
‏HRV‏  به عنوان یکی از مهم ترین راه ها برای در نظر گرفتن سیستم قلبی - عروقی و کنترل آن است. ‏HRV‏ به ضربان - ضربان نرخ قلب به عنوان استخراج از ضربان های پیوسته زمان داخلی ، ‏RR‏ داخلی و حدود مقدار میانگین ‏‎ (HR - RR)‎است.‏
طبقه بندی سری زمانی یکی از مسائلی است که کاربرد وسیعی در زمینه های متنوع دارد و اخیراً مورد توجه بسیاری از محققان بوده است. تحقیق های اخیر برروی طبقه بندی داده های استخراجی از مدل های ‏ARMA‏ با استفاده از الگوریتم های ‏K-means‏ و ‏K-medoids‏ با فاصله اقلیدسی بین پارامترهای تخمینی مدل، تمرکز شده است. در این تحقیقات ثابت شده که طبقه بندی به وسیله دیتای برش خورده، مزایای زیر را به دنبال خواهد داشت:

شکل4- بلوک دیاگرام مدل ارائه شده برای تولید ‏HRV‏ توسط ‏IPF

* اگر سری ها به اندازه کافی بزرگ باشد، طبقه بندی با برش دادن دیتاها صحت کمتر بارزی نسبت به طبقه بندی با دیتا های برش نخورده  ندارد.
* فرم طبقه بندی به وسیله دیتاهای برش خورده بهتر از زمانی است که حداقل یک احتمال کوچکی از داده های پرت وجود داشته باشد.
* فضای مهم و پیشرفت پیچیدگی زمانی قابل دسترسی‏ است.
*  الگوریتم های پیشرفته برای گسسته یا دیتاهای گروهی مورد استفاده قرار می گیرد.
* طبقه بندی‏ بر روی دیتاهای ‏Clipped‏ شده به عنوان روش تشخیصی برای داده های پرت و شناسایی مدل های غیر خاص به کار می رود. ‏
   
  

LabVIEW for ECG Signal Processing

1. Preprocessing ECG Signals
2. Performing Feature Extraction on ECG Signals
3. Summary

The electrocardiogram (ECG) is a technique of recording bioelectric currents generated by the heart. Clinicians can evaluate the conditions of a patient's heart from the ECG and perform further diagnosis. ECG records are obtained by sampling the bioelectric currents sensed by several electrodes, known as leads. A typical one-cycle ECG tracing is shown in Figure 1.

Figure 1: A typical one-cycle ECG tracing

Generally, the recorded ECG signal is often contaminated by noise and artifacts that can be within the frequency band of interest and manifest with similar characteristics as the ECG signal itself. In order to extract useful information from the noisy ECG signals, you need to process the raw ECG signals.

ECG signal processing can be roughly divided into two stages by functionality: preprocessing and feature extraction (as shown in Figure 2). The preprocessing stage removes or suppresses noise from the raw ECG signal and the feature extraction stage extracts diagnostic information from the ECG signal.

Figure 2: Typical ECG signal processing flowchart

With LabVIEW and related toolkits, such as the Advanced Signal Processing Toolkit (ASPT) and the Digital Filter Design Toolkit (DFDT), you can conveniently build signal processing applications for both stages, including baseline wandering removing, noise cancellation, QRS complexes detection, fetal heart rate extraction and etc. This article discusses typical ECG signal processing methods based on LabVIEW.

Preprocessing ECG Signals

Preprocessing ECG signals helps you remove contaminants from the ECG signals. Broadly speaking, ECG contaminants can be classified into the following categories:

• power line interference
• electrode pop or contact noise
  
• patient–electrode motion artifacts
  
• electromyographic (EMG) noise
  
• baseline wandering

Among these noises, the power line interference and the baseline wandering are the most significant and can strongly affect ECG signal analysis. Except for these two noises, other noises may be wideband and usually a complex stochastic process which also distort the ECG signal. The power line interference is narrow-band noise centered at 60 Hz (or 50 Hz) with a bandwidth of less than 1 Hz. Usually the ECG signal acquisition hardware can remove the power line interference. However the baseline wandering and other wideband noises are not easy to be suppressed by hardware equipments. Instead, the software scheme is more powerful and feasible for offline ECG signal processing. You can use the following methods to remove baseline wandering and the other wideband noise.

Removing Baseline Wandering

Baseline wandering usually comes from respiration at frequencies wandering between 0.15 and 0.3 Hz, and you can suppress it by a highpass digital filter. You also can use the wavelet transform to remove baseline wandering by eliminating the trend of the ECG signal.

1. Digital Filter Approach

The LabVIEW DFDT provides an intuitive and interactive way to design and implement finite impulse response (FIR) or infinite impulse response (IIR) filters easily and effectively. For example, you can use the Classical Filter Design Express VI to design a Kaiser Window FIR highpass filter to remove the baseline wandering. Figure 3 shows an example of the specifications of the highpass filter and the block diagram of a sample VI that you can use to remove the baseline wandering.

ادامه مطلب را در این لینک مشاهده نمایید :

http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/6349

اینم یه فلش جالب از نحوه گرفتن ECG از بیمار ، طریقه بستن لید ها ، مشاهده شکل موج لید های I , II و III و ...
 

از این لینک هم میتونید این فلش رو دانلود کنید:
http://mbegol.parsaspace.com/dezmed/ekg.swf

الکتروکاردیوگراف ( ECG )

تعریف :

دستگاهی است که بوسیله آن سیگنالهای حاصل از فعالیت الکتریکی قلب را ثبت می کنند .

فیزیولوژی دستگاه :

همانطور که می دانیم عضلات قلب برای ایجاد انقباض و انبساط لازم جهت پمپ نمودن خون به نقاط مختلف بدن و یا به عبارت دیگر ایجاد فشار خون مناسب برای به حرکت در آوردن خون در سیستم انتقال خون در بدن ، نیاز به یک سیستم مستقل تحریک الکتریکی دارد . یکی از مشخصه های مهم که بیانگر سلامت و یا بیماری قلبی می باشد ، چگونگی عملکرد این سیستم است . برای اینکه بتوان نحوه کارکرد این سیستم را مورد مطالعه قرار داد ، راههای گوناگونی وجود دارد . یکی از قدیمی ترین و پر کاربرد ترین روشها مطالعه چگونگی انتشار سیگنالهای الکتریکی قلب می باشد . بوسیله الکتروکاردیوگراف می توان سیگنالهای الکتریکی حاصل از عملکرد الکتریکی قلب را با نمونه برداری ازنحوه انتشار این سیگنال در نواحی مختلف بدن مورد مطالعه و سنجش قرار داد .

قسمتهای اصلی یک ECG :

در زیر به معرفی و بررسی قسمتهای اصلی یک دستگاه ECG می پردازیم :

1- صفحه کلید : این قسمت بسته به مدل وشرکت سازنده ECG به لحاظ شکل ظاهری و نوع کلید ها می تواند بسیار متفاوت باشد ولی بوسیله آنها باید بتوان کارهای زیر را انجام داد :

1-1 – کلید روشن و خاموش کردن دستگاه : بوسیله آن دستگاه را روشن و خاموش می کنیم .

1-2 – کلید انتخاب نوع عملکرد دستگاه ازنظر دستی (manual ) و یا خودکار (auto) : اگربا این کلید مد کاری دستگاه را بر روی manual بگذاریم اپراتور قادر خواهد بود تا از میان لیدهای دوازده گانه هرکدام را که مورد نیاز است انتخاب نماید . در حالیکه با انتخاب مد کاری auto دستگاه به طور خودکار کلیه دوازده لید را گرفته و چاپ می نماید .

1-3- کلید انتخاب سرعت : بوسیله این کلید اپراتور دستگاه میتواند بسته به نوع بیمار و توصیه پزشک سرعت حرکت کاغذ را انتخاب نماید . سرعت حرکت کاغذ می تواند یکی از مقادیر 5 ، 25 ویا 50 mm/sرا به خود اختصاص دهد .

1-4- کلید تنظیم ظریب تقویت موج خروجی (gain ) : بوسیله این کلید می توان اندازه موج رسم شده بر روی کاغذ را تنظیم نمود . مقادیر معمول gain 0.5 ، 1 و یا 2 cm/mv می باشد .

1-5- کلید فیلتر : از این کلید برای فعال و یا غیر فعال نمودن فیلتر دستگاه استفاده می شود .

1-6- کلیدهای انتخاب لید : بوسیله این کلیدها در صورتیکه در مد کاری manual باشیم میتوانیم لید مورد نظر خود را انتخاب نماییم . قابل ذکر است که این کلید ( یا کلیدها ) در مد auto غیر فعال می باشند .

1-7- کلید 1mv : بوسیله این کلید یک سیگنال به اندازه 1mv در خروجی ایجاد میشود که به جهت تست خروجی و نیز تنظیم قلم می توان از آن سود جست .

1-8- کلید تنظیم صدا : بوسیله آن میتوان بیزر (beezer ) دستگاه را قطع ویا شدت صدای آن را تنظیم نمود. این کلید در بعضی از مدلها وجود ندارد .

1-9- کلید شروع (start ) : بوسیله این کلید و پس از انجام تنظیمات لازم ، دستگاه شروع به گرفتن نوار از بیمار می کند .

1-10- کلید پایان ( stop) : در مد manual برای اتمام کار باید از این کلید استفاده کنیم .(در بسیاری از دستگاه های ECG کلید start و stop در یک کلید ادغام شده اند .

2- اتصالات : مشتمل بر کابل برق ، سیم زمین ( earth ) و کابل اتصال لیدها می باشد .

- کابل برق جهت تامین جریان و ولتاژ مورد نیاز دستگاه از برق شهری استفاده می شود

- به جهت رعایت مسائل ایمنی و جلوگیری از اثرات نامطلوبی که امواج الکتریکی و الکترومغناطیسی موجود در محیط بر روی کیفیت ECG گرفته شده از بیمار می گذارد ، استفاده از کابل زمین الزامی می باشد . بسته به امکانات موجود می توان از کابل کشی زمین ، لوله کشی آب ، شوفاژ و در نهاید در صورت در دسترس نبودن هیچ یک از موارد فوق از تخت بیمار برای اتصال سیم زمین استفاده نمود .

- کابل اتصال لیدها بسته به نوع دستگاه می تواند شامل 3 ، 6 و یا دوازده لید باشد ولی اکثر دستگاههای ECG موجود در بازار توانایی دریافت و پردازش دوازده لید را دارند . قسمتهای تشکیل دهنده این کابل به شرح زیر می باشد :

* سوکت اتصال کابل به دستگاه ECG

* مدار الکتریکی محافظ تقویت کننده : دستگاههای الکتروشوک و الکتروکوتر باعث اعمال ولتاژهای بالایی به بدن می شوند . با توجه به اینکه همزمان با کار این دستگاهها نیاز به ثبت ECG نیز می باشد لذا نیاز به مداری داریم تا از تقویت کننده ما محافظت نما ید .برای محافظت در برابر ولتاژ بالای الکتروشوک از مدار زیر استفاده می شود :

لامپهای نئونی : در حالت عادی مقاومت آنها بینهایت می باشد ولی وقتی که ولتاژ آتش به آنها اعمال شود ، مقاومتشان به صفر می رسد و اتصال کوتاه می شوند . ولتاژ آتش لامپهای مختلف بسته به کاربرد آنها متفاوت است . به عنوان مثال ولتاژ آتش لامپ EN-2 45 تا 60 ولت است .

(تعریف ولتاژ آتش : به ولتاژی می گویند که اگر به دو سر لامپ نئونی اعمال شود مقاومت آن تغییر نموده و به صورت یک اتصال کوتاه در مدار عمل می کند )

دیود زنر : خاصیت این دیودها این است که نمی گذارند ولتاژ دو سرشان از حد معینی بالاتر رود .

دیود : بر اساس استاندارد AAMI جریان ورودی تقویت کننده نباید از 50 میکرو آمپر تجاوز کند . لذا برای این مقصود از دیودهایی استفاده می کنیم که در حالت عادی مقاومت کمی دارند ولی با افزایش جریان ورودی مقاومتشان افزایش یافته و نمی گذارند جریان ورودی به تقویت کننده از این حد تجاوز کند .

مقاومت : از تعدادی مقاومت نیز برای محافظت جریانی استفاده می شود .

 صفحه نمایش : صفحه نمایش از قسمتهای الزامی دستگاه نمی باشد و در مدلهای قدیمی و برخی از مدلهای جدید نیز از ابزارهای دیگری برای نمایش اطلاعات سود می جویند . صفحه های نمایش به کار رفته در انواع مختلف ECG های موجود در بازار از نوع LCD های سیاه و سفید تک خطی ویا گرافیکی و نیز LCD های رنگی می باشند و بسته به نوع و مدل دستگاه از آنها برای نمایش تنظیمات دستگاه و در برخی مدلها نمایش خروجی ECG گرفته شده از بیمار استفاده می شود .

4- برد تغذیه ( power ) : این برد وظیفه تبدیل ولتاژ برق شهری را به ولتاژ مورد نیاز دستگاه برعهده دارد و بسته به نوع دستگاه از قسمتهای مختلفی تشکیل می شود که عمده ترین آنها به شرح زیر می باشد :
* سلکتور 110/220 V( فقط در بعضی از مدلها )
* فیوز محافظ ( فقط در بعضی از مدلها )
* مدارات ایزولاسیون
* ترانس کاهنده یا اتوترانس کاهنده
* مدارات یکسو کننده
* مدارات تثبیت کننده
* فن ( فقط در بعضی از مدلها )
*ورودی برق DC( فقط در بعضی از مدلها )

5- باطری : اغلب ECG های موجود علاوه بر استفاده از برق شهری ، از یک باطری قابل شارژ نیز به جهت تامین انرژی الکتریکی مورد نیاز دستگاه در مواقعی که استفاده از برق شهری ممکن نیز سود می جویند .
انواع باطری هایی که در ECG های گوناگون به کار می روند عبارتند از :
* باطریهای نیکل کادمیوم NI-Cd
* باطریهای سرب اسید SLA

6- چاپگر یا ثبات (RECORDER ) : به جهت چاپ اطلاعات ECG گرفته شده از بیمار بر روی کاغذ از این سیستم استفاده می شود وشامل قسمتهای زیر می باشد :
- رسام : که وظیفه ثبت اطلاعات را بر روی کاغذ به عهده دارد و از لحاظ نحوه ثبت اطلاعات به گونههای زیر تقسیم بندی می شود :
* رسامهای دارای قلمهای جوهری
* رسامهای دارای قلمهای حرارتی
*رسامهای ماتریس حرارتی یا کریستال حرارتی
مدل آخر که امروزه بدلیل مزایای مختلفی که دارد از دو مدل دیگر پر کاربرد تر می باشد بسته به نوع دستگاه میتواند در آن واحد یک یا چند موج را بر روی کاغذ رسم کند .
- سیستم تغذیه کاغذ : وظیفه تامین کاغذ مورد نیاز رسام را به جهت رسم نمودار ECG و با سرعت مورد نظراپراتور به عهده دارد . برای این کار از یک موتور DC استفاده میشود که برای تغییر سرعت آن ولتاژ کاری آن را بوسیله مدارات کنترلی تغییر می دهند . برای هدایت کاغذ از مخزن تا مقابل رسام و درنهایت خروج آن آز دستگاه از یک سری غلطک و چرخدنده استفاده می شود .
- مخزن کاغذ : کاغذ مورد نیاز چاپگر را در خود ذخیره می نماید
- سنسور کاغذ : وجود کاغذ را در مخزن کاغذ چک نموده واتمام آنرا بوسیله آلارم به اپراتور اعلام می کند .

7- تقویت کننده: تقویت کننده ECG یک تقویت کننده دیفرانسیل است که امپدانس ورودی بالایی دارد و باید به نحوی طراحی شده باشد که در مقابل فشارهای ولتاژ بالای الکتروشوک و الکتروکوتر مقاوم باشد . پهنای باند فرکانسی این تقویت کننده بین 0.05 هرتز تا 100 هرتز می باشد . علاوه براین تقویت کننده ECG باید دارای فیلترهای مناسب به جهت حذف سیگنالهای مزاحمی که بر روی دستگاه تاثیر می گذارند را دارا باشد .
8-سیستم پردازش ، ذخیره وانتقال اطلاعات :این سیستم بسته به نوع و مدل دستگاه می تواند کاملا با امکانات متفاوتی ظاهر شود و از سیستم انتخاب لیدها گرفته تا ذخیره اطلاعات بر روی

 انواع حافظه ها ، ارسال اطلاعات بر روی شبکه ، امکان تبادل اطلاعات از طریق مودم ، تشخیص آریتمی ها و گزارش آنها به اپراتور در جهت تشخیص سریع بیماری ، تبادل اطلاعات با کامپیوتر از طریق پورتهای ستگاه و . . . را در بر بگیرد .
طرز کار : ابتدا الکترودهای دستها و پاها را که به صورت گیره می باشند را پس از زدن مقدار ژل مناسب در جای خود وصل می کنیم .سپس الکترودهای سینه ای را بوسیله پوار در محلهای خود وصل می کنیم . سیم زمین را وصل نموده و دستگاه را روشن می کنیم . توسط صفحه کلید شرایط مناسب برای گرفتن ECG بیمار را تنظیم نموده و سپس کلید START را می زنیم .

استفاده از labview در ساخت ECG

مقاله چاپ شده در نشریه تپش

نویسنده » سید احسان اله پژوهیده
فارغ التحصیل کارشناسی مهندسی پزشکی دانشگاه آزاد اسلامی واحد دزفول

>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>

>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>

نرم افزار labview یك زبان برنامه نویسی گرافیكی است كه بصورت گسترده ای برای كاربردهای مختلفی در صنایع ،تحصیلات،آموزش و تحقیقات آزمایشگاهی به عنوان یك مدل استاندارد برای جمع آوری وپردازش داده ها و همچنین وسیله ای جهت كنترل و شبیه سازی ابزارهای مجازی آمده است.
این نرم افزار رایانه ای كه در حال حاضر از لحاظ كاربردی در بین دانشجویان و محققان گرایشهای برق از جمله بیوالكتریك در حال گسترش می باشد، بخاطر داشتن قابلیتها و توانمندیهایی كه به كاربر می دهد،ازجمله داشتن قابلیت انعطاف جهت تجزیه و تحلیل سیستمهای اندازه گیری ، بسیاری از مشكلات را از پیش روی كاربر برمیدارد.

1-انواع روش های انتقال داده:
کامپیوترها داده ها را به دو طریق موازی وسریال ا نتقال می دهند.در انتقال های موازی داده، اغلب از 8خط داده ویا بیشتر استفاده می شود.در این حالت داده می تواند به وسیله ای که فقط چند كیلومتر دورتر است انتقال یابد.گر چه در این موارد حجم بسیاری از داده در زمان کوتاهی جابجا می شود ولی فاصله نمی تواند چندان طولانی باشد.
در انتقال به وسیله ای که چندین متر دورتر واقع شده است ، روش سریال بکار برده می شود.
در زیر علل سادگی کار در پورت موازی ذکر شده است:
1-عدم نیاز به رمز گشا و دکودر کارت های توسعه.
2-استفاده از انتقال اطلاعات به روش موازی و عدم نیاز به پروتکل های پیچیده.
3- در دسترس بودن این پورت برای همه کامپیوترها.
4- در دسترس بودن تمام پایه های این پورت.
5- عدم نیاز به تنظیمات اولیه پیچیده.
6- سریع تر بودن نسبت به پورت سری.
7- دسترسی سخت افزاری و نرم افزاری ساده به هر کدام از پینهای این پورت.
پورت موازی معمولا بر روی مادر بورد کامپیوتر ها موجود است ولی با تهیه ونصب یک کارت I/O تعداد انها را می توان افز ایش داد و به ترتیب LPT1,LPT2,… را به وجود اورد.

2-انتقال اطلاعات به صورت موازی:
روش ها و پروتکل های زیادی برای ارسال اطلاعات وجود دارد که یکی از ساده ترین و پر استفاده ترین انها روش موازی است.
شکل1-2 نحوه ی انتقال بیت ها را به صورت موازی نشان می دهد.

شکل 1-2

همانطور که در شکل 2-3 مشخص شده است برای ارسال اطلاعات هر بیت به یک سیم نیاز است. پس مقادیر تمام بیت های یک بایت باید هم زمان بر روی پورت قرار بگیرند و گیرنده نیز باید انها را همزمان دریافت کند. یکی از معایب بزرگ این نوع ارسال هزینه بسیار بالا و برد کم انتقال اطلاعات است. برای ارسال هر بایت حداقل 9سیم نیاز است.8 عدد برای هر بیت ،یک سیم برای زمین .همانطور که گفته شد سادگی ارسال موازی باعث استفاده از ان شده است،اما این روش مشکلاتی دارد که باعث ساخت پروتکلهای پیچیده ارتباطی دیگر شده است.
از ان جمله:
1- هزینه بسیار انتقال اطلاعات.
2- برد بسیار کم.
3- سرعت انتقال اطلاعات بسیار پایین تر از پروتکل هایی مانند USB است.
4- اگر در ارسال یکی از این پین ها مشکلی ایجاد شود پیدا کردن ان بسیار مشکل است در حقیقت در این روش خطایابی دشوار است.
5-امکان ازدست دادن ا طلاعات ویا احتمال دریافت اطلاعات تکراری در این روش بسیار زیاد است .
6- تعدا دی از شرکت های بزرگ کامپیوتری پروتکل های جدیدی برای این پورت ساخته اند اما هنوز کارایی ان بسیار کمتر از پورتی مانند USBاست.
3-اتصال سریال:
همانطور که بیان شد پورت موازی دارای معایبی است که برای بر طرف کردن ان باید به روش های جبران سازی بپردازیم اما در پورت سری تعداد بسیار زیادی از این معایب مانند هزینه ی انتقال وصحت اطلاعات وبرد انتقال بر طرف شده است.

در پورت سری از یک پروتکل جدید برای انتقال داده ها استفاده می شودکه این پروتکل سریال serial نام داردو به وسیله ان داده ها را می توان در حداقل یک سیم انتقال داد. این روش هم اکنون بسیا ر گسترش یافته تا انجا که بسته های اطلاعاتی اینترنتی از طریق سریال انتقال می یابند.
اتصال گر های پورت سری در پشت بدنه کامپیوتر قرار دارند ومعمولا در دو نوع 25 پین (شکل1-3) و9 پین (شکل1-3) دیده می شوند. در کامپیوتر های جدید نوع 25 پین این پورت کمتر یافت می شود واغلب د ارای دو اتصال گر نر 9 پایه هستند. پورت سریSerial Port با نام Communications Port نیز شناخته می شود،که به ان ها به اختصار COM نیز گفته می شود.پورت سری اول com1 وپورت دوم com2 وبه همین ترتیب تمام درگاه های سری نامگذاری می شوند.

3-1 3-2

انتقال بصورت سریال:

در شکل 3-2 انتقال اطلاعات بصورت موازی نشان داده شده است .عیب بزرگ این نوع انتقال اطلاعات تعداد زیاد سیم ها و محدودیت برد ان است.توسط روش سریال می توان با حداکثر سه سیم اطلاعات را تا مسافت های طولانی انتقال داد.به عنوان مثال اگر قرار بود اطلاعات در اینترنت بوسیله ی انتقال موازی جابجا شوند ده ها سیم باید داده ها را منتقل می کرداما این جابجایی بوسیله ی خطوط تلفن وانتقال سری انجام می شود.بنابراین بدون نیاز به سیم کشی های زیاد می توان اطلاعات زیادی را ارسال و دریافت کرد.پس نتیجه می شود که تمام مودم ها اطلاعات را از طریق سریال جابجا می کنند.

همانطور که در شکل فوق مشخص شده انتقال سریال به سه روش قابل انجام است:
1-انتقال ساده (Simple)
در این نوع انتقال دستگاه جانبی یا تماما گیرنده(Receiver) است ویا فرستنده. مانند ماوس که فقط نقش فرستنده(Transmitter) اطلاعات را دارد و توانایی در یافت اطلاعات را ندارد.
2-انتقال نیمه دو طرفه(Half Duplex)
در این نوع انتقال دستگاه جانبی و کامپیوتر قادر به ارسال و دریافت اطلاعات هستند ولی هر دو را نمی توانند همزمان انجام دهند.
3- انتقال تمام دو طرفه (Full Duplex)
در این انتقال دستگاه جانبی و کامپیوتر به صورت همزمان قادر به دریافت و ارسال هستند.
بطور کلی در انتقال داده اگر بتوان داده را ارسال و دریافت کرد گوییم انتقال دو طرفه است .این بر خلاف انتقال ساده همچون چاپگرهاست که در ان کامپیوتر فقط داده ارسال می کند.ارسال می تواند نیمه و یا تمام دو طرفه باشد این بستگی به امکان انتقال همزمان داده در دو جهت دارد. اگر داده در هر زمان فقط در یک جهت ارسال شود به ان نیمه دو طرفه گویند.اگر امکان ارسال دو جهته همزمان داده وجود داشته باشد ان را تمام دو طرفه می نامند. البته تمام دو طرفه علاوه بر خط زمین نیاز به خط داده دارد که یکی برای ارسال و دیگری برای دریافت می باشد. بدین طریق ارسال و دریافت بطور همزمان صورت می گیرد.
نحوه ارتباط مدارات خارج از رایانه با برنامه labview را با توجه به موارد بالا و بخاطر كم كردن هزینه ها ،بصورت سریال انتخاب كرده ایم. فقط باید توجه كرد كه انتقال سریال اطلاعات به رایانه دارای محدودیتهایی است كه مهمترین این محدودیتها، فركانس كاری سیستمی است كه از طریق پورت سریال به تبادل اطلاعات با رایانه می پردازد. كه در مورد ecg چون فركانس ضربان قلب درحد 1.3hz است،استفاده از این ارتباط مشكلی را بوجود نمی آورد.مراحل كاری برای دریافت و تقویت وفیلترینگ سیگنال ecg و سپس نمایش آن را به سه قسمت تقسیم كرده ام كه در ادامه به توضیح آنها می پردازم:

1- مدار دریافت و تقویت ecg :
سیگنال ecg در واقع شامل تفاضل دو سیگناك گرفته شده از دو قسمت بدن نسبت به یك مرجع معین می باشد‌، كه این معمولا این مرجع معین روی مچ پای راست،كه بوسیله AD705 هم كار تقویت وهم كار فیلتركردن انجام میشود ودو سیگنال دیگر از دو طرف چپ و راست قلب دریافت می شوند.برای دریافت سیگنالهای قلبی به راحتی میتوان از یك Ic ابزار دقیق مثل AD620 استفاده كرد ، تا پس از دریافت هر كدام از سیگنالها، تقویت شده،و سپس تفاضل این دو سیگنال تقویت شده را در خروجی اینIc ببینیم.در ادامه نیاز به یك تقویت كننده داریم،بطوری كه در حالت كلی سیگنال دریافتی از قلب ، حداقل 1000 برابر تقویت شود.
شماتیك آنچه كه گفته شد را در پایین میتوانید ببینید:

2- مدار واسط بین رایانه و مدار دریافت كننده سیگنال قلب:
ارتباط سریال USART یکی از پروتکل هایی است که توسط انواع کامپیوترها نیز حمایت می شود و لذا برای بر قراری ارتباط بین میکروکنترولر و کامپیوتر غالبا از این روش استفاده می شود و به این دلیل مطالعه ی ان از اهمیت زیادی برخوردار است.
بعضی از انواع AVR تنها از ارتباط سریال UART حمایت می کنند،به این معنی که ارتباط سریال تنها به صورت آسنکرون قابل انجام میباشد و انواع پیشرفته تر میکروکنترلر های AVR می توانند به صورت سنکرون و آسنکرون ارتباط برقرار کنند.این دو نوع ارتبا ط سریال از نظر محل بیت ها در داخل رجیستر ها ، نحوه تولید نرخ ارسال، و دریافت اطلاعات و عملکرد بافر مربوط به ارسال اطلاعات کاملا مطابقت دارند و تنها عملکرد بافر مربوط به دریافت اطلاعات در ارتباط سریال USART بهبود یافته است.
پس از بدست آوردن سیگنال تقویت شده Ecg ، اولا باید این سیگنال آنالوگ تبدیل به دیجیتال شود تا برای رایانه قابل فهم باشد و ثانیا به دلیل اینكه می خواهیم به صورت سریال این اطلاعات را ارسال كنیم ، پس باید این اطلاعات بصورت سریال كدگذاری شوند بعد عمل ارسال صورت بگیرد.برای انجام این دو كار به راحتی میتوان از میكروكنترلهای AVR استفاده نمود.از آنجایی كه برای برقراری ارتباط سریال با رایانه ناچاریم تا از RS232(پورت سریال) استفاده كنیم،لازم است تا به نحوی بتوانیم سطوحTTL ایجاد شده توسط میكرو و RS232 را به یكدیگر تبدیل كنیم.عموما برای تبدیل این سطوح ولتاژ به یكدیگر از تراشه Max232 یا Max233 استفاده می شود. استفاده از این قطعه بسیار ساده ودر عین حال ضروری است. نکته بسیار جالب این تراشه این است که با تغذیه 5 ولتی در خروجی های MAX232 ولتاژهای 10و10+ ولتی را تولید می کند .انجام این کار بوسیله ی چهار خازن 1تا22 میکروفاراد نیاز دارد که عموما از خازن 22 میکرو فارادی که به پایه های ان متصل می شوند صورت میگیرد.این خازن ها ولتاژها را از داده های قبلی در خود ذخیره کرده وبا جمع انها داده ها را به RS232 تبدیل می کند.
در RS232منطق1 با 3 - تا25- ولت تعریف می شود، ضمن اینکه 3+ تا 25+ ولت هم، بیت 0 است.فاصله 3- تا 3+ تعریف نشده است. به این دلیل، برای اتصال هرRS232 به یک سیستم مبتنی بر میکروکنترولر، باید ازمبد ل های ولتاژی همچون MAX232برای تبد یل از سطح TTL به سطح RS232 و بر عکس استفاده کنیم. تراشه های MAX232 بنام راه اندازهای خط و گیرنده خط نام گذاری شده اند.
آنچه كه باید در اینجا مورد توجه قرار بگیرد ، این است كه چون ورودی سریال Labview فقط میتواند استرینگ باشد،به همین دلیل خروجی میكرو را نیز باید بصورت استرینگ در نظر گرفت.

3-فیلترینگ و نمایش سیگنال در labview :
Labview همانطور که عنوان شد نرم افزاری قوی در ایجاد ارتباط سریال می باشد که برنامه نویسی ان اسان بوده و به صورت بلوکی می باشد.در فضای خارج از کامپیوتر نیز می توانیم از میکرو کنترل های مختلفی مانند 8051،AVR،PLCو... استفاده نمائیم.
طرحی که در این بخش جهت استفاده از نتیجه حاصله از ایجاد ارتباط سریال بین میکروکنترل AVR وبرنامه نرم افزاری labview گرفته شده ،ثبت ECG می باشد.
در دو مرحله قبلی،سیگنالهای آنالوگ قلبی را دریافت كرده و بدست آوردن تفاضل آنها و پس از تقویت و تبدیل كردن به دیجیتال، این سیگنال را بصورت سریال وارد رایانه كردیم.از جمله اعمال پردازشی كه بوسیله این نرم افزار روی این سیگنال باید انجام دهیم، عمل فیلترینگ است.چون طیف فركانسی سیگنال قلب بین 0.05hz تا 100hz می باشد به همین دلیل باید از یك فیلتر میان گذر استفاده نمود.اما بدلیل اینكه نویز برق شهر(50hz) نیز در این بازه قرار میگیرد،مجبوریم تا با یك فیلتر میان نگذر این سیگنال ناخواسته را حذف كنیم،كه این كار را میتوان با استفاده از برنامه labview و جاسازی بلوكهای مورد نظر در این برنامه انجام داد.
ازجمله قابلیتهای بسیار خوب labview داشتن برنامه های كاربردی و مفید در كتابخانه خود می باشد كه از جمله این برنامه ها،برقراری ارتباط سریال بین labview و پورت سریال می باشد كه می توان با ایجاد تغییرات اندكی در خروجی این برنامه، به هدف خود كه داشتن سیگنال Ecg است رسید.برای این كار لازم است كه ورودی رایانه را بوسیله یك مبدل كه در خود نرم افزار وجود دارد، از آرایه به استرینگ تبدیل نموده و پس از عبور دادن از فیلترهای مورد نظر و انجام عمل پردازش توسط یك نمودار آن را نمایش داد.

مراجع:
میکرو کنترلر 8051 مزیدی
دستگاه ها و مدارات جانبی کامپیوتر شاهد
کتاب اموزش Labview شجاعی
میکرو کنترل های AVR ره افروز

---------------------------------------------

در پایان :

چند نمونه تصویر از محیط برنامه :

تصویر ۱

تصویر ۲

و یک لینک مفید برای مطالعه بیشتر :

http://www.e-dsp.com/how-to-build-your-own-heart-monitoring-device-a-simple-ecg/