В своей работе над диссертацией моя задача сводится к получению сигнала ЭЭГ. Это очень слабый электрический сигнал с поверхности коры головного , который пробивается через костную ткань и слои эпидермиса. По сравнению с ЭЭГ есть более сильный электрический сигнал – ЭКГ. В этой статье расскажу про аппаратное и программное обеспечение, с помощью которого проводилось считывание сигнала ЭКГ и проведу анализ аппаратной части. Статья может быть полезна людям, которые также ведут работы в данном направлении.
В основе платы для считывания ЭКГ располагается инструментальный ОУ. На рынке представлено много таких ИМС. Одни основаны на КМОП технологии ( например, INA321 ~ 170 руб), другие на биполярных транзисторах (например, AD620 – 450 руб).
При сравнении параметров ОУ по чувствительности к входному сигналу выигрывают биполярные, в то время как полевые выигрывают в цене и току потребления. Для считывания ЭКГ была выбрана INA321.
Основные технические характеристики ИОУ INA321:
1. Напряжение питания однополярное Vcc +5 V.
2. Потребляемый ток 45мкА (max).
3. Микросхема изготовлена по КМОП технологии.
4. Значение подавления синфазных помех: 95дБ.
5. Коэффициент усиления дифференциального сигнала от 5 до 500 раз, определяемый внешним резистивным делителем.
6. Уровень собственного шума: 10 uV.
В техническом описании на ИМС приводится принципиальная схема для ЭКГ. Для оцифровывания сигнала воспользуемся звуковым чипом с материнской платы ПК ALC662 (или аналогичный). Совместив принципиальные схемы двух устройств, получилась такая схема:
Рис. 1 Принципиальная электрическая схема
Так как сигнал ЭКГ не высокочастотный, то частоты оцифровывания звуковым устройством хватит с лихвой. При измерении столь малых напряжений, как ЭЭГ и ЭКГ, ОУ устанавливаются в усиление сигнала в тысячи раз. Но это усиление делается не на одном ОУ, а каскадом. Соответственно в основе платы устройства лежит INA321 и ОУ общего назначения LM358.
Рис. 2 Расположение измеряемых напряжений
Общее регулируемое усиление платы по расчетам составляет от 1200 до 3300 раз (регулировка подстроечными резисторами). Плата спроектирована таким образом, что имеет большой диапазон изменения коэффициента усиления и при минимальном значении в 1200 раз соответствует платам, с помощью которых получают сигнал ЭКГ с тела человека. Плата сделана по технологии ЛУТ. USB используется только для питания, сигнал передается через 3.5 jeck.
Рис. 3 Плата для ЭКГ. Вид сверху
Сигнал с платы после усиления поступает на звуковой чип материнской платы ПК, оцифровывается, обрабатывается драйвером и потом передается конечной программе для обработки.
Рис. 4 Точки подключения электродов
По стандартной схеме подключения электродов для считывания ЭКГ два электрода размещаются на запястье рук и фиксируются там, а третий электрод располагается на ноге для подачи на нее опорного напряжения. Электроды были сделаны из поролона с фольгированной оболочкой площадью ~ 2 см2 и смачивались солевым раствором для понижения сопротивления рогового слоя эпидермиса.
Рис. 5 Электроды для снятия сигнала ЭКГ
Для записи сигнала (звука) использовалась программа Sound Forge Pro 11. После первой пробной записи результат был такой:
Рис. 6 Первый график ЭКГ — совсем не ЭКГ
После аппаратных доработок, настройки программы и драйвера и прочих танцев с бубном получить стабильную ЭКГ все таки удалось.
Рис 7. Примеры полученных графиков ЭКГ
Сверху расположена ось времени, которая позволяет подсчитать частоту ударов в минуту. Полученные результаты подсчета подтверждают, что наблюдаемый график и есть ЭКГ – фиксируется 75 ударов в минуту с четкой периодичностью между соседними ударами в 0.8 сек. График оцифровывался в разрешении — 8bit, частота дискретизации — 8kHz. Хотя для частоты в 75Гц выборки в 8кГц многовато.
В программе Sound Forge есть возможность провести обработку записанной дорожки с помощью XFX плагинов. При определенной настройке в программе можно подавлять 50Гц наводку, после чего график становится более похожим на тот, что получается при записи ЭКГ в больнице.
Например, изначальный график:
После применения эффекта эквалайзера к графику:
Так как у нас сигнал оцифрован в звуковую дорожку, то есть возможность сохранить её и прослушать. Услышанный сигнал очень сильно напоминает звук, который слышит человек, когда слушает пульс через стетоскоп, например, при измерении давления.
При считывании сигнала нужно постоянно обеспечивать контакт всех электродов с телом. Солевой раствор для этого подходит плохо. Признаком потери контакта и, соответственно, роста сопротивления между электродом и кожей является усиление 50-55 Гц наводки на графике и пропадание ритма.
Рис. 8 Пропадание сигнала и усиление шума.
Колебания напряжения питания также очень хорошо улавливаются схемой. Шумы в питающем напряжении изменяют значение опорного напряжения, которое должно быть как можно более стабильным, потому как оно подается на тело и относительно него идет получение сигнала. Колебания опорного напряжения накладываются на снимаемый сигнал и усиливаются ОУ, отпечатываясь на получаемом графике. При переключении платы на питание об батареи шумы питающего напряжения заметно ослабевают.
Рис. 9 Шумы в питающем напряжении при питании от сети и от батареи (один график).
Также учтем, что есть собственные генерируемые шумы ИМС. Например, согласно технической документации на INA321, график её собственных шумов, хотя он намного слабее сигнала ЭКГ:
Рис. 10 График шумов напряжения INA321
Проблема в том, как отличить, что будущий планируемый график ЭЭГ это не собственные шумы ИМС или не какие-либо еще? График ЭКГ получился, но мы знаем как он должен выглядеть. А как должен выглядеть ЭЭГ сигнал? При получении сигнала ЭЭГ есть риск получить вообще не тот сигнал, и потратить кучу времени на него.
Заключение.
Получение сигнала ЭЭГ нужно в конечном итоге для создания интерфейса компьютер-мозг. Это сложная задача и занимаются ей много институтов по миру. Не знаю как у них организован процесс проведения исследований, но мне приходится работать на своих началах и делать платы буквально “на коленках”, что дает свою закалку, а потом в лабораторных условиях все так легко будет казаться делать.
Автор: RomanSansay
