Design di un ECG

Abbiamo visto che il cuore produce attività elettrica, ora vediamo di


Come catturare questo segnale del cuore

Il cuore potrebbe essere rappresentato come un dipolo situato nel torace con una polarità specifica in un certo momento, e una polarità invertita nella successiva fase. Il potenziale in un determinato momento dipende la quantità di carica e la separazione tra le cariche. Quando parliamo di potenzialità, in realtà stiamo parlando di differenze di potenziale, perciò i segnali del cuore  deve essere acquisita con un punto di riferimento, che viene utilizzato per determinare variazioni significative dai punti le cui potenzialità che vogliamo registrare.
Un esempio di come si può acquisire segnali è raffigurata in Figura 5. questo esempio utilizza un amplificatore operazionale, poiché la sua funzione principale è quella di ottenere la differenza di potenziale  tra due segnali e ad amplificarli
. In questo caso abbiamo un elettrodo che fa da riferimento e due elettrodi per rilevare la differenza di potenziale.




Acquisizione di un segnale 1


Stiamo parlando di tensioni molto basse nel ordine di un centinaio di microvolt con la possibilità di presenza di rumore. Realizzare un Analog Front End  (AFE) per un ECG oppure per un Holter devono essere prese in considerazione diverse problematiche critiche. I punti da tenere in mente sono

  • acquisizione di tensione di qualche centinaio di microvolt generata dal nostro corpo, la quale deve essere amplificate e filtrata per rimuovere il rumore acquisito tramite gli elettrodi.
  • la frequenza da monitorare può essere diversa in base ad tipo di monitoraggio che vogliamo fare. 
    • Holter: il filtro passa banda con caratteristiche da 0,05Hz a 30/40Hz
    • ECG: qua dipende anche dal numero di elettrodi, per esempio ADi consiglia da 0,05Hz a 2000Hz, ma TI invece da 0,05Hz a 1000Hz. Invece per ECG con meno elettrodi potrebbe bastare un da 0,05Hz a 250Hz.
  • altre interferenze da eliminare sono quelle di tipo Radio Frequency Interference (RFI), altri rumori elettrici ambientali generati per esempio da alimentatori switch, dispositivi elettronici di vario tipo, presenti sulla linea elettrica e i 50Hz/60hz della linea elettrica. Tutti questi influenzano la sensibilità dello strumento e la sua precisione e pertando devono essere eliminate. Anche gli impulsi di un pace maker devono venire filtrati.
    Alcune interferenze di questo tipo possono venire annullate usando amplificatori INA ad alta impedenza d'ingresso 
  • i filtri passa-banda aiutano ad eliminare i disturbi sopratutto tagliando la parte alta di frequenza. I filtri devono permette passare le per il tipo di monitoraggio che vogliamo eseguire e tagliare tutte le altre per ridurre i disturbi. Normalmente viene anche implementato un filtro notch per eliminare la frequenza della rete elettrica.
  • protezione ESD per le scariche prodotte dai defibrillatori. Sicuramente non abbiamo a casa un defibrillatore, ma in campo professionale un monitor ECG deve avere questo tipo di protezione.

Un Analog Fron End (AFE) per uso in questo settore deve essere robusto. Per semplificare il design, i vari produttori di semiconduttori che operano nel settore medicale, realizzano dei chip specifici ADC+AEF con tutte le caratteristiche minime di cui sopra. Per esempio date un occhiata al ADAS1000 di ADi e ADS1298 di TI. Ritengo ADAS1000 (è una prerealise) interessante per i nostri scopi visto con i sui 5CH per ECG è in grado di rilevare i pacemaker e in può offre la diagnostica anche per la respirazione. Mi piacerebbe metterci le mani. Qui sotto schema a blocchi


ADAS1000

Schema a blocchi Analog Device ADAS1000



Dopo che il nostro segnale viene filtrato ed amplificato, viene passato al ADC Converter per venire convertito in digitale. In questo caso anche un un ADC a 10bit come quello di Arduino può andare bene, ma si può arrivare di sistemi con ADC da 24 bit.
Qui sotto un sintetico schema a blocchi di come si compone un ECG

schema a blocchi ECG EKG
Sotto vedete l'AFE MED-EKG della Freescale che può essere usato senza modifiche hardware con Arduino scrivendo il codice relativo.

Freescale MED-EKG

Per iniziare si può usare degli elettrodi auto-costruiti. io li ho realizzati con delle monetine da 1 eurocent come superficie di contato e un cavo schermato. p.s. Finalmente so a cosa servono queste monetine e poi trovatemi qualche cosa che costi di meno di 1 eurocent da usare come superficie di contato.

Low.-Cost ECG Electrodes with 1 centeuro

oppure potete seguire anche il documento Connecting Low-Cost External. Electrodes to MED-EKG AN4223 su come costruire degli elettrodi



Vi consiglio  di dare un occhiata ai link di cui sotto, in particolare alla nota applicativa AN4323 che descrive dalla teoria alla pratica con schemi il modulo MED-EKG della Freescale. Una nota su questo modulo che se lo acquistate è probabile che dovete adattare il filtro notch di rete perché lavora sui 60Hz e non sui 50Hz.


Fonti e documenti di approfondimenti.
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