Elaborazione del segnale ECG: attività elettrica del cuore e interferenze

ELABORAZIONE DEL SEGNALE ECG

Fondamenti di Bioingegneria 2
(9 CFU)
A.A. 2024/2025
LEZIONE 16

V:
.

Università
degli Studi
.
della Campania
Luigi VanvitelliATTIVITA' ELETTRICA DEL CUORE
Le correnti elettroniche extracellulari generate dal processo di eccitazione descritto, si propagano sino alla superficie del
corpo, distribuendosi nel conduttore tridimensionale costituito dai tessuti circostanti il cuore. In figura è mostrato come si
costituisca un segnale globale a partire dalle variazioni di potenziale generate dai diversi potenziale d'azione nei diversi
distretti del miocardio

PdA
nodo SA
SA
node
0.06
atri
0.03
LA
nodo AV
0.025
AV
node
RA
0.2
0.12
C
Purkinje
network
0.17
0.18
1
branche
RV
Purkinje
network
LV
fibre di
Purkinje
0.14
0.15
0.145
0.155
Myocardium
0.16
Right bundle
branch
ORS
0.4
00
Left bundle
branch
7.Nøtter
-M.D.
/@CIBA
secondi

Vie preferenziali di conduzione dell'ECG

Formazione dell'ECG
/0.045
Bundle
of His
fascio di
His
0.19
ventricoli
0.2ELETTROCARDIOGRAMMA
Un elettrocardiogramma tipico, ottenuto in seconda derivazione (derivazione che fornisce il segnale QRS più ampio) e
rappresentato con i simboli validi internazionalmente è riportato di seguito.
La prima deflessione, chiamata onda P, corrisponde alla
depolarizzazione degli atrii. Le onde successive, chiamate
QRS, derivano dalla depolarizzazione dei ventricoli, ed in
particolare l'onda Q è una onda iniziale negativa, l'onda R è
una deflessione positiva che segue l'onda Q e l'onda S è una
deflessione negativa che segue l'onda R. L'onda T
rappresenta la ripolarizzazione dei ventricoli ed è a volta
seguita dall'onda U il cui significato è a tutt'oggi poco
chiaro. La ripolarizzazione del miocardio atriale cade durante
l'intervallo PR o il complesso QRS e pertanto è di difficile
identificazione.

Tensione
R
P
T
+
U
Isoelettrica
Tempo
-
P-R
Q
S
QRS
Q-T

Parametri ECG

a VR
V4
1
aVL
VS
1
1
1
111
V3
Vá
PROVO00CC-0000
Velos. : 25 mm/sec Arto: 10 mm/aV Peito:10 majaV
F 50\ 0,5-150HA W
HP748 01229

Tipi di elettrocardiografo

INTERFERENZA DI RETE

L'interferenza di rete consiste in un segnale sinusoidale a 50 Hz (in Europa) e delle sue
armoniche.

Parametri tipici dell'interferenza di rete

• Contenuto frequenziale: 50 Hz (fondamentale) e sue armoniche
• Ampiezza: fino al 50% dell'ampiezza picco-picco dell'ECG

1
V
i= V/R
310 V
V
2
R
220 V
frequenza f=50Hz
periodo
T=20ms
- 310 V
Vmax=310V
Vefficace=220V
1
-$ =20ms
50
Notse Free
2
-
0
O
10% Powerline
3
2
1
-
·
O
2
-

SNR e Powerline

25x Powerline
3-
2
1
0 -
-1
O
SNR
4
50% Powerline
2
1
0
C
2
75% Powerline
-
O
40 ms
100% Powerline
0
=1 .
-2RUMORE

CONTATTO DEGLI ELETTRODI

Il rumore da contatto degli elettrodi è una interferenza transiente causata dalla perdita di contatto tra l'elettrodo e la pelle, che
in pratica disconnette il sistema di misura dal soggetto.
La perdita di contatto può essere permanente o intermittente, quest'ultimo caso è il risultato del movimento del soggetto o di
vibrazione che temporaneamente allontana l'elettrodo dalla pelle e successivamente lo riavvicina riattivando il contatto.
Questa interruzione può produrre ampie onde da artefatto. In particolare, con l'ingresso dell'amplificatore disconnesso,
l'interferenza di rete diviene parte predominante del segnale.
In genere l'interferenza si presenta come una improvvisa variazione della linea di base a cui si sovrappone una componente
frequenziale a 50 Hz, questa transizione può presentarsi come un fenomeno isolato o ripetersi più volte in successione.
Le caratteristiche di questa interferenza includono principalmente l'ampiezza della transizione iniziale e l'ampiezza della
componente a 50 Hz

Parametri tipici del rumore da contatto

• Durata: 1 s
• Ampiezza: massimo valore registrabile in uscita
• Frequenza: 50 HzRUMORE

ARTEFATTI DA MOVIMENTO

Gli artefatti da movimento sono variazioni transienti della linea di base del segnale (ma non gradini) causati da cambiamenti
dell'impedenza di contatto elettrodo-pelle con il movimento degli elettrodi.
Quando cambia l'impedenza di contatto, l'amplificatore vede una impedenza della sorgente diversa, che forma un partitore di
tensione con l'impedenza di ingresso dell'amplificatore.
Quindi, la tensione di ingresso dell'amplificatore dipende dall'impedenza della sorgente che cambia con la posizione
dell'elettrodo.

Partitore di tensione

PARTITORE DI TENSIONE
Ving
a =
R2
R1 + R2
oV
out
IR2
out
La tipica causa che produce artefatti da movimento sono le vibrazioni o i movimenti del paziente.
La forma del disturbo della linea di base assume un andamento bifasico simile al ciclo di una sinusoide.

Parametri tipici degli artefatti da movimento

• Durata: 100 - 500 ms
• Ampiezza: 50% dell'ampiezza di picco-picco dell'ECG

V2RUMORE

CONTRAZIONE MUSCOLARE

Il segnale derivato da una contrazione muscolare può essere assimilato ad un «burst»
transiente di un rumore gaussiano a banda limitata e a media nulla.

Parametri tipici della contrazione muscolare

• Deviazione standard: 10% ampiezza di picco dell'ECG
• Durata: 50 ms
• Contenuto frequenziale: dalla dc a 10 kHz

Notse Free
3
2 -
0
-1
O
3
10% emg
2 -
1-
-1
to
2
n
25% emg
2
-
-1
0
3
50x img
2
0
0
75% emg
0
0
100% emg
o
2
SNRRUMORE

RESPIRAZIONE

Il segnale ECG può presentare una variazione della linea di base e una modulazione
dell'ampiezza a causa della respirazione.
In particolare, le variazioni della linea di base possono presentarsi come una componente
sinusoidale alla frequenza del respiro sommata all'ECG.
L'ampiezza e la frequenza di tali componenti sinusoidali può essere variabile.

Modulazione di ampiezza

MODULAZIONE DI AMPIEZZA
Onda
Onda portante
Modulazione di ampiezza (AM)

Parametri tipici della respirazione

• Variazione della linea di base (ampiezza): 15% dell'ampiezza picco-picco dell'ECG
• Frequenze: da 0.15 Hz a 0.3 Hz

Noise Free
2
1
0
O
2
10% Respiration
4
3
2
1
0
0
2
25% Respiration
3
2
1
0
-1
-2
O
2
3
50% Respiration
4
2 -
0
-2
·
1
2
6
75% Respiretien
4
2
0
-2
-4
0
1
2
100% Respiration
2
0
AMONACO
-2
2
SNRRUMORE

STRUMENTI ELETTRONICI

Il rumore sovrapposto ad un segnale ECG può anche essere causato dagli strumenti elettronici utilizzati per la misura.
Un caso particolare è il rumore generato da elettrobisturi, il quale fa scomparire completamente il segnale elettrocardiogra
Il rumore da elettrobisturi fa scomparire completamente il segnale elettrocardiogramtandosi come una sinusoide
molto ampia con frequenze comprese tra i 100 kHz e 1 MHz.

Parametri tipici degli strumenti elettronici

• Ampiezza: 200% dell'ampiezza di picco-picco dell'ECG
• Contenuto frequenziale: da 100 kHz ad 1 MHz
• Durata: 1 - 10 sRUMORE

ESEMPI DI RUMORE

2.5 -
2
1.5 -
1
ECG
0.5-
0
-0.5
1
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
Time in seconds
ECG signal with 60 H z interference.
Segnale ECG + rumore EMG + rumore di rete
400
200
Amplitude [mV]
0
-200
-400
-600
20.8
20.9
21
21.1 21.2 21.3 21.4 21.5 21.6 21.7
Time [s]SPETTRO DEL SEGNALE ECG
Uno studio di Thakor, Webster e Tompkins del1984 [1] ha calcolato lo spettro del segnale ECG, del solo QRS e delle
componenti P e T al fine di valutare il filtro passa-bando ottimo da utilizzarsi in un rilevatore di QRS.
In figura sono riportati i risultati ottenuti calcolando lo spettro di potenza su 150 cicli ECG completi privi di rumore.
Gli spettri del complesso QRS e delle onde P e T sono stati ottenuti estraendoli dal tracciato e completando l'intervallo con
degli 0.
Come si osserva dalla figura il complesso QRS contiene la maggior parte delle componenti frequenziali più alte dello spettro
dell'ECG con un massimo intorno ai 10 Hz, mentre il contributo delle onde P e T è confinato nettamente alle basse frequenze.

1.0
ECG
0.8
RELATIVE POWER
0.6
ORS
0.4
P-Ti
0.2
0.0
O
5
10
15
20
25
30
35
40
FREQUENCY Hz
[1] Thakor, N. V., Webster, J. G., & Tompkins, W. J. (1984). Estimation of QRS complex power spectra for design of a QRS filter. IEEE Transactions on biomedical engineering, (11), 702-706.SPETTRO DEL SEGNALE ECG

RUMORE

Il segnale ECG è corrotto da rumori quali gli artefatti da movimento ed il rumore di origine muscolare.

1.0
0.0
MOTION
ARTIFACT
-
RELATIVE POWER
ORS
0.6
-
....
0.4
P-T
0.2
MUSCLE NOISE
--
-
0.0
o
5
10
15
20
25
30
35
40
FREQUENCY HzALGORITMI PER LA RILEVAZIONE DEL COMPLESSO QRS
Esistono varie classi di algoritmi di riconoscimento del complesso QRS presenti in letteratura, classificabili in funzione della
loro complessità e delle loro prestazioni. La classe con minore complessità e che presenta tempi di calcolo più bassi si basa
sull'utilizzo di soglie.
Appartengono a questa classe 4 differenti tipi base di algoritmi:

• AF: algoritmi basati sull'ampiezza del segnale ECG e sulla derivata prima
• FD: algoritmi basati sulla sola derivata prima del segnale ECG
• FS: algoritmi basati sulla derivata prima e seconda del segnale ECG
• DF: algoritmi basati su una versione del segnale ECG filtrata numericamente

Verranno presentati, per ognuna di queste categorie, i principali algoritmi presenti in letteratura.
I dati riportati fanno riferimento ad un segnale di ampiezza compresa tra -10 mV e 10 mV amplificato con guadagno 1000,
campionato a 250 Hz (intervallo di campionamento = 4 ms).
La durata tipica del QRS fisiologico è pari a 100 ms, che corrisponde a 25 punti per una frequenza di campionamento di 250
campioni/secondo, l'ampiezza tipica varia tra 1 e 3 mV.

ALGORITMI BASATI SULL'AMPIEZZA E LA DERIVATA PRIMA

Algoritmo di Fraden-Newman (AF)

Il primo passo dell'algoritmo prevede il calcolo della soglia di ampiezza scelta pari al 40% del massimo del segnale.
soglia = 0.4 max x (n)
Il segnale viene poi rettificato usando il seguente algoritmo:
y0(n) = x(n)
se x (n) ≥ 0
y0(n) =- x(n)
se x(n) ≤ 0
Il segnale rettificato è sottoposto ad un processo detto low level clipper:
y1(n) = y0(n) se y0(n) ≥ soglia
y1(n) = soglia se y0(n) < soglia
Successivamente si calcola la derivata prima con l'operazione:
y2(n)=y1(n+1)-y1(n-1)
Ed infine si applica la seguente regola di decisione: si è in presenza di un QRS se:
y2(n) > 0.7