Практикум

Регистрация и предварительная обработка электрофизиологических сигналов

Практикум предназначен для приобретения навыков регистрации и предварительного анализа электрофизиологических сигналов с помощью измерительного комплекса MP100 компании BIOPAC Systems, Inc. Данный измерительный комплекс обеспечивает возможность записи (в том числе одновременной) различных физиологических процессов, включая электрокардиографию, электроэнцефалографию, электромиографию, вызванные потенциалы мозга, фотоплетизмографию и т.д. Анализ соответствующих сигналов осуществляется в режиме реального времени. При выполнении отдельных работ практикума проводится статистическая обработка экспериментальных данных и запись оцифрованных сигналов на диск компьютера для последующего, более детального исследования их структуры.

Лабораторные работы практикума

Электрокардиография (pdf-file)
Электроэнцефалография (pdf-file)
Электромиография (pdf-file)
Вызванные потенциалы (pdf-file)
Фотоплетизмография (pdf-file)

Пример выполнения экспериментальных исследований лабораторной работы практикума
(регистрация электроэнцефалограммы)

В состав измерительного комплекса MP100 входит модуль для регистрации электрокардиограмм ECG100C. Для записи ЭКГ нужно выполнить следующую последовательность действий:
1) Подсоединить кабель MEC100C к модулю ECG100C, подключить электроды. Для улучшения качества регистрации сигнала на контактную поверхность электродов наносится гель.
2) Установить на приборе значение Gain 500 (усиление) и задать характеристики фильтров “35 Hz LPN”, “0.05 Hz HP Filter”.
3) Запустить программу AcqKnowledge, выбрать папку Samples, тип файлов *GTL и затем открыть файл “Q20 Online ECG Quickstart”. В результате появится новое окно.
4) Указать канал для записи аналогового сигнала, выбрав MP100 --> Set Up Channels --> Analog. В появившемся окне установить номер канала, например, A1 (необходимо проверить, какой канал задан на модуле ECG100C, именно его и нужно установить в программе).

5) Выбрать величины, которые будут вычисляться в режиме реального времени в процессе записи электрокардиограммы (например, частота сердцебиений, длительность R-R интервалов и т.д.). С этой целью в том же самом окне установить Calc. После выбора каждой характеристики необходимо заходить в Setup, задавать параметры (или использовать указанные по умолчанию) и нажимать OK (программа запоминает настройки по отдельности). Один из вариантов набора величин, который может быть задан экспериментатором, представлен на рисунке.

6) Задать длительность экспериментальной записи в MP100 --> Set Up Acquisition. В появившемся окне также устанавливается частота дискретизации сигнала и варианты хранения данных (в оперативной памяти или запись в файл).
7) Нажать “Start” для начала записи данных. При необходимости запись можно приостановить, нажав “Stop”. Для удобства ви­зуального контроля регистрируемого сигнала предусмотрены возможности установки автоматического выбора масштаба переменных, выводимых на экран. Пример полученной при этом экспериментальной записи электрокардиограммы вместе с выбранными величинами (ЧСС, длительность R-R, высота зубца R) представлен на ри­сунке.

Анализ типичной формы одного кардиоцикла включает идентификацию характерных P, Q, R, S и T зубцов. Такой анализ целесообразно начинать с R волн. Для удобства можно изменить масштаб по обеим осям (щелчком левой клавиши мыши по соответствующей оси открывается окно, в котором задается требуемый масштаб). Для идентификации момента времени, соответствующего R волне, установить курсор на максимум этого пика. Выделить мышью область от курсора до другого пика, интервал времени между которыми требуется определить. Например, можно оценить величину R-R интервала, время между R и P или R и T волнами. Длительность выделенного фрагмента ЭКГ будет отражена в окне индикатора “Delta T”. Для более точного измерения длительности временных интервалов можно воспользоваться опцией автоматического нахождения пиков электрокардиограммы Transform --> Find Peak. Также существует возможность измерить количество ударов в минуту (“beats per minute” или BPM) и амплитуду каждой волны.

Поскольку характерные пики ЭКГ повторяются от удара к удару с незначительными изменениями, важной характеристикой является усредненная форма сигнала, соответствующего одному сердечному циклу. Провести усреднение можно в пределах всей экспериментальной записи или для отдельных ее участков. С этой целью требуется выделить мышью область для усреднения. Затем можно воспользоваться опцией Transform --> Find Peak, задать уровень порога и положения курсоров, выбрать “Off-line Averaging”, после чего нажать кнопку “Setup Averaging”. В появившемся окне выбрать “Selected Area”, нажать “OK” и затем “Ave Start”. В результате будет получен усредненный сигнал ЭКГ. По аналогии выбирается другая область, для которой выполняются аналогичные действия. Чтобы все волновые формы отображались в одном окне одна под другой, требуется сначала выделить нужные волновые формы (“Edit --> Select all”) и поместить их в выбранное окно (“Edit --> Insert Waveform”).

С целью выявления различий волновых форм их удобно вывести на один график, нажав кнопку “Scope Mode”, расположенную на верхней панели. Для возвращения к прежним временным зависимостям нужно нажать кнопку “Chart Mode”. Существуют различные варианты записи результатов в файл:
- файл *.acq – сохраняется полная картинка в специальном формате программы AcqKnowledge (для последующей обработки);
- файл *.txt – обычный текстовый формат для последующего анализа экспериментальных записей с помощью специальных программ.
С помощью AcqKnowledge можно проводить статистический анализ сердечного ритма и оценивать рассмотренные выше статистические показатели. В частности, для построения гистограммы последовательностей R-R интервалов необходимо вначале выбрать нужный сигнал, после чего воспользоваться Transform --> Histogram. Затем задать диапазон значений R-R, а также количество участков его разбиения (выбор диапазона может проводиться автоматически, но на практике часто бывает удобнее задавать его вручную для устранения влияния возможных артефактов). Пример полученных результатов для сравнительно короткой последовательности R-R интервалов изображен на рисунке.

Для оценки такой характеристики как триангулярная интерполяция гистограммы требуется установить измерения для “Delta X”, выбрав нужную опцию из имеющегося списка вариантов. Затем выделить отрезок по оси абсцисс между точками, определяющими ширину основания треугольника, которым можно аппроксимировать гистограмму. Значение индекса TINN будет автоматически показано в соответствующем окне напротив выбранной величины “Delta X”.

Следующий рисунок иллюстрирует возможности реконструкции фазового портрета по сигналу электрокардиограммы методом задержки (“XY Mode” на верхней панели). Реконструкцию целесообразно осуществлять по относительно небольшим фрагментам экспериментальных данных. Наряду с расчетом статистических характеристик сердечного ритма программа AcqKnowledge позволяет, например, проводить спектральный анализ, но для качественного и детального исследования структуры регистрируемых данных представляется целесообразным применять более специализированные пакеты программ, используя возможности, предоставляемые AcqKnowledge на этапе предварительной обработки и анализа электрофизиологических сигналов.