Come misurare l’attività elettrica del cuore

Un elettrocardiogramma (o ECG) è una registrazione dell’attività elettrica del cuore per misurare la frequenza e la regolarità del battito cardiaco. In questo progetto, vedremo come realizzare un semplice elettrocardiografo a tre elettrodi usando un sensore dedicato low-cost (meno di 20 euro) e Arduino, il microprocessore programmabile da chiunque utilizzato per acquisire i dati su un PC. Alla fine, potrete generare in forma digitale la forma d’onda del vostro cuore comodamente a casa vostra e quindi tracciarla in tempo reale sullo schermo di un computer, stupendo in questo modo familiari ed amici. 

Naturalmente, questo progetto è stato concepito solo un esperimento e non dovrebbe sostituire una visita medica fatta con una strumentazione di tipo professionale. L’elettrocardiografo non è destinato ad essere usato per diagnosticare o trattare alcuna patologia. Niente qui è adatto per uso medico. Il circuito che costituisce il cuore dell’elettrocardiografo (puoi trovare il relativo sensore qui) non è stato certificato e il collegamento degli elettrodi a se stessi potrebbe provocare piccole scosse elettriche, per cui lo si realizza a proprio rischio.

Il “cuore” dell’elettrocardiografo

I componenti necessari per questo progetto sono i seguenti:

  • Un monitor di frequenza cardiaca a derivazione singola AD8232
  • Una scheda Arduino Uno (meglio Arduino Due o Mega)
  • Tre elettrodi a gel compatibili
  • Cavi schermati per connettere gli elettrodi
  • Gel conduttivo da applicare sotto gli elettrodi
  • Cavetti di collegamento (jumper)

Per misurare l’attività elettrica del cuore, il progetto usa il monitor AD8232, che è una scheda dedicata con un eccellente rapporto qualità/prezzo. Infatti, gli elettrocardiogrammi possono essere estremamente rumorosi, per cui la scheda AD8232 funge da amplificatore operazionale per ottenere facilmente un segnale chiaro dagli intervalli PR e QT (vedremo più avanti come interpretare un ECG).

Il “necessaire” per trasformare Arduino in un elettrocardiografo digitale. Puoi trovare questo tipo di sensori per elettrocardiogramma “fai da te” qui.

L’AD8232 è un sistema integrato di condizionamento del segnale per realizzare elettrocardiogrammi e utile anche per altre applicazioni in cui è necessario misurare il biopotenziale. È progettato per estrarre, amplificare e filtrare piccoli segnali biopotenziali in presenza di condizioni rumorose, come quelle create dal movimento o dal posizionamento di elettrodi distanti dall’apparecchio stesso.

In questa scheda sono presenti i piedini RA (braccio destro), LA (braccio sinistro) e RL (gamba destra) per collegare gli elettrodi in questi punti del corpo. Inoltre, c’è una luce LED che pulserà al ritmo del battito cardiaco rilevato. Per usare questo monitor, sono necessari sensori biomedicali e un cavo schermato che vanno acquistati a parte sugli stessi siti web (come ad es. RobotItaly) in cui trovate l’AD8232.

Per testare l’amplificatore del monitor è necessario collegare i cavi nell’AD8232, collegarli alle sonde adesive e fissare le sonde adesive al torace. Se uno dei cavi viene rimosso, l’uscita del monitor diventa “piatta” e con poco rumore. Le sonde adesive non vanno collegate come indicato nella figura di Sparkfun ma in posizioni leggermente diverse. La posizione più corretta è mostrata qui sotto. In pratica, una delle tre sonde non va posizionata sulla gamba ma in fondo alla gabbia toracica (vedi qui).

Il posizionamento corretto sul corpo dei tre elettrodi in un “sistema a 3 elettrodi”.

Acquisizione dei dati con Arduino

Come scheda di acquisizione dati possiamo usare, in prima battuta, la Arduino Uno, una scheda entry-level dotata di 6 ingressi analogici e di un convertitore analogico-digitale (ADC) con una risoluzione di 10 bit. Ciò vuol dire che ha 2 elevato alla 10 (cioè 1024) divisioni della tensione di riferimento (5 V). Perciò, il minimo incremento di tensione apprezzabile è dato da 5 : 1024 = 0,0049 V, o circa 5 mV.

Tale incremento è senz’altro sufficiente per scopi didattici e per la maggior parte dei progetti, ma per progetti come questo conviene usare una scheda come, ad esempio, la Arduino Due o, meglio ancora, la Arduino Mega, che hanno entrambe una risoluzione di 12 bit e permettono di monitorare in modo più preciso i segnali in ingresso (fra l’altro, la Mega ha ben 16 ingressi analogici).

Il collegamento della scheda AD8232 alla scheda Arduino è molto semplice. Basta seguire le indicazioni fornite nella tabella qui sotto. Per quanto riguarda, invece, la connessione degli elettrodi, per l’elettrodo del braccio destro (RA) useremo un cavo di colore nero, per l’elettrodo del braccio sinistro (LA) useremo un cavo di colore blu e, infine, per l’elettrodo della gamba destra (RL) un cavo rosso.

I collegamenti tra la scheda AD8232 e la scheda Arduino Uno.

Possiamo usare il jack dell’elettrodo o anche i fori per i pin per collegare gli elettrodi alla scheda AD8232. Collegate poi gli elettrodi corrispondenti sulla pelle e quindi fornire l’alimentazione con le connessioni a 3,3 V e GND dalla scheda Arduino. Il pin SDN (spegnimento) non è collegato a nessuna parte. L’uscita dalla scheda AD8232 va collegata al pin A0 (ovvero Input Analogico 0) di Arduino. LO – ed LO + vanno invece collegati, rispettivamente, ai pin digitali D11 e D10 di Arduino.

Tracciamento dell’elettrocardiogramma

Per tracciare l’elettrocardiogramma, è necessario un algoritmo decente, ed online è possibile trovare molte informazioni su questi sketch per Arduino. Potresti provare a implementarli sul tuo microprocessore, oppure puoi inviare i dati via USB al tuo computer e analizzarli tramite un software da te sviluppato. Molte delle informazioni per creare il proprio elettrocardiogramma sono su Internet. Un esempio di sketch adatto per questo progetto lo potete trovare già pronto cliccando qui.

In pratica, interfacciando la scheda AD8232 a un computer con Arduino, possiamo poi ottenere il grafico dell’ECG dai dati attraverso la finestra “Processing” dell’Ambiente di Sviluppo Integrato (IDE), ovvero il programma che include al suo interno tutto ciò di cui abbiamo bisogno: l’editor, la finestra in cui scrivere o copiare il codice trovato online, il compiler che trasforma il codice in programma e il debugger.

In alternativa, se si usa la Arduino Mega, è possibile realizzare un elettrocardiografo portatile, grazie a un touch screen a colori da 3,5” ed ai pulsanti visualizzabili sul touch screen in modo da poter controllare con esso le funzioni del monitor fatto in casa. Il microprocessore, inoltre, potrebbe essere programmato per visualizzare graficamente l’elettrocardiogramma sul touch screen. Il progetto di quanto appena illustrato è abbastanza più complicato, ma se vi interessa lo trovate cliccando qui.

Il tracciato sull’elettrocardiografo portatile realizzato con Arduino. (fonte: C. Hartley)

Probabilmente, la parte più difficile di questo progetto è ottenere un contatto adeguato tra gli elettrodi e la pelle. Perciò, se non visualizzate il tracciato ECG atteso, potrebbe essere dovuto ad elettrodi mal collegati, magari perché già usati nel provarli. Mettete quindi tra la pelle e l’elettrodo un gel conduttivo (solitamente viscoso e salato), che agisce come un mezzo liquido conduttivo.

II gel conduttivo è estremamente utile quando si usano gli elettrodi per registrare l’attività elettrica sulla superficie della pelle. Lo strato esterno di pelle che vedi ogni giorno allo specchio è in realtà costituito da cellule morte della pelle. Queste cellule cutanee agiscono come una buona resistenza, il che significa che rendono difficile rilevare l’attività elettrica per i vostri elettrodi.

Quando fate funzionare per la prima volta il dispositivo potreste avere un po’ di rumore sull’ECG. Spesso è il risultato di sonde malriposte. Spostando le sonde sul torace noterete che le sonde sono buone per circa una sostituzione prima che l’attacco fallisca e si ottenga una connessione scadente (con conseguente più rumore e un segnale più debole). Inoltre, le sonde devono essere posizionate vicino ai punti mostrati in questa pagina, con la terza che va posta in fondo alla gabbia toracica,cioè alla fine delle costole.

Come interpretare un elettrocardiogramma

L’elettrocardiografia è il metodo per registrare l’attività elettrica del cuore per un periodo di tempo utilizzando gli elettrodi posizionati sulla pelle. L’onda elettrocardiografica ha due sezioni – l’intervallo PR e l’intervallo QT – che possiamo acquisire senza rumore usando il monitor AD8232 illustrato.

Animazione di una normale onda elettrocardiografica. (fonte: Wikipedia)

L’aspetto di un elettrocardiogramma (ECG) “normale” dipende da due cose principali (e probabilmente da alcune minori): l’elettrodo che stai guardando (ognuno dà una visione leggermente diversa degli eventi elettrici nel cuore, quindi l’output di ciascuno sembrerà un po’ diverso dagli altri e da quello idealizzato) e da come gli eventi elettrici stanno accadendo all’interno del cuore.

Detto questo, possiamo vedere qui sotto un normale tracciato ECG “idealizzato” (cioè non derivante da un solo elettrodo) per identificane le sue parti e come si riferiscono all’attività elettrica nel cuore. Il colore diverso nelle varie parti del tracciato si riferisce a differenti eventi. Gli eventi dell’elettrocardiogramma sono infatti correlati con gli eventi elettrici all’interno del cuore.

L’asse x su un ECG è il tempo, mentre l’asse y è la tensione. Un ECG standard viene registrato ad una velocità di 25 mm/sec, cioè in un solo secondo vengono “disegnati” ben 2,5 centimetri di tracciato. Sull’asse Y la scala di tensione è 1 mV = 10 mm. Di solito il tracciato è stampato su carta millimetrata, pertanto non è difficile misurare tempi e tensioni guardando il tracciato stesso.

Ora identifichiamo le onde. Il primo evento nell’attività elettrica del cuore è la depolarizzazione nodale SA, seguita dalla depolarizzazione atriale. Questi eventi appaiono come l’onda P azzurra nell’ECG. Il complesso QRS è l’onda successiva da identificare (anzi, il complesso stesso è il più facile da identificare, e spesso lo si guarda per orientarsi prima di cercare tutte le altre onde).

Guida all’identificazione delle varie onde presenti su un elettrocardiogramma.

Il complesso QRS è prodotto dalla depolarizzazione ventricolare. Un concetto importante da capire è che ogni complesso QRS non contiene necessariamente tutti e tre i componenti (cioè un’onda Q, un’onda R e un’onda S). Infatti, l’aspetto di alcuni di questi componenti in specifici elettrodi è patologico (per cui ad es. l’aspetto di un’onda Q può indicare un infarto miocardico precedente).

L’onda T, infine, è prodotta dalla ripolarizzazione dei ventricoli. La ripolarizzazione in genere procede all’indietro attraverso i ventricoli perché il primo miocito ventricolare da ripolarizzare (all’inizio dell’onda T in questione) è l’ultima cella da depolarizzare (alla fine del complesso QRS). Nella figura, l’onda T di ripolarizzazione è rappresentata in colore magenta.

Questa, naturalmente, è solo un’introduzione sintetica e divulgativa all’argomento. È importante notare che esiste una vasta gamma di variabilità normale negli ECG. Le caratteristiche “normali” dell’ECG appena accennate, pertanto, non sono assolute. Scoprire tutte le varianti normali nell’elettrocardiogramma richiede una notevole esperienza di lettura che solo un cardiologo ha.

Leave a Reply

Il tuo indirizzo email non sarà pubblicato. I campi obbligatori sono contrassegnati *