Eenvoudig geautomatiseerd ECG (1 versterker, 2 filters): 7 stappen

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:16

Een elektrocardiogram (ECG) meet en toont de elektrische activiteit van het hart met behulp van verschillende elektroden die op de huid zijn geplaatst. Een ECG kan worden gemaakt met behulp van een instrumentatieversterker, een inkepingsfilter en een laagdoorlaatfilter. Ten slotte kan het gefilterde en versterkte signaal worden gevisualiseerd met behulp van LabView-software. LabView gebruikt ook de inkomende frequentie van het signaal om de hartslag van de mens te berekenen. De ingebouwde instrumentatieversterker slaagde erin het kleine signaal van het lichaam op te nemen en te versterken tot 1 V, zodat het met LabView op de computer kon worden bekeken. De notch- en laagdoorlaatfilters waren succesvol in het verminderen van 60 Hz-ruis van voedingen en storende signalen boven 350 Hz. De hartslag in rust werd gemeten als 75 slagen per minuut en 137 slagen per minuut na vijf minuten intensieve inspanning. Het gebouwde ECG was in staat om hartslagen met realistische waarden te meten en de verschillende componenten van een typische ECG-golfvorm te visualiseren. In de toekomst kan dit ECG worden verbeterd door de passieve waarden in het notch-filter te wijzigen om meer ruis rond 60 Hz te verminderen.

Stap 1: Maak de instrumentatieversterker

Je hebt nodig: LTSpice (of een andere software voor circuitvisualisatie)

De instrumentatieversterker is gemaakt om de grootte van het signaal te vergroten, zodat het zichtbaar is en analyse van de golfvorm mogelijk is.

Door R1 = 3.3k ohm, R2 = 33k ohm, R3 = 1k ohm, R4 = 48 ohm te gebruiken wordt een winst van X bereikt. Versterking = - R4/R3 (1+R2/R1) = -47k/1k(1-(33k/3,3k)) = -1008

Omdat in de laatste opamp het signaal in de inverterende pin gaat, is de versterking 1008. Dit ontwerp is gemaakt in LTSpice en vervolgens gesimuleerd met een AC-sweep van 1 tot 1 kHz met 100 punten per decennium voor een sinusgolfingang met een AC-amplitude van 1V.

We hebben gecontroleerd of onze winst vergelijkbaar was met de beoogde winst. Uit de grafiek vonden we Gain = 10^(60/20) = 1000, wat voldoende dicht bij onze beoogde winst van 1008 ligt.

Stap 2: Maak het Notch-filter

Je hebt nodig: LTSpice (of een andere circuitvisualisatiesoftware)

Een notch-filter is een specifiek type laagdoorlaatfilter gevolgd door een hoogdoorlaatfilter om een specifieke frequentie te elimineren. Een notch-filter wordt gebruikt om de ruis te elimineren die wordt geproduceerd door alle elektronische apparaten die aanwezig zijn bij 60 Hz.

De passieve waarden werden berekend: C =.1 uF (waarde werd gekozen) 2C =.2 uF (gebruikte.22 uF condensator)

Er wordt een AQ-factor van 8 gebruikt: R1 = 1/(2*Q*2*pi*f*C) = 1/(2*8*2*3.14159*60*.1E-6) = 1,66 kOhm (1,8 kOhm werd gebruikt) R2 = 2Q/(2*pi*f*C) = (2*8)/(60 Hz*2*3.14159*.1E-6 F) = 424 kOhm (390 kOhm + 33 kOhm = 423 kOhm was gebruikt) Spanningsverdeling: Rf = R1*R2/(R1 + R2) = 1,8 kOhm * 423 kOhm / (1,8 kOhm + 423 kOhm) = 1,79 kOhm (1,8 kOhm werd gebruikt)

Dit filterontwerp heeft een versterking van 1, wat betekent dat er geen versterkende eigenschappen zijn.

Het aansluiten van de passieve waarden en het simuleren op LTSpice met een AC Sweep en een ingangssignaal van 0,1 V sinusgolf met een AC-frequentie van 1 kHz resulteert in de bijgevoegde bode-plot.

Bij een frequentie van ongeveer 60 Hz bereikt het signaal zijn laagste spanning. Het filter is succesvol in het verwijderen van 60 Hz-ruis tot een onmerkbare spanning van 0,01 V en levert een versterking van 1, aangezien de ingangsspanning 0,1 V is.

Stap 3: Maak het laagdoorlaatfilter

Je hebt nodig: LTSpice (of een andere circuitvisualisatiesoftware)

Er is een laagdoorlaatfilter gemaakt om de signalen boven de interessedrempel die het ECG-signaal zouden bevatten, te verwijderen. De interessedrempel lag tussen 0 – 350 Hz.

De condensatorwaarde werd gekozen op 0,1 uF. De benodigde weerstand wordt berekend voor een hoge afsnijfrequentie van 335 Hz: C = 0,1 uF R = 1/(2pi*0,1*(10^-6)*335 Hz) = 4,75 kOhm (4,7 kOhm werd gebruikt)

Het aansluiten van de passieve waarden en het simuleren op LTSpice met een AC Sweep en een ingangssignaal van 0,1 V sinusgolf met een AC-frequentie van 1 kHz resulteert in de bijgevoegde bode-plot.

Stap 4: Maak het circuit op een breadboard

U hebt nodig: weerstanden van verschillende waarden, condensatoren van verschillende waarden, UA 471 operationele versterkers, startkabels, een breadboard, verbindingskabels, een voeding of 9 V-batterij

Nu je je circuit hebt gesimuleerd, is het tijd om het op een breadboard te bouwen. Als je de exacte waarden niet hebt, gebruik dan wat je hebt of combineer weerstanden en condensatoren om de waarden te maken die je nodig hebt. Denk eraan om uw breadboard van stroom te voorzien met een 9 Volt batterij of DC-voeding. Elke opamp heeft een positieve en negatieve spanningsbron nodig.

Stap 5: LabView-omgeving instellen

U hebt nodig: LabView-software, een computer

Om de weergave van de golfvorm en de berekening van de hartslag te automatiseren, werd LabView gebruikt. LabView is een programma dat wordt gebruikt om gegevens te visualiseren en te analyseren. De uitvoer van het ECG-circuit is de invoer voor LabView. De gegevens worden ingevoerd, grafisch weergegeven en geanalyseerd op basis van het hieronder ontworpen blokschema.

Eerst neemt de DAQ Assistant het analoge signaal van het circuit op. De bemonsteringsinstructies worden hier ingesteld. De bemonsteringssnelheid was 1k monsters per seconde en het interval was 3k ms, daarom is het tijdsinterval dat in de golfvormgrafiek wordt gezien 3 seconden. De golfvormgrafiek ontving gegevens van de DAQ-assistent en plot deze vervolgens in het voorpaneelvenster. Het onderste deel van het blokdiagram bevat de hartslagberekening. Eerst worden het maximum en het minimum van de golf gemeten. Vervolgens worden deze amplitudemetingen gebruikt om te bepalen of er pieken optreden die worden gedefinieerd als 95% van de maximale amplitude, en zo ja, wordt het tijdstip geregistreerd. Zodra de pieken zijn gedetecteerd, worden de amplitude en het tijdstip opgeslagen in arrays. Vervolgens wordt het aantal pieken/seconden omgezet in minuten en weergegeven op het voorpaneel. Het voorpaneel toont de golfvorm en beats per minuut.

Het circuit was verbonden met LabVIEW via een National Instruments ADC, zoals weergegeven in de bovenstaande afbeelding. De functiegenerator die het gesimuleerde ECG-signaal produceerde, werd ingevoerd in de ADC die de gegevens naar LabView overbracht voor grafieken en analyse. Bovendien, toen de BPM eenmaal in LabVIEW was berekend, werd de numerieke indicator gebruikt om die waarde op het voorpaneel van de applicatie af te drukken naast de golfvormgrafiek, zoals te zien is in figuur 2.

Stap 6: Testcircuit met functiegenerator

Je hebt nodig: schakeling op breadboard, aansluitkabels, een voeding of 9 V batterij, National Instruments ADC, LabView Software, een computer

Om de LabView-instrumentatie te testen, werd een gesimuleerd ECG ingevoerd in het circuit en de output van het circuit werd verbonden met LabView via de National Instruments ADC. Eerst werd een signaal van 20mVpp bij 1Hz ingevoerd in het circuit om de hartslag in rust te simuleren. Het voorpaneel van LabView wordt weergegeven in de onderstaande afbeelding. De P-, T-, U-golf en QRS-complex zijn allemaal zichtbaar. De BMP wordt correct berekend en weergegeven in de numerieke indicator. Er is een winst van ongeveer 8 V/0,02 V = 400 door het circuit, wat vergelijkbaar is met wat we zagen toen het circuit aan de oscilloscoop werd bevestigd. Een foto van het resultaat in LabView is bijgevoegd. Om vervolgens bijvoorbeeld een verhoogde hartslag tijdens inspanning te simuleren, werd een signaal van 20mVpp bij 2Hz ingevoerd in het circuit. Er was een vergelijkbare winst voor de test bij rusthartslag. Hieronder ziet u dat de golfvorm dezelfde onderdelen heeft als voorheen, alleen in een sneller tempo. De hartslag wordt berekend en weergegeven in de numerieke indicator en we zien de verwachte 120 BPM.

Stap 7: Testcircuit met behulp van een menselijk onderwerp

Je hebt nodig: circuit op breadboard, verbindingskabels, een voeding of 9 V-batterij, National Instruments ADC, LabView-software, een computer, elektroden (minstens drie), een mens

Ten slotte testte het circuit met een menselijke patiënt ECG-leads die werden ingevoerd in het circuit en de uitvoer van het circuit dat naar LabView ging. Er werden drie elektroden op een proefpersoon geplaatst om een echt signaal te krijgen. Op beide polsen en de rechterenkel werden elektroden geplaatst. De rechterpols was de positieve input, de linkerpols was negatief en de enkel was geslepen. Opnieuw werden de gegevens ingevoerd in LabView voor verwerking. De elektrodeconfiguratie is als afbeelding bijgevoegd.

Eerst werd het rust-ECG-signaal van de proefpersoon weergegeven en geanalyseerd. In rust had de proefpersoon een hartslag van ongeveer 75 slagen per minuut. Het onderwerp nam vervolgens gedurende 5 minuten deel aan intense fysieke activiteit. Het onderwerp werd opnieuw aangesloten en het verhoogde signaal werd opgenomen. De hartslag was ongeveer 137 slagen per minuut na activiteit. Dit signaal was kleiner en had meer ruis. Op beide polsen en de rechterenkel werden elektroden geplaatst. De rechterpols was de positieve input, de linkerpols was negatief en de enkel was geslepen. Opnieuw werden de gegevens ingevoerd in LabView voor verwerking.

Een gemiddeld persoon heeft een ECG-signaal van ongeveer 1mV. Onze verwachte versterking was ongeveer 1000, daarom zouden we een uitgangsspanning van 1V verwachten. Uit de opname in rust te zien in afbeelding XX, is de amplitude van het QRS-complex ruwweg (-0,7)- (-1,6) = 0,9 V. Dit levert een fout van 10% op. (1-0.9)/1*100 = 10% De rusthartslag van een standaard mens is 60, de gemeten waarde was ongeveer 75, dit geeft |60-75|*100/60 = 25% fout. De verhoogde hartslag van een standaard mens is 120, de gemeten hartslag was ongeveer 137, dit levert |120-137|*100/120 = 15% fout op.

Proficiat! U heeft nu uw eigen geautomatiseerde ECG gemaakt.