ECG-verzamelingscircuit: 5 stappen

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:19

KENNISGEVING: Dit is geen medisch hulpmiddel. Dit is alleen voor educatieve doeleinden met behulp van gesimuleerde signalen. Als u dit circuit gebruikt voor echte ECG-metingen, zorg er dan voor dat het circuit en de circuit-naar-instrumentverbindingen de juiste isolatietechnieken gebruiken

Misschien wel de meest wijdverbreide fysiologische meting in de hedendaagse gezondheidszorg is het elektrocardiogram (ECG/EKG). Het is moeilijk om door een ziekenhuis of eerste hulpafdeling te lopen zonder de traditionele "piep" van een hartslagmeter te horen of de ECG-golfvorm over het scherm in de kamer van een patiënt te zien rollen. Maar wat is deze meting die zo geassocieerd is geworden met de moderne gezondheidszorg?

Het elektrocardiogram wordt vaak aangezien voor het registreren van de fysieke activiteit van het hart, maar zoals de naam al doet vermoeden, is het eigenlijk een registratie van de elektrische activiteit, de depolarisatie en repolarisatie, van de spieren van het hart. Door de geregistreerde golfvorm te analyseren, kunnen artsen inzicht krijgen in het gedrag van het elektrische systeem van het hart. Enkele veel voorkomende diagnoses op basis van ECG-gegevens zijn: myocardinfarct, longembolie, aritmieën en AV-blokkades.

De volgende Instructable schetst het proces en de principes die worden gebruikt om een basis elektrisch circuit te construeren dat in staat is om een ECG te verzamelen met behulp van eenvoudige oppervlakte-elektroden zoals in ziekenhuizen wordt gedaan.

Stap 1: Ontwerp een instrumentatieversterker

Het eerste schakelelement dat nodig is om het ECG-signaal op te nemen, is een instrumentatieversterker. Deze versterker heeft twee effecten.

1. Het creëert een elektronische buffer tussen de opname-elektroden en de rest van het circuit. Dit reduceert het benodigde stroomverbruik van de elektroden tot praktisch nul. Signaalverzameling mogelijk maken met zeer weinig vervorming veroorzaakt door ingangsimpedantie.

2. Het versterkt het opgenomen signaal differentieel. Dat betekent dat elk signaal dat in beide opname-elektroden gemeenschappelijk is, niet wordt versterkt, terwijl de verschillen (de belangrijke delen) dat wel zijn.

Oppervlakte-elektrode-opnames voor een ECG liggen doorgaans in het milliVolt-bereik. Om dit signaal in een bereik te krijgen, kunnen we daarom werken met een versterking (K) van 1000 V/V.

De geldende vergelijkingen voor de hierboven geïllustreerde versterker zijn:

K1 = 1 + 2*R2 / R1, dit is de fase 1 versterking

K2 = - R4/R3, dit is de fase 2 versterking

Merk op dat idealiter K1 en K2 ongeveer gelijk moeten zijn en om de gewenste versterking te bereiken K1 * K2 = 1000

De uiteindelijke waarden die in ons circuit werden gebruikt, waren ….

R1 = 6,5 kOhm

R2 = 100 kOhm

R3 = 3,17 kOhm

R4 = 100 kOhm

Stap 2: Een inkepingsfilter ontwerpen

In de moderne wereld is het waarschijnlijk dat het verzamelen van het ECG in de buurt van een aantal andere elektronische apparaten zal worden gedaan, of zelfs alleen in een gebouw dat wordt voorzien van elektriciteit uit lokale hoogspanningslijnen. Helaas betekent het hoge voltage en de oscillerende aard van de geleverde stroom dat het een grote hoeveelheid elektrische "ruis" zal produceren in praktisch elk geleidend materiaal dat zich in de buurt bevindt; dit omvat de draden en circuitelementen die zijn gebruikt om ons ECG-verzamelcircuit te bouwen.

Om dit tegen te gaan, kan elk signaal met een frequentie die gelijk is aan die van de ruis die wordt gegenereerd door de lokale stroomvoorziening (zogenaamde netbrom) eenvoudig worden uitgefilterd en in wezen verwijderd. In de Verenigde Staten levert het elektriciteitsnet 110-120V met een frequentie van 60 Hz. Daarom moeten we elke signaalcomponent met een frequentie van 60 Hz eruit filteren. Gelukkig is dit al vele malen eerder gedaan en vereist het alleen het ontwerp van een notch-filter (hierboven afgebeeld).

De vergelijkingen die voor dit filter gelden, zijn….

R1 = 1 / (2 * Q * w * C)

R2 = (2 * Q) / (w * C)

R3 = (R1 * R2) / (R1 + R2)

Q = w / B

waarbij wc2 de hoge afsnijfrequentie is, w2 de lage afsnijfrequentie, w de afsnijfrequentie in rad/sec, en Q een kwaliteitsfactor

Merk op dat C een waarde is die vrij kan worden gekozen. De volgende waarden die in ons circuit werden gebruikt, waren:

R1 = 1,65 kOhm

R2 =424,5 kOhm

Q = 8

w = 120 * pi rad/sec

Stap 3: Laagdoorlaatfilter

ECG-signalen hebben een frequentie van ongeveer 0 - 150 Hz. Om te voorkomen dat er meer ruis wordt gekoppeld aan het signaal van dingen met een hogere frequentie dan dit bereik, is een tweede orde laagdoorlaat ButterWorth-filter met een afsnijding van 150 Hz geïmplementeerd om alleen het ECG-signaal door het circuit te laten gaan. In plaats van onmiddellijk een direct beschikbare condensatorwaarde te kiezen, zoals de vorige componenten, werd de eerste condensatorwaarde, C2, gekozen op basis van de onderstaande formule. Van die waarde konden alle andere componentwaarden worden berekend en vervolgens aan het circuit worden toegevoegd, terwijl de versterking weer op 1V/V werd gehouden.

C2 ≈ 10/fc uf, waarbij fc de afsnijfrequentie is (in dit geval 150 Hz).

Vervolgens kunnen de resterende waarden worden berekend zoals weergegeven in de tabel die is opgenomen als de tweede afbeelding in deze stap.

De definitieve waarden die vroeger in het bovenstaande schema werden geplaatst, zijn:

C2 = 66 nF

C1 = 33 nF

R1 = 22,47 kOhm

R2 = 22,56 kOhm

Stap 4: LabVIEW-voorbereiding

Het enige materiaal dat nodig is voor dit gedeelte van de ECG-verzameling is een Windows-computer die is uitgerust met een 64-bits kopie van LabVIEW en een National Instruments Signal Conditioning Board () met een enkele invoermodule. Het functionele blokschema binnen LabVIEW moet dan op de volgende manier worden opgebouwd. Begin met het openen van een leeg Functioneel Blokdiagram.

Voeg een DAQ Assistant-blok in en pas de instellingen als volgt aan:

Meting: Analoog→ Spanning

Modus: RSE

Bemonstering: continue bemonstering

Verzamelde monsters: 2500

Bemonsteringssnelheid: 1000 / sec

Voer de verzamelde golfvorm uit naar een golfvormgrafiek. Bereken bovendien de maximale waarde van de huidige golfvormgegevens. Vermenigvuldig de maximale waarde van de golf met een waarde zoals 0,8 om een drempel voor piekdetectie te creëren. Deze waarde kan worden aangepast op basis van het ruisniveau in het signaal. Voer het product van de vorige stap in als de drempel en de onbewerkte spanningsreeks als de gegevens voor de functie "Piekdetectie". Neem vervolgens de uitvoer "Locatie" van de piekdetectiearray en trek de eerste en tweede waarden af. Dit vertegenwoordigt het verschil in indexwaarden van de twee pieken in de initiële array. Dit kan dan omgerekend worden naar een tijdsverschil door de waarde te delen door de sample rate, dit is bijvoorbeeld 1000 /sec. Neem ten slotte het omgekeerde van deze waarde (wat Hz geeft) en vermenigvuldig dit met 60 om de hartslag in slagen per minuut BPM te verkrijgen. Het uiteindelijke blokschema hiervoor moet lijken op de koptekst voor deze stap.

Stap 5: Volledige systeemintegratie

Nu alle componenten afzonderlijk zijn gebouwd, is het tijd om het winkelcentrum in elkaar te zetten. Dit kan worden gedaan door eenvoudig de uitgang van een sectie te verbinden met de ingang van het volgende segment. De podia moeten worden bedraad in dezelfde volgorde als waarin ze in deze Instructable voorkomen. Voor de laatste fase, het ButterWorth-filter, moet de ingang worden aangesloten op een van de twee kabels op de ingangsmodule van de signaalconditioneringskaart. De andere kabel van deze module moet worden aangesloten op de gemeenschappelijke aarde van het circuit.

Voor de instrumentatieversterker moeten de twee leads elk worden aangesloten op een ECG/EKG-elektrode. Dit is eenvoudig te doen met behulp van twee krokodillenklemmen. Plaats vervolgens een elektrode op elke pols. Zorg ervoor dat alle segmenten van het circuit zijn aangesloten en dat de LabVIEW VI draait en dat het systeem een golfvormgrafiek moet weergeven in het LabVIEW-venster.

De uitvoer moet er ongeveer uitzien als de tweede afbeelding die in deze stap wordt gegeven. Als het niet vergelijkbaar is, moeten de waarden van uw circuit mogelijk worden aangepast. Een veelvoorkomend probleem is dat het notch-filter niet direct op 60 Hz wordt gecentreerd en mogelijk iets te hoog/laag is. Dit kan worden getest door een bode-plot voor het filter te maken. Idealiter heeft het notch-filter een demping van ten minste 20 dB bij 60 Hz. Het kan ook handig zijn om te controleren of uw lokale stroomvoorziening op 60 Hz wordt geleverd. Het is niet ongebruikelijk dat sommige gebieden 50 Hz AC-voeding hebben, dit zou het nodig maken om het notch-filter rond deze waarde te centreren.