ECG-circuit: 7 stappen

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

Een ECG is een test die de elektrische activiteit van het hart meet door het ritme en de activiteit van het hart vast te leggen. Het werkt door signalen van het hart te nemen en te lezen met behulp van leads die zijn aangesloten op een elektrocardiograafmachine. Deze Instructable laat je zien hoe je een circuit bouwt dat het bio-elektrische signaal van het hart registreert, filtert en weergeeft. 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.

Deze schakeling bevat drie verschillende trappen die in serie aan elkaar zijn geschakeld met een LabView-programma. De weerstanden in de instrumentatieversterker zijn berekend met een versterking van 975 om ervoor te zorgen dat de kleine signalen van het hart toch de schakeling kunnen opvangen. Het notch-filter haalt de 60 Hz ruis uit het stopcontact in de muur. Het laagdoorlaatfilter zorgt ervoor dat hoogfrequente ruis uit het circuit wordt verwijderd voor een betere signaaldetectie.

Voordat u met deze Instructable begint, zou het handig zijn om vertrouwd te raken met de uA741 General Purpose Operational Amplifier. De verschillende pinnen in de op-amp hebben verschillende doelen en het circuit zal niet werken als ze verkeerd zijn aangesloten. Het verkeerd aansluiten van de pinnen op het breadboard is ook een gemakkelijke manier om de op-amp te braden en niet-functioneel te maken. De onderstaande link bevat het schema dat wordt gebruikt voor de op-amps in deze instructable.

Afbeeldingsbron:

Stap 1: Verzamel materialen

Benodigde materialen voor alle 3 filterfasen:

• Oscilloscoop
• Functiegenerator
• Voeding (+15V, -15V)
• Soldeerloze breadboard
• Diverse bananenkabels en krokodillenklemmen
• ECG-elektrodestickers
• Diverse jumperdraden

Instrumentatie versterker:

• 3 Op-amps (uA741)

• Weerstanden:

  • 1 kΩ x 3
  • 12 kΩ x 2
  • 39 kΩ x 2

Inkepingsfilter:

• 1 Op-amp (uA741)

• Weerstanden:

  • 1,6 kΩ x 2
  • 417 kΩ

• condensatoren:

  • 100 nF x 2
  • 200 nF

Laagdoorlaatfilter:

• 1 op-amp (uA741)

• Weerstanden:

  • 23,8 kΩ
  • 43 kΩ

• condensatoren:

  • 22 nF
  • 47 nF

Stap 2: Instrumentatieversterker bouwen

Biologische signalen leveren vaak alleen spanningen tussen 0,2 en 2 mV [2]. Deze spanningen zijn te klein om op de oscilloscoop te analyseren, dus moesten we een versterker bouwen.

Nadat uw circuit is gebouwd, test u of het correct werkt door de spanning bij Vout te meten (weergegeven als knooppunt 2 in de afbeelding hierboven). We hebben de functiegenerator gebruikt om een sinusgolf met een ingangsamplitudespanning van 20 mV naar onze instrumentatieversterker te sturen. Alles wat te ver daarboven ligt, geeft niet de resultaten die u zoekt, omdat de opamps slechts een bepaald vermogen van -15 en +15 V kregen. Vergelijk de output van de functiegenerator met de output van uw instrumentatieversterker en zoek naar een versterking van bijna 1000 V. (Vout/Vin moet zeer dicht bij 1000 zijn).

Tip voor het oplossen van problemen: Zorg ervoor dat alle weerstanden zich in het kΩ-bereik bevinden.

[2]“High Performance Electrocardiogram (ECG) Signaalconditionering | Onderwijs | analoge apparaten.” [Online]. Beschikbaar: https://www.analog.com/en/education/education-library/articles/high-perf-electrocardiogram-signal-conditioning.html. [Betreden: 10-dec-2017].]

Stap 3: Bouw Notch-filter

Ons notch-filter is ontworpen om een frequentie bij 60 Hz uit te filteren. We willen de 60 Hz uit ons signaal filteren omdat dat de frequentie is van de wisselstroom in stopcontacten.

Meet bij het testen van het notch-filter de piek-tot-piekverhouding tussen de invoer- en uitvoergrafieken. Bij 60 Hz zou er een verhouding van -20 dB of beter moeten zijn. Dit komt omdat bij -20 dB de uitgangsspanning in wezen 0V is, wat betekent dat je het signaal bij 60 Hz met succes hebt uitgefilterd! Test ook frequenties rond 60 Hz om er zeker van te zijn dat er geen andere frequenties per ongeluk worden uitgefilterd.

Tip voor het oplossen van problemen: als u niet precies -20dB bij 60 Hz kunt krijgen, kiest u een weerstand en wijzigt u deze enigszins totdat u de gewenste resultaten krijgt. We moesten spelen met de waarde van R2 totdat we de gewenste resultaten kregen.

Stap 4: Bouw een laagdoorlaatfilter

Ons laagdoorlaatfilter is ontworpen met een afsnijfrequentie van 150 Hz. We hebben voor deze grens gekozen omdat het breedste diagnostische bereik voor een ECG 0,05 Hz - 150 Hz is, uitgaande van een bewegingsloze en ruisarme omgeving [3]. Het laagdoorlaatfilter is in staat om hoogfrequente ruis afkomstig van spieren of andere delen van het lichaam te verwijderen[4].

Om dit circuit te testen om er zeker van te zijn dat het correct werkt, meet u Vout (weergegeven als knooppunt 1 in het schakelschema). Bij 150 Hz moet de amplitude van het uitgangssignaal 0,7 maal de amplitude van het ingangssignaal zijn. We gebruikten een ingangssignaal van 1V om gemakkelijk te kunnen zien dat onze output 0,7 bij 150 Hz zou moeten zijn.

Tips voor het oplossen van problemen: zolang uw afsnijfrequentie binnen een paar Hz tot 150 Hz ligt, zou uw circuit nog steeds moeten werken. Onze cutoff werd uiteindelijk 153 Hz. Het bereik voor biologische signalen zal een beetje fluctueren in het lichaam, dus zolang je niet meer dan een paar Hz afwijkt, zou je circuit nog steeds moeten werken.

[3] “ECG-filters | MEDTEQ.” [Online]. Beschikbaar: https://www.medteq.info/med/ECGFilters. [Betreden: 10-dec-2017].

[4] K. L. Venkatachalam, J. E. Herbrandson en S. J. Asirvatham, "Signals and Signal Processing for the Electrophysiologist: Part I: Electrogram Acquisition", Circ. Aritmie Electrophysiol., vol. 4, nee. 6, blz. 965-973, december 2011.

Stap 5: LabView-programma maken

[5] "BME 305 Design Lab-project" (najaar 2017).

Dit labview-blokdiagram is ontworpen om het signaal dat door het programma gaat te analyseren, ECG-pieken te detecteren, het tijdsverschil tussen de pieken te verzamelen en de BPM wiskundig te berekenen. Het geeft ook een grafiek van de ECG-golfvorm weer.

Stap 6: Verbind alle drie de fasen

Sluit alle drie de circuits in serie aan door de uitgang van de instrumentatieversterker aan te sluiten op de ingang van het inkepingsfilter en de uitgang van het inkepingsfilter op de ingang van het laagdoorlaatfilter. Sluit de uitgang van het laagdoorlaatfilter aan op de DAQ-assistent en sluit de DAQ-assistent op de computer aan. Zorg er bij het verbinden van de circuits voor dat de stekkerdozen voor elk breadboard zijn aangesloten en dat de aardingsstrips allemaal op dezelfde aardklem zijn aangesloten.

In de instrumentatieversterker moet de tweede op-amp ongeaard zijn, zodat twee elektrodedraden die zijn aangesloten op de proefpersoon elk kunnen worden aangesloten op een andere opamp in de eerste fase van dat filter.

Stap 7: Ontvang signalen van een menselijke proefpersoon

Op elke pols moet één elektrodesticker worden geplaatst en één op de enkel voor de grond. Gebruik krokodillenklemmen om de twee polselektroden aan te sluiten op de ingangen van de instrumentatieversterker en de enkel op aarde. Als u klaar bent, klikt u op "uitvoeren" in het LabView-programma en ziet u uw hartslag en ECG op het scherm!