Eenvoudig ECG-circuit en LabVIEW hartslagprogramma: 6 stappen

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

Een elektrocardiogram, of verder ECG genoemd, is een uiterst krachtig diagnostisch en monitoringsysteem dat in alle medische praktijken wordt gebruikt. ECG's worden gebruikt om de elektrische activiteit van het hart grafisch te observeren om te controleren op afwijkingen in de hartslag of elektrische signalen.

Aan de hand van een ECG-meting kan de hartslag van de patiënt worden bepaald door de tijdsruimte tussen QRS-complexen. Bovendien kunnen andere medische aandoeningen worden gedetecteerd, zoals een dreigende hartaanval door een ST-segmentverhoging. Dergelijke metingen kunnen van cruciaal belang zijn voor de juiste diagnose en behandeling van een patiënt. De P-golf toont de samentrekking van het atrium van het hart, de QRS-curve is de ventriculaire samentrekking en de T-golf is de repolarisatie van het hart. Het kennen van zelfs eenvoudige informatie zoals deze kan patiënten snel diagnosticeren voor een abnormale hartfunctie.

Een standaard ECG dat in de medische praktijk wordt gebruikt, heeft zeven elektroden die in een licht halfcirkelvormig patroon rond het onderste deel van het hart zijn geplaatst. Deze plaatsing van elektroden zorgt voor minimale ruis bij het opnemen en zorgt ook voor meer consistente metingen. Voor ons doel van het gemaakte ECG-circuit zullen we slechts drie elektroden gebruiken. De positieve ingangselektrode wordt op de rechter binnenpols geplaatst, de negatieve ingangselektrode wordt op de linker binnenpols geplaatst en de aardelektrode wordt verbonden met de enkel. Hierdoor kunnen metingen met relatieve nauwkeurigheid over het hart worden gedaan. Met deze plaatsing van elektroden die zijn aangesloten op een instrumentatieversterker, een laagdoorlaatfilter en een inkepingsfilter, moeten ECG-golfvormen gemakkelijk te onderscheiden zijn als een uitgangssignaal van het gecreëerde circuit.

OPMERKING: 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

Stap 1: Instrumentatieversterker bouwen

Om een meertraps instrumentatie te construeren met een versterking van 1000 of 60 dB, moet de volgende vergelijking worden toegepast.

Gain=(1+2*R1/Rgain)

R1 is gelijk aan alle weerstanden die in de instrumentatieversterker worden gebruikt, afgezien van de versterkingsweerstand die er in zekere zin voor zorgt dat alle versterking in de eerste trap van de versterker wordt betrokken. Dit werd gekozen om 50,3 kΩ te zijn. Om de versterkingsweerstand te berekenen, wordt deze waarde in de bovenstaande vergelijking gestoken.

1000=(1+2*50300/Rgain)

Rgain = 100,7

Nadat deze waarde is berekend, kan de instrumentatieversterker worden geconstrueerd als het volgende circuit dat in deze stap wordt getoond. De OP/AMP's moeten worden gevoed met positieve en negatieve 15 volt, zoals weergegeven in het schakelschema. De bypass-condensatoren voor elke OP/AMP moeten in de buurt van de OP/AMP in serie met de voeding worden geplaatst om elk AC-signaal dat van de voedingsbron naar de aarde komt te dempen om te voorkomen dat de OP/AMP's aanbranden en eventuele extra ruis die kan bijdragen naar het signaal. Om de werkelijke versterking van de circuits te testen, moet het positieve elektrodeknooppunt ook een ingangssinusgolf krijgen en moet het negatieve elektrodeknooppunt met aarde worden verbonden. Hierdoor kan de versterking van het circuit nauwkeurig worden gezien met een ingangssignaal van minder dan 15 mV van piek tot piek.

Stap 2: bouw het laagdoorlaatfilter van de 2e orde

Een laagdoorlaatfilter van de tweede orde werd gebruikt om ruis te verwijderen boven de frequentie van belang voor het ECG-signaal, dat 150 Hz was.

De K-waarde die wordt gebruikt in berekeningen voor het laagdoorlaatfilter van de 2e orde is de versterking. Omdat we geen gain in ons filter willen, hebben we een gain-waarde van 1 gekozen, wat betekent dat de ingangsspanning gelijk zal zijn aan de uitgangsspanning.

K=1

Voor een Butterworth-filter van de tweede orde dat voor dit circuit zal worden gebruikt, worden de a- en b-coëfficiënten hieronder gedefinieerd. a=1.414214 b=1

Ten eerste wordt de tweede condensatorwaarde gekozen als een relatief grote condensator die gemakkelijk beschikbaar is in het laboratorium en de echte wereld.

C2=0,1 F

Om de eerste condensator te berekenen, worden de volgende relaties tussen deze en de tweede condensator gebruikt. De K-, a- en b-coëfficiënten werden in de vergelijking gestopt om te berekenen wat deze waarde zou moeten zijn.

C1<=C2*[a^2+4b(K-1)]/4b

C1<=(0.1*10^-6[1.414214^2+4*1(1-1)]/4*1

C1<=50 nF

Omdat wordt berekend dat de eerste condensator kleiner of gelijk is aan 50 nF, is de volgende condensatorwaarde gekozen.

C1=33 nF

Om de eerste weerstand te berekenen die nodig is voor dit laagdoorlaatfilter van de tweede orde met een afsnijfrequentie van 150 Hz, werd de volgende vergelijking opgelost met behulp van zowel berekende condensatorwaarden als de coëfficiënten K, a en b. R1=2/[(afsnijfrequentie)*[aC2*sqrt([(a^2+4b(K-1))C2^2-4bC1C2])]

R1=9478 Ohm

Om de tweede weerstand te berekenen, werd de volgende vergelijking gebruikt. De afsnijfrequentie is opnieuw 150 Hz en de b-coëfficiënt is 1.

R2=1/[bC1C2R1(afsnijfrequentie)^2]

R2=35,99 kOhm Na het berekenen van de bovenstaande waarden voor de weerstanden en condensatoren die nodig zijn voor een tweede-orde notch-filter, is het volgende circuit gemaakt om het actieve laagdoorlaatfilter te tonen dat zal worden gebruikt. De OP/AMP wordt gevoed met positieve en negatieve 15 volt, zoals weergegeven in het diagram. Bypass-condensatoren zijn aangesloten op de stroombronnen, zodat elk AC-signaal dat uit de bron komt, wordt omgeleid naar aarde om ervoor te zorgen dat de OP/AMP niet door dit signaal wordt gefrituurd. Om deze fase van het ECG-circuit te testen, moet het ingangssignaalknooppunt worden aangesloten op een sinusgolf en moet een AC-sweep van 1 Hz tot 200 Hz worden uitgevoerd om te zien hoe het filter werkt.

Stap 3: Construeer het Notch-filter

Het notch-filter is een uiterst belangrijk onderdeel van veel circuits voor het meten van laagfrequente signalen. Bij lage frequenties is AC-ruis van 60 Hz extreem gebruikelijk, omdat het de frequentie is van de AC-stroom die door gebouwen in de Verenigde Staten loopt. Die 60 Hz-ruis is onhandig omdat hij zich in het midden van de doorlaatband voor het ECG bevindt, maar een notch-filter kan specifieke frequenties verwijderen terwijl de rest van het signaal behouden blijft. Bij het ontwerpen van dit notch-filter is het erg belangrijk om een hoge kwaliteitsfactor, Q, te hebben om ervoor te zorgen dat de afrol van de cut-off scherp rond het interessante punt is. Hieronder worden de berekeningen beschreven die zijn gebruikt om een actief inkepingsfilter te construeren dat in het ECG-circuit zal worden gebruikt.

Eerst moet de frequentie van belang, 60 Hz, worden omgezet van Hz naar rad/s.

frequentie=2*pi*frequentie

frequentie=376,99 rad/seconde

Vervolgens moet de bandbreedte van de afgesneden frequenties worden berekend. Deze waarden worden bepaald op een manier die ervoor zorgt dat de belangrijkste frequentie van belang, 60 Hz, volledig wordt afgesneden en dat slechts enkele omringende frequenties in geringe mate worden beïnvloed.

Bandbreedte=Cutoff2-Cutoff1

Bandbreedte=37,699 Vervolgens moet de kwaliteitsfactor worden bepaald. De kwaliteitsfactor bepaalt hoe scherp de inkeping is en hoe smal de afsnijding begint. Dit wordt berekend aan de hand van de bandbreedte en de frequentie van interesse. Q=frequentie/bandbreedte

Q = 10

Voor dit filter is een direct beschikbare condensatorwaarde gekozen. De condensator hoeft niet groot te zijn en mag ook zeker niet te klein zijn.

C=100 nF

Om de eerste weerstand te berekenen die in dit actieve inkepingsfilter wordt gebruikt, werd de volgende relatie gebruikt met betrekking tot de kwaliteitsfactor, de frequentie van interesse en de gekozen condensator.

R1=1/[2QC*frequentie]

R1=1326,29 Ohm

De tweede weerstand die in dit filter wordt gebruikt, wordt berekend met behulp van de volgende relatie.

R2=2Q/[frequentie*C]

R2=530516 Ohm

De eindweerstand voor dit filter wordt berekend met behulp van de vorige twee weerstandswaarden. Verwacht wordt dat deze erg lijkt op de eerste berekende weerstand.

R3=R1*R2/[R1+R2]

R3=1323 Ohm

Nadat alle componentwaarden zijn berekend met behulp van de hierboven beschreven vergelijkingen, moet het volgende inkepingsfilter worden geconstrueerd om de 60 Hz AC-ruis die het ECG-signaal zal verstoren, nauwkeurig uit te filteren. De OP/AMP moet worden gevoed met positieve en negatieve 15 volt, zoals weergegeven in het onderstaande circuit. Bypass-condensatoren zijn aangesloten vanaf de stroombronnen op de OP/AMP, zodat elk AC-signaal dat van de stroombron komt, wordt omgeleid naar aarde om ervoor te zorgen dat de OP/AMP niet verbrandt. Om dit deel van het circuit te testen, moet het ingangssignaal moet worden aangesloten op een sinusgolf en een AC-sweep moet worden uitgevoerd van 40 Hz tot 80 Hz om de filtering van het 60 Hz-signaal te zien.

Stap 4: Maak een LabVIEW-programma om de hartslag te berekenen

LabVIEW is een handig hulpmiddel voor het uitvoeren van instrumenten en het verzamelen van gegevens. Om ECG-gegevens te verzamelen, wordt een DAQ-bord gebruikt dat ingangsspanningen leest met een bemonsteringsfrequentie van 1 kHz. Deze ingangsspanningen worden vervolgens uitgevoerd naar een plot die wordt gebruikt om de ECG-opname weer te geven. De gegevens die worden verzameld, gaan vervolgens door een max-zoeker die de maximale gelezen waarden uitvoert. Met deze waarden kan een piekdrempel worden berekend op 98% van de maximale output. Daarna wordt een piekdetector gebruikt om te bepalen wanneer de gegevens groter zijn dan die drempel. Deze gegevens kunnen samen met de tijd tussen pieken worden gebruikt om de hartslag te bepalen. Deze eenvoudige berekening bepaalt nauwkeurig de hartslag van de ingangsspanningen die door het DAQ-bord worden gelezen.

Stap 5: Testen

Na het bouwen van uw circuits bent u klaar om ze aan het werk te zetten! Eerst moet elke trap worden getest met een AC-sweep van frequenties van 0,05 Hz tot 200 Hz. De ingangsspanning mag niet hoger zijn dan 15 mV van piek tot piek, zodat het signaal niet wordt overspoeld door de OP/AMP-beperkingen. Sluit vervolgens alle circuits aan en voer opnieuw een volledige AC-sweep uit om te controleren of alles naar behoren functioneert. Nadat u tevreden bent met de output van uw complete circuit, is het tijd om uzelf erop aan te sluiten. Plaats de positieve elektrode op uw rechterpols en de negatieve elektrode op uw linkerpols. Plaats de aardelektrode op uw enkel. Sluit de uitgang van het complete circuit aan op uw DAQ-bord en voer het LabVIEW-programma uit. Uw ECG-signaal zou nu zichtbaar moeten zijn op de golfvormgrafiek op de computer. Als het niet of vervormd is, probeer dan de versterking van het circuit te verlagen tot ongeveer 10 door de versterkingsweerstand dienovereenkomstig te wijzigen. Hierdoor zou het signaal door het LabVIEW-programma moeten kunnen worden gelezen.