Eenvoudig ECG-opnamecircuit en LabVIEW hartslagmeter: 5 stappen

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

Dit is geen medisch apparaat. Dit is alleen voor educatieve doeleinden waarbij gebruik wordt gemaakt van gesimuleerde signalen. Als u dit circuit gebruikt voor echte ECG-metingen, zorg er dan voor dat het circuit en de circuit-naar-instrument-verbindingen de juiste isolatietechnieken gebruiken

Een van de meest fundamentele aspecten van de moderne gezondheidszorg is de mogelijkheid om een hartgolf vast te leggen met behulp van een ECG of een elektrocardiogram. Deze techniek maakt gebruik van oppervlakte-elektroden om de verschillende elektrische patronen te meten die door het hart worden uitgezonden, zodat de output kan worden gebruikt als een diagnostisch hulpmiddel om hart- en longaandoeningen te diagnosticeren, zoals verschillende vormen van tachycardie, vertakkingsblok en hypertrofie. Om deze aandoeningen te diagnosticeren, wordt de uitgangsgolfvorm vergeleken met een normaal ECG-signaal.

Om een systeem te creëren dat de ECG-golfvorm kan verkrijgen, moet het signaal eerst worden versterkt en vervolgens op de juiste manier worden gefilterd om ruis te verwijderen. Om dit te doen, kan een drietraps circuit worden gebouwd met behulp van OP-versterkers.

Deze Instructable biedt de informatie die nodig is om een eenvoudig circuit te ontwerpen en vervolgens te bouwen dat in staat is om een ECG-signaal op te nemen met behulp van oppervlakte-elektroden en dat signaal vervolgens te filteren voor verdere verwerking en analyse. Bovendien zal deze Instructable één techniek schetsen die wordt gebruikt om dat signaal te analyseren om een grafische weergave van de circuituitgang te creëren, evenals een methode voor het berekenen van de hartslag van de ECG-golfvormcircuituitgang.

Opmerking: zorg ervoor dat u bij het ontwerpen van elke fase AC-sweeps uitvoert, zowel experimenteel als via simulaties om het gewenste circuitgedrag te garanderen.

Stap 1: Ontwerp en bouw de instrumentatieversterker

De eerste trap in dit ECG-circuit is een instrumentatieversterker, die uit drie OP-versterkers bestaat. De eerste twee OP-versterkers zijn gebufferde ingangen, die vervolgens worden ingevoerd in een derde OP-versterker die als differentiële versterker fungeert. De signalen van het lichaam moeten worden gebufferd, anders zal de output afnemen omdat het lichaam niet veel stroom kan leveren. De differentiële versterker neemt het verschil tussen de twee ingangsbronnen om een meetbaar potentiaalverschil te bieden, terwijl tegelijkertijd de gewone ruis wordt geëlimineerd. Deze trap heeft ook een versterking van 1000, waardoor de typische mV wordt versterkt tot een beter leesbare spanning.

De circuitversterking van 1000 voor de instrumentatieversterker wordt berekend door de getoonde vergelijkingen. De versterking van fase 1 van de instrumentatieversterker wordt berekend door (2) en de versterking van fase 2 van de instrumentatieversterker wordt berekend door (3). K1 en K2 zijn zo berekend dat ze niet meer dan 15 van elkaar verschillen.

Voor een versterking van 1000 kan K1 worden ingesteld op 40 en K2 kan worden ingesteld op 25. De weerstandswaarden kunnen allemaal worden berekend, maar deze specifieke instrumentatieversterker gebruikte de onderstaande weerstandswaarden:

R1 = 40 kΩ

R2 = 780 kΩ

R3 = 4 kΩ

R4 = 100 kΩ

Stap 2: Ontwerp en bouw het inkepingsfilter

De volgende stap is een notch-filter om het 60 Hz-signaal dat uit het stopcontact komt te verwijderen.

In het notch-filter wordt de weerstandswaarde van R1 berekend met (4), de waarde van R2 met (5) en de waarde van R3 met (6). De kwaliteitsfactor van het circuit, Q, is ingesteld op 8 omdat dat een redelijke foutmarge geeft terwijl het realistisch nauwkeurig is. De Q-waarde kan worden berekend met (7). De laatste geldende vergelijking van het notch-filter wordt gebruikt voor het berekenen van de bandbreedte, en wordt beschreven door (8). Naast de kwaliteitsfactor 8 had het notch-filter nog andere ontwerpspecificaties. Dit filter is ontworpen om een versterking van 1 te hebben, zodat het het signaal niet zou veranderen, terwijl het het 60 Hz-signaal verwijdert.

Volgens die vergelijkingen, R1 = 11.0524 kΩ, R2 = 2.829 MΩ, R3 = 11.009 kΩ en C1 = 15 nF

Stap 3: Ontwerp en bouw het 2nd Order Butterworth laagdoorlaatfilter

De laatste fase is een laagdoorlaatfilter om alle signalen te verwijderen die kunnen optreden boven de hoogste frequentiecomponent van een ECG-golf, zoals wifi-ruis en andere omgevingssignalen die kunnen afleiden van het betreffende signaal. Het -3dB-punt voor deze fase moet rond of in de buurt van 150 Hz liggen, aangezien het standaardbereik van signalen in een ECG-golfbereik van 0,05 Hz tot 150 Hz ligt.

Bij het ontwerpen van het laagdoorlaatfilter Butterworth-filter van de tweede orde, is het circuit opnieuw ingesteld op een versterking van 1, wat een eenvoudiger circuitontwerp mogelijk maakte. Voordat u verdere berekeningen uitvoert, is het belangrijk op te merken dat de gewenste afsnijfrequentie van het laagdoorlaatfilter is ingesteld op 150 Hz. Het is het gemakkelijkst om te beginnen met het berekenen van de waarde van condensator 2, C2, omdat andere vergelijkingen van deze waarde afhangen. C2 kan worden berekend door (9). Uitgaande van de berekening van C2, kan C1 worden berekend met (10). In het geval van dit laagdoorlaatfilter worden de coëfficiënten a en b gedefinieerd waarbij a = 1.414214 en b = 1. De weerstandswaarde van R1 wordt berekend door (11) en de weerstandswaarde van R2 wordt berekend door (12).

De volgende waarden zijn gebruikt:

R1 = 13,842kΩ

R2 = 54.36kΩ

C1 = 38 nF

C1 = 68 nF

Stap 4: Stel het LabVIEW-programma in dat wordt gebruikt voor gegevensverzameling en -analyse

Vervolgens kan het computerprogramma LabView worden gebruikt om een taak te maken die een grafische weergave van een hartslag maakt uit een ECG-signaal en de hartslag uit hetzelfde signaal berekent. Het LabView-programma bereikt dit door eerst een analoge ingang van een DAQ-kaart te accepteren, die ook fungeert als een analoog-naar-digitaalomzetter. Dit digitale signaal wordt vervolgens zowel verder geanalyseerd als geplot, waarbij de plot de grafische weergave toont van het signaal dat wordt ingevoerd in het DAQ-bord. De signaalgolfvorm wordt geanalyseerd door 80% van de maximale waarden van het digitale signaal dat wordt geaccepteerd te nemen, en gebruikt vervolgens een piekdetectorfunctie om deze pieken van het signaal te detecteren. Tegelijkertijd neemt het programma de golfvorm en berekent het het tijdsverschil tussen de pieken van de golfvorm. De piekdetectie is gekoppeld aan bijbehorende waarden van 1 of 0, waarbij 1 een piek vertegenwoordigt om een index van de locatie van pieken te creëren, en deze index wordt vervolgens gebruikt in samenhang met het tijdsverschil tussen pieken om de hartslag wiskundig te berekenen in slagen per minuut (BPM). Het blokschema dat in het LabView-programma werd gebruikt, wordt weergegeven.

Stap 5: Volledige montage

Nadat u al uw circuits en LabVIEW-programma hebt gebouwd en hebt gecontroleerd of alles goed werkt, bent u klaar om een ECG-signaal op te nemen. Afgebeeld is een mogelijk schema van het volledige circuitsysteem.

Sluit de positieve elektrode aan op uw rechterpols en een van de omcirkelde instrumentatieversterkeringangen, en de negatieve elektrode op uw linkerpols en de andere instrumentatieversterkeringang zoals afgebeeld. De volgorde van de elektrode-invoer doet er niet toe. Plaats ten slotte een aardelektrode op uw enkel en verbind deze met aarde in uw circuit. Gefeliciteerd, u hebt alle stappen voltooid die nodig zijn om het ECG-signaal op te nemen.