Elektrocardiogram (ECG) Circuit - Ajarnpa

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

Let op: 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.

We zijn twee studenten biomedische technologie en na het volgen van onze eerste circuitles waren we behoorlijk opgewonden en besloten om de basisprincipes die we hadden geleerd te gebruiken om iets nuttigs te doen: een ECG weergeven en de hartslag aflezen. Dit zou het meest complexe circuit zijn dat we tot nu toe hebben gebouwd!

Wat achtergrondinformatie over een ECG:

Veel elektrische apparaten worden gebruikt om biologische activiteit in het menselijk lichaam te meten en vast te leggen. Een zo'n apparaat is het elektrocardiogram, dat de elektrische signalen meet die door het hart worden geproduceerd. Deze signalen geven objectieve informatie over de structuur en functie van het hart. Het ECG werd voor het eerst ontwikkeld in 1887 en gaf artsen een nieuwe manier om hartcomplicaties te diagnosticeren. ECG's kunnen hartritme, hartslag, hartaanvallen, onvoldoende bloed- en zuurstoftoevoer naar het hart en structurele afwijkingen detecteren. Met behulp van een eenvoudig circuitontwerp kan een ECG worden gemaakt dat al deze dingen kan controleren.

Stap 1: Materialen

Het circuit bouwen

Basismaterialen die nodig zijn om het circuit te bouwen, worden getoond in afbeeldingen. Ze bevatten:

• Breadboard

• Operationele versterkers

  • Alle opamps die in dit circuit worden gebruikt, zijn LM741.
  • Zie de datasheet voor meer informatie:
• Weerstanden
• condensatoren
• Draden

• Zelfklevende elektroden

  Deze zijn alleen nodig als u besluit het circuit op een echt persoon te proberen

Gebruikte software omvat:

• LabVIEW 2016
• CircuitLab of PSpice voor simulaties om waarden te controleren

• Excel

  Dit wordt ten zeerste aanbevolen voor het geval u kenmerken van uw circuit moet wijzigen. Mogelijk moet u ook met de cijfers spelen totdat u weerstands- en condensatorwaarden vindt die direct beschikbaar zijn. Pen-en-papier berekeningen worden afgeraden voor deze! We hebben onze spreadsheetberekeningen bijgevoegd om een idee te geven

Het circuit testen

Je hebt ook wat grotere elektronische apparatuur nodig:

• DC-voeding:
• DAQ-kaart om het circuit te koppelen aan LabVIEW
• Functiegenerator om circuit te testen
• Oscilloscoop om circuit te testen

Stap 2: Instrumentatieversterker

Waarom hebben we het nodig:

We zullen een instrumentatieversterker bouwen om de kleine amplitude gemeten vanuit het lichaam te versterken. Door in onze eerste fase twee versterkers te gebruiken, kunnen we de ruis die door het lichaam wordt veroorzaakt (die op beide elektroden hetzelfde zal zijn) opheffen. We zullen twee fasen van ongeveer gelijke winst gebruiken -- dit beschermt de gebruiker als het systeem is verbonden met een persoon door te voorkomen dat alle winst op één plek plaatsvindt. Aangezien de normale amplitude van een ECG-signaal tussen 0,1 en 5 mV ligt, willen we dat de versterking van de instrumentatieversterker ongeveer 100 is. Een acceptabele tolerantie op de versterking is 10%.

Hoe het te bouwen:

Met behulp van deze specificaties en de vergelijkingen in de tabel (bijgevoegde afbeeldingen), ontdekten we dat onze weerstandswaarden R1 = 1,8 kiloOhm, R2 = 8,2 kiloOhm, R3 = 1,5 kiloOhm en R4 = 15 kiloOhm waren. K1 is de versterking van de eerste trap (OA1 en OA2) en K2 is de versterking van de tweede trap (OA3). Om ruis te verwijderen worden bypass-condensatoren met gelijke capaciteit gebruikt op de voedingen van de operationele versterkers.

Hoe het te testen:

Elk signaal dat naar de instrumentatieversterker wordt gevoerd, moet met 100 worden versterkt. Met dB=20log(Vout/Vin) betekent dit een verhouding van 40 dB. Je kunt dit simuleren in PSpice of CircuitLab, of het fysieke apparaat testen, of beide!

Het bijgevoegde oscilloscoopbeeld toont een versterking van 1000. Voor een echt ECG is dit te hoog!

Stap 3: Inkepingsfilter

Waarom hebben we het nodig:

We zullen een notch-filter gebruiken om de 60 Hz-ruis te verwijderen die aanwezig is in alle voedingen in de Verenigde Staten.

Hoe het te bouwen:

We stellen de kwaliteitsfactor Q in op 8, wat een acceptabele filteroutput oplevert terwijl de componentwaarden binnen een haalbaar bereik blijven. We hebben de condensatorwaarde ook ingesteld op 0,1 F, zodat berekeningen alleen van invloed zijn op de weerstanden. De berekende en gebruikte weerstandswaarden zijn te zien in de tabel (in afbeeldingen) of hieronder:

• Q = w/B

  stel Q in op 8 (of kies uw eigen op basis van uw eigen behoefte)

• w = 2*pi*f

  gebruik f = 60 Hz

• C

  ingesteld op 0.1 uF (of kies uw eigen waarde uit beschikbare condensatoren)

• R1 = 1/(2*Q*w*C)

  Berekenen. Onze waarde is 1,66 kohm

• R2 = 2*Q/(w*C)

  Berekenen. Onze waarde is 424,4 kohm

• R3 = R1*R2/(R1+R2)

  Berekenen. Onze waarde is 1,65 kohm

Hoe het te testen:

Het notch-filter moet alle frequenties ongewijzigd doorlaten, behalve die rond 60 Hz. Dit kan worden gecontroleerd met een AC-sweep. Een filter met een versterking van -20 dB bij 60 Hz wordt als goed beschouwd. Je kunt dit simuleren in PSpice of CircuitLab, of het fysieke apparaat testen, of beide!

Dit soort inkepingsfilter kan een goede inkeping genereren in de gesimuleerde AC-sweep, maar een fysieke test toonde aan dat onze oorspronkelijke waarden een inkeping op een lagere frequentie genereerden dan bedoeld. Om dit op te lossen, hebben we R2 met ongeveer 25 kohm verhoogd.

Het oscilloscoopbeeld laat zien dat het filter de grootte van het ingangssignaal bij 60 Hz aanzienlijk vermindert. De grafiek toont een AC-sweep voor een notch-filter van hoge kwaliteit.

Stap 4: Laagdoorlaatfilter

Waarom hebben we het nodig:

De laatste fase van het apparaat is een actief laagdoorlaatfilter. Het ECG-signaal bestaat uit veel verschillende golfvormen, die elk hun eigen frequentie hebben. We willen dit allemaal vastleggen, zonder hoogfrequente ruis. De standaard afsnijfrequentie voor ECG-monitoren van 150 Hz is geselecteerd. (Soms worden hogere grenswaarden gekozen om te controleren op specifieke hartproblemen, maar voor ons project zullen we een normale grenswaarde gebruiken.)

Als u een eenvoudigere schakeling wilt maken, kunt u ook een passief laagdoorlaatfilter gebruiken. Dit bevat geen opamp en bestaat uit slechts een weerstand in serie met een condensator. De uitgangsspanning wordt gemeten over de condensator.

Hoe het te bouwen:

We zullen het ontwerpen als een Butterworth-filter van de tweede orde, met coëfficiënten a en b die respectievelijk gelijk zijn aan 1,414214 en 1. Door de versterking op 1 in te stellen, wordt de operationele versterker een spanningsvolger. De gekozen vergelijkingen en waarden worden weergegeven in de tabel (in afbeeldingen) en hieronder.

• w=2*pi*f

  stel f = 150 Hz in

• C2 = 10/f

  Berekenen. Onze waarde is 0,067 uF

• C1 <= C2*(a^2)/(4b)

  Berekenen. Onze waarde is 0,033 uF

• R1 = 2/(w*(aC2+sqrt(a^2*C2^2-4b*C1*C2)))

  Berekenen. Onze waarde is 18,836 kohm

• R2 = 1/(b*C1*C2*R1*w^2)

  Berekenen. Onze waarde is 26.634 kohm

Hoe het te testen:

Het filter moet frequenties onder de cutoff ongewijzigd doorlaten. Dit kan worden getest met behulp van een AC-sweep. Je kunt dit simuleren in PSpice of CircuitLab, of het fysieke apparaat testen, of beide!

Het oscilloscoopbeeld toont de reactie van het filter bij 100 Hz, 150 Hz en 155 Hz. Ons fysieke circuit had een grens die dichter bij 155 Hz lag, wat blijkt uit de -3 dB-verhouding.

Stap 5: Hoogdoorlaatfilter

Waarom hebben we het nodig:

Het hoogdoorlaatfilter wordt gebruikt zodat frequenties onder een bepaalde grenswaarde niet worden opgenomen, waardoor een schoon signaal kan worden doorgelaten. De afsnijfrequentie is gekozen op 0,5 Hz (een standaardwaarde voor ECG-monitoren).

Hoe het te bouwen:

De weerstands- en condensatorwaarden die nodig zijn om dit te bereiken, worden hieronder weergegeven. Onze werkelijk gebruikte weerstand was 318,2 kohm.

• R = 1/(2*pi*f*C)

  • stel f = 0,5 Hz in en C = 1 uF
  • Bereken R. Onze waarde is 318,310 kohm

Hoe het te testen:

Het filter moet frequenties boven de cutoff ongewijzigd doorlaten. Dit kan worden getest met behulp van een AC-sweep. Je kunt dit simuleren in PSpice of CircuitLab, of het fysieke apparaat testen, of beide!

Stap 6: LabVIEW instellen

Het stroomschema beschrijft het ontwerpconcept van het LabVIEW-gedeelte van het project, dat het signaal met een hoge bemonsteringsfrequentie registreert en de hartslag (BPM) en ECG weergeeft. Ons LabView-circuit bevat de volgende componenten: DAQ-assistent, indexarray, rekenkundige operatoren, piekdetectie, numerieke indicatoren, golfvormgrafiek, verandering in tijd, max/min-identificatie en getalconstanten. De DAQ-assistent is ingesteld om continue monsters te nemen met een snelheid van 1 kHz, waarbij het aantal monsters is gewijzigd tussen 3.000 en 5.000 monsters voor piekdetectie en signaalhelderheid.

Beweeg de muis over de verschillende componenten in het schakelschema om te lezen waar ze in LabVIEW te vinden zijn!

Stap 7: Gegevens verzamelen

Nu de schakeling in elkaar zit, kunnen er data verzameld worden om te kijken of het werkt! Stuur een gesimuleerd ECG door het circuit op 1 Hz. Het resultaat zou een schoon ECG-signaal moeten zijn waarbij het QRS-complex, de P-golf en de T-golf duidelijk te zien zijn. De hartslag moet ook 60 slagen per minuut (bpm) weergeven. Om het circuit en de LabVIEW-setup verder te testen, wijzigt u de frequentie in 1,5 Hz en 0,5 Hz. De hartslag moet veranderen in respectievelijk 90 bpm en 30 bpm.

Om langzamere hartslagen nauwkeurig weer te geven, moet u mogelijk de DAQ-instellingen aanpassen om meer golven per grafiek weer te geven. Dit kan door het aantal monsters te vergroten.

Als u ervoor kiest om het apparaat op een mens te testen, zorg er dan voor dat de voeding die u gebruikt voor de opamps de stroom beperkt tot 0,015 mA! Er zijn verschillende acceptabele leadconfiguraties, maar we hebben ervoor gekozen om de positieve elektrode op de linkerenkel, de negatieve elektrode op de rechterpols en de aardelektrode op de rechterenkel te plaatsen, zoals te zien is in de bijgevoegde afbeelding.

Met behulp van enkele basisconcepten voor schakelingen en onze kennis van het menselijk hart hebben we u laten zien hoe u een leuk en nuttig apparaat kunt maken. We hopen dat je genoten hebt van onze tutorial!