Een digitale ECG-monitor en circuit ontwerpen: 5 stappen

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

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

Het doel van dit project is om een circuit te bouwen dat een ECG-signaal, ook wel elektrocardiogram genoemd, kan versterken en filteren. Een ECG kan worden gebruikt om de hartslag en het hartritme te bepalen, omdat het de elektrische signalen kan detecteren die tijdens de verschillende stadia van de hartcyclus door verschillende delen van het hart gaan. Hier gebruiken we een instrumentatieversterker, een inkepingsfilter en een laagdoorlaatfilter om het ECG te versterken en te filteren. Vervolgens wordt met behulp van LabView het aantal slagen per minuut berekend en wordt een grafische weergave van het ECG weergegeven. Het eindproduct is hierboven te zien.

Stap 1: Instrumentatieversterker

De benodigde versterking voor de instrumentatieversterker is 1000 V/V. Dit zou zorgen voor voldoende versterking van het binnenkomende signaal dat veel kleiner is. De instrumentatieversterker is opgedeeld in twee delen, fase 1 en fase 2. De versterking van elke fase (K) moet vergelijkbaar zijn, zodat wanneer ze samen worden vermenigvuldigd, de versterking ongeveer 1000 is. De onderstaande vergelijkingen worden gebruikt om de versterking te berekenen.

K1 = 1 + ((2*R2)/R1)

K2 = -R4/R3

Uit deze vergelijkingen werden de waarden van R1, R2, R3 en R4 gevonden. Om het circuit te bouwen dat op de afbeeldingen te zien is, werden drie uA741 operationele versterkers en weerstanden gebruikt. De opamps worden gevoed met 15V uit een DC-voeding. De ingang van de instrumentatieversterker was aangesloten op een functiegenerator en de uitgang was aangesloten op een oscilloscoop. Vervolgens werd een AC-sweep uitgevoerd en werd de versterking van de instrumentatieversterker gevonden, zoals te zien is op de grafiek "Instrumentatieversterkerversterking" hierboven. Ten slotte werd het circuit opnieuw gemaakt in LabView, waar een simulatie van de versterking werd uitgevoerd, zoals te zien is in de zwarte grafiek hierboven. De resultaten bevestigden dat het circuit correct werkte.

Stap 2: Inkepingsfilter

Het notch-filter wordt gebruikt om ruis te verwijderen die optreedt bij 60 Hz. De waarden van de componenten kunnen worden berekend met behulp van de onderstaande vergelijkingen. Er werd een kwaliteitsfactor (Q) van 8 gebruikt. C werd gekozen gezien de beschikbare condensatoren.

R1 = 1/(2*Q*ω*C)

R2 = 2*Q/(ω*C)

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

De weerstands- en condensatorwaarden zijn gevonden en de bovenstaande schakeling is gemaakt, de berekende waarden zijn daar te zien. De operationele versterker werd gevoed door een gelijkstroomvoeding, waarbij de ingang was aangesloten op een functiegenerator en de uitgang op een oscilloscoop. Het uitvoeren van een AC Sweep resulteerde in de grafiek "Notch Filter AC Sweep" hierboven, die aantoont dat een frequentie van 60 Hz was verwijderd. Om dit te bevestigen, werd een LabView-simulatie uitgevoerd die de resultaten bevestigde.

Stap 3: Laagdoorlaatfilter

Er wordt een Second Order Butterworth laagdoorlaatfilter gebruikt, met een afsnijfrequentie van 250Hz. Om de weerstands- en condensatorwaarden op te lossen, werden de onderstaande vergelijkingen gebruikt. Voor deze vergelijkingen werd de afsnijfrequentie in Hz gewijzigd in rad/sec, wat 1570,8 bleek te zijn. Er werd een winst van K = 1 gebruikt. De waarden voor a en b waren respectievelijk 1.414214 en 1.

R1 = 2 / (wc (a C2 + sqrt(a^2 + 4 b (K - 1)) C2^2 - 4 b C1 C2))

R2 = 1/ (b C1 C2 R1 wc^2)

R3 = K (R1 + R2) / (K - 1)

R4 = K (R1 + R2)

C1 = (C2 (a^2 + 4b (K-1)) / (4b)

C2 = (10 / fc)

Nadat de waarden waren berekend, werd de schakeling gebouwd met de waarden, die te zien zijn in een van de bovenstaande afbeeldingen. Opgemerkt moet worden dat aangezien een versterking van 1 werd gebruikt, R3 werd vervangen door een open circuit en R4 werd vervangen door een kortsluiting. Nadat het circuit was samengesteld, werd de opamp gevoed met 15V via een DC-voeding. Net als bij de andere componenten waren de input en output respectievelijk verbonden met een functiegenerator en een oscilloscoop. Er is een plot van de AC-sweep gemaakt, te zien in de "Low Pass Filter AC Sweep" hierboven. De plot in zwart in de LabView-simulatie van het circuit, wat onze resultaten bevestigt.

Stap 4: LabVIEW

Het LabVIEW-programma dat in de afbeelding wordt getoond, wordt gebruikt om het aantal slagen per minuut te berekenen en om een visuele weergave van het ingevoerde ECG weer te geven. De DAQ Assistant ontvangt het ingangssignaal en stelt de bemonsteringsparameters in. De golfvormgrafiek plot vervolgens de invoer die de DAQ ontvangt op de gebruikersinterface om aan de gebruiker weer te geven. Op de invoergegevens worden meerdere analyses uitgevoerd. De maximale waarden van de invoergegevens worden gevonden met behulp van de Max/Min Identifier, en de parameters om pieken te detecteren worden ingesteld met behulp van Peak Detection. Met behulp van een indexarray van de locaties van pieken, de tijd tussen de maximumwaarden gegeven door de component Verandering in tijd en verschillende rekenkundige bewerkingen, wordt de BPM berekend en weergegeven als de numerieke uitvoer.

Stap 5: Voltooid circuit

Nadat alle componenten waren aangesloten, werd het volledige systeem getest met een gesimuleerd ECG-signaal. Vervolgens werd het circuit gebruikt om een menselijk ECG te filteren en te versterken met de resultaten die werden weergegeven via het bovengenoemde LabView-programma. Elektroden werden bevestigd aan de rechterpols, linkerpols en linkerenkel. De linkerpols en de rechterpols waren verbonden met de ingangen van de instrumentatieversterker, terwijl de linkerenkel was verbonden met aarde. De uitgang van het laagdoorlaatfilter werd vervolgens aangesloten op de DAQ Assistant. Gebruikmakend van hetzelfde LabView-blokdiagram van voorheen, werd het programma uitgevoerd. Terwijl het menselijke ECG passeerde, werd een duidelijk en stabiel signaal gezien vanaf de uitvoer van het volledige systeem, wat te zien is in de afbeelding hierboven.