Digitale ECG en hartslagmeter: 8 stappen

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

KENNISGEVING: 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-instrument-verbindingen batterijvoeding en andere juiste isolatietechnieken gebruiken

Een elektrocardiogram (ECG) registreert elektrische signalen tijdens de hartcyclus. Elke keer dat het hart klopt, is er een cyclus van depolarisatie en hyperpolarisatie van myocardcellen. De depolarisatie en hyperpolarisatie kunnen worden geregistreerd door elektroden en artsen lezen die informatie om meer te weten te komen over hoe het hart functioneert. Een ECG kan een myocardinfarct, atriale of ventriculaire fibrillatie, tachycardie en bradycardie vaststellen [1]. Nadat ze hebben vastgesteld wat het probleem is op basis van het ECG, kunnen artsen de patiënt met succes diagnosticeren en behandelen. Volg de onderstaande stappen om te leren hoe u uw eigen apparaat voor het opnemen van elektrocardiogrammen kunt maken!

Stap 1: Materialen

Circuitcomponenten:

• Vijf UA741 operationele versterkers
• Weerstanden
• condensatoren
• Doorverbindingsdraden
• DAQ-bord
• LabVIEW-software

Uitrusting testen:

• Functiegenerator
• DC-voeding:
• Oscilloscoop
• BNC-kabels en T-splitter
• Startkabels
• Krokodillenklemmen
• Banaanstekkers

Stap 2: Instrumentatieversterker

De eerste trap van het circuit is een instrumentatieversterker. Dit versterkt het biologische signaal zodat de verschillende componenten van het ECG kunnen worden onderscheiden.

Het schakelschema voor de instrumentatieversterker is hierboven weergegeven. De versterking van de eerste trap van dit circuit wordt gedefinieerd als K1 = 1 + 2*R2 / R1. De versterking van de tweede trap van het circuit wordt gedefinieerd als K2 = R4 / R3. De totale versterking van de instrumentatieversterker is K1 * K2. De gewenste versterking voor dit project was ongeveer 1000, dus K1 werd gekozen als 31 en K2 als 33. Weerstandswaarden voor deze versterkingen worden hierboven in het schakelschema weergegeven. U kunt de hierboven getoonde weerstandswaarden gebruiken, of u kunt de waarden wijzigen om aan de gewenste versterking te voldoen.**

Nadat u uw componentwaarden hebt gekozen, kan de schakeling op het breadboard worden gebouwd. Om de circuitverbindingen op het breadboard te vereenvoudigen, werd de negatieve horizontale rail bovenaan ingesteld als aarde, terwijl de twee horizontale rails aan de onderkant respectievelijk +/- 15V waren.

De eerste opamp werd aan de linkerkant van het breadboard geplaatst om ruimte te laten voor alle resterende componenten. Bijlagen werden toegevoegd in chronologische volgorde van de pinnen. Dit maakt het gemakkelijker om bij te houden welke stukken zijn toegevoegd of niet. Zodra alle pinnen voor opamp 1 zijn voltooid, kan de volgende opamp worden geplaatst. Nogmaals, zorg ervoor dat het relatief dichtbij is om ruimte te laten. Hetzelfde chronologische pinproces werd voltooid voor alle opamps totdat de instrumentatieversterker voltooid was.

Naast het schakelschema werden vervolgens bypass-condensatoren toegevoegd om de AC-koppeling in de draden kwijt te raken. Deze condensatoren werden parallel geschakeld met de gelijkspanningsvoeding en geaard op de bovenste horizontale negatieve rail. Deze condensatoren moeten tussen 0,1 en 1 microFarad liggen. Elke opamp heeft twee bypass-condensatoren, één voor pin 4 en één voor pin 7. De twee condensatoren op elke opamp moeten dezelfde waarde hebben, maar kunnen per opamp verschillen.

Om de versterking te testen, werden respectievelijk een functiegenerator en oscilloscoop aangesloten op de ingang en uitgang van de versterker. Het ingangssignaal was ook verbonden met de oscilloscoop. Een eenvoudige sinusgolf werd gebruikt om de versterking te bepalen. Voer de uitgang van de functiegenerator in op de twee ingangsaansluitingen van de instrumentatieversterker. Stel de oscilloscoop in om de verhouding tussen uitgangssignaal en ingangssignaal te meten. De versterking van een circuit in decibel is Gain = 20 * log10(Vout / Vin). Voor een winst van 1000 is de winst in decibel 60 dB. Met behulp van de oscilloscoop kunt u bepalen of de versterking van uw geconstrueerde circuit voldoet aan uw specificaties, of dat u enkele weerstandswaarden moet wijzigen om uw circuit te verbeteren.

Zodra de instrumentatieversterker correct is gemonteerd en functioneert, kunt u doorgaan met het notch-filter.

**In bovenstaand schakelschema, R2 = R21 = R22, R3 = R31 = R32, R4 = R41 =R42

Stap 3: Inkepingsfilter

Het doel van het notch-filter is om ruis uit de 60 Hz wandvoeding te verwijderen. Een notch-filter verzwakt het signaal op de afsnijfrequentie en laat de frequenties erboven en eronder door. Voor deze schakeling is de gewenste afsnijfrequentie 60 Hz.

De geldende vergelijkingen voor het hierboven getoonde schakelschema zijn R1 = 1 /(2 * Q * w *C), R2 = 2 * Q / (w * C), en R3 = R1 * R2 / (R1 + R2), waarbij Q is kwaliteitsfactor en w is 2 * pi * (afsnijfrequentie). Een kwaliteitsfactor van 8 geeft weerstands- en condensatorwaarden in een redelijk bereik. Van de condensatorwaarden kan worden aangenomen dat ze allemaal hetzelfde zijn. U kunt dus een condensatorwaarde kiezen die beschikbaar is in uw kits. De weerstandswaarden die in het bovenstaande circuit worden getoond, zijn voor een afsnijfrequentie van 60 Hz, een kwaliteitsfactor van 8 en een condensatorwaarde van 0,22 uF.

Omdat condensatoren parallel worden toegevoegd, werden twee condensatoren van de gekozen waarde C parallel geplaatst om een waarde van 2C te bereiken. Ook werden bypass-condensatoren aan de opamp toegevoegd.

Om het notch-filter te testen, sluit u de uitgang van de functiegenerator aan op de ingang van het notch-filter. Bekijk de input en output van het circuit op een oscilloscoop. Om een effectief notch-filter te hebben, moet u een versterking hebben van minder dan of gelijk aan -20dB bij de afsnijfrequentie. Omdat de componenten niet ideaal zijn, kan dit moeilijk te bereiken zijn. De berekende weerstands- en condensatorwaarden geven u mogelijk niet de gewenste versterking. Hiervoor moet u wijzigingen aanbrengen in de weerstands- en condensatorwaarden.

Om dit te doen, focus je op één onderdeel tegelijk. Verhoog en verlaag de waarde van een enkele component zonder andere te veranderen. Let op de effecten die dit heeft op de versterking van het circuit. Dit kan veel geduld vergen om de gewenste winst te behalen. Onthoud dat u weerstanden in serie kunt toevoegen om weerstandswaarden te verhogen of te verlagen. De verandering die onze versterking het meest verbeterde, was het verhogen van een van de condensatoren tot 0,33 uF.

Stap 4: Laagdoorlaatfilter

Het laagdoorlaatfilter verwijdert ruis met een hogere frequentie die het ECG-signaal kan verstoren. Een laagdoorlaatgrens van 40 Hz is voldoende om ECG-golfvorminformatie vast te leggen. Sommige onderdelen van het ECG overschrijden echter 40 Hz. Een grenswaarde van 100 Hz of 150 Hz kan ook worden gebruikt [2].

Het geconstrueerde laagdoorlaatfilter is een Second Order Butterworth-filter. Aangezien de versterking van ons circuit wordt bepaald door de instrumentatieversterker, willen we een versterking van 1 binnen de band voor het laagdoorlaatfilter. Voor een versterking van 1 is RA kortgesloten en is RB open in het schakelschema hierboven [3]. In het circuit is C1 = 10 / (fc) uF, waarbij fc de afsnijfrequentie is. C1 moet kleiner zijn dan of gelijk zijn aan C2 * a^2 / (4 * b). Voor een Butterworth-filter van de tweede orde geldt a = sqrt(2) en b = 1. Als we waarden voor a en b invullen, wordt de vergelijking voor C2 vereenvoudigd tot kleiner dan of gelijk aan C1 / 2. Dan is R1 = 2 / [w * (a * C2 + sqrt(a^2 *C2 ^2 - 4 *b * C1 * C2))] en R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w^2), waarbij w = 2 *pi * fc. Berekeningen voor deze schakeling zijn uitgevoerd om een grenswaarde van 40 Hz te verkrijgen. Weerstands- en condensatorwaarden die aan deze specificaties voldoen, worden weergegeven in het bovenstaande schakelschema.

De opamp is aan de meest rechtse kant van het breadboard geplaatst, omdat er daarna geen andere componenten aan worden toegevoegd. Weerstanden en condensatoren werden aan de opamp toegevoegd om het circuit te voltooien. Er werden ook bypass-condensatoren aan de opamp toegevoegd. De ingangsklem is leeg gelaten omdat de ingang afkomstig zal zijn van het uitgangssignaal van het notch-filter. Voor testdoeleinden is echter een draad op de ingangspin geplaatst om het laagdoorlaatfilter te kunnen isoleren en afzonderlijk te kunnen testen.

Een sinusgolf van de functiegenerator werd gebruikt als ingangssignaal en waargenomen bij verschillende frequenties. Observeer zowel het ingangs- als het uitgangssignaal op een oscilloscoop en bepaal de versterking van het circuit bij verschillende frequenties. Voor een laagdoorlaatfilter moet de versterking bij de afsnijfrequentie -3db zijn. Voor dit circuit moet de afsnijding plaatsvinden bij 40 Hz. Frequenties onder 40 Hz zouden weinig tot geen verzwakking in hun golfvorm moeten hebben, maar naarmate de frequentie boven 40 Hz stijgt, zou de versterking moeten blijven afnemen.

Stap 5: Circuitstadia samenstellen

Nadat u elke fase van het circuit hebt geconstrueerd en afzonderlijk hebt getest, kunt u ze allemaal aansluiten. De uitgang van de instrumentatieversterker moet worden aangesloten op de ingang van het notch-filter. De uitgang van het notch-filter moet worden aangesloten op de ingang van het laagdoorlaatfilter.

Om het circuit te testen, sluit u de ingang van de functiegenerator aan op de ingang van de instrumentatieversterkertrap. Bekijk de input en output van het circuit op een oscilloscoop. U kunt testen met een voorgeprogrammeerde ECG-golf van de functiegenerator, of met een sinusgolf en de effecten van uw circuit observeren. In het bovenstaande oscilloscoopbeeld is de gele curve de invoergolfvorm en de groene curve de uitvoer.

Zodra je al je circuittrappen hebt aangesloten en hebt aangetoond dat het goed werkt, kun je de uitgang van je circuit aansluiten op het DAQ-bord en beginnen met programmeren in LabVIEW.

Stap 6: LabVIEW-programma

De LabVIEW-code is om de slagen per meter te detecteren van een gesimuleerde ECG-golf op verschillende frequenties. Om in LabVIEW te programmeren, moet u eerst alle componenten identificeren. Een analoog-naar-digitaal-omzetter, ook bekend als de data-acquisitie (DAQ)-kaart, moet worden ingesteld en ingesteld om continu te werken. Het uitgangssignaal van het circuit is verbonden met de ingang van het DAQ-bord. De golfvormgrafiek in het LabVIEW-programma is rechtstreeks verbonden met de uitgang van de DAQ-assistent. De uitvoer van de DAQ-gegevens gaat ook naar de max/min-identifier. Het signaal gaat dan door een rekenkundige vermenigvuldigingsoperator. De numerieke indicator van 0,8 wordt gebruikt om de drempelwaarde te berekenen. Wanneer het signaal 0,8*Maximum overschrijdt, wordt een piek gedetecteerd. Telkens wanneer deze waarde werd gevonden, werd deze opgeslagen in de indexarray. De twee gegevenspunten worden opgeslagen in de indexarray en worden ingevoerd in de rekenkundige aftrekkingsoperator. De verandering in tijd werd gevonden tussen deze twee waarden. Om de hartslag te berekenen, wordt 60 gedeeld door het tijdsverschil. Een numerieke indicator, die naast de uitgangsgrafiek wordt weergegeven, geeft de hartslag weer in slagen per minuut (bpm) van het ingangssignaal. Zodra het programma is ingesteld, moet het allemaal in een continue while-lus worden geplaatst. Verschillende frequentie-ingangen geven verschillende bpm-waarden.

Stap 7: ECG-gegevens verzamelen

Nu kunt u een gesimuleerd ECG-signaal in uw circuit invoeren en gegevens opnemen in uw LabVIEW-programma! Wijzig de frequentie en amplitude van het gesimuleerde ECG om te zien hoe dit uw opgenomen gegevens beïnvloedt. Als u van frequentie verandert, zou u een verandering in de berekende hartslag moeten zien. Je hebt met succes een ECG- en hartslagmeter ontworpen!

Stap 8: Verdere verbeteringen

Het geconstrueerde apparaat zal goed werken voor het verwerven van gesimuleerde ECG-signalen. Als u echter biologische signalen wilt opnemen (zorg ervoor dat u de juiste veiligheidsmaatregelen in acht neemt), moeten verdere wijzigingen aan de circuits worden aangebracht om de signaaluitlezing te verbeteren. Er moet een hoogdoorlaatfilter worden toegevoegd om DC-offset en laagfrequente bewegingsartefacten te verwijderen. De versterking van de instrumentatieversterker moet ook vertienvoudigd worden om binnen het bruikbare bereik voor LabVIEW en de opamps te blijven.

bronnen

[1] S. Meek en F. Morris, “Inleiding. II – basisterminologie.” BMJ, vol. 324, nee. 7335, blz. 470-3, februari 2002.

[2] Chia-Hung Lin, Frequentiedomeinfuncties voor ECG-slagdiscriminatie met behulp van een grijze classificatie op basis van relationele analyse, In Computers & Mathematics with Applications, Volume 55, Issue 4, 2008, Pages 680-690, ISSN 0898-1221, [3] "Tweede bestelling filter | Tweede orde laagdoorlaatfilterontwerp.” Basiselektronica-tutorials, 9 september 2016, www.electronics-tutorials.ws/filter/second-order-…