ECG-monitor: 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-instrumentverbindingen de juiste isolatietechnieken gebruiken.

Elektrocardiografie is het proces van het opnemen van elektrische signalen die door het hart van een patiënt worden gegenereerd om informatie te verkrijgen over de activiteit van het hart. Om ervoor te zorgen dat het elektrische signaal effectief wordt opgevangen, moet het worden gefilterd en versterkt door elektrische componenten. De informatie moet ook op een duidelijke en effectieve manier aan een gebruiker worden gepresenteerd.

De volgende Instructable schetst hoe de versterking/filtering circuits en een gebruikersinterface te bouwen. Het omvat het bouwen van een instrumentatieversterker, een notch-filter, een laagdoorlaatfilter en een gebruikersinterface in LabVIEW.

De eerste stap in het proces is het definiëren van de vereisten van het analoge circuit. Na het definiëren van de vereisten worden beslissingen genomen over welke primaire componenten het circuit zullen vormen. Later worden kleinere details behandeld met betrekking tot de kenmerken van deze hoofdcomponenten, en ten slotte wordt de ontwerpfase van het circuit afgesloten door de exacte waarden van elke weerstand en condensator in het circuit te definiëren.

Stap 1: Vereisten en primaire componenten definiëren

De taak van het circuit is om het door de patiënt gegenereerde ECG-signaal te versterken en alle bijbehorende ruis eruit te filteren. Het ruwe signaal bestaat uit een complexe golfvorm met een maximale amplitude van ongeveer 2 mV en frequentiecomponenten in het bereik van 100 Hz tot 250 Hz in het QRS-complex. Dit is het signaal dat moet worden versterkt en opgenomen.

Bovenop dat signaal van belang, wordt ruis geproduceerd uit verschillende bronnen. Voedingen genereren 60 Hz ruis en beweging van de patiënt produceert artefacten in het bereik van minder dan 1 Hz. Er wordt meer hoogfrequent geluid geïntroduceerd door achtergrondstraling en telecommunicatiesignalen zoals mobiele telefoons en draadloos internet. Deze verzameling ruis is het signaal dat moet worden gefilterd.

De schakeling moet eerst het ruwe signaal versterken. Het moet dan 60 Hz-ruis uitfilteren, en alle andere ruis boven 160 Hz. Het filteren van laagfrequente ruis die verband houdt met bewegingen van de patiënt wordt als onnodig beschouwd, omdat de patiënt eenvoudigweg kan worden geïnstrueerd om stil te blijven.

Omdat het signaal wordt gemeten als het potentiaalverschil tussen twee elektroden die zich op de patiënt bevinden, wordt versterking bereikt door het gebruik van een instrumentatieversterker. Een eenvoudige verschilversterker zou ook kunnen worden gebruikt, maar instrumentatieversterkers presteren vaak beter met betrekking tot ruisonderdrukking en toleranties. 60 Hz-filtering wordt bereikt door het gebruik van een notch-filter en de rest van de hoogfrequente filtering wordt bereikt door het gebruik van een laagdoorlaatfilter. Deze drie elementen vormen het hele analoge circuit.

Als we de drie elementen van het circuit kennen, kunnen kleinere details worden gedefinieerd met betrekking tot versterkingen, afsnijfrequenties en bandbreedtes van de componenten.

De instrumentatieversterker wordt ingesteld op een versterking van 670. Dit is groot genoeg om een klein ECG-signaal op te nemen, maar ook klein genoeg om ervoor te zorgen dat de op-amps zich binnen hun lineaire bereik gedragen bij het testen van het circuit met signalen in de buurt van 20 mV, zoals is het minimum op sommige functiegeneratoren.

Het notch-filter wordt gecentreerd op 60 Hz.

Het laagdoorlaatfilter heeft een afsnijfrequentie van 160 Hz. Dit zou nog steeds het grootste deel van het QRS-complex moeten opvangen en hoogfrequente achtergrondruis moeten onderdrukken.

Stap 2: Instrumentatieversterker

De bovenstaande schema's beschrijven de instrumentatieversterker.

De versterker heeft twee trappen. De eerste fase bestaat uit de twee op-amps aan de linkerkant van de bovenstaande afbeeldingen en de tweede fase bestaat uit de enkele op-amp aan de rechterkant. De versterking van elk van deze kan naar wens worden gemoduleerd, maar we hebben besloten om deze te bouwen met een versterking van 670 V/V. Dit kan worden bereikt met de volgende weerstandswaarden:

R1: 100 Ohm

R2: 3300 Ohm

R3: 100 Ohm

R4: 1000 Ohm

Stap 3: Inkepingsfilter

De bovenstaande schema's beschrijven het notch-filter. Dit is een actief filter, dus we kunnen ervoor kiezen om het een signaal te laten versterken of verzwakken als we dat willen, maar we hebben al alle benodigde versterking bereikt, dus we kiezen voor een versterking van één voor deze op-amp. De middenfrequentie moet 60 Hz zijn en de kwaliteitsfactor moet 8 zijn. Dit kan worden bereikt met de volgende componentwaarden:

R1: 503 Ohm

R2: 128612 Ohm

R3: 503 Ohm

C: 0,33 microFarad

Stap 4: Laagdoorlaatfilter

Nogmaals, dit is een actief filter, dus we kunnen elke versterking kiezen die we willen, maar we zullen 1 kiezen. Dit wordt bereikt door R4 hierboven in een kortsluiting te veranderen en R3 in een open circuit. De rest wordt, net als bij de andere componenten, bereikt door onze eerder gedefinieerde vereisten te gebruiken in combinatie met de vergelijkingen die de circuits beheersen om individuele elementwaarden te verkrijgen:

R1: 12056 Ohm

R2: 19873,6 Ohm

C1: 0,047 microFarad

C2: 0,1 microFarad

Stap 5: ontwerp virtueel volledig circuit

Het ontwerpen van een circuit in een virtuele circuitbouwsoftware zoals PSPICE kan zeer nuttig zijn bij het opsporen van fouten en het verstevigen van plannen voordat u overgaat tot echte analoge circuitfabricage. Op dit punt kan men AC-sweeps van het circuit vastleggen om ervoor te zorgen dat alles zich volgens plan gedraagt.

Stap 6: Bouw een volledig circuit

De schakeling kan op elke gewenste manier worden gebouwd, maar voor dit geval is gekozen voor een breadboard.

Montage op een breadboard wordt aanbevolen omdat het gemakkelijker is dan solderen, maar solderen zou meer duurzaamheid geven. Het wordt ook aanbevolen om een bypass-condensator van 0,1 microFarad parallel aan de stroombron te aarden, omdat dit ongewenste afwijkingen van constant vermogen helpt elimineren.

Stap 7: LabVIEW-gebruikersinterface

De gebruikersinterface van LabVIEW is een manier om analoge signalen om te zetten in visuele en numerieke weergaven van het ECG-signaal die voor een gebruiker gemakkelijk te interpreteren zijn. Een DAQ-bord wordt gebruikt om het signaal van analoog naar digitaal om te zetten en de gegevens worden geïmporteerd in LabVIEW.

De software is een objectgebaseerd programma dat helpt bij gegevensverwerking en het maken van interfaces. De gegevens worden eerst visueel weergegeven door de grafiek en vervolgens wordt enige signaalverwerking uitgevoerd om de frequentie van de hartslag te bepalen, zodat deze naast de grafiek kan worden weergegeven.

Om de hartslagfrequentie te bepalen, moet men hartslagen detecteren. Dit kan worden bereikt met het piekdetectieobject van Lab VIEW. Het object voert de indices van pieken in de ontvangen gegevensarray uit, die vervolgens in berekeningen kunnen worden gebruikt om de tijd te bepalen die verstrijkt tussen hartslagen.

Omdat LabVIEW-details een heel andere Instructable zouden zijn, laten we de details over aan een andere bron. De exacte werking van het programma is te zien in het bovenstaande blokschema.

Stap 8: LabVIEW definitieve gebruikersinterface

De uiteindelijke gebruikersinterface geeft een versterkt, gefilterd, geconverteerd en verwerkt signaal weer samen met de uitlezing van de hartfrequentie in slagen per minuut