Bouw je eigen ECG!: 10 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

De hartslag bestaat uit ritmische samentrekkingen die worden gereguleerd door de spontane presentatie van elektrische depolarisaties in cardiale myocyten (de spiercellen van het hart). Dergelijke elektrische activiteit kan worden vastgelegd door niet-invasieve opname-elektroden langs verschillende posities van het lichaam te plaatsen. Zelfs met een inleidend begrip van circuits en bio-elektriciteit, kunnen deze signalen relatief gemakkelijk worden vastgelegd. In deze Instructable introduceren we een simplistische methode die kan worden gebruikt om een elektrocardiografisch signaal vast te leggen met praktische en goedkope apparatuur. Overal zullen we essentiële overwegingen benadrukken bij het verwerven van dergelijke signalen en technieken presenteren voor programmatische signaalanalyse.

Stap 1: Een overzicht van functies

Het apparaat dat u aan het bouwen bent, werkt met de volgende functies:

1. Elektrode opnames
2. Instrumentatie versterker
3. Inkepingsfilter
4. Laagdoorlaatfilter
5. Analoog-naar-digitaal conversie
6. Signaalanalyse met LabView

Enkele belangrijke componenten die u nodig heeft:

1. NI LabView
2. NI-kaart voor data-acquisitie (voor invoer naar LabView)
3. DC-voeding (om operationele versterkers van stroom te voorzien)
4. Huidelektrodepads voor elektrode-opnames
5. OF een functiegenerator die een gesimuleerd ECG-signaal kan creëren

Laten we beginnen!

Stap 2: Ontwerp een laagdoorlaatfilter

Een normaal ECG bevat herkenbare kenmerken in de golfvorm van het signaal, de P-golf, het QRS-complex en de T-golf. Alle kenmerken van het ECG verschijnen in het frequentiebereik onder 250 Hz, en daarom is het belangrijk om alleen de kenmerken vast te leggen die van belang zijn bij het opnemen van een ECG vanaf elektroden. Een laagdoorlaatfilter met een afsnijfrequentie van 250 Hz zorgt ervoor dat er geen hoogfrequente ruis in het signaal wordt opgevangen

Stap 3: Ontwerp een inkepingsfilter

Een notch-filter met een frequentie van 60 Hz is handig om de ruis te verwijderen van elke voeding die bij de ECG-opname hoort. Afsnijfrequenties tussen 56,5 Hz en 64 Hz laten signalen met frequenties buiten dat bereik door. Op het filter is een kwaliteitsfactor van 8 toegepast. Er werd gekozen voor een capaciteit van 0,1 uF. De experimentele weerstanden werden als volgt geselecteerd: R1=R3=1,5 kOhm, R2=502 kOhm. Deze waarden werden gebruikt om het notch-filter te construeren.

Stap 4: Ontwerp een instrumentatieversterker

Een instrumentatieversterker met een versterking van 1000 V/V zal alle gefilterde signalen versterken om het meten te vergemakkelijken. De versterker maakt gebruik van een reeks operationele versterkers en is verdeeld in twee trappen (links en rechts) met respectieve versterking K1 en K2. De afbeelding hierboven toont een schema van circuits die dit resultaat kunnen bereiken en figuur 6 geeft details over de gemaakte berekeningen.

Stap 5: Verbind het allemaal met elkaar

De drie stadia van amplificatie en filtering worden gecombineerd in figuur 7 hieronder. De instrumentatieversterker versterkt de sinusvormige frequentie-ingang met een versterking van 1000V/V. Vervolgens verwijdert het notch-filter alle signaalfrequenties van 60 Hz met een kwaliteitsfactor van 8. Ten slotte gaat het signaal door een laagdoorlaatfilter dat signalen dempt boven een frequentie van 250 Hz. De bovenstaande afbeelding toont het volledige systeem dat experimenteel is gemaakt.

Stap 6: … en zorg ervoor dat het werkt

Als u een functiegenerator heeft, moet u een frequentieresponscurve construeren om een goede respons te garanderen. De afbeelding hierboven toont het volledige systeem en de frequentieresponscurve die u mag verwachten. Als uw systeem lijkt te werken, bent u klaar om naar de volgende stap te gaan: het analoge signaal omzetten naar digitaal!

Stap 7: (Optioneel) Visualiseer uw ECG op de oscilloscoop

Het ECG registreert een signaal met twee elektroden en gebruikt een derde elektrode als aarde. Steek met uw ECG-opname-elektroden er een in de ene ingang van de instrumentatieversterker, de andere in de andere instrumentatieversterkeringang en sluit de derde aan op aarde op uw breadboard. Plaats vervolgens een elektrode op de ene pols, de andere op de andere pols en aard op uw enkel. Dit is een Lead 1-configuratie voor een ECG. Om het signaal op uw oscilloscoop te visualiseren, gebruikt u een oscilloscoop-sonde om uw derde trapuitgang te meten.

Stap 8: Gegevens verkrijgen met National Instruments DAQ

Als u uw signaal in LabView wilt analyseren, heeft u een manier nodig om analoge gegevens van uw ECG te verzamelen en naar de computer over te brengen. Er zijn allerlei manieren om aan data te komen! National Instruments is een bedrijf dat gespecialiseerd is in data-acquisitie-apparatuur en data-analyse-apparatuur. Ze zijn een goede plek om te zoeken naar tools om gegevens te verzamelen. Je kunt ook je eigen goedkope analoog naar digitaal converterchip kopen en een Raspberry Pi gebruiken om je signaal te verzenden! Dit is waarschijnlijk de goedkopere optie. In dit geval hadden we al een NI DAQ-module, een NI ADC en LabView in huis, dus we bleven bij strikt National Instruments hardware en software.

Stap 9: Gegevens importeren in LabVIEW

De visuele programmeertaal LabVIEW werd gebruikt om gegevens te analyseren die zijn verzameld uit het analoge versterkings-/filtersysteem. Gegevens werden verzameld van de NI DAQ-eenheid met DAQ Assistant, een ingebouwde gegevensverzamelingsfunctie in LabVIEW. Met behulp van LabView-besturingselementen werden het aantal monsters en de tijdsduur voor het verzamelen van monsters programmatisch gespecificeerd. De bedieningselementen zijn handmatig instelbaar, zodat de gebruiker de invoerparameters gemakkelijk kan verfijnen. Met het totale aantal monsters en de tijdsduur bekend, werd een tijdvector gemaakt waarbij elke indexwaarde de overeenkomstige tijd op elk monster in het vastgelegde signaal vertegenwoordigt.

Stap 10: Formatteren, analyseren en klaar

Gegevens uit de DAQ-assistentfunctie werden omgezet in een bruikbaar formaat. Het signaal werd opnieuw gemaakt als een 1D-array van doubles door eerst het DAQ-uitvoergegevenstype te converteren naar een golfvormgegevenstype en vervolgens te converteren naar een (X, Y) geclusterd paar doubles. Elke Y-waarde van het (X, Y) paar werd geselecteerd en ingevoegd in een aanvankelijk blanco 1D-array van dubbels met behulp van een lusstructuur. De 1D-array van verdubbelingen en de bijbehorende tijdvector werd uitgezet op een XY-grafiek. Tegelijkertijd werd de maximale waarde van de 1D-array van doubles geïdentificeerd met een maximale waarde-identificatiefunctie. Zes tienden van de maximale waarde werd gebruikt als drempel voor een piekdetectie-algoritme dat in LabView was ingebouwd. De piekwaarden van de 1D-array van doubles werden geïdentificeerd met de piekdetectiefunctie. Met de bekende pieklocaties werd het tijdsverschil tussen elke piek berekend. Dit tijdsverschil, in eenheden van seconden per piek, is omgerekend naar pieken per minuut. De resulterende waarde werd beschouwd als de hartslag in slagen per minuut.

Dat is het! U heeft nu een ECG-signaal verzameld en geanalyseerd!