Bio-elektrische signalen opnemen: ECG en hartslagmeter: 7 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.

Een elektrocardiogram (ECG) is een test waarbij oppervlakte-elektroden op een gespecificeerde manier op een proefpersoon worden geplaatst om de elektrische activiteit van het hart van de proefpersoon te detecteren en te meten [1]. Een ECG heeft veel toepassingen en kan dienen als hulpmiddel bij de diagnose van hartaandoeningen, stresstests en observatie tijdens een operatie. Een ECG kan ook veranderingen in hartslag, aritmieën, een hartaanval en vele andere ervaringen en ziekten detecteren [1] die ook in de bovenstaande probleemstelling worden beschreven. Het hartsignaal gemeten door een ECG produceert drie verschillende golfvormen die een live feed van het functionerende hart weergeven. Deze worden getoond in de afbeelding hierboven.

Het doel van dit project is om een apparaat te maken dat het ECG-signaal van een outputgenerator of een mens kan verkrijgen en het signaal kan reproduceren terwijl ruis wordt geëlimineerd. De output van het systeem berekent ook de BPM.

Laten we beginnen!

Stap 1: Verzamel alle materialen

Om dit ECG te maken, zullen we een systeem maken dat uit twee grote delen bestaat, het circuit en het LabVIEW-systeem. Het doel van het circuit is ervoor te zorgen dat we het signaal krijgen dat we willen. Er is veel omgevingsgeluid dat ons ECG-signaal kan overstemmen, dus we moeten ons signaal versterken en ruis wegfilteren. Nadat het signaal door het circuit is gefilterd en versterkt, kunnen we het verfijnde signaal naar een LabVIEW-programma sturen dat de golfvorm weergeeft en de BPM berekent. De volgende materialen zijn nodig voor dit project:

- Weerstand, condensator en operationele versterker (op-amps - UA741 werd gebruikt) elektrische componenten

- Soldeerloze breadboard voor bouwen en testen

-DC voeding om stroom te leveren aan op-amps

-Functiegenerator om bio-elektrisch signaal te leveren

-Oscilloscoop om het ingangssignaal te bekijken

-DAQ-bord om signaal van analoog naar digitaal om te zetten

-LabVIEW-software voor observatie van uitgangssignaal

-BNC en variabele eindkabels

Stap 2: Het circuit ontwerpen

Zoals we zojuist hebben besproken, is het noodzakelijk om ons signaal zowel te filteren als te versterken. Om dit te doen, kunnen we 3 verschillende fasen van ons circuit opzetten. Eerst moeten we ons signaal versterken. Dit kan door gebruik te maken van een instrumentatieversterker. Op deze manier is ons ingangssignaal veel beter te zien in het eindproduct. We moeten dan een notch-filter in serie hebben met deze instrumentatieversterker. Het notch-filter wordt gebruikt om de ruis van onze stroombron te elimineren. Daarna kunnen we een laagdoorlaatfilter hebben. Aangezien ECG-metingen meestal een lage frequentie hebben, willen we alle frequenties afsnijden die zich op een frequentie bevinden die buiten onze ECG-leesgrenzen ligt, dus gebruiken we een laagdoorlaatfilter. Deze fasen worden in de volgende stappen nader toegelicht.

Als je problemen hebt met je circuit, kun je het circuit het beste simuleren in een online programma. Op deze manier kunt u controleren of uw berekeningen voor weerstands- en condensatorwaarden correct zijn.

Stap 3: De instrumentatieversterker ontwerpen

Om het bio-elektrische signaal efficiënter te kunnen observeren, moet het signaal worden versterkt. Voor dit project is de totale winst om te bereiken 1000 V/V. Om de gespecificeerde versterking van de instrumentatieversterker te bereiken, werden weerstandswaarden voor het circuit berekend met de volgende vergelijkingen:

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

(Fase 2) K2 = -R4 / R3

Waarbij elk van de fasen wordt vermenigvuldigd om de totale winst te berekenen. Weerstandswaarden gekozen om een versterking van 1000 V/V te creëren zijn R1 = 10 kOhm, R2 = 150 kOhm, R3 = 10 kOhm en R4 = 330 kOhm. Gebruik de DC-voeding om een spanningsbereik van +/- 15 V te geven (waarbij de stroomlimiet laag blijft) om de op-amps van het fysieke circuit van stroom te voorzien. Als u de werkelijke waarden van de weerstanden wilt controleren, of deze winst wilt bereiken voordat u gaat bouwen, kunt u het circuit simuleren met een programma zoals PSpice of CircuitLab online, of een oscilloscoop met een gegeven ingangssignaalspanning gebruiken en controleren op de ware winst na het bouwen van een fysieke versterker. Sluit de functiegenerator en oscilloscoop aan op de versterker om het circuit te laten lopen.

De foto hierboven laat zien hoe het circuit eruitziet in simulatiesoftware PSpice. Om te controleren of uw circuit goed werkt, levert u een 1 kHz 10 mV piek-tot-piek sinusgolf van de functiegenerator, door het circuit en naar de oscilloscoop. Op de oscilloscoop moet een 10 V piek-tot-piek sinusgolf worden waargenomen.

Stap 4: Het inkepingsfilter ontwerpen

Een specifiek probleem bij het omgaan met deze schakeling is het feit dat een 60 Hz ruissignaal wordt geproduceerd door voedingslijnen in de Verenigde Staten. Om deze ruis te verwijderen, moet het ingangssignaal in het circuit worden gefilterd op 60 Hz, en wat is een betere manier om dat te doen dan met een notch-filter!

Een notch-filter (de hierboven afgebeelde schakeling) is een bepaald type elektrisch filter dat kan worden gebruikt om een specifieke frequentie uit een signaal te verwijderen. Om het 60 Hz-signaal te verwijderen, hebben we de volgende vergelijkingen berekend:

R1 = 1 / (2 * Q * w * C)

R2 = (2 * Q) / (w * C)

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

Q = w / B

B = w2 - w1

Gebruik een kwaliteitsfactor (Q) van 8 om een behoorlijk nauwkeurig filter te ontwerpen, een capaciteit (C) van 0,033 uFarads voor eenvoudigere montage en een middenfrequentie (w) van 2 * pi * 60 Hz. Dit berekende met succes waarden voor de weerstanden R1 = 5,024 kOhm, R2 = 1,2861 MOhm en R3 = 5,004 kOhm, en creëerde met succes een filter om een 60 Hz-frequentie uit het bio-elektrische ingangssignaal te verwijderen. Als u het filter wilt controleren, kunt u het circuit simuleren met een programma zoals PSpice of CircuitLab online, of een oscilloscoop gebruiken met een bepaald ingangssignaalvoltage en controleren op het verwijderde signaal na het bouwen van een fysieke versterker. Sluit de functiegenerator en oscilloscoop aan op de versterker om het circuit te laten lopen.

Het uitvoeren van een AC-sweep met dit circuit over een frequentiebereik van 1 Hz tot 1 kHz bij een piek-tot-pieksignaal van 1 V zou een functie van het type "notch" moeten opleveren bij 60 Hz in de uitvoergrafiek, die van de invoer wordt verwijderd signaal.

Stap 5: Het laagdoorlaatfilter ontwerpen

De laatste fase van het circuit is het laagdoorlaatfilter, met name een Second Order Butterworth laagdoorlaatfilter. Dit wordt gebruikt om ons ECG-signaal te isoleren. ECG-golfvormen liggen meestal binnen de frequentiegrenzen van 0 tot ~ 100 Hz. We berekenen dus onze weerstands- en condensatorwaarden op basis van de afsnijfrequentie van 100 Hz en een kwaliteitsfactor van 8, wat ons een relatief nauwkeurig filter zou geven.

R1=2/(w[aC2+sqrt(a2+4b(K-1))

C2^2-4b*C1*C2) R2=1/(b*C1*C2*R1*w^2)

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

De waarden die we berekenden, waren R1 = 81.723kOhms, R2 = 120.92kOHms, C1 = 0.1 microFarads en C2 = 0.045 microFarads. Voed de op-amps met een gelijkspanning van + en - 15V. Als u het filter wilt controleren, kunt u het circuit simuleren met een programma zoals PSpice of CircuitLab online, of een oscilloscoop met een gegeven ingangssignaalspanning gebruiken en controleren op het verwijderde signaal na het bouwen van een fysieke versterker. Sluit de functiegenerator en oscilloscoop aan op de versterker om het circuit te laten lopen. Bij de afsnijfrequentie zou je een magnitude van -3 dB moeten zien. Dit geeft aan dat uw circuit correct functioneert.

Stap 6: LabVIEW instellen

Nu de schakeling is gemaakt, willen we ons signaal kunnen interpreteren. Om dit te doen, kunnen we LabVIEW gebruiken. Een DAQ-assistent kan worden gebruikt om het signaal van het circuit te verkrijgen. Stel na het openen van LabVIEW de schakeling in zoals weergegeven in het bovenstaande schema. De DAQ-assistent neemt deze invoerwaarde van het circuit en het signaal gaat naar de golfvormgrafiek. Hierdoor kunt u de ECG-golfvorm zien!

Vervolgens willen we de BPM berekenen. De opstelling hierboven zal dit voor u doen. Het programma werkt door eerst de maximale waarden van het binnenkomende ECG-signaal te nemen. Met de drempelwaarde kunnen we alle nieuwe waarden detecteren die binnenkomen en een percentage van onze maximale waarde bereiken (in dit geval 90%). De locaties van deze waarden worden vervolgens naar de indexeringsmatrix verzonden. Aangezien indexering begint bij 0, willen we het 0e en 1e punt nemen en de verandering in tijd daartussen berekenen. Dit geeft ons de tijd tussen de beats. Vervolgens extrapoleren we die gegevens om de BPM te vinden. Dit wordt met name gedaan door de uitvoer van het dt-element en de uitvoer van de aftrekking tussen de twee waarden in de indexeringsarrays te vermenigvuldigen en vervolgens te delen door 60 (aangezien we converteren naar minuten).

Stap 7: Sluit alles aan en test het uit

Sluit de schakeling aan op de ingang van het DAQ-bord. Het signaal dat u invoert, gaat nu door het circuit naar het DAQ-bord en het LabVIEW-programma voert de golfvorm en de berekende BPM uit.

Proficiat!