ECG en hartslagmeter: 7 stappen (met afbeeldingen)

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 van de belangrijkste diagnostische hulpmiddelen die worden gebruikt om deze aandoeningen te detecteren, is het elektrocardiogram (ECG). Een elektrocardiogram werkt door de elektrische impuls door uw hart te volgen en terug te sturen naar de machine [1]. Het signaal wordt opgevangen door elektroden die op het lichaam zijn geplaatst. Plaatsing van de elektroden is cruciaal voor het oppikken van de fysiologische signalen, omdat ze werken door het potentiaalverschil over het lichaam te registreren. De standaard plaatsing van elektroden is om de Einthoven-driehoek te gebruiken. Hier wordt één elektrode op de rechterarm, linkerarm en linkerbeen geplaatst. Het linkerbeen fungeert als aarde voor de elektroden en pikt de frequentieruis in het lichaam op. De rechterarm heeft een negatieve elektrode en de linker heeft een positieve elektrode om het potentiaalverschil over de borstkas te berekenen en zo de elektrische energie van het hart op te vangen [2]. Het doel van dit project was om een apparaat te creëren dat met succes een ECG-signaal en geeft het signaal duidelijk weer zonder ruis en met toevoeging van een hartslagmeting.

Stap 1: Materialen en gereedschappen

• Diverse weerstanden en condensatoren
• Breadboard
• Functiegenerator
• Oscilloscoop
• DC-voeding:
• Op-amps
• Computer waarop LABView is geïnstalleerd
• BNC-kabels
• DAQ-assistent

Stap 2: Instrumentatieversterker bouwen

Om het bio-elektrische signaal adequaat te versterken, moet de totale versterking van de tweetraps instrumentatieversterker 1000 zijn. Elke trap wordt vermenigvuldigd om de algehele versterking te krijgen en de vergelijkingen die worden gebruikt om de afzonderlijke fasen te berekenen, worden hieronder weergegeven.

Fase 1 versterking: K1=1+2*R2/R1 Fase 2 versterking: K2= -R4/R3

Met behulp van de bovenstaande vergelijkingen waren de weerstandswaarden die we gebruikten R1 = 10kΩ, R2 = 150kΩ, R3 = 10kΩ en R4 = 33kΩ. Om ervoor te zorgen dat deze waarden de gewenste output opleveren, kunt u deze online simuleren of na het bouwen van de fysieke versterker testen met een oscilloscoop.

Nadat u de geselecteerde weerstanden en de op-amps in het breadboard hebt aangesloten, moet u de op-amps ±15V van een DC-voeding voorzien. Sluit vervolgens de functiegenerator aan op de ingang van de instrumentatieversterker en de oscilloscoop op de uitgang.

De bovenstaande foto laat zien dat de voltooide instrumentatieversterker eruit zal zien in het breadboard. Om te controleren of het goed werkt, stelt u de functiegenerator in om een sinusgolf van 1 kHz te produceren met een piek-tot-piek-amplitude van 20 mV. De uitvoer van de versterker op de oscilloscoop moet een piek-tot-piek-amplitude van 20 V hebben, aangezien er een versterking van 1000 is, als deze goed werkt.

Stap 3: Bouw Notch-filter

Vanwege de stroomlijnruis was een filter nodig om ruis uit te filteren bij 60 Hz, de stroomlijnruis in de Verenigde Staten. Er werd een notch-filter gebruikt omdat het een specifieke frequentie filtert. De volgende vergelijkingen werden gebruikt om de weerstandswaarden te berekenen. Een kwalitatieve factor (Q) van 8 werkte goed en er werden condensatorwaarden van 0,1uF gekozen vanwege het gemak van de constructie. De frequentie in de vergelijkingen (afgebeeld als w) is de kerffrequentie 60Hz vermenigvuldigd met 2π.

R1=1/(2QwC)

R2=2Q/(wK)

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

Met behulp van de bovenstaande vergelijkingen waren de weerstandswaarden die we gebruikten R1=1,5kΩ, R2=470kΩ en R3=1,5kΩ. Om ervoor te zorgen dat deze waarden de gewenste output opleveren, kunt u deze online simuleren of na het bouwen van de fysieke versterker testen met een oscilloscoop.

De afbeelding hierboven laat zien hoe het voltooide notch-filter eruit zal zien in het breadboard. De opstelling voor op-amps is hetzelfde als de instrumentatieversterker en de functiegenerator moet nu worden ingesteld om een sinusgolf op 1 kHz te produceren met een piek-tot-piek-amplitude van 1V. Als u een AC Sweep uitvoert, moet u kunnen controleren of frequenties rond 60 Hz worden uitgefilterd.

Stap 4: Bouw een laagdoorlaatfilter

Om de hoogfrequente ruis die niet gerelateerd is aan het ECG eruit te filteren is een laagdoorlaatfilter gemaakt met een afsnijfrequentie van 150 Hz.

R1=2/(w[aC2+sqrt(a2+4b(K-1))C2^2-4b*C1*C2)

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

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

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

R4=K(R1+R2)

Met behulp van de bovenstaande vergelijkingen waren de weerstandswaarden die we gebruikten R1 = 12kΩ, R2 = 135kΩ, C1 = 0,01 F en C2 = 0,068 F. De waarden voor R3 en R4 waren uiteindelijk nul omdat we wilden dat de versterking, K, van het filter nul was, daarom gebruikten we draden in plaats van weerstanden hier in de fysieke opstelling. Om ervoor te zorgen dat deze waarden de gewenste output opleveren, kunt u deze online simuleren of na het bouwen van de fysieke versterker testen met een oscilloscoop.

Om het fysieke filter te bouwen, sluit u de gekozen weerstanden en condensatoren aan op de op-amp zoals weergegeven in het schema. Zet de op-amp aan en sluit de functiegenerator en oscilloscoop aan op dezelfde manier als beschreven in de vorige stappen. Stel de functiegenerator in om een sinusgolf te produceren op 150 Hz en met een piek-tot-piek-amplitude van ongeveer 1 V. Aangezien 150 Hz de afsnijfrequentie zou moeten zijn, als het filter goed werkt, moet de magnitude 3dB zijn bij deze frequentie. Dit zal u vertellen of het filter correct is ingesteld.

Stap 5: Verbind alle componenten met elkaar

Nadat elk onderdeel is gebouwd en afzonderlijk is getest, kunnen ze allemaal in serie worden geschakeld. Sluit de functiegenerator aan op de ingang van de instrumentatieversterker en verbind vervolgens de uitgang daarvan met de ingang van het notchfilter. Doe dit opnieuw door de uitgang van het notch-filter aan te sluiten op de ingang van het laagdoorlaatfilter. De uitgang van het laagdoorlaatfilter moet dan worden aangesloten op de oscilloscoop.

Stap 6: LabVIEW instellen

De ECG-hartslaggolfvorm werd vervolgens vastgelegd met behulp van een DAQ-assistent en LabView. Een DAQ-assistent verwerft analoge signalen en definieert de bemonsteringsparameters. Sluit de DAQ-assistent aan op de functiegenerator die een hartsignaal uitgeeft en op de computer met LabView. Stel LabView in volgens het hierboven getoonde schema. De DAQ-assistent zal de hartgolf van de functiegenerator binnenhalen. Voeg ook de golfvormgrafiek toe aan uw LabView-configuratie om de grafiek te bekijken. Gebruik numerieke operators om een drempel voor de maximale waarde in te stellen. In het getoonde schema is 80% gebruikt. Piekanalyse moet ook worden gebruikt om pieklocaties te vinden en deze te koppelen aan de verandering in de tijd. Vermenigvuldig de piekfrequentie met 60 om het aantal slagen per minuut te berekenen en dit getal werd naast de grafiek weergegeven.

Stap 7: U kunt nu een ECG opnemen

[1] "Elektrocardiogram - Hartinformatiecentrum van het Texas Heart Institute." [Online]. Beschikbaar: https://www.texasheart.org/HIC/Topics/Diag/diekg.cfm. [Betreden: 09-dec-2017].

[2] "De ECG-leads, polariteit en de driehoek van Einthoven - de studentenfysioloog." [Online]. Beschikbaar: https://thephysiologist.org/study-materials/the-ecg-leads-polarity-and-einthovens-triangle/. [Betreden: 10-dec-2017].