Digitale ECG- en hartslagmonitor: 7 stappen (met afbeeldingen)

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

Een elektrocardiogram, of ECG, is een zeer oude methode voor het meten en analyseren van de gezondheid van het hart. Het signaal dat van een ECG wordt afgelezen, kan wijzen op een gezond hart of een reeks problemen. Een betrouwbaar en nauwkeurig ontwerp is belangrijk, want als het ECG-signaal een vervormde golfvorm of een onjuiste hartslag vertoont, kan een verkeerde diagnose worden gesteld. Het doel is om een ECG-circuit te ontwerpen dat het ECG-signaal kan opvangen, versterken en filteren. Converteer dat signaal vervolgens via een A/D-converter naar Labview om een realtime grafiek en hartslag in BPM van het ECG-signaal te produceren. De uitgangsgolfvorm zou er als deze afbeelding uit moeten zien.

Dit is geen medisch apparaat. Dit is alleen voor educatieve doeleinden waarbij gebruik wordt gemaakt 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 de juiste isolatietechnieken gebruiken

Stap 1: Het circuit ontwerpen

De schakeling moet in staat zijn om een ECG-signaal op te vangen en te versterken. Om dat te doen, zullen we drie actieve filters combineren; een Instrumentation Amplifier, een Second Order Butterworth Low-Pass filter en een Notch Filter. Het ontwerp van deze circuits is te zien in de afbeeldingen. We zullen ze een voor een doornemen en ze dan samenvoegen om het volledige circuit te voltooien.

Stap 2: Instrumentatieversterker

De versterking van de instrumentatieversterker moet 1000 V/V zijn om een goed signaal te krijgen. Versterking door de instrumentatieversterker gebeurt in twee fasen. De eerste fase bestaat uit de twee opamps aan de linkerkant en weerstand R1 en R2 en de tweede versterkingstrap bestaat uit de opamp aan de rechterkant en weerstanden R3 en R4. De versterking (versterking) voor fase 1 en fase 2 wordt gegeven in vergelijking (1) en (2).

Fase 1 winst: K1 = 1 + (2R2/R1) (1)

Fase 2 versterking: K2 = R4/R3 (2)

Een belangrijke opmerking over versterking in circuits is dat deze multiplicatief is; bijv. de versterking van het totale circuit in figuur 2 is K1 * K2. Deze vergelijkingen produceren de waarden die in het schema worden weergegeven. De materialen die nodig zijn voor dit filter zijn drie LM741 opamps, drie 1k ohm weerstanden, twee 24,7 kohm weerstanden en twee 20 kohm weerstanden.

Stap 3: Inkepingsfilter

De volgende fase is een Notch Filter om ruis bij 60 Hz uit te schakelen. Deze frequentie moet worden uitgeschakeld omdat er veel extra ruis is bij 60 Hz als gevolg van interferentie van het elektriciteitsnet, maar het haalt niets significants uit het ECG-signaal. De waarden voor de componenten die in het circuit worden gebruikt, zijn gebaseerd op de frequentie die u wilt uitfilteren, in dit geval 60 Hz (377 rad/s). De componentvergelijkingen zijn als volgt

R1= 1/ (6032*C)

R2= 16 / (377*C)

R3 = (R1R2)/ (R1 + R2)

De benodigde materialen hiervoor waren één LM741 opamp, drie weerstanden met waarden 1658 ohm, 424,4 kohm en 1651 ohm en 3 condensatoren, twee bij 100 nF en één bij 200 nF.

Stap 4: Laagdoorlaatfilter

De laatste fase is een Second Order Butterworth Low-pass filter met een afsnijfrequentie van 250 Hz. Dit is de afsnijfrequentie omdat een ECG-signaal maximaal 250 Hz is. De vergelijkingen voor de waarden van de componenten in het filter zijn gedefinieerd in de volgende vergelijkingen:

R1 = 2/ (1571(1.4C2 + sorteren(1.4^2 * C2^2 - 4C1C2)))

R2 = 1 / (1571*C1*C2*R1)

C1 < (C2 *1,4^2) / 4

De benodigde materialen voor dit filter waren één LM741 opamp, twee weerstanden van 15,3 kohm en 25,6 kohm en twee condensatoren van 47 nF en 22 nF.

Zodra alle drie de fasen zijn ontworpen en gebouwd, zou het uiteindelijke circuit eruit moeten zien als op de foto.

Stap 5: Het circuit testen

Nadat het circuit is gebouwd, moet het worden getest om te controleren of het goed werkt. Op elk filter moet een AC-sweep worden uitgevoerd met behulp van een cardiaal ingangssignaal op 1 Hz van een spanningsgenerator. De magnituderespons in dB moet eruitzien als de afbeeldingen. Als de resultaten van de AC-sweep correct zijn, is het circuit voltooid en klaar voor gebruik. Als de antwoorden niet correct zijn, moet het circuit worden gedebugd. Begin met het controleren van alle aansluitingen en stroomingangen om er zeker van te zijn dat alles een goede verbinding heeft. Als dit het probleem niet oplost, gebruik dan de vergelijkingen voor de componenten van de filters om de waarden van resists en condensatoren naar behoefte aan te passen totdat de output is waar hij zou moeten zijn.

Stap 6: Een VUI bouwen in Labview

Labview is software voor digitale data-acquisitie waarmee een gebruiker een VUI of virtuele gebruikersinterface kan ontwerpen. Een DAQ-bord is een A/D-converter die het ECG-signaal kan omzetten en verzenden naar Labview. Met behulp van deze software kan het ECG-signaal worden uitgezet op een amplitude versus tijdgrafiek om het signaal duidelijk te lezen en het signaal vervolgens om te zetten in een hartslag in BPM. Het eerste dat hiervoor nodig is, is een DAQ-bord dat gegevens verwerft en omzet in een digitaal signaal om naar Labview op de computer te sturen. Het eerste dat aan het Labview-ontwerp moest worden toegevoegd, was DAQ Assistant, die het signaal van het DAQ-bord ontvangt en de bemonsteringsparameters definieert. De volgende stap is het aansluiten van een golfvormgrafiek op de uitgang van de DAQ-assistent op het VUI-ontwerp die het ECG-signaal plot met de ECG-golfvorm. Nu de golfvormgrafiek voltooid is, moeten de gegevens ook worden geconverteerd om een numerieke uitvoer van de hartslag te produceren. De eerste stap in deze berekening was het vinden van het maximum van de ECG-gegevens door het max/min-element te verbinden met de uitvoer van de DAQ-gegevens in de VUI en dit vervolgens uit te voeren naar een ander element genaamd piekdetectie en naar een element dat de verandering in de tijd genaamd dt. Het piekdetectie-element had ook een drempel nodig van de max/min die werd berekend door het maximum van het max min-element te nemen en dit te vermenigvuldigen met 0,8 om 80% van de maximale waarde te vinden, en vervolgens ingevoerd in het piekdetectie-element. Met deze drempel kon het piekdetectie-element het maximum van de R-golf en de locatie vinden waar het maximum plaatsvond, terwijl de andere pieken van het signaal werden genegeerd. De locaties van de pieken werden vervolgens verzonden naar een indexarray-element dat vervolgens op de VUI werd toegevoegd. Het index array-element was ingesteld om op array op te slaan met en index beginnend bij 0, en vervolgens een ander beginnend met een index van 1. Vervolgens werden deze van elkaar afgetrokken om het verschil van de twee pieklocaties te vinden, wat overeenkomt met het aantal aantal punten tussen elke piek. Het aantal punten vermenigvuldigd met het tijdsverschil tussen elk punt geeft de tijd die nodig is om elke beat te laten plaatsvinden. Dit werd bereikt door de uitvoer van het dt-element en de uitvoer van het aftrekken van de twee arrays te vermenigvuldigen. Dit aantal werd vervolgens gedeeld door 60 om het aantal slagen per minuut te vinden en vervolgens uitgevoerd met behulp van een numeriek indicatorelement op de VUI. De opzet van het VUI-ontwerp in Labview is weergegeven in de figuur.

Stap 7: Zet het allemaal bij elkaar

Zodra de VUI klaar is op Labview, is de laatste stap om het circuit aan te sluiten op het DAQ-bord, zodat het signaal door het circuit loopt, het bord in en vervolgens naar Labview. Als alles goed werkt, moet een signaal van 1 Hz de in de afbeelding weergegeven golfvorm en een hartslag van 60 slagen per minuut produceren. Nu hebt u een functionerende ECG en digitale hartslagmeter.