Enkelt EKG og pulsdetektor: 10 trinn

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:25

MERKNAD: Dette er ikke et medisinsk utstyr. Dette er kun for utdanningsformål ved bruk av simulerte signaler. Hvis du bruker denne kretsen for ekte EKG-målinger, må du kontrollere at kretsen og krets-til-instrument-tilkoblingene bruker riktige isolasjonsteknikker

I dag går vi gjennom grunnleggende elektrokardiografi (EKG) kretsdesign og lager en krets for å forsterke og filtrere hjertets elektriske signal. Deretter kan vi måle pulsen ved hjelp av labVIEW -programvare. Gjennom hele prosessen vil jeg gi detaljert instruksjon om elementer i kretsdesign og hvorfor de oppstod, samt litt biologisk bakgrunn. Tittelbildet er av mitt hjertes elektriske signal. Ved slutten av denne instruksen vil du også kunne måle din. La oss komme i gang!

EKG er et nyttig diagnostisk verktøy for medisinske fagfolk. Den kan brukes til å diagnostisere en rekke hjertesykdommer, fra det grunnleggende hjerteinfarkt (hjerteinfarkt), helt til mer avanserte hjertesykdommer, for eksempel atrieflimmer, at mennesker kan gå et flertall av livet uten å legge merke til det. For hvert hjerteslag jobber ditt autonome nervesystem hardt for å få hjertet ditt til å slå. Den sender elektriske signaler til hjertet, som beveger seg fra SA -noden til AV -noden, og deretter til venstre og høyre ventrikkel synkront, og til slutt fra endokardiet til epikardium og purkinje -fibrene, hjerter siste forsvarslinje. Denne komplekse biologiske kretsen kan ha problemer hvor som helst på veien, og EKG kan brukes til å diagnostisere disse problemene. Jeg kunne snakke biologi hele dagen, men det er allerede en bok om emnet, så sjekk "EKG -diagnose i klinisk praksis" av Nicholas Peters, Michael Gatzoulis og Romeo Vecht. Denne boken er ekstremt lettlest og demonstrerer den fantastiske bruken av et EKG.

For å lage EKG trenger du følgende komponenter eller akseptable substitusjoner.

• For kretsdesign:

  • Brødbrett
  • OP -forsterkere x 5
  • Motstander
  • Kondensatorer
  • Ledninger
  • Alligator Clips, eller andre metoder for stimulering og måling
  • BNC kabler
  • Funksjonsgenerator
  • Oscilloskop
  • DC -strømforsyning, eller batterier hvis du er hendig

• For pulsdeteksjon:

  • LabView
  • DAQ -styret

• For biologisk signalmåling*

  • Elektroder
  • Alligatorklips eller elektrodeledninger

*Jeg la en advarsel ovenfor, og jeg vil diskutere farene ved elektriske komponenter for menneskekroppen litt mer. Ikke koble dette EKG til deg selv med mindre du har forsikret deg om at du bruker riktige isolasjonsteknikker. Hvis du kobler til strømdrevne enheter som strømforsyninger, oscilloskoper og datamaskiner direkte til kretsen, kan det føre til at store strømmer strømmer gjennom kretsen i tilfelle strømovergang. Vennligst isoler kretsen fra strømnettet ved å bruke batteristrøm og andre isolasjonsteknikker.

Neste 'Jeg skal diskutere den morsomme delen; Kretsdesignelementer!

Trinn 1: Kretsdesignspesifikasjoner

Nå skal jeg snakke kretsdesign. Jeg vil ikke diskutere kretsskjemaer, da de vil bli gitt etter denne delen. Denne delen er for folk som ønsker å forstå hvorfor vi valgte komponentene vi gjorde.

Bildet ovenfor, hentet fra laboratoriehåndboken min ved Purdue University, gir oss nesten alt vi trenger å vite for å designe en grunnleggende EKG-krets. Dette er frekvenssammensetningen til et ufiltrert EKG -signal, med en generisk "amplitude" (y -akse) som refererer til et dimensjonsløst tall for sammenligningsformål. La oss snakke design!

A. Instrumenteringsforsterker

Instrumenteringsforsterkeren vil være den første fasen i kretsen. Dette allsidige verktøyet buffrer signal, reduserer støy i vanlig modus og forsterker signalet.

Vi tar et signal fra menneskekroppen. Noen kretser lar deg bruke målekilden som strømforsyning, siden det er tilstrekkelig ladning tilgjengelig uten risiko for skade. Imidlertid ønsker vi ikke å skade menneskene våre, så vi må buffre signalet vi er interessert i å måle. En instrumenteringsforsterkere lar deg buffere biologiske signaler, siden Op Amp-inngangene har teoretisk uendelig impedans (dette er ikke tilfellet i praksis, men impedansen er vanligvis tilstrekkelig høy), noe som betyr at ingen strøm (teoretisk) kan strømme inn i inngangen terminaler.

Menneskekroppen har støy. Signaler fra muskler kan føre til at denne støyen manifesterer seg i EKG -signaler. For å redusere denne støyen kan vi bruke en differensialforsterker for å redusere støy i vanlig modus. I hovedsak ønsker vi å trekke fra støyen som er tilstede i underarmsmuskulaturen ved to elektrodeplasseringer. En instrumenteringsforsterker inkluderer en differensforsterker.

Signaler i menneskekroppen er små. Vi må forsterke disse signalene slik at de kan måles med en passende oppløsning ved hjelp av elektriske måleenheter. En instrumenteringsforsterker gir den gevinsten som er nødvendig for å gjøre dette. Se vedlagte lenke for mer informasjon om instrumenteringsforsterkere.

www.electronics-tutorial.net/amplifier/instrumentation-amplifier/index.html

B. Hakkfilter

Kraftledninger i USA produserer en "strømnettet" eller "kraftlinjestøy" på nøyaktig 60 Hz. I andre land skjer dette ved 50 Hz. Vi kan se denne støyen ved å se på bildet ovenfor. Siden EKG -signalet vårt fortsatt er noe innenfor interessebåndet, ønsker vi å fjerne denne støyen. For å fjerne denne støyen kan et hakkfilter brukes, noe som reduserer forsterkning ved frekvenser innenfor hakket. Noen mennesker er kanskje ikke interessert i de høyere frekvensene på EKG -spekteret, og kan velge å lage et lavpassfilter med en cutoff under 60 Hz. Vi ønsket imidlertid å ta feil på den sikre siden og motta så mye av signalet som mulig, så det ble valgt et hakkfilter og lavpassfilter med høyere cutoff -frekvens.

Se den vedlagte lenken for mer informasjon om hakkfiltre.

www.electronics-tutorials.ws/filter/band-st…

C. Andreordens Butterworth VCVS lavpassfilter

Frekvenssammensetningen til et EKG -signal strekker seg bare så langt. Vi ønsker å eliminere signaler ved høyere frekvenser, siden det for våre formål bare er støy. Signaler fra mobiltelefonen, en blå tann eller bærbar datamaskin er overalt, og disse signalene vil forårsake uakseptabel støy i EKG -signalet. De kan elimineres med et Butterworth lavpassfilter. Vår valgte cutoff -frekvens var 220 Hz, som i ettertid var litt høy. Hvis jeg skulle lage denne kretsen igjen, ville jeg valgt en cutoff -frekvens som var mye lavere enn det, og kanskje til og med eksperimentere med en cutoff -frekvens under 60 Hz og bruke et filter av høyere orden i stedet!

Dette filteret er andre orden. Dette betyr at gevinsten "ruller av" med en hastighet på 40 db/tiår i stedet for 20 db/tiår som et første ordens filter ville. Denne brattere avrullingen gir større demping av høyfrekvent signal.

Et Butterworth -filter ble valgt siden det er "maksimalt flatt" i passbåndet, noe som betyr at det ikke er noen forvrengning i passbåndet. Hvis du er interessert, inneholder denne lenken fantastisk informasjon om grunnleggende andreordens filterdesign:

www.electronics-tutorials.ws/filter/second-…

Nå som vi har snakket kretsdesign, kan vi starte byggingen.

Trinn 2: Konstruer instrumentforsterkeren

Denne kretsen vil buffere inngang, trekke fra vanlig modusstøy og forsterke signalet med en forsterkning på 100. Kretsskjematiske og tilhørende designlikninger er vist ovenfor. Dette ble opprettet ved hjelp av OrCAD Pspice -designer og simulert med Pspice. Skjematikken blir litt uklar når den kopieres fra OrCAD, så jeg beklager dette. Jeg har redigert bildet for å forhåpentligvis gjøre noen av motstandsverdiene litt tydeligere.

Husk at når du oppretter kretser, bør rimelige motstands- og kapasitansverdier velges slik at den praktiske impedansen til spenningskilden, den praktiske impedansen til spenningsmåleenheten og den fysiske størrelsen på motstandene og kondensatorene tas i betraktning.

Designlikningene er oppført ovenfor. I utgangspunktet ønsket vi at gevinsten til instrumenteringsforsterkeren skulle være x1000, og vi opprettet denne kretsen slik at vi kunne forsterke simulerte signaler. Når vi fester den til kroppen vår, ønsket vi imidlertid å redusere gevinsten til 100 av sikkerhetsmessige årsaker, siden brødbrett ikke akkurat er de mest stabile kretsgrensesnittene. Dette ble gjort ved hot-swapping motstand 4 for å bli redusert med en faktor på ti. Ideelt sett vil gevinsten din fra hvert trinn i instrumenteringsforsterkeren være den samme, men i stedet ble gevinsten 31,6 for trinn 1 og 3,16 for trinn 2, noe som gir en gevinst på 100. Jeg har vedlagt kretsskjemaet for en gevinst på 100 i stedet for 1000. Du vil fortsatt se simulerte og biologiske signaler helt fine med dette forsterkningsnivået, men det er kanskje ikke ideelt for digitale komponenter med lav oppløsning.

Merk, i kretsskjemaet har jeg ordene "bakken inngang" og "positiv inngang" tegnet i oransje tekst. Jeg plasserte funksjonsinngangen ved et uhell der bakken skal være. Vennligst sett bakken der "bakkeinngang" er notert, og funksjonen der "positiv inngang" er notert.

• Sammendrag

  • Fase 1 - 31,6
  • Fase 2 - 3,16 av sikkerhetshensyn

Trinn 3: Konstruer hakkfilteret

Dette hakkfilteret eliminerer 60 Hz støy fra amerikanske kraftledninger. Siden vi vil at dette filteret skal hakke på nøyaktig 60 Hz, er det avgjørende å bruke riktige motstandsverdier.

Designlikningene er oppført ovenfor. En kvalitetsfaktor på 8 ble brukt, noe som resulterer i en brattere topp ved dempningsfrekvensen. En senterfrekvens (f0) på 60 Hz ble brukt, med en båndbredde (beta) på 2 rad/s for å gi demping ved frekvenser som avviker noe fra senterfrekvensen. Husk at den greske bokstaven omega (w) er i enheter av rad/s. For å konvertere fra Hz til rad/s må vi multiplisere senterfrekvensen vår, 60 Hz, med 2*pi. Beta måles også i rad/s.

• Verdier for designlikninger

  • w0 = 376,99 rad/s
  • Beta (B) = 2 rad/s
  • Q = 8
• Herfra ble rimelige verdier av motstand og kapasitans valgt for å konstruere kretsen.

Trinn 4: Konstruer lavpassfilteret

Et lavpassfilter brukes til å eliminere høye frekvenser vi ikke er interessert i å måle, for eksempel mobiltelefonsignaler, Bluetooth-kommunikasjon og WiFi-støy. Et aktivt andreordens VCVS Butterworth -filter gir et maksimalt flatt (rent) signal i båndpassområdet med en avrulling på -40 db/tiår i dempningsområdet.

Designlikningene er oppført ovenfor. Disse ligningene er litt lange, så husk å sjekke regnestykket! Vær oppmerksom på at b og a verdier er nøye valgt for å gi flatt signal i bassområdet og jevn demping i avrullingsområdet. For mer informasjon om hvordan disse verdiene oppstår, se lenken i trinn 2, avsnitt C, "lavpassfilter".

Spesifikasjonen for C1 er ganske tvetydig, da den ganske enkelt er mindre enn en verdi basert på C2. Jeg beregnet det til å være mindre enn eller lik 22 nF, så jeg valgte 10 nF. Kretsen fungerte fint, og -3 db punktet var veldig nær 220 Hz, så jeg ville ikke bekymre meg for mye for dette. Husk igjen at vinkelfrekvensen (wc) i rad/s er lik cutoff -frekvensen i Hz (fc) * 2pi.

• Designbegrensninger

  • K (gevinst) = 1
  • b = 1
  • a = 1,4142
  • Avbruddsfrekvens - 220 Hz

Avbruddsfrekvensen på 220 Hz virket litt høy. Hvis jeg skulle gjøre dette igjen, ville jeg sannsynligvis komme nærmere 100 Hz, eller til og med rote rundt med et lavere pass på høyere orden med en cutoff på 50 Hz. Jeg oppfordrer deg til å prøve forskjellige verdier og skjemaer!

Trinn 5: Koble instrumenteringsforsterkeren, hakkfilteret og lavpassfilteret

Nå er det bare å koble utgangen til instrumenteringsforsterkeren til inngangen til hakkfilteret. Koble deretter utgangen til hakkfilteret til inngangen til lavpassfilteret.

Jeg har også lagt til bypass -kondensatorer fra likestrømforsyningen til bakken for å eliminere noe støy. Disse kondensatorene bør ha samme verdi for hver Op-Amp og minst 0,1 uF, men annet enn det, bruk gjerne en rimelig verdi.

Jeg prøvde å bruke en liten konvoluttkrets for å "glatte ut" det bråkete signalet, men det fungerte ikke etter hensikten, og jeg hadde lite tid, så jeg slettet denne ideen og brukte digital behandling i stedet. Dette ville være et kult ekstra trinn hvis du er nysgjerrig!

Trinn 6: Slå på kretsen, skriv inn en bølgeform og mål

Instruksjoner for å drive kretsen og ta målinger. Siden alles utstyr er forskjellig, er det ingen enkel måte jeg kan fortelle deg hvordan du legger inn og måler. Jeg har gitt grunnleggende instruksjoner her. Se forrige diagram for et eksempel på oppsett.

1. Koble funksjonsgeneratoren til instrumenteringsforsterkeren.

   • Positiv klipp til nedre Op-Amp i instrumentforsterkerdiagrammet
   • Negativt klipp til bakken.
   • Kort inngangen til den øvre Op-Amp i instrumentforsterkerdiagrammet til bakken. Dette vil gi en referanse for det innkommende signalet. (I biologiske signaler vil denne inngangen være en elektrode med den hensikt å redusere støy i vanlig modus.)

2. Koble det positive klippet til oscilloskopet til utgangen på siste trinn (utgang av lavpassfilter).

   • positivt klipp til utgang i siste fase
   • negativt klipp til bakken
3. Koble DC-strømforsyningen til skinnene, og sørg for at hver Op-Amp-inngang er kortsluttet til skinnen den tilsvarer.

4. Koble likestrømforsyningens jord til en gjenværende bunnskinne, og gi en referanse for ditt signal.

   kort bunnskinnebunnen til toppskinnebunnen, noe som skal tillate deg å rydde opp i kretsen

Start å legge inn en bølge og bruk oscilloskopet til å ta målinger! Hvis kretsen din fungerer som tiltenkt, bør du se en gevinst på 100. Dette vil bety at topp til topp spenning skal være 2V for et 20 mV signal. Hvis du fungerer som generator som en fancy hjertebølgeform, kan du prøve å legge den inn.

Rot med frekvenser og innganger for å sikre at filteret fungerer som det skal. Prøv å teste hvert trinn individuelt, og test deretter kretsen som helhet. Jeg har lagt ved et prøveeksperiment der jeg analyserte funksjonen til hakkfilteret. Jeg la merke til tilstrekkelig demping fra 59,5 Hz til 60,5 Hz, men jeg ville ha foretrukket å ha litt mer demping på punktene 59,5 og 60,5 Hz. Likevel var tiden avgjørende, så jeg gikk videre og tenkte at jeg kunne fjerne støyen digitalt senere. Her er noen spørsmål du vil vurdere for kretsen din:

• Er gevinsten 100?
• Kontroller forsterkningen ved 220 Hz. Er det -3 db eller i nærheten av det?
• Kontroller dempningen ved 60 Hz. Er det tilstrekkelig høyt? Gir den fortsatt en viss demping ved 60,5 og 59,5 Hz?
• Hvor fort ruller filteret fra 220 Hz? Er det -40 db/tiår?
• Går det noen strøm inn i noen av inngangene? I så fall er denne kretsen ikke egnet for menneskelig måling, og det er sannsynligvis noe galt med designet eller komponentene dine.

Hvis kretsen din fungerer etter hensikten, er du klar til å gå videre! Hvis ikke, har du litt feilsøking å gjøre. Sjekk utgangen fra hvert trinn individuelt. Sørg for at Op-Amps er drevet og funksjonell. Undersøk spenningen på hver node til du har funnet problemet med kretsen.

Trinn 7: LabVIEW pulsmåling

LabVIEW lar oss måle hjertefrekvensen ved hjelp av et logisk blokkdiagram. Gitt mer tid, ville jeg foretrukket å digitalisere dataene selv og lage kode som ville bestemme pulsen, da det ikke ville kreve datamaskiner med labVIEW installert og et heftig DAQ-kort. I tillegg kom ikke numeriske verdier i labVIEW intuitivt. Likevel var det å lære labVIEW en verdifull erfaring, ettersom bruk av blokkdiagramlogikk er mye enklere enn å måtte hardkode din egen logikk.

Det er ikke mye å si for denne delen. Koble utgangen til kretsen din til DAQ -kortet, og koble DAQ -kortet til datamaskinen. Lag kretsen som vises i følgende bilde, klikk "kjør", og begynn å samle data! Sørg for at kretsen din mottar en bølgeform.

Noen viktige innstillinger i dette er:

• en samplingsfrekvens på 500 Hz og en vindusstørrelse på 2500 enheter betyr at vi fanger opp data på 5 sekunder inne i vinduet. Dette bør være tilstrekkelig til å se 4-5 hjerterytme i ro, og mer under trening.
• En topp på 0,9 var tilstrekkelig for å oppdage hjertefrekvens. Selv om dette ser ut til å sjekke ut grafisk, tok det faktisk ganske lang tid å komme frem til denne verdien. Du bør rote rundt med dette til du nøyaktig beregner hjerteslag.
• En bredde på "5" syntes å være tilstrekkelig. Igjen, denne verdien ble tinkered med og syntes ikke å gi intuitiv mening.
• Den numeriske inngangen for å beregne hjertefrekvensen bruker en verdi på 60. Hver gang et hjerteslag er angitt, går det gjennom kretsen på lavere nivå og returnerer en 1 hver gang hjertet slår. Hvis vi deler dette tallet med 60, sier vi egentlig "dele 60 med antall slag som er beregnet i vinduet". Dette vil returnere pulsen din, i slag/min.

Det vedlagte bildet er av mitt eget hjerteslag i labVIEW. Det bestemte at hjertet mitt banket på 82 BPM. Jeg var ganske spent på å endelig få denne kretsen til å fungere!

Trinn 8: Menneskelig måling

Hvis du har bevist for deg selv at kretsen din er trygg og funksjonell, kan du måle ditt eget hjerteslag. Bruk 3M måleelektroder, plasser dem på følgende steder og koble dem til kretsen. Håndledningen fører på innsiden av håndleddet, helst der det er lite eller ingenting hår. Jordelektroden går på den benete delen av ankelen din. Bruk krokodilleklips til å koble den positive ledningen til den positive inngangen, den negative ledningen til den negative inngangen og jordelektroden til jordskinnen (vær oppmerksom på at det ikke er den negative kraftskinnen).

En siste gjentagelsesmerknad: "Dette er ikke et medisinsk utstyr. Dette er kun til utdanningsformål ved bruk av simulerte signaler. Hvis du bruker denne kretsen for ekte EKG-målinger, må du kontrollere at kretsen og krets-til-instrument-tilkoblingene bruker riktige isolasjonsteknikker. Du påtar deg risikoen for eventuelle skader."

Sørg for at oscilloskopet er riktig tilkoblet. Sørg for at det ikke strømmer noen strøm inn i forsterkeren, og at jordelektroden er festet til bakken. Sørg for at oscilloskopvinduets størrelser er riktige. Jeg observerte et QRS -kompleks på omtrent 60 mV og brukte et 5s vindu. Fest krokodilleklippene til de respektive positive, negative og jordede elektrodene. Du bør begynne å se en EKG -bølgeform etter et par sekunder. Slappe av; ikke gjør noen bevegelser, da filteret fortsatt kan fange opp muskelsignaler.

Med riktig kretsoppsett bør du se noe lignende utgang i forrige trinn! Dette er ditt eget EKG -signal. Deretter skal jeg berøre behandlingen.

MERK: Du vil se forskjellige 3-elektrode EKG-oppsett online. Disse vil også fungere, men de kan gi inverterte bølgeformer. Med måten differensialforsterkeren er satt opp i denne kretsen, gir denne elektrodekonfigurasjonen en tradisjonell positiv-QRS kompleks bølgeform.

Trinn 9: Signalbehandling

Så du har koblet deg til oscilloskopet, og du kan se QRS -komplekset, men signalet ser fortsatt støyende ut. Sannsynligvis noe som det første bildet i denne delen. Dette er normalt. Vi bruker en krets på et åpent brødbrett, med en haug med elektriske komponenter som i utgangspunktet fungerer som små antenner. Likestrømforsyninger er notorisk støyende, og ingen RF -skjerming er til stede. Selvfølgelig vil signalet være bråkete. Jeg gjorde et kort forsøk på å bruke en konvoluttsporingskrets, men tiden gikk tom. Det er lett å gjøre dette digitalt, skjønt! Bare ta et glidende gjennomsnitt. Den eneste forskjellen mellom den grå/blå grafen og den svart/grønne grafen er at den svart/grønne grafen bruker et glidende gjennomsnitt av spenning i et 3 ms vindu. Dette er et så lite vindu i forhold til tiden mellom slag, men det får signalet til å se så mye jevnere ut.

Trinn 10: Neste trinn?

Dette prosjektet var kult, men noe kan alltid gjøres bedre. Her er noen av tankene mine. Legg gjerne igjen din nedenfor!

• Bruk en lavere cutoff -frekvens. Dette bør eliminere noe av støyen som er tilstede i kretsen. Kanskje til og med leke med å bruke bare et lavpassfilter med en bratt avrulling.
• Lodd komponentene og lag noe permanent. Dette bør redusere støyen, den er kjøligere og sikrere.
• Digitaliser signalet og send det ut på egen hånd, eliminer behovet for et DAQ -kort og la deg skrive kode som bestemmer hjerteslag for deg i stedet for å måtte bruke LabVIEW. Dette vil tillate den daglige brukeren å oppdage hjerteslag uten å kreve et kraftig program.

Fremtidige prosjekter?

• Lag en enhet som vil vise inngangen direkte på en skjerm (hmmmm bringebær pi og skjermprosjekt?)
• Bruk komponenter som vil gjøre kretsen mindre.
• Lag et alt-i-ett-bærbart EKG med display og pulsdeteksjon.

Dette avslutter det instruerbare! Takk for at du leser. Vennligst legg igjen noen tanker eller forslag nedenfor.