Bygg ditt eget EKG !: 10 trinn

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

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

Hjerteslaget består av rytmiske sammentrekninger regulert av spontan presentasjon av elektriske depolarisasjoner i hjertemyocytter (hjertets muskelceller). Slik elektrisk aktivitet kan fanges opp ved å plassere ikke -invasive registreringselektroder langs forskjellige posisjoner i kroppen. Selv med en innledende forståelse av kretser og bioelektrisitet, kan disse signalene fanges opp relativt enkelt. I denne instruksen introduserer vi en forenklet metodikk som kan brukes til å fange et elektrokardiografisk signal med praktisk og billig utstyr. Gjennomgående vil vi belyse viktige hensyn ved anskaffelse av slike signaler, og presentere teknikker for programmatisk signalanalyse.

Trinn 1: En oversikt over funksjoner

Enheten du bygger vil fungere gjennom følgende funksjoner:

1. Elektrodeopptak
2. Instrumenteringsforsterker
3. Hakkfilter
4. Lavpassfilter
5. Analog-til-digital konvertering
6. Signalanalyse ved hjelp av LabView

Noen viktige komponenter du trenger:

1. NI LabView
2. NI datainnsamlingstavle (for innganger til LabView)
3. DC -strømforsyning (for å drive operative forsterkere)
4. Hudelektrodeputer for elektrodeopptak
5. ELLER en funksjonsgenerator som kan lage et simulert EKG -signal

La oss komme i gang!

Trinn 2: Utform et lavpassfilter

Et normalt EKG inneholder identifiserbare funksjoner i bølgeformen til signalet kalt P -bølge, QRS -kompleks og T -bølge. Alle EKG -funksjonene vil vises i frekvensområdet under 250 Hz, og som sådan er det viktig å fange bare funksjonene som er interessante når du registrerer et EKG fra elektroder. Et lavpassfilter med en cutoff-frekvens på 250 Hz vil sikre at ingen høyfrekvent støy blir fanget opp i signalet

Trinn 3: Utform et hakkfilter

Et hakkfilter med en frekvens på 60 Hz er nyttig for å fjerne støyen fra enhver strømforsyning knyttet til EKG -opptaket. Cutoff -frekvenser mellom 56,5 Hz og 64 Hz vil tillate signaler med frekvenser utenfor dette området å passere. En kvalitetsfaktor på 8 ble påført filteret. En kapasitans på 0,1 uF ble valgt. De eksperimentelle motstandene ble valgt som følger: R1 = R3 = 1,5 kOhms, R2 = 502 kOhms. Disse verdiene ble brukt til å konstruere hakkfilteret.

Trinn 4: Utform en instrumentforsterker

En instrumenteringsforsterker med en forsterkning på 1000 V/V vil forsterke alle filtrerte signaler for å gjøre det enkelt å måle. Forsterkeren bruker en serie operasjonsforsterkere og er delt inn i to trinn (venstre og høyre) med respektive forsterkning K1 og K2. Bildet ovenfor viser en kretsskjema som kan oppnå dette resultatet, og figur 6 beskriver beregningene som er gjort.

Trinn 5: Koble alt sammen

De tre stadiene av forsterkning og filtrering er kombinert i figur 7 nedenfor. Instrumenteringsforsterkeren forsterker den sinusformede frekvensinngangen med en forsterkning på 1000V/V. Deretter fjerner hakkfilteret all signalfrekvens på 60 Hz med en kvalitetsfaktor på 8. Til slutt passerer signalet gjennom et lavpassfilter som demper signaler utover en frekvens på 250 Hz. Figuren over viser hele systemet som er opprettet eksperimentelt.

Trinn 6: … og sørg for at det fungerer

Hvis du har en funksjonsgenerator, bør du konstruere en frekvensresponskurve for å sikre riktig respons. Bildet ovenfor viser hele systemet og frekvensresponskurven du kan forvente. Hvis systemet ser ut til å fungere, er du klar til å gå til neste trinn: konvertere det analoge signalet til digitalt!

Trinn 7: (Valgfritt) Visualiser EKG på oscilloskopet

EKG registrerer et signal med to elektroder og bruker en tredje elektrode som jord. Med EKG -opptakselektrodene setter du den ene inn i den ene inngangen på instrumenteringsforsterkeren, den andre i den andre instrumentforsterkerinngangen, og kobler den tredje til bakken på brødbrettet. Deretter plasserer du den ene elektroden på det ene håndleddet, den andre på det andre håndleddet, og bakker på ankelen. Dette er en Lead 1 -konfigurasjon for et EKG. For å visualisere signalet på oscilloskopet, bruk en oscilloskopsonde for å måle utgangen i tredje trinn.

Trinn 8: Skaff data med National Instruments DAQ

Hvis du vil analysere signalet ditt i LabView, trenger du en måte å samle analoge data fra EKG og overføre det til datamaskinen. Det finnes alle slags måter å skaffe data på! National Instruments er et selskap som spesialiserer seg på datainnsamlingsenheter og dataanalyseenheter. De er et godt sted å lete etter verktøy for å samle inn data. Du kan også kjøpe din egen rimelige analoge til digitale omformerbrikke, og bruke en Raspberry Pi til å overføre signalet ditt! Dette er sannsynligvis det billigere alternativet. I dette tilfellet hadde vi allerede en NI DAQ -modul, en NI ADC og LabView i huset, så vi holdt fast med strengt National Instruments maskinvare og programvare.

Trinn 9: Importer data til LabVIEW

Det visuelle programmeringsspråket LabVIEW ble brukt til å analysere data samlet inn fra det analoge forsterknings-/filtreringssystemet. Data ble samlet inn fra NI DAQ-enheten med DAQ Assistant, en innebygd datainnsamlingsfunksjon i LabVIEW. Ved bruk av LabView -kontroller ble antall prøver og tidsvarighet for prøvesamling spesifisert programmatisk. Kontrollene er manuelt justerbare, slik at brukeren enkelt kan finjustere inngangsparametere. Med det totale antall prøver og tidsvarighet kjent, ble det opprettet en tidsvektor med hver indeksverdi som representerer den tilsvarende tiden ved hver prøve i det fangede signalet.

Trinn 10: Formater, analyser og du er ferdig

Data fra DAQ -assistentfunksjonen ble konvertert til et brukbart format. Signalet ble gjenskapt som en 1D -serie med dobbeltrom ved først å konvertere DAQ -utdatatypen til en bølgeformdatatype og deretter konvertere til et (X, Y) gruppert par med dobler. Hver Y -verdi fra (X, Y) -paret ble valgt og satt inn i en opprinnelig tom 1D -serie med dobler ved hjelp av en looping -struktur. 1D -serien med dobler og tilsvarende tidsvektor ble plottet på en XY -graf. Samtidig ble maksimumsverdien for 1D -serien med dobbeltrom identifisert med en maksimalverdiidentifikasjonsfunksjon. Seks tideler av maksimalverdien ble brukt som terskel for en toppdeteksjonsalgoritme innebygd i LabView. Toppverdiene for 1D -serien med dobler ble identifisert med toppdeteksjonsfunksjonen. Med toppstedene kjent, ble tidsforskjellen mellom hver topp beregnet. Denne tidsforskjellen, i sekunder per sekund, ble omgjort til topper per minutt. Den resulterende verdien ble ansett å representere pulsen i slag per minutt.

Det er det! Du har nå samlet og analysert et EKG -signal!