Enkelt EKG och pulsmätare: 10 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:46

ANMÄRKNING: Detta är inte en medicinsk utrustning. Detta är endast för utbildningsändamål med hjälp av simulerade signaler. Om du använder denna krets för riktiga EKG-mätningar, se till att kretsen och krets-till-instrumentanslutningarna använder rätt isoleringsteknik

Idag går vi igenom grundläggande elektrokardiografi (EKG) kretsdesign och skapar en krets för att förstärka och filtrera ditt hjärts elektriska signal. Sedan kan vi mäta pulsen med hjälp av labVIEW -programvara. Under hela processen kommer jag att ge detaljerad instruktion om element i kretsdesign och varför de inträffade, samt lite biologibakgrund. Titelbilden är av mitt hjärts elektriska signal. I slutet av denna instruerbara, kommer du att kunna mäta din också. Låt oss börja!

EKG är ett användbart diagnostiskt verktyg för läkare. Det kan användas för att diagnostisera en mängd hjärtsjukdomar, från den grundläggande hjärtinfarkten (hjärtinfarkt), hela vägen till mer avancerade hjärtsjukdomar, såsom förmaksflimmer, att människor kan gå en större del av sitt liv utan att märka det. Varje hjärtslag, ditt autonoma nervsystem arbetar hårt för att få ditt hjärta att slå. Den sänder elektriska signaler till hjärtat, som färdas från SA -noden till AV -noden, och sedan till vänster och höger kammare synkront, och slutligen från endokardiet till epikardiet och purkinje -fibrerna, hjärtans sista försvarslinje. Denna komplexa biologiska krets kan ha problem var som helst längs dess väg, och EKG kan användas för att diagnostisera dessa problem. Jag kunde prata biologi hela dagen, men det finns redan en bok om ämnet, så kolla in "EKG -diagnos i klinisk praxis", av Nicholas Peters, Michael Gatzoulis och Romeo Vecht. Den här boken är extremt lättläst och visar den fantastiska användbarheten av ett EKG.

För att skapa EKG behöver du följande komponenter eller godtagbara substitutioner.

• För kretsdesign:

  • Bakbord
  • OP -förstärkare x 5
  • Motstånd
  • Kondensatorer
  • Trådar
  • Alligator Clips eller andra metoder för stimulering och mätning
  • BNC -kablar
  • Funktionsgenerator
  • Oscilloskop
  • DC -strömförsörjning eller batterier om du är till hands

• För pulsmätning:

  • LabView
  • DAQ styrelse

• För biologisk signalmätning*

  • Elektroder
  • Alligator Clips, eller elektrodledningar

*Jag lägger en varningsanmärkning ovan, och jag kommer att diskutera farorna med elektriska komponenter för människokroppen lite mer. Anslut inte detta EKG till dig själv om du inte har säkerställt att du använder rätt isoleringsteknik. Anslutning av strömförsörjda enheter som strömförsörjning, oscilloskop och datorer direkt till kretsen kan orsaka stora strömmar att flöda genom kretsen vid strömavbrott. Vänligen isolera kretsen från elnätet med hjälp av batteri och andra isoleringstekniker.

Nästa Jag ska diskutera den roliga delen; Kretsdesignelement!

Steg 1: Kretsdesignspecifikationer

Nu ska jag prata kretsdesign. Jag kommer inte att diskutera kretsscheman, eftersom de kommer att ges efter det här avsnittet. Det här avsnittet är för personer som vill förstå varför vi valde komponenterna vi gjorde.

Bilden ovan, hämtad från min labbmanual vid Purdue University, ger oss nästan allt vi behöver veta för att designa en grundläggande EKG-krets. Detta är frekvenskompositionen för en ofiltrerad EKG -signal, med en generisk "amplitud" (y -axel) som refererar till ett måttlöst tal för jämförande syften. Nu kan vi prata design!

A. Instrumentförstärkare

Instrumentförstärkaren blir det första steget i kretsen. Detta mångsidiga verktyg buffrar signal, reducerar brus i vanligt läge och förstärker signalen.

Vi tar en signal från människokroppen. Vissa kretsar gör att du kan använda din mätkälla som strömförsörjning, eftersom det finns tillräcklig laddning tillgänglig utan risk för skada. Vi vill dock inte skada våra människor, så vi måste buffra signalen vi är intresserade av att mäta. En instrumentationsförstärkare låter dig buffra biologiska signaler, eftersom Op Amp-ingångarna har teoretiskt oändlig impedans (detta är inte fallet i praktiken, men impedansen är vanligtvis tillräckligt hög) vilket innebär att ingen ström (teoretiskt) kan strömma in i ingången terminaler.

Människokroppen har buller. Signaler från muskler kan få detta buller att manifestera sig i EKG -signaler. För att minska detta brus kan vi använda en differensförstärkare för att minska vanligt brus. I huvudsak vill vi subtrahera bruset som finns i dina underarmsmuskler vid två elektrodplaceringar. En instrumentationsförstärkare inkluderar en differensförstärkare.

Signaler i människokroppen är små. Vi måste förstärka dessa signaler så att de kan mätas med en lämplig upplösning med hjälp av elektriska mätanordningar. En instrumentationsförstärkare ger den förstärkning som krävs för att göra detta. Se den bifogade länken för mer information om instrumentförstärkare.

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

B. Notch Filter

Kraftledningar i USA producerar ett "nätbrum" eller "kraftledningsbrus" vid exakt 60 Hz. I andra länder sker detta vid 50 Hz. Vi kan se detta brus genom att titta på bilden ovan. Eftersom vår EKG -signal fortfarande ligger något inom intressebandet vill vi ta bort detta brus. För att ta bort detta brus kan ett hackfilter användas, vilket minskar förstärkningen vid frekvenser inom hacket. Vissa människor kanske inte är intresserade av de högre frekvenserna på EKG -spektrumet, och kan välja att skapa ett lågpassfilter med en cutoff under 60 Hz. Vi ville dock ta fel på den säkra sidan och ta emot så mycket av signalen som möjligt, så ett hackfilter och lågpassfilter med högre avstängningsfrekvens valdes istället.

Se den bifogade länken för mer information om hackfilter.

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

C. Andra ordningens Butterworth VCVS lågpassfilter

Frekvenssammansättningen för en EKG -signal sträcker sig bara så långt. Vi vill eliminera signaler vid högre frekvenser, eftersom de för våra ändamål helt enkelt är brus. Signaler från din mobiltelefon, blå tand eller bärbar dator finns överallt, och dessa signaler skulle orsaka oacceptabelt brus i EKG -signalen. De kan elimineras med ett Butterworth lågpassfilter. Vår valda gränsfrekvens var 220 Hz, vilket i efterhand var lite högt. Om jag skulle skapa den här kretsen igen skulle jag välja en gränsfrekvens som var mycket lägre än så och kanske till och med experimentera med en gränsfrekvens under 60 Hz och använda ett högre ordningsfilter istället!

Detta filter är andra ordningen. Detta innebär att vinsten "rullar av" med en hastighet av 40 db/decennium istället för 20 db/decennium som ett första ordningsfilter skulle. Denna brantare avrullning ger större lindring av högfrekvenssignalen.

Ett Butterworth -filter valdes eftersom det är "maximalt plant" i passbandet, vilket betyder att det inte finns någon distorsion inom passbandet. Om du är intresserad innehåller denna länk fantastisk information om grundläggande andra ordnings filterdesign:

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

Nu när vi har pratat kretsdesign kan vi börja bygga.

Steg 2: Konstruera instrumentförstärkaren

Denna krets kommer att buffra ingång, subtrahera brus i vanligt läge och förstärka signalen med en förstärkning på 100. Kretsschemat och medföljande designekvationer visas ovan. Detta skapades med OrCAD Pspice designer och simulerades med Pspice. Schemat visas lite suddigt när det kopieras från OrCAD, så jag ber om ursäkt för detta. Jag har redigerat bilden för att förhoppningsvis göra några av motståndsvärdena lite tydligare.

Kom ihåg att när du skapar kretsar bör rimliga motstånds- och kapacitansvärden väljas så att spänningskällans praktiska impedans, spänningsmätningens praktiska impedans och motstånden och kondensatorernas fysiska storlek beaktas.

Designekvationerna listas ovan. Inledningsvis ville vi att förstärkningen för instrumentförstärkaren skulle vara x1000, och vi skapade denna krets så att vi kunde förstärka simulerade signaler. Men när vi anslöt den till vår kropp ville vi minska vinsten till 100 av säkerhetsskäl, eftersom brödbrädor inte exakt är de mest stabila kretsgränssnitten. Detta gjordes genom att hot-swapping-motstånd 4 reducerades med en faktor tio. Helst skulle din vinst från varje steg i instrumentförstärkaren vara densamma, men istället blev vår vinst 31,6 för steg 1 och 3,16 för steg 2, vilket ger en vinst på 100. Jag har bifogat kretsschemat för en förstärkning på 100 istället för 1000. Du kommer fortfarande att se simulerade och biologiska signaler helt bra med denna förstärkningsnivå, men det kanske inte är idealiskt för digitala komponenter med låg upplösning.

Observera, i kretsschemat har jag orden "markingång" och "positiv ingång" ritade i orange text. Jag av misstag placerade funktionsingången där marken ska vara. Vänligen ange mark där "markingång" noteras och funktionen där "positiv ingång" noteras.

• Sammanfattning

  • Steg 1 vinst - 31,6
  • Steg 2 förstärkning - 3,16 av säkerhetsskäl

Steg 3: Konstruera Notch Filter

Detta hackfilter eliminerar 60 Hz brus från amerikanska kraftledningar. Eftersom vi vill att det här filtret ska hacka med exakt 60 Hz är det viktigt att använda rätt motståndsvärden.

Designekvationerna listas ovan. En kvalitetsfaktor på 8 användes, vilket resulterar i en brantare topp vid dämpningsfrekvensen. En mittfrekvens (f0) på 60 Hz användes, med en bandbredd (beta) på 2 rad/s för att ge dämpning vid frekvenser som avviker något från mittfrekvensen. Kom ihåg att den grekiska bokstaven omega (w) är i enheter av rad/s. För att konvertera från Hz till rad/s måste vi multiplicera vår centrumfrekvens, 60 Hz, med 2*pi. Beta mäts också i rad/s.

• Värden för designekvationer

  • w0 = 376,99 rad/s
  • Beta (B) = 2 rad/s
  • Q = 8
• Härifrån valdes rimliga värden för resistans och kapacitans för att konstruera kretsen.

Steg 4: Konstruera lågpassfiltret

Ett lågpassfilter används för att eliminera höga frekvenser som vi inte är intresserade av att mäta, till exempel mobiltelefonsignaler, Bluetooth-kommunikation och WiFi-brus. Ett aktivt andra ordnings VCVS Butterworth -filter ger en maximalt platt (ren) signal i bandpassområdet med en avrullning på -40 db/decennium i dämpningsområdet.

Designekvationerna listas ovan. Dessa ekvationer är lite långa, så kom ihåg att kolla din matte! Observera att b och a värden väljs noggrant för att ge platt signal i basregionen och enhetlig dämpning i avrullningsområdet. För mer information om hur dessa värden uppstår, se länken i steg 2, avsnitt C, "lågpassfilter".

Specifikationen för C1 är ganska tvetydig, eftersom den helt enkelt är mindre än ett värde baserat på C2. Jag beräknade att den var mindre än eller lika med 22 nF, så jag valde 10 nF. Kretsen fungerade bra och -3 db -punkten var mycket nära 220 Hz, så jag skulle inte oroa mig för mycket för detta. Återigen minns vinkelfrekvensen (wc) i rad/s är lika med cutoff -frekvensen i Hz (fc) * 2pi.

• Designbegränsningar

  • K (förstärkning) = 1
  • b = 1
  • a = 1,4142
  • Avbrottsfrekvens - 220 Hz

Avstängningsfrekvensen på 220 Hz verkade lite hög. Om jag skulle göra det här igen skulle jag troligen göra det närmare 100 Hz, eller till och med röra mig med ett lågpass med högre ordning med en cutoff på 50 Hz. Jag uppmuntrar dig att testa olika värden och scheman!

Steg 5: Anslut instrumentationsförstärkaren, hackfilter och lågpassfilter

Anslut helt enkelt utgången från instrumentförstärkaren till ingången på hackfilteret. Anslut sedan utmatningen från hackfiltret till ingången till lågpassfiltret.

Jag har också lagt till förbikopplingskondensatorer från DC -strömförsörjningen till marken för att eliminera lite brus. Dessa kondensatorer bör ha samma värde för varje Op-Amp och minst 0,1 uF, men annat än det, använd gärna ett rimligt värde.

Jag försökte använda en liten kuvertkrets för att "jämna ut" den bullriga signalen, men det fungerade inte som det var tänkt, och jag hade låg tid, så jag slopade denna idé och använde digital bearbetning istället. Detta skulle vara ett häftigt extra steg om du är nyfiken!

Steg 6: Slå på kretsen, mata in en vågform och mät

Instruktioner för att driva kretsen och göra mätningar. Eftersom allas utrustning är annorlunda finns det inget enkelt sätt jag kan berätta hur du matar in och mäter. Jag har gett grundläggande instruktioner här. Se föregående diagram för ett exempel på installation.

1. Anslut funktionsgeneratorn till instrumentförstärkaren.

   • Positivt klipp till den nedre Op-förstärkaren i instrumentationsförstärkardiagrammet
   • Negativt klipp till marken.
   • Kort ingången till den övre Op-Amp i instrumentförstärkardiagrammet till jord. Detta kommer att ge en referens för den inkommande signalen. (I biologiska signaler kommer denna ingång att vara en elektrod med avsikt att minska brus i vanligt läge.)

2. Anslut oscilloskopets positiva klämma till utgången i det sista steget (utgång av lågpassfilter).

   • positivt klipp till utmatning i slutskedet
   • negativt klipp till marken
3. Anslut din likströmsspänning till skenorna och se till att varje Op-Amp-ingång är kortsluten till skenan som den motsvarar.

4. Anslut din likspänningsförsörjnings jord till en återstående bottenskena och ge en referens för dig.

   korta bottenskenans mark till den övre skenans mark, vilket gör att du kan städa upp kretsen

Börja mata in en våg och använd oscilloskopet för att ta mätningar! Om din krets fungerar som avsett bör du se en förstärkning på 100. Detta skulle innebära att topp till topp spänning bör vara 2V för en 20 mV signal. Om du är funktionsgenerator som en fin hjärtvågform, försök att mata in det.

Röra runt med frekvenser och ingångar för att se till att ditt filter fungerar korrekt. Testa varje steg individuellt och testa sedan kretsen som helhet. Jag har bifogat ett provexperiment där jag analyserade hackfilterets funktion. Jag märkte tillräcklig dämpning från 59,5 Hz till 60,5 Hz, men jag hade föredragit att ha lite mer dämpning vid punkterna 59,5 och 60,5 Hz. Ändå var tiden avgörande, så jag gick vidare och tänkte att jag kunde ta bort bullret digitalt senare. Här är några frågor du vill överväga för din krets:

• Är vinsten 100?
• Kontrollera förstärkningen vid 220 Hz. Är det -3 db eller nära det?
• Kontrollera dämpningen vid 60 Hz. Är det tillräckligt högt? Ger den fortfarande viss dämpning vid 60,5 och 59,5 Hz?
• Hur snabbt rullar filtret bort från 220 Hz? Är det -40 db/decennium?
• Går det någon ström in i någon av ingångarna? Om så är fallet är denna krets inte lämplig för mänsklig mätning, och något är troligtvis fel med din design eller komponenter.

Om din krets fungerar som avsett är du redo att gå vidare! Om inte, har du lite felsökning att göra. Kontrollera utgången för varje steg individuellt. Se till att dina Op-Amps är drivna och funktionella. Undersök spänningen vid varje nod tills du har hittat problemet med kretsen.

Steg 7: LabVIEW pulsmätning

Med LabVIEW kan vi mäta hjärtfrekvensen med hjälp av ett logiskt blockdiagram. Med tanke på mer tid hade jag föredragit att digitalisera data själv och skapa kod som skulle bestämma hjärtfrekvensen, eftersom det inte skulle kräva datorer med labVIEW installerat och en rejäl DAQ-kort. Dessutom kom inte numeriska värden i labVIEW intuitivt. Ändå var inlärning av labVIEW en värdefull erfarenhet, eftersom att använda blockdiagramlogik är mycket lättare än att behöva hårdkoda din egen logik.

Det finns inte mycket att säga om detta avsnitt. Anslut utgången från din krets till DAQ -kortet och anslut DAQ -kortet till datorn. Skapa kretsen som visas i följande bild, tryck på "kör" och börja samla in data! Se till att din krets tar emot en vågform.

Några viktiga inställningar i detta är:

• en samplingsfrekvens på 500 Hz och en fönsterstorlek på 2500 enheter innebär att vi fångar data i 5 sekunder i fönstret. Detta bör vara tillräckligt för att se 4-5 hjärtslag i vila och mer under träning.
• En topp som upptäcktes på 0,9 var tillräcklig för att detektera hjärtfrekvensen. Även om det ser ut som om det checkar ut grafiskt, tog det faktiskt ganska lång tid att komma fram till detta värde. Du bör röra med det här tills du beräknar hjärtslaget exakt.
• En bredd på "5" verkade vara tillräcklig. Återigen, det här värdet tinker med och tycktes inte vara intuitivt meningsfullt.
• Den numeriska ingången för att beräkna hjärtfrekvensen använder ett värde på 60. Varje gång ett hjärtslag indikeras går det genom kretsen på lägre nivå och returnerar ett 1 varje gång hjärtat slår. Om vi delar detta tal med 60 säger vi i huvudsak "dela 60 med antalet slag som beräknas i fönstret". Detta returnerar din puls, i slag/min.

Den bifogade bilden är av mitt eget hjärtslag i labVIEW. Det bestämde att mitt hjärta slog med 82 BPM. Jag var ganska upphetsad över att äntligen få denna krets att fungera!

Steg 8: Mänsklig mätning

Om du har bevisat för dig själv att din krets är säker och funktionell kan du mäta ditt eget hjärtslag. Använd 3M mätelektroder, placera dem på följande platser och anslut dem till kretsen. Handledningarna går på insidan av handleden, helst där det finns lite eller inget hår. Jordelektroden går på den beniga delen av din fotled. Använd krokodilklämmor, anslut den positiva ledningen till den positiva ingången, den negativa ledningen till den negativa ingången och jordelektroden till jordskenan (var noga med att det inte är den negativa kraftskenan).

En sista upprepning: "Detta är inte en medicinsk utrustning. Detta är endast för utbildningsändamål med hjälp av simulerade signaler. Om du använder denna krets för riktiga EKG-mätningar, se till att kretsen och krets-till-instrument-anslutningarna använder korrekta isoleringstekniker. Du tar risken för eventuella skador."

Se till att oscilloskopet är korrekt anslutet. Se till att ingen ström rinner in i förstärkaren och att jordelektroden är ansluten till marken. Se till att dina oscilloskopfönsterstorlekar är korrekta. Jag observerade ett QRS -komplex på ungefär 60 mV och använde ett 5s -fönster. Fäst krokodilklämmorna på sina respektive positiva, negativa och jordade elektroder. Du bör börja se en EKG -vågform efter ett par sekunder. Koppla av; gör inga rörelser eftersom filtret fortfarande kan ta upp muskelsignaler.

Med rätt kretsinställning borde du se något liknande utgång i föregående steg! Detta är din egen EKG -signal. Nästa berör jag bearbetningen.

OBS: Du ser olika 3-elektrod-EKG-inställningar online. Dessa skulle också fungera, men de kan ge inverterade vågformer. Med det sätt som differentialförstärkaren är inställd i denna krets ger denna elektrodkonfiguration en traditionell positiv QRS-komplex vågform.

Steg 9: Signalbehandling

Så du har anslutit dig till oscilloskopet och du kan se QRS -komplexet, men signalen ser fortfarande högljudd ut. Förmodligen något som den första bilden i det här avsnittet. Det här är normalt. Vi använder en krets på en öppen brödbräda, med ett gäng elektriska komponenter som i princip fungerar som små antenner. Likströmsförsörjningar är notoriskt bullriga och det finns ingen RF -skärmning. Naturligtvis kommer signalen att vara bullrig. Jag gjorde ett kort försök att använda en kuvertspårningskrets, men jag tog slut. Det är dock enkelt att göra detta digitalt! Ta helt enkelt ett glidande medelvärde. Den enda skillnaden mellan den grå/blå grafen och den svart/gröna grafen är att den svart/gröna grafen använder ett glidande medelvärde för spänning i ett 3 ms fönster. Detta är ett så litet fönster jämfört med tiden mellan beats, men det får signalen att se så mycket mjukare ut.

Steg 10: Nästa steg?

Detta projekt var coolt, men något kan alltid göras bättre. Här är några av mina tankar. Lämna gärna dina nedan!

• Använd en lägre gränsfrekvens. Detta bör eliminera en del av det buller som finns i kretsen. Kanske till och med leka med att bara använda ett lågpassfilter med en brant avrullning.
• Lödda komponenterna och skapa något permanent. Detta bör minska bullret, det är svalare och det är säkrare.
• Digitalisera signalen och mata ut den på egen hand, vilket eliminerar behovet av ett DAQ -kort och låter dig skriva kod som bestämmer din hjärtslag istället för att behöva använda LabVIEW. Detta gör att den vanliga användaren kan upptäcka hjärtslag utan att behöva ett kraftfullt program.

Framtida projekt?

• Skapa en enhet som visar ingången direkt på en skärm (hmmmm hallon pi och skärmprojekt?)
• Använd komponenter som gör kretsen mindre.
• Skapa ett allt-i-ett-bärbart EKG med display och pulsdetektering.

Detta avslutar det instruerbara! Tack för att du läste. Lämna gärna tankar eller förslag nedan.