Digital EKG och pulsmätare: 8 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 batteriström och andra korrekta isoleringstekniker

Ett elektrokardiogram (EKG) registrerar elektriska signaler under hjärtcykeln. Varje gång hjärtat slår finns det en cykel med depolarisering och hyperpolarisering av myokardceller. Depolariseringen och hyperpolariseringen kan registreras av elektroder, och läkare läser den informationen för att lära sig mer om hur hjärtat fungerar. Ett EKG kan bestämma hjärtinfarkt, förmaks- eller ventrikelflimmer, takykardi och bradykardi [1]. Efter att ha bestämt vad problemet är från EKG kan läkare framgångsrikt diagnostisera och behandla patienten. Följ stegen nedan för att lära dig hur du gör din egen elektrokardiograminspelningsenhet!

Steg 1: Material

Kretskomponenter:

• Fem operativa förstärkare UA741
• Motstånd
• Kondensatorer
• Bygelkablar
• DAQ styrelse
• LabVIEW -programvara

Testutrustning:

• Funktionsgenerator
• DC -strömförsörjning
• Oscilloskop
• BNC-kablar och T-splitter
• Startkablar
• Alligator klipp
• Bananproppar

Steg 2: Instrumentförstärkare

Det första steget i kretsen är en instrumentationsförstärkare. Detta förstärker den biologiska signalen så att de olika komponenterna i EKG kan särskiljas.

Kopplingsschemat för instrumentförstärkaren visas ovan. Den första stegförstärkningen för denna krets definieras som K1 = 1 + 2*R2 / R1. Kretsens andra stegförstärkning definieras som K2 = R4 / R3. Den totala förstärkningen för instrumentförstärkaren är K1 * K2. Den önskade förstärkningen för detta projekt var cirka 1000, så K1 valdes till 31 och K2 valdes till 33. Motståndsvärden för dessa förstärkningar visas ovan i kretsschemat. Du kan använda motståndsvärdena som visas ovan, eller så kan du ändra värdena för att uppfylla önskad förstärkning. **

När du har valt dina komponentvärden kan kretsen konstrueras på brödbrädan. För att förenkla kretsanslutningarna på brödbrädet sattes den negativa horisontella skenan ovanpå som mark medan de två horisontella skenorna på botten var inställda på +/- 15V.

Den första op -förstärkaren placerades på vänster sida av brödbrädan för att lämna utrymme för alla återstående komponenter. Bilagor lades till i stiftens kronologiska ordning. Detta gör det lättare att hålla reda på vilka bitar som har lagts till eller inte. När alla stiften är klara för op -förstärkare 1 kan nästa op -förstärkare placeras. Återigen, se till att det är relativt nära för att lämna utrymme. Samma kronologiska stiftprocess slutfördes för alla op -förstärkare tills instrumentationsförstärkaren var klar.

Förbikopplingskondensatorer tillsattes sedan utöver kretsschemat för att bli av med AC -koppling i ledningarna. Dessa kondensatorer sattes parallellt med likspänningsförsörjningen och jordades på den övre horisontella negativa skenan. Dessa kondensatorer bör ligga i intervallet 0,1 till 1 microFarad. Varje op -amp har två bypass -kondensatorer, en för pin 4 och en för pin 7. De två kondensatorerna på varje op -amp måste ha samma värde, men kan variera från op amp till op amp.

För att testa förstärkningen kopplades en funktionsgenerator och ett oscilloskop in och ut för förstärkaren. Insignalen var också ansluten till oscilloskopet. En enkel sinusvåg användes för att bestämma förstärkning. Mata in funktionsgeneratorns utgång i de två ingångarna på instrumentförstärkaren. Ställ in oscilloskopet för att mäta förhållandet mellan utsignal och insignal. Förstärkningen av en krets i decibel är Gain = 20 * log10 (Vout / Vin). För en vinst på 1000 är vinsten i decibel 60dB. Med hjälp av oscilloskopet kan du avgöra om vinsten i din konstruerade krets uppfyller dina specifikationer, eller om du behöver ändra några motståndsvärden för att förbättra din krets.

När instrumentförstärkaren är korrekt monterad och fungerar kan du gå vidare till hackfilteret.

** I kretsschemat ovan är R2 = R21 = R22, R3 = R31 = R32, R4 = R41 = R42

Steg 3: Hakfilter

Syftet med hackfilter är att ta bort brus från 60 Hz väggströmförsörjning. Ett hackfilter dämpar signalen vid gränsfrekvensen och passerar frekvenser ovanför och under den. För denna krets är den önskade avstängningsfrekvensen 60 Hz.

De styrande ekvationerna för kretsschemat som visas ovan är R1 = 1 / (2 * Q * w * C), R2 = 2 * Q / (w * C) och R3 = R1 * R2 / (R1 + R2), där Q är kvalitetsfaktor och w är 2 * pi * (gränsfrekvens). En kvalitetsfaktor på 8 ger motstånd och kondensatorvärden inom ett rimligt område. Kondensatorns värden kan antas vara alla desamma. Således kan du välja ett kondensatorvärde som är tillgängligt i dina kit. Motståndsvärdena som visas i kretsen ovan är för en gränsfrekvens på 60 Hz, en kvalitetsfaktor på 8 och ett kondensatorvärde på 0,22 uF.

Eftersom kondensatorer adderar parallellt placerades två kondensatorer med det valda värdet C parallellt för att uppnå ett värde på 2C. Även bypass -kondensatorer lades till op -förstärkaren.

För att testa hackfiltret, anslut utgången från funktionsgeneratorn till ingången på hackfilteret. Observera ingång och utgång för kretsen på ett oscilloskop. För att ha ett effektivt hackfilter bör du ha en förstärkning på mindre än eller lika med -20dB vid gränsfrekvensen. Eftersom komponenterna inte är idealiska kan detta vara svårt att uppnå. De beräknade motstånds- och kondensatorvärdena ger dig kanske inte önskad förstärkning. Detta kräver att du gör ändringar i motstånds- och kondensatorvärdena.

För att göra det, fokusera på en komponent i taget. Öka och minska värdet på en enda komponent utan att ändra någon annan. Observera vilka effekter detta har på kretsens förstärkning. Detta kan kräva mycket tålamod för att uppnå önskad vinst. Kom ihåg att du kan lägga till motstånd i serie för att öka eller minska motståndsvärdena. Förändringen som förbättrade vår vinst mest var att öka en av kondensatorerna till 0,33 uF.

Steg 4: Lågpassfilter

Lågpassfiltret tar bort högfrekvent brus som kan störa EKG -signalen. En lågpassavstängning på 40 Hz är tillräcklig för att fånga EKG -vågformsinformation. Vissa EKG -komponenter överstiger dock 40 Hz. En 100 Hz eller 150 Hz avstängning kan också användas [2].

Lågpassfiltret som konstruerats är ett Butterworth -filter av andra ordningen. Eftersom förstärkningen i vår krets bestäms av instrumentförstärkaren, vill vi ha en förstärkning på 1 inom bandet för lågpassfiltret. För en förstärkning på 1 kortas RA och RB är öppet i kretsschemat ovan [3]. I kretsen är C1 = 10 / (fc) uF, där fc är gränsfrekvensen. C1 ska vara mindre än eller lika med C2 * a^2 / (4 * b). För en andra ordning Butterworth -filter, a = sqrt (2) och b = 1. Genom att plugga in värden för a och b, förenklas ekvationen för C2 till mindre än eller lika med C1 / 2. Då R1 = 2 / [w * (a * C2 + sqrt (a^2 * C2^2 - 4 * b * C1 * C2))] och R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w^2), där w = 2 * pi * fc. Beräkningar för denna krets slutfördes för att ge en gräns på 40 Hz. Motstånds- och kondensatorvärden som uppfyller dessa specifikationer visas i kretsschemat ovan.

Op -förstärkaren placerades på höger sida av brödbrädan eftersom inga andra komponenter kommer att läggas till efter den. Motstånd och kondensatorer tillsattes till förstärkaren för att slutföra kretsen. Bypass -kondensatorer lades också till op -förstärkaren. Ingångsterminalen lämnades tom eftersom ingången kommer från hackfilterns utsignal. För teständamål placerades dock en tråd vid ingångsstiften för att kunna isolera lågpassfiltret och testa det individuellt.

En sinusvåg från funktionsgeneratorn användes som insignal och observerades vid olika frekvenser. Observera både ingångs- och utsignalerna på ett oscilloskop och bestäm kretsens förstärkning vid olika frekvenser. För ett lågpassfilter bör förstärkningen vid avstängningsfrekvensen vara -3db. För denna krets bör avstängningen ske vid 40 Hz. Frekvenser under 40Hz bör ha liten eller ingen dämpning i sin vågform, men när frekvensen ökar över 40 Hz bör förstärkningen fortsätta att rulla av.

Steg 5: Montering av kretssteg

När du har konstruerat varje steg i kretsen och testat dem oberoende kan du ansluta dem alla. Instrumentförstärkarens utgång bör anslutas till ingången på hackfilteret. Utgången från hackfiltret bör anslutas till ingången till lågpassfiltret.

För att testa kretsen, anslut funktionsgeneratorns ingång till ingången till instrumentförstärkarsteget. Observera ingång och utgång för kretsen på ett oscilloskop. Du kan testa med en förprogrammerad EKG-våg från funktionsgeneratorn eller med en sinusvåg och observera effekterna av din krets. I ovanstående oscilloskopbild är den gula kurvan ingångsvågformen och den gröna kurvan är utgången.

När du har anslutit alla dina kretssteg och visat att det fungerar korrekt kan du ansluta utgången från din krets till DAQ -kortet och börja programmera i LabVIEW.

Steg 6: LabVIEW -program

LabVIEW -koden är att detektera slag per meter från en simulerad EKG -våg vid olika frekvenser. För att programmera i LabVIEW måste du först identifiera alla komponenter. En analog till digital omvandlare, även känd som datainsamlingskortet (DAQ), måste konfigureras och ställas in för att köras kontinuerligt. Utsignalen från kretsen är ansluten till ingången på DAQ -kortet. Vågformsdiagrammet i LabVIEW -programmet är direkt anslutet till utgången från DAQ -assistenten. Utmatningen från DAQ -data går också till max/min -identifieraren. Signalen går sedan via en multiplikationsaritmetisk operatör. Den numeriska indikatorn 0,8 används för att beräkna tröskelvärdet. När signalen överstiger 0,8*Max, detekteras en topp. När som helst detta värde hittades lagrades det i indexmatrisen. De två datapunkterna lagras i indexmatrisen och matas in i subtraktionsaritmetiska operatoren. Förändringen i tid hittades mellan dessa två värden. För att beräkna hjärtfrekvensen divideras 60 med tidsskillnaden. En numerisk indikator, som visas bredvid utgångsdiagrammet, matar ut pulsen i slag per minut (bpm) för insignalen. När programmet väl är installerat ska allt sättas in i en kontinuerlig while -loop. Olika frekvensingångar ger olika bpm -värden.

Steg 7: Samla in EKG -data

Nu kan du mata in en simulerad EKG -signal till din krets och spela in data i ditt LabVIEW -program! Ändra frekvensen och amplituden för det simulerade EKG för att se hur det påverkar dina inspelade data. När du ändrar frekvens bör du se en förändring av den beräknade pulsen. Du har framgångsrikt utformat ett EKG och pulsmätare!

Steg 8: Ytterligare förbättringar

Den konstruerade enheten fungerar bra för att få simulerade EKG -signaler. Men om du vill spela in biologiska signaler (var noga med att följa lämpliga säkerhetsåtgärder), bör ytterligare ändringar göras i kretsarna för att förbättra signalavläsningen. Ett högpassfilter bör läggas till för att ta bort DC -förskjutning och lågfrekventa rörelseartefakter. Instrumentförstärkarens förstärkning bör också tiofaldigas för att hålla sig inom det användbara intervallet för LabVIEW och op -förstärkarna.

Källor

[1] S. Meek och F. Morris, “Introduktion. II-grundläggande terminologi.”BMJ, vol. 324, nr. 7335, s. 470–3, februari 2002.

[2] Chia-Hung Lin, frekvensdomänfunktioner för EKG-diskriminering med hjälp av grå relationsanalysbaserad klassificerare, In Computers & Mathematics with Applications, Volume 55, Issue 4, 2008, Pages 680-690, ISSN 0898-1221, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii…

[3] “Andra ordningsfilter | Lågpassfilterdesign av andra ordningen.” Grundläggande elektronikstudier, 9 september 2016, www.electronics-tutorials.ws/filter/second-order-…