Bygg ditt eget EKG !: 10 steg

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

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

Hjärtslaget består av rytmiska sammandragningar som regleras av den spontana presentationen av elektriska depolarisationer i hjärtmyocyter (muskelcellerna i hjärtat). Sådan elektrisk aktivitet kan fångas genom att placera icke -invasiva inspelningselektroder längs olika positioner i kroppen. Även med en inledande förståelse av kretsar och bioelektricitet kan dessa signaler fångas med relativt enkelhet. I denna instruktionsbok introducerar vi en förenklad metod som kan användas för att fånga en elektrokardiografisk signal med praktisk och billig utrustning. Genomgående kommer vi att belysa viktiga överväganden vid förvärv av sådana signaler och presentera tekniker för programmatisk signalanalys.

Steg 1: En översikt över funktioner

Enheten du bygger fungerar med följande funktioner:

1. Elektrodinspelningar
2. Instrumentförstärkare
3. Hakfilter
4. Lågpassfilter
5. Analog-till-digital konvertering
6. Signalanalys med LabView

Några viktiga komponenter du behöver:

1. NI LabView
2. NI -datainsamlingskort (för ingångar till LabView)
3. DC -strömförsörjning (för att driva driftförstärkare)
4. Hudelektrodkuddar för elektrodinspelningar
5. ELLER en funktionsgenerator som kan skapa en simulerad EKG -signal

Låt oss börja!

Steg 2: Utforma ett lågpassfilter

Ett normalt EKG innehåller identifierbara funktioner i signalens vågform som kallas P -våg, QRS -komplex och T -våg. Alla EKG -funktioner visas i frekvensområdet under 250 Hz, och som sådan är det viktigt att bara fånga de intressanta funktionerna när du spelar in ett EKG från elektroder. Ett lågpassfilter med en gränsfrekvens på 250 Hz säkerställer att inget högfrekvent brus fångas upp i signalen

Steg 3: Utforma ett hackfilter

Ett hackfilter med en frekvens på 60 Hz är användbart för att avlägsna bruset från eventuell strömförsörjning i samband med EKG -inspelningen. Avstängningsfrekvenser mellan 56,5 Hz och 64 Hz tillåter signaler med frekvenser utanför detta område att passera. En kvalitetsfaktor på 8 applicerades på filtret. En kapacitans på 0,1 uF valdes. De experimentella motstånden valdes enligt följande: R1 = R3 = 1,5 kOhms, R2 = 502 kOhms. Dessa värden användes för att konstruera hackfilteret.

Steg 4: Designa en instrumentförstärkare

En instrumentationsförstärkare med en förstärkning på 1000 V/V förstärker alla filtrerade signaler för att möjliggöra enkel mätning. Förstärkaren använder en serie operationsförstärkare och är uppdelad i två steg (vänster och höger) med respektive förstärkning K1 och K2. Bilden ovan visar ett schema över kretsar som kan uppnå detta resultat och Figur 6 beskriver beräkningarna.

Steg 5: Anslut allt tillsammans

De tre stadierna av förstärkning och filtrering kombineras i figur 7 nedan. Instrumentförstärkaren förstärker sinusformad frekvensingång med en förstärkning på 1000V/V. Därefter tar hackfilter bort all signalfrekvens på 60 Hz med en kvalitetsfaktor 8. Slutligen passerar signalen genom ett lågpassfilter som dämpar signaler utöver en frekvens på 250 Hz. Figuren ovan visar hela systemet som skapats experimentellt.

Steg 6: … och se till att det fungerar

Om du har en funktionsgenerator bör du konstruera en frekvenssvarskurva för att säkerställa ett korrekt svar. Bilden ovan visar hela systemet och frekvenssvarskurvan som du kan förvänta dig. Om ditt system verkar fungera är du redo att gå vidare till nästa steg: konvertera den analoga signalen till digital!

Steg 7: (Valfritt) Visualisera ditt EKG på oscilloskopet

EKG registrerar en signal med två elektroder och använder en tredje elektrod som jord. Med dina EKG -inspelningselektroder, sätt in en i en ingång på instrumentförstärkaren, den andra i den andra instrumentförstärkaren och anslut den tredje till jord på din brödbräda. Placera sedan en elektrod på ena handleden, den andra på den andra handleden och slipa på fotleden. Detta är en avledning 1 -konfiguration för ett EKG. För att visualisera signalen på ditt oscilloskop, använd en oscilloskopsond för att mäta din tredje stegs utgång.

Steg 8: Skaffa data med National Instruments DAQ

Om du vill analysera din signal i LabView behöver du ett sätt att samla in analog data från ditt EKG och överföra den till datorn. Det finns alla möjliga sätt att skaffa data! National Instruments är ett företag som specialiserat sig på datainsamlingsenheter och dataanalysanordningar. De är ett bra ställe att leta efter verktyg för att samla in data. Du kan också köpa ditt eget billiga analoga till digitala omvandlarchip och använda en Raspberry Pi för att överföra din signal! Detta är förmodligen det billigare alternativet. I det här fallet hade vi redan en NI DAQ -modul, en NI ADC och LabView i huset, så vi fastnade för strikt National Instruments hårdvara och programvara.

Steg 9: Importera data till LabVIEW

Det visuella programmeringsspråket LabVIEW användes för att analysera data som samlats in från det analoga förstärknings-/filtreringssystemet. Data samlades in från NI DAQ-enheten med DAQ Assistant, en inbyggd datainsamlingsfunktion i LabVIEW. Med hjälp av LabView -kontroller specificerades antalet prover och tidslängd för provinsamling programmatiskt. Kontrollerna är manuellt justerbara, så att användaren enkelt kan finjustera inmatningsparametrar. Med det totala antalet sampel och tidslängd känd, skapades en tidsvektor med varje indexvärde representerande motsvarande tid vid varje sampel i den fångade signalen.

Steg 10: Formatera, analysera och du är klar

Data från DAQ -assistentfunktionen konverterades till ett användbart format. Signalen återskapades som en 1D -grupp av dubbletter genom att först konvertera DAQ -utdatatypen till en vågformdatatyp och sedan konvertera till en (X, Y) grupperad dubbelpar. Varje Y -värde från (X, Y) -paret valdes ut och infördes i en initialt tom 1D -grupp med dubblar med hjälp av en looping -struktur. 1D -uppsättningen dubbel och motsvarande tidsvektor ritades på ett XY -diagram. Samtidigt identifierades det maximala värdet för 1D -arrayen med dubbletter med en funktion för identifiering av maximivärden. Sex tiondelar av maximivärdet användes som en tröskel för en toppdetekteringsalgoritm inbyggd i LabView. Toppvärdena för 1D -matrisen av dubbletter identifierades med toppdetekteringsfunktionen. Med topplägena kända beräknades tidsskillnaden mellan varje topp. Denna tidsskillnad, i sekunder per topp, konverterades till toppar per minut. Det resulterande värdet ansågs representera hjärtfrekvensen i slag per minut.

Det är allt! Du har nu samlat in och analyserat en EKG -signal!