Eenvoudige EKG en hartslagmeter: 10 stappe

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:27

KENNISGEWING: Dit is nie 'n mediese toestel nie. Dit is slegs vir opvoedkundige doeleindes met behulp van gesimuleerde seine. As u hierdie kring vir werklike EKG-metings gebruik, moet u seker maak dat die stroombaan en die kring-tot-instrumentverbindings die regte isolasie tegnieke gebruik

Vandag gaan ons deur die basiese ontwerp van die elektrokardiografie (EKG) en skep 'n stroombaan om u hart se elektriese sein te versterk en te filter. Dan kan ons die hartklop met behulp van labVIEW sagteware meet. Gedurende die proses sal ek gedetailleerde instruksies gee oor die elemente van stroombaanontwerp en waarom dit plaasgevind het, asook 'n bietjie biologiese agtergrond. Die titelbeeld is van my hart se elektriese sein. Aan die einde van hierdie instruksies, sal u ook u s'n kan meet. Laat ons begin!

EKG is 'n nuttige diagnostiese hulpmiddel vir mediese spesialiste. Dit kan gebruik word om 'n menigte harttoestande te diagnoseer, van die basiese hartaanval (miokardiale infarksie), tot by meer gevorderde hartstoornisse, soos boezemfibrilleren, sodat mense die grootste deel van hul lewe kan ondergaan sonder om dit op te let. Elke hartklop, u outonome senuweestelsel werk hard om u hart te laat klop. Dit stuur elektriese seine na die hart, wat van die SA -knoop na die AV -knoop beweeg, en dan sinchronies na die linker- en regterventrikels, en uiteindelik van die endokardium na die epikardium en purkinje -vesel, die harte se laaste verdedigingslinie. Hierdie komplekse biologiese stroombaan kan oral probleme ondervind, en die EKG kan gebruik word om hierdie probleme te diagnoseer. Ek kon die hele dag oor biologie praat, maar daar is reeds 'n boek oor die onderwerp, dus kyk na "EKG -diagnose in kliniese praktyk" deur Nicholas Peters, Michael Gatzoulis en Romeo Vecht. Hierdie boek is uiters maklik om te lees en toon die wonderlike nut van 'n EKG aan.

Om die EKG te skep, benodig u die volgende komponente of aanvaarbare vervangings.

• Vir stroombaanontwerp:

  • Broodbord
  • OP Amps x 5
  • Weerstande
  • Kapasitors
  • Drade
  • Alligatorknipsels, of ander metodes om te stimuleer en te meet
  • BNC kabels
  • Funksie Generator
  • Ossilloskoop
  • Gelykstroomvoorsiening, of batterye as u handig is

• Vir hartklopopsporing:

  • LabView
  • DAQ Raad

• Vir biologiese seinmeting*

  • Elektrodes
  • Alligatorknipsels, of elektrode lei

*Ek plaas 'n waarskuwingsnota hierbo, en ek bespreek die gevare van elektriese komponente vir die menslike liggaam nog 'n bietjie. Koppel hierdie EKG nie aan uself nie, tensy u seker gemaak het dat u die regte isolasie tegnieke gebruik. As toestelle, kragtoevoer, ossilloskope en rekenaars direk met die stroombaan verbind word, kan groot strome deur die stroombaan vloei in die geval van 'n kragopname. Isoleer die stroombaan van die hoofstroom deur gebruik te maak van batterykrag en ander isolasietegnieke.

Vervolgens bespreek ek die prettige deel; Kringontwerpelemente!

Stap 1: Spesifikasies vir kringontwerp

Nou sal ek die kringontwerp bespreek. Ek sal nie kringskemas bespreek nie, aangesien dit na hierdie afdeling gegee sal word. Hierdie afdeling is vir mense wat wil verstaan waarom ons die komponente wat ons gedoen het, gekies het.

Die prent hierbo, geneem uit my laboratoriumhandleiding aan die Purdue Universiteit, gee ons byna alles wat ons moet weet om 'n basiese EKG-stroombaan te ontwerp. Dit is die frekwensiesamestelling van 'n ongefiltreerde EKG -sein, met 'n generiese "amplitude" (y -as) wat verwys na 'n afmetingslose getal vir vergelykende doeleindes. Kom ons praat nou oor ontwerp!

A. Instrumentasie versterker

Die instrumentasie versterker sal die eerste fase in die kring wees. Hierdie veelsydige hulpmiddelbuffer sein, verminder die geraas van die gewone modus en versterk die sein.

Ons neem 'n sein van die menslike liggaam. Sommige kringe laat u toe om u meetbron as 'n kragtoevoer te gebruik, aangesien daar voldoende lading beskikbaar is sonder risiko vir skade. Ons wil egter nie ons menslike onderdane seermaak nie, daarom moet ons die sein wat ons wil meet, buffer. Met 'n instrumentasie versterkers kan u biologiese seine buffer, aangesien die Op Amp-insette teoreties oneindige impedansie het (dit is in die praktyk nie die geval nie, maar die impedansie is gewoonlik voldoende hoog), wat beteken dat geen stroom (teoreties) in die ingang kan vloei nie terminale.

Die menslike liggaam het geraas. Seine van die spiere kan veroorsaak dat hierdie geraas in EKG -seine manifesteer. Om hierdie geraas te verminder, kan ons 'n verskilversterker gebruik om algemene geraas te verminder. In wese wil ons die geraas wat in u onderarmspiere voorkom by twee elektrodeplasings aftrek. 'N Instrumentasie -versterker bevat 'n verskilversterker.

Seine in die menslike liggaam is klein. Ons moet hierdie seine versterk sodat hulle met 'n gepaste resolusie gemeet kan word met behulp van elektriese meettoestelle. 'N Instrumentasieversterker bied die wins wat nodig is om dit te doen. Sien die aangehegte skakel vir meer inligting oor instrumentasie versterkers.

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

B. Kerffilter

Kraglyne in die VSA produseer 'n "net -neurie" of "kraglyngeraas" teen presies 60 Hz. In ander lande vind dit plaas by 50 Hz. Ons kan hierdie geraas sien deur na die prent hierbo te kyk. Aangesien ons EKG -sein nog steeds binne die belangstelling is, wil ons hierdie geraas verwyder. Om hierdie geraas te verwyder, kan 'n kerffilter gebruik word, wat die wins by frekwensies binne die kerf verminder. Sommige mense is dalk nie geïnteresseerd in die hoër frekwensies op die EKG -spektrum nie, en kan kies om 'n laagdeurlaatfilter te skep met 'n afsny onder 60 Hz. Ons wou egter aan die veilige kant fouteer en soveel as moontlik van die sein ontvang, sodat 'n kerffilter en 'n laagdeurlaatfilter met 'n hoër afsnyprekwensie gekies is.

Sien die aangehegte skakel vir meer inligting oor kerffilters.

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

C. Tweede-orde Butterworth VCVS-laagdeurlaatfilter

Die frekwensiesamestelling van 'n EKG -sein strek slegs tot dusver. Ons wil seine by hoër frekwensies uitskakel, aangesien dit vir ons doeleindes bloot geraas is. Seine van u selfoon, blou tandtoestel of skootrekenaar is oral, en hierdie seine kan onaanvaarbare geraas in die EKG -sein veroorsaak. Hulle kan uitgeskakel word met 'n Butterworth-laagdeurlaatfilter. Ons gekose afsnyfrekwensie was 220 Hz, wat agterna 'n bietjie hoog was. As ek hierdie stroombaan weer sou skep, sou ek 'n afsnyfrekwensie veel laer as dit kies, en miskien selfs eksperimenteer met 'n afsnyfrekwensie onder 60 Hz en eerder 'n hoër orde filter gebruik!

Hierdie filter is van die tweede orde. Dit beteken dat die wins 'afrol' teen 'n snelheid van 40 db/dekade in plaas van 20 db/dekade, soos 'n eerste orde filter sou doen. Hierdie steiler afrol bied 'n groter versagting van hoëfrekwensie -sein.

'N Butterworth -filter is gekies omdat dit' maksimaal plat 'in die pasband is, wat beteken dat daar geen vervorming binne die pasband is nie. As u belangstel, bevat hierdie skakel wonderlike inligting oor basiese tweede-orde filterontwerp:

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

Noudat ons die kringontwerp bespreek het, kan ons begin bou.

Stap 2: Stel die instrumentversterker op

Hierdie stroombaan sal die invoer buffer, die gewone geraas aftrek en die sein versterk teen 'n wins van 100. Die stroombaan skematiese en gepaardgaande ontwerpvergelykings word hierbo getoon. Dit is geskep met behulp van OrCAD Pspice -ontwerper en gesimuleer met behulp van Pspice. Die skematiese weergawe word effens vaag wanneer dit vanaf OrCAD gekopieer word, so ek vra om verskoning hiervoor. Ek het die beeld bewerk om sommige van die weerstandswaardes hopelik 'n bietjie duideliker te maak.

Onthou dat redelike weerstands- en kapasitanswaardes gekies moet word by die skep van stroombane, sodat die praktiese impedansie van die spanningsbron, die praktiese impedansie van die spanningsmeetapparaat en die fisiese grootte van die weerstande en kapasitors in ag geneem word.

Die ontwerpvergelykings word hierbo gelys. Aanvanklik wou ons hê dat die wins van die instrumentasieversterker x1000 sou wees, en ons het hierdie stroombaan geskep sodat ons gesimuleerde seine kon versterk. Maar toe ons dit aan ons liggaam bevestig, wou ons die veiligheidsredes tot 100 verminder, aangesien broodborde nie juis die stabielste koppelvlak is nie. Dit is gedoen deur warmruilweerstand 4 om met 'n faktor van tien te verminder. Ideaal gesproke sou u wins uit elke fase van die instrumentversterker dieselfde wees, maar ons wins was 31,6 vir fase 1 en 3,16 vir fase 2, wat 'n wins van 100 gee. in plaas van 1000. U sal nog steeds gesimuleerde en biologiese seine perfek sien met hierdie vlak van versterking, maar dit is moontlik nie ideaal vir digitale komponente met 'n lae resolusie nie.

Let daarop dat ek in die stroombaan -skema die woorde "grondinvoer" en "positiewe invoer" in oranje teks geteken het. Ek het per ongeluk die funksie -invoer geplaas waar die grond veronderstel is om te wees. Plaas die grond waar 'grondinvoer' aangedui word, en die funksie waar 'positiewe insette' aangeteken word.

• Opsomming

  • Fase 1 wins - 31.6
  • Fase 2 wins - 3.16 om veiligheidsredes

Stap 3: Bou die kerffilter

Hierdie kerffilter skakel 60 Hz -geraas uit Amerikaanse kraglyne uit. Aangesien ons wil hê dat hierdie filter presies 60 Hz moet kerf, is dit van kritieke belang om die korrekte weerstandswaardes te gebruik.

Die ontwerpvergelykings word hierbo gelys. 'N Kwaliteitsfaktor van 8 is gebruik, wat lei tot 'n steiler piek by die dempingsfrekwensie. 'N Middelfrekwensie (f0) van 60 Hz is gebruik, met 'n bandwydte (beta) van 2 rad/s om verswakking te bied by frekwensies wat effens afwyk van die middelfrekwensie. Onthou dat die Griekse letter omega (w) in eenhede van rad/s is. Om van Hz na rad/s om te skakel, moet ons ons middelfrekwensie, 60 Hz, met 2*pi vermenigvuldig. Beta word ook gemeet in rad/s.

• Waardes vir ontwerpvergelykings

  • w0 = 376,99 rad/s
  • Beta (B) = 2 rad/s
  • Q = 8
• Van hieruit is redelike waardes van weerstand en kapasitansie gekies om die stroombaan te bou.

Stap 4: Bou die laagdeurlaatfilter

'N Laagdoorlaatfilter word gebruik om hoë frekwensies wat ons nie wil meet nie, uit te skakel, soos selfoonseine, Bluetooth-kommunikasie en WiFi-geraas. 'N Aktiewe VCVS Butterworth -filter van die tweede orde bied 'n maksimum plat (skoon) sein in die bandpasgebied met 'n afrol van -40 db/dekade in die verswakkingstreek.

Die ontwerpvergelykings word hierbo gelys. Hierdie vergelykings is 'n bietjie lank, dus onthou om u wiskunde na te gaan! Let op dat b en a waardes noukeurig gekies is om 'n plat sein in die basgebied te gee en eenvormige verswakking in die afrolgebied. Vir meer inligting oor hoe hierdie waardes tot stand kom, verwys na die skakel in stap 2, afdeling C, "laagpasfilter".

Die spesifikasie vir C1 is redelik dubbelsinnig, aangesien dit eenvoudig minder is as 'n waarde wat gebaseer is op C2. Ek het bereken dat dit kleiner as of gelyk aan 22 nF is, so ek het 10 nF gekies. Die stroombaan het goed gewerk, en die -3 db -punt was baie naby 220 Hz, so ek sou my nie te veel hieroor bekommer nie. Onthou weer die hoekfrekwensie (wc) in rad/s is gelyk aan die afsnyfrekwensie in Hz (fc) * 2pi.

• Ontwerpbeperkings

  • K (wins) = 1
  • b = 1
  • a = 1.4142
  • Afsnyfrekwensie - 220 Hz

Die afsnyfrekwensie van 220 Hz was effens hoog. As ek dit weer sou doen, sou ek dit waarskynlik nader aan 100 Hz maak, of selfs met 'n laer pas met 'n hoër orde met 'n afsny van 50 Hz mors. Ek moedig u aan om verskillende waardes en skemas uit te probeer!

Stap 5: Koppel die instrumentasieversterker, kerffilter en laepasfilter aan

Koppel nou eenvoudig die uitset van die instrumentasieversterker aan die ingang van die kerffilter. Koppel dan die uitset van die kerffilter aan die ingang van die laagdeurlaatfilter.

Ek het ook bypass -kondensators van die GS -kragtoevoer by die grond gevoeg om geraas uit te skakel. Hierdie kapasitors moet dieselfde waarde vir elke Op-Amp en ten minste 0,1 uF hê, maar behalwe dit, kan u enige redelike waarde gebruik.

Ek het probeer om 'n klein omhulselkring te gebruik om die lawaaierige sein te "glad" maak, maar dit werk nie na wense nie, en ek was te min tyd, en daarom het ek hierdie idee geskrap en eerder digitale verwerking gebruik. Dit is 'n wonderlike ekstra stap as u nuuskierig is!

Stap 6: Skakel die stroombaan aan, voer 'n golfvorm in en meet

Instruksies om die stroombaan aan te skakel en metings te doen. Aangesien elkeen se toerusting anders is, is daar geen eenvoudige manier waarop ek u kan vertel hoe u kan invoer en meet nie. Ek het basiese instruksies hier gegee. Raadpleeg die vorige diagram vir 'n voorbeeld van opstelling.

1. Koppel die funksiegenerator aan die instrumentasieversterker.

   • Positiewe clip na die onderste Op-Amp in die instrumentasie versterker diagram
   • Negatiewe snit grond toe.
   • Maak die invoer van die boonste Op-Amp in die instrumentasieversterkerdiagram kort na grond. Dit sal 'n verwysing vir die inkomende sein verskaf. (In biologiese seine is hierdie invoer 'n elektrode met die doel om geraas in die gewone modus te verminder.)

2. Koppel die positiewe snit van die ossilloskoop aan die uitset in die finale fase (uitset van die laagdeurlaatfilter).

   • positiewe snit na uitset in die laaste fase
   • negatiewe snit grond toe
3. Koppel u GS-kragtoevoer aan die relings en sorg dat elke Op-Amp-kragingang kort is aan die spoor waarmee dit ooreenstem.

4. Sluit die aarding van u GS -kragtoevoer aan op die oorblywende onderste spoor, met 'n verwysing vir u sein.

   kort die onderste spoorgrond tot die boonste spoorgrond, wat u in staat sal stel om die kring skoon te maak

Begin met die invoer van 'n golf en gebruik die ossilloskoop om metings te doen! As u kring werk soos bedoel, behoort u 'n toename van 100 te sien. Dit sou beteken dat die piek tot piek spanning 2V moet wees vir 'n 20 mV sein. As u 'n funksionele kragopwekker as 'n luukse hartgolfvorm het, probeer dan om dit in te voer.

Deurmekaar met frekwensies en insette om te verseker dat u filter behoorlik werk. Probeer elke fase afsonderlik toets en toets dan die kring as geheel. Ek het 'n voorbeeldeksperiment aangeheg waar ek die funksie van die kerffilter ontleed het. Ek het voldoende verswakking van 59,5 Hz tot 60,5 Hz opgemerk, maar ek sou verkies het om 'n bietjie meer demping by die 59,5 en 60,5 Hz punte te hê. Tog was tyd van kardinale belang, so ek het verder gegaan en gedink ek kan die geraas later digitaal verwyder. Hier is 'n paar vrae wat u vir u kring wil oorweeg:

• Is die wins 100?
• Kontroleer die versterking by 220 Hz. Is dit -3 db of naby dit?
• Kontroleer die demping by 60 Hz. Is dit voldoende hoog? Bied dit nog 'n mate van verswakking by 60,5 en 59,5 Hz?
• Hoe vinnig rol jou filter van 220 Hz af? Is dit -40 db/dekade?
• Gaan daar enige stroom in een van die insette? As dit so is, is hierdie stroombaan nie geskik vir menslike meting nie, en is daar waarskynlik iets fout met u ontwerp of komponente.

As u kringloop werk soos bedoel, is u gereed om verder te gaan! Indien nie, moet u probleme oplos. Kontroleer die uitset van elke fase afsonderlik. Maak seker dat u Op-Amps versterk en funksioneel is. Ondersoek die spanning by elke knoop totdat u die probleem met die stroombaan gevind het.

Stap 7: LabVIEW Hartslagmeting

Met LabVIEW kan ons die hartklop meet met behulp van 'n logika-blokdiagram. As ek meer tyd gehad het, sou ek verkies om die data self te digitaliseer en kode te skep wat die hartklop bepaal, aangesien dit nie rekenaars met labVIEW geïnstalleer en 'n stewige DAQ-bord sou vereis nie. Boonop het numeriese waardes in labVIEW nie intuïtief gekom nie. Tog was die leer van labVIEW 'n waardevolle ervaring, aangesien die gebruik van blokdiagramlogika baie makliker is as om u eie logika hard te kodeer.

Daar is nie veel te sê vir hierdie afdeling nie. Koppel die uitset van u kring aan die DAQ -bord en koppel die DAQ -bord aan op die rekenaar. Skep die stroombaan wat in die volgende prentjie vertoon word, druk 'run' en begin met die versameling van data! Maak seker dat u stroombaan 'n golfvorm ontvang.

'N Paar belangrike instellings hierin is:

• 'n monstertempo van 500 Hz en 'n venstergrootte van 2500 eenhede beteken dat ons 5 sekondes se data in die venster opneem. Dit behoort voldoende te wees om 4-5 hartklop in rus te sien, en meer tydens oefening.
• 'N Piek van 0,9 was voldoende om die hartklop op te spoor. Alhoewel dit lyk asof dit grafies uitcheck, het dit eintlik baie tyd geneem om op hierdie waarde te kom. U moet hiermee ronddwaal totdat u die hartklop akkuraat bereken.
• 'N Breedte van "5" was voldoende. Weereens is daar aan hierdie waarde geknoei en dit lyk nie asof dit intuïtief sinvol was nie.
• Die numeriese invoer om die hartklop te bereken, gebruik 'n waarde van 60. Elke keer as 'n hartklop aangedui word, gaan dit deur die laer vlakbaan en gee 'n 1 elke keer as die hart klop. As ons hierdie getal deur 60 deel, sê ons in wese "deel 60 met die aantal slae wat in die venster bereken word". Dit gee u hartklop terug in slae/min.

Die aangehegte beeld is van my eie hartklop in labVIEW. Dit het bepaal dat my hart met 82 BPM klop. Ek was baie opgewonde om uiteindelik hierdie kring te laat werk!

Stap 8: Menslike meting

As u aan uself bewys het dat u kring veilig en funksioneel is, kan u u eie hartklop meet. Plaas hulle met behulp van 3M meetelektrode op die volgende plekke en koppel dit aan die stroombaan. Die polsdrade loop aan die binnekant van u pols, verkieslik waar daar min of geen hare is nie. Die grondelektrode gaan op die benige deel van u enkel. Koppel die positiewe leiding met die positiewe inset, die negatiewe lood na die negatiewe inset en die grondelektrode aan die grondrail met behulp van krokodilleklemme (let goed op dat dit nie die negatiewe kragrail is nie).

'N Laaste herhalingsopmerking: Dit is nie 'n mediese toestel nie. Dit is slegs vir opvoedkundige doeleindes met behulp van gesimuleerde seine. As u hierdie kring vir werklike EKG-metings gebruik, moet u seker maak dat die stroombaan en die kring-tot-instrument-verbindings die regte isolasietegnieke gebruik. U aanvaar die risiko dat u enige skade opdoen.”

Maak seker dat u ossilloskoop behoorlik verbind is. Maak seker dat daar geen stroom in die versterker vloei nie en dat die grondelektrode aan die grond geheg is. Maak seker dat die grootte van die ossilloskoop se venster korrek is. Ek het 'n QRS -kompleks van ongeveer 60 mV waargeneem en 'n 5s -venster gebruik. Bevestig die krokodilleklemme aan hul onderskeie positiewe, negatiewe en gemaalde elektrodes. U moet na 'n paar sekondes 'n EKG -golfvorm begin sien. Ontspan; Moenie bewegings maak nie, aangesien die filter steeds spiersignale kan opneem.

Met die korrekte opstelling van die stroombaan, behoort u in die vorige stap iets soos die uitvoer te sien! Dit is u eie EKG -sein. Vervolgens gaan ek oor die verwerking.

LET WEL: U sal verskillende drie-elektrode-EKG-opstellings aanlyn sien. Dit sal ook werk, maar dit kan omgekeerde golfvorms gee. Met die manier waarop die differensiaalversterker in hierdie stroombaan ingestel is, bied hierdie elektrode-opset 'n tradisionele positiewe QRS-komplekse golfvorm.

Stap 9: Seinverwerking

U het dus by die ossilloskoop aangesluit, en u kan die QRS -kompleks sien, maar die sein lyk nog steeds raserig. Waarskynlik iets soos die eerste prent in hierdie afdeling. Dit is normaal. Ons gebruik 'n stroombaan op 'n oop broodbord, met 'n klomp elektriese komponente wat basies as klein antennas dien. Gelykstroombronne is berug, en daar is geen RF -afskerming nie. Die sein sal natuurlik raserig wees. Ek het 'n kort poging aangewend om 'n koevertopsporingskring te gebruik, maar ek het nie tyd nie. Dit is egter maklik om dit digitaal te doen! Neem eenvoudig 'n bewegende gemiddelde. Die enigste verskil tussen die grys/blou grafiek en die swart/groen grafiek is dat die swart/groen grafiek 'n bewegende gemiddelde spanning in 'n venster van 3 ms gebruik. Dit is so 'n klein venster in vergelyking met die tyd tussen slae, maar dit laat die sein soveel gladder lyk.

Stap 10: volgende stappe?

Hierdie projek was cool, maar iets kan altyd beter gedoen word. Hier is 'n paar van my gedagtes. Laat gerus joune hieronder!

• Gebruik 'n laer afsnyprekwensie. Dit moet 'n deel van die geraas in die stroombaan uitskakel. Miskien kan u selfs speel met slegs 'n laagpasfilter met 'n steil afrol.
• Soldeer die komponente en skep iets permanent. Dit moet die geraas, die koeler en die veiliger verminder.
• Digitaliseer die sein en stuur dit op u eie uit, elimineer die behoefte aan 'n DAQ -bord en laat u kode skryf wat die hartklop vir u sal bepaal in plaas daarvan om LabVIEW te hoef te gebruik. Hierdeur kan die alledaagse gebruiker hartklop opspoor sonder om 'n kragtige program te benodig.

Toekomstige projekte?

• Skep 'n toestel wat die invoer direk op 'n skerm vertoon (hmmmm framboos pi en skermprojek?)
• Gebruik komponente wat die stroombaan kleiner maak.
• Skep 'n alles-in-een draagbare EKG met skerm en hartslagopsporing.

Dit sluit die instruksies af! Dankie dat u gelees het. Laat asseblief enige gedagtes of voorstelle hieronder.