Enkelt EKG og pulsdetektor: 10 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:29

BEMÆRK: Dette er ikke et medicinsk udstyr. Dette er kun til uddannelsesmæssige formål ved hjælp af simulerede signaler. Hvis du bruger dette kredsløb til rigtige EKG-målinger, skal du sikre dig, at kredsløbet og kredsløbet til instrumentforbindelserne anvender korrekte isolationsteknikker

I dag går vi gennem grundlæggende elektrokardiografi (EKG) kredsløbsdesign og opretter et kredsløb til at forstærke og filtrere dit hjertes elektriske signal. Derefter kan vi måle pulsen ved hjælp af labVIEW -software. Under hele processen vil jeg give detaljeret instruktion om elementer i kredsløbsdesign og hvorfor de opstod, samt en lille biologisk baggrund. Titelbilledet er af mit hjertes elektriske signal. Ved afslutningen af denne instruktive vil du også kunne måle din. Lad os komme igang!

EKG er et nyttigt diagnostisk værktøj til læger. Det kan bruges til at diagnosticere en lang række hjertesygdomme, fra det grundlæggende hjerteanfald (myokardieinfarkt), helt til mere avancerede hjertesygdomme, såsom atrieflimren, at mennesker kan gå størstedelen af deres liv uden at lægge mærke til det. For hvert hjerteslag arbejder dit autonome nervesystem hårdt for at få dit hjerte til at slå. Det sender elektriske signaler til hjertet, som bevæger sig fra SA -knuden til AV -knuden og derefter til venstre og højre ventrikel synkront og til sidst fra endokardiet til epikardiet og purkinje -fibrene, hjerternes sidste forsvarslinje. Dette komplekse biologiske kredsløb kan have problemer overalt på vejen, og EKG kan bruges til at diagnosticere disse problemer. Jeg kunne tale biologi hele dagen, men der er allerede en bog om emnet, så tjek "EKG -diagnose i klinisk praksis" af Nicholas Peters, Michael Gatzoulis og Romeo Vecht. Denne bog er ekstremt let at læse og viser den fantastiske nytte ved et EKG.

For at oprette EKG skal du bruge følgende komponenter eller acceptable substitutioner.

• Til kredsløbsdesign:

  • Brødbræt
  • OP -forstærkere x 5
  • Modstande
  • Kondensatorer
  • Ledninger
  • Alligator Clips eller andre metoder til stimulering og måling
  • BNC kabler
  • Funktionsgenerator
  • Oscilloskop
  • DC -strømforsyning eller batterier, hvis du er praktisk

• Til pulsregistrering:

  • LabView
  • DAQ bestyrelse

• Til biologisk signalmåling*

  • Elektroder
  • Alligatorclips eller elektrodeledninger

*Jeg har lagt en advarsel ovenfor, og jeg vil diskutere farerne ved elektriske komponenter for menneskekroppen lidt mere. Tilslut ikke dette EKG til dig selv, medmindre du har sikret, at du bruger korrekte isolationsteknikker. Tilslutning af strømforsynede enheder såsom strømforsyninger, oscilloskoper og computere direkte til kredsløbet kan få store strømme til at strømme gennem kredsløbet i tilfælde af en strømstød. Isolér venligst kredsløbet fra strømforsyningen ved hjælp af batteristrøm og andre isolationsteknikker.

Næste 'Jeg vil diskutere den sjove del; Circuit designelementer!

Trin 1: Specifikationer for kredsløbsdesign

Nu vil jeg tale om kredsløbsdesign. Jeg vil ikke diskutere kredsløbsskemaer, da de vil blive givet efter dette afsnit. Dette afsnit er for folk, der ønsker at forstå, hvorfor vi valgte de komponenter, vi gjorde.

Billedet ovenfor, taget fra min laboratoriehåndbog på Purdue University, giver os næsten alt, hvad vi har brug for at vide for at designe et grundlæggende EKG-kredsløb. Dette er frekvenssammensætningen af et ufiltreret EKG -signal med en generisk "amplitude" (y -akse), der refererer til et dimensionsløst tal til sammenligningsformål. Lad os nu tale design!

A. Instrumenteringsforstærker

Instrumenteringsforstærkeren vil være det første trin i kredsløbet. Dette alsidige værktøj bufferer signal, reducerer støj i almindelig tilstand og forstærker signalet.

Vi tager et signal fra menneskekroppen. Nogle kredsløb giver dig mulighed for at bruge din målekilde som en strømforsyning, da der er tilstrækkelig opladning tilgængelig uden risiko for skader. Vi ønsker dog ikke at skade vores mennesker, så vi er nødt til at buffer det signal, vi er interesseret i at måle. En instrumenteringsforstærkere giver dig mulighed for at buffer biologiske signaler, da Op Amp-indgangene har teoretisk uendelig impedans (dette er ikke tilfældet i praksis, men impedansen er normalt tilstrækkelig høj), hvilket betyder, at der ikke kan strømme (teoretisk) strøm til indgangen terminaler.

Menneskekroppen har støj. Signaler fra muskler kan få denne støj til at manifestere sig i EKG -signaler. For at reducere denne støj kan vi bruge en differensforstærker til at reducere støj i almindelig tilstand. I det væsentlige vil vi trække den støj, der er til stede i dine underarmsmuskler, fra på to elektrodeplaceringer. En instrumenteringsforstærker indeholder en differensforstærker.

Signaler i menneskekroppen er små. Vi er nødt til at forstærke disse signaler, så de kan måles i en passende opløsning ved hjælp af elektriske måleenheder. En instrumenteringsforstærker giver den nødvendige forstærkning til dette. Se det vedhæftede link for mere information om instrumenteringsforstærkere.

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

B. Hakfilter

Kraftledninger i USA producerer en "strømnettet" eller "elledningsstøj" ved præcis 60 Hz. I andre lande sker dette ved 50 Hz. Vi kan se denne støj ved at se på billedet ovenfor. Da vores EKG -signal stadig er noget inden for interessebåndet, ønsker vi at fjerne denne støj. For at fjerne denne støj kan der bruges et hakfilter, som reducerer forstærkning ved frekvenser inden for hakket. Nogle mennesker er muligvis ikke interesseret i de højere frekvenser på EKG -spektret og vælger måske at oprette et lavpasfilter med et cutoff under 60 Hz. Vi ville dog tage fejl på den sikre side og modtage så meget af signalet som muligt, så der blev valgt et hakfilter og lavpasfilter med en højere afskæringsfrekvens i stedet.

Se det vedhæftede link for mere information om hakfiltre.

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

C. Andenordens Butterworth VCVS lavpasfilter

Frekvenssammensætningen af et EKG -signal strækker sig kun indtil videre. Vi vil eliminere signaler ved højere frekvenser, da de til vores formål simpelthen er støj. Signaler fra din mobiltelefon, blå tand -enhed eller bærbar computer er overalt, og disse signaler ville forårsage uacceptabel støj i EKG -signalet. De kan elimineres med et Butterworth lavpasfilter. Vores valgte afbrydelsesfrekvens var 220 Hz, hvilket set i bakspejlet var lidt højt. Hvis jeg skulle oprette dette kredsløb igen, ville jeg vælge en afbrydelsesfrekvens, der var meget lavere end det, og måske endda eksperimentere med en afbrydelsesfrekvens under 60 Hz og bruge et filter i højere orden i stedet!

Dette filter er af anden orden. Det betyder, at gevinsten "ruller ud" med en hastighed på 40 db/årti i stedet for 20 db/årti som et førsteordensfilter ville. Denne stejlere afrulning giver større afbødning af højfrekvent signal.

Der blev valgt et Butterworth -filter, da det er "maksimalt fladt" i passbåndet, hvilket betyder, at der ikke er nogen forvrængning i passbåndet. Hvis du er interesseret, indeholder dette link fantastiske oplysninger om grundlæggende andenordens filterdesign:

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

Nu hvor vi har talt kredsløbsdesign, kan vi starte byggeriet.

Trin 2: Konstruer instrumentforstærkeren

Dette kredsløb vil buffere input, trække common mode -støj fra og forstærke signalet med en forstærkning på 100. Kredsløbets skematiske og ledsagende designligninger er vist ovenfor. Dette blev oprettet ved hjælp af OrCAD Pspice designer og simuleret ved hjælp af Pspice. Skematikken kommer lidt sløret ud, når den kopieres fra OrCAD, så jeg beklager dette. Jeg har redigeret billedet for forhåbentlig at gøre nogle af modstandsværdierne lidt klarere.

Husk, at når du opretter kredsløb, skal rimelige modstands- og kapacitansværdier vælges således, at der tages hensyn til spændingskildens praktiske impedans, spændingsmåleanordningens praktiske impedans og modstandernes og kondensatorernes fysiske størrelse.

Designligningerne er angivet ovenfor. Oprindeligt ønskede vi, at gevinsten ved instrumentforstærkeren var x1000, og vi skabte dette kredsløb, så vi kunne forstærke simulerede signaler. Når vi fastgjorde det til vores krop, ønskede vi imidlertid at reducere gevinsten til 100 af sikkerhedsmæssige årsager, da brødbrætter ikke ligefrem er de mest stabile kredsløbsgrænseflader. Dette blev udført ved hot-swapping modstand 4, der skulle reduceres med en faktor ti. Ideelt set ville din gevinst ud af hvert trin i instrumentforstærkeren være den samme, men i stedet blev vores gevinst 31,6 for trin 1 og 3,16 for fase 2, hvilket gav en gevinst på 100. Jeg har vedhæftet kredsløbsskematisk for en gevinst på 100 i stedet for 1000. Du vil stadig se simulerede og biologiske signaler helt fint med dette forstærkningsniveau, men det er muligvis ikke ideelt for digitale komponenter med en lav opløsning.

Bemærk, i kredsløbsskemaet har jeg ordene "jordindgang" og "positiv indgang" tegnet i orange tekst. Jeg placerede ved et uheld funktionsindgangen, hvor jorden skulle være. Angiv venligst jorden, hvor "jordindgang" er noteret, og funktionen, hvor "positivt input" er noteret.

• Resumé

  • Fase 1 - 31.6
  • Trin 2 gevinst - 3,16 af sikkerhedsmæssige årsager

Trin 3: Konstruer Notch Filter

Dette hakfilter eliminerer 60 Hz støj fra amerikanske elledninger. Da vi vil have dette filter til at hakke ved nøjagtigt 60 Hz, er det vigtigt at bruge de korrekte modstandsværdier.

Designligningerne er angivet ovenfor. Der blev brugt en kvalitetsfaktor på 8, hvilket resulterer i en stejlere top ved dæmpningsfrekvensen. En centerfrekvens (f0) på 60 Hz blev brugt, med en båndbredde (beta) på 2 rad/s for at give dæmpning ved frekvenser, der afviger lidt fra centerfrekvensen. Husk, at det græske bogstav omega (w) er i rad/s -enheder. For at konvertere fra Hz til rad/s skal vi gange vores centerfrekvens, 60 Hz, med 2*pi. Beta måles også i rad/s.

• Værdier for designligninger

  • w0 = 376,99 rad/s
  • Beta (B) = 2 rad/s
  • Q = 8
• Herfra blev rimelige værdier af modstand og kapacitans valgt for at konstruere kredsløbet.

Trin 4: Konstruer lavpasfilteret

Et lavpasfilter bruges til at eliminere høje frekvenser, vi ikke er interesserede i at måle, såsom mobiltelefonsignaler, bluetooth-kommunikation og WiFi-støj. Et aktivt andetordens VCVS Butterworth -filter giver et maksimalt fladt (rent) signal i båndpasområdet med en afrulning på -40 db/årti i dæmpningsområdet.

Designligningerne er angivet ovenfor. Disse ligninger er lidt lange, så husk at tjekke din matematik! Bemærk, at b og a værdier er omhyggeligt valgt for at give fladt signal i basområdet og ensartet dæmpning i afrulningsområdet. For mere information om, hvordan disse værdier opstår, henvises til linket i trin 2, afsnit C, "lavpasfilter".

Specifikationen for C1 er temmelig tvetydig, da den simpelthen er mindre end en værdi baseret på C2. Jeg beregnede det til at være mindre end eller lig med 22 nF, så jeg valgte 10 nF. Kredsløbet fungerede fint, og -3 db -punktet var meget tæt på 220 Hz, så jeg ville ikke bekymre mig om dette for meget. Igen husk vinkelfrekvensen (wc) i rad/s er lig med cutoff -frekvensen i Hz (fc) * 2pi.

• Designbegrænsninger

  • K (forstærkning) = 1
  • b = 1
  • a = 1,4142
  • Afbrydelsesfrekvens - 220 Hz

Afskæringsfrekvensen på 220 Hz virkede lidt høj. Hvis jeg skulle gøre dette igen, ville jeg sandsynligvis gøre det tættere på 100 Hz eller endda rode rundt med et lavpas med højere ordre med en afbrydelse på 50 Hz. Jeg opfordrer dig til at prøve forskellige værdier og skemaer!

Trin 5: Tilslut instrumentationsforstærkeren, hakfilteret og lavpasfilteret

Nu skal du blot slutte instrumentets forstærkeres output til indgangen på hakfilteret. Tilslut derefter udgangen fra hakfilteret til indgangen til lavpasfilteret.

Jeg har også tilføjet bypass -kondensatorer fra DC -strømforsyningen til jorden for at fjerne noget støj. Disse kondensatorer skal have samme værdi for hver Op-Amp og mindst 0,1 uF, men bortset fra det, er du velkommen til at bruge en rimelig værdi.

Jeg forsøgte at bruge et lille konvolutkredsløb til at "udjævne" det støjende signal, men det fungerede ikke efter hensigten, og jeg havde lav tid, så jeg fjernede denne idé og brugte digital behandling i stedet. Dette ville være et fedt ekstra trin, hvis du er nysgerrig!

Trin 6: Tænd for kredsløbet, indtast en kurve og mål

Instruktioner til strømforsyning af kredsløbet og målinger. Da alles udstyr er forskelligt, er der ingen enkel måde, jeg kan fortælle dig, hvordan du indtaster og måler. Jeg har givet grundlæggende instruktioner her. Se det foregående diagram for et eksempel på opsætning.

1. Tilslut funktionsgeneratoren til instrumentforstærkeren.

   • Positiv klip til den nederste Op-Amp i instrumentforstærkerdiagrammet
   • Negativt klip til jorden.
   • Kort indgangen på den øverste Op-Amp i instrumentforstærkerdiagrammet til jorden. Dette vil give en reference for det indgående signal. (I biologiske signaler vil denne input være en elektrode med det formål at reducere common-mode støj.)

2. Tilslut oscilloskopets positive klip til udgangen på det sidste trin (output af lavpasfilter).

   • positivt klip til output i sidste fase
   • negativt klip til jorden
3. Tilslut din jævnstrømforsyning til skinnerne, og sørg for, at hver Op-Amp-strømindgang er kortsluttet til skinnen, den svarer til.

4. Tilslut jævnstrømforsyningens jord til en resterende bundskinne, hvilket giver en reference til dit signal.

   kort den nederste skinne jorden til den øverste skinne jorden, hvilket skal give dig mulighed for at rydde op i kredsløbet

Start med at indtaste en bølge, og brug oscilloskopet til at foretage målinger! Hvis dit kredsløb fungerer efter hensigten, skal du se en gevinst på 100. Dette ville betyde, at spidsen til top til spids skal være 2V for et 20 mV signal. Hvis du er funktionsgenerator som en fancy hjertebølgeform, kan du prøve at indtaste det.

Rod rundt med frekvenser og input for at sikre, at dit filter fungerer korrekt. Prøv at teste hvert trin individuelt, og test derefter kredsløbet som helhed. Jeg har vedhæftet et prøveeksperiment, hvor jeg analyserede hakfilterets funktion. Jeg bemærkede tilstrækkelig dæmpning fra 59,5 Hz til 60,5 Hz, men jeg ville have foretrukket at have lidt mere dæmpning på 59,5 og 60,5 Hz punkterne. Ikke desto mindre var tiden afgørende, så jeg gik videre og regnede med, at jeg senere kunne fjerne støjen digitalt. Her er nogle spørgsmål, du vil overveje til dit kredsløb:

• Er gevinsten 100?
• Kontroller forstærkningen ved 220 Hz. Er det -3 db eller tæt på det?
• Kontroller dæmpningen ved 60 Hz. Er det tilstrækkeligt højt? Giver det stadig en vis dæmpning ved 60,5 og 59,5 Hz?
• Hvor hurtigt ruller dit filter fra 220 Hz? Er det -40 db/årti?
• Går der nogen strøm ind i en af indgangene? I så fald er dette kredsløb ikke egnet til menneskelig måling, og der er sandsynligvis noget galt med dit design eller komponenter.

Hvis dit kredsløb fungerer efter hensigten, er du klar til at komme videre! Hvis ikke, har du nogle fejlfinding at gøre. Kontroller output fra hvert trin individuelt. Sørg for, at dine op-forstærkere er drevne og funktionelle. Undersøg spændingen ved hver knude, indtil du har fundet problemet med kredsløbet.

Trin 7: LabVIEW pulsmåling

LabVIEW giver os mulighed for at måle puls ved hjælp af et logisk blokdiagram. I betragtning af mere tid havde jeg foretrukket at digitalisere dataene selv og oprette kode, der ville bestemme pulsen, da det ikke ville kræve computere med labVIEW installeret og et kraftigt DAQ-kort. Derudover kom numeriske værdier i labVIEW ikke intuitivt. Ikke desto mindre var læring labVIEW en værdifuld oplevelse, da det er meget lettere at bruge blokdiagramlogik end at skulle hard-kode din egen logik.

Der er ikke meget at sige til dette afsnit. Tilslut output fra dit kredsløb til DAQ -kortet, og slut DAQ -kortet til computeren. Opret kredsløbet, der vises i følgende billede, tryk på "Kør", og begynd at indsamle data! Sørg for, at dit kredsløb modtager en bølgeform.

Nogle vigtige indstillinger i dette er:

• en samplingshastighed på 500 Hz og en vinduesstørrelse på 2500 enheder betyder, at vi indsamler data på 5 sekunder inde i vinduet. Dette bør være tilstrækkeligt til at se 4-5 hjerteslag i hvile og mere under træning.
• En toppunkt påvist på 0,9 var tilstrækkelig til at detektere puls. Selvom dette ser ud til at tjekke grafisk ud, tog det faktisk ret lang tid at nå frem til denne værdi. Du bør rode rundt med dette, indtil du nøjagtigt beregner hjerteslag.
• En bredde på "5" syntes at være tilstrækkelig. Igen blev denne værdi pillet med og syntes ikke at give intuitiv mening.
• Det numeriske input til beregning af puls bruger en værdi på 60. Hver gang et hjerteslag er angivet, går det gennem det lavere niveau kredsløb og returnerer et 1, hver gang hjertet slår. Hvis vi dividerer dette tal med 60, siger vi i det væsentlige "divider 60 med antallet af slag beregnet i vinduet". Dette vil returnere din puls i slag/min.

Det vedhæftede billede er af mit eget hjerteslag i labVIEW. Det fastslog, at mit hjerte bankede med 82 BPM. Jeg var ret begejstret for endelig at få dette kredsløb til at fungere!

Trin 8: Menneskelig måling

Hvis du har bevist for dig selv, at dit kredsløb er sikkert og funktionelt, kan du måle dit eget hjerteslag. Brug 3M måleelektroder til at placere dem på følgende steder og slutte dem til kredsløbet. Håndlederne går på indersiden af dit håndled, helst hvor der er lidt eller intet hår. Jordelektroden går på den knoklede del af din ankel. Brug alligatorclips, tilslut den positive ledning til den positive indgang, den negative ledning til den negative indgang og jordelektroden til jordskinnen (vær opmærksom på, at det ikke er den negative strømskinne).

En sidste gentagelsesbemærkning: "Dette er ikke et medicinsk udstyr. Dette er kun til uddannelsesmæssige formål ved hjælp af simulerede signaler. Hvis du bruger dette kredsløb til rigtige EKG-målinger, skal du sikre dig, at kredsløbet og kredsløbet til instrumentforbindelserne anvender korrekte isoleringsteknikker. Du påtager dig risikoen for eventuelle skader."

Sørg for, at dit oscilloskop er korrekt tilsluttet. Sørg for, at der ikke strømmer nogen strøm til op -forstærkeren, og at jordelektroden er fastgjort til jorden. Sørg for, at dine oscilloskopvinduesstørrelser er korrekte. Jeg observerede et QRS -kompleks på cirka 60 mV og brugte et 5s vindue. Fastgør krokodilleklemmerne til deres respektive positive, negative og jordede elektroder. Du bør begynde at se en EKG -kurve efter et par sekunder. Slap af; lav ingen bevægelser, da filteret stadig kan opfange muskelsignaler.

Med korrekt kredsløbopsætning skulle du se noget lignende output i det foregående trin! Dette er dit helt eget EKG -signal. Dernæst vil jeg berøre behandlingen.

BEMÆRK: Du kan se forskellige 3-elektrode EKG-opsætninger online. Disse ville også fungere, men de kan give inverterede bølgeformer. Med den måde, differentialforstærkeren er opsat på i dette kredsløb, giver denne elektrodekonfiguration en traditionel positiv-QRS kompleks bølgeform.

Trin 9: Signalbehandling

Så du har tilsluttet dig oscilloskopet, og du kan se QRS -komplekset, men signalet ser stadig støjende ud. Sandsynligvis noget som det første billede i dette afsnit. Dette er normalt. Vi bruger et kredsløb på et åbent brødbræt med en masse elektriske komponenter, der stort set fungerer som små antenner. DC -strømforsyninger er notorisk støjende, og der er ingen RF -afskærmning til stede. Selvfølgelig vil signalet være støjende. Jeg gjorde et kort forsøg på at bruge et konvolutsporingskredsløb, men løb tør for tid. Det er dog let at gøre dette digitalt! Tag blot et glidende gennemsnit. Den eneste forskel mellem den grå/blå graf og den sort/grønne graf er, at den sort/grønne graf bruger et glidende gennemsnit af spænding i et 3 ms vindue. Dette er et så lille vindue i forhold til tiden mellem beats, men det får signalet til at se så meget glattere ud.

Trin 10: Næste trin?

Dette projekt var fedt, men noget kan altid gøres bedre. Her er nogle af mine tanker. Efterlad gerne din herunder!

• Brug en lavere cutoff -frekvens. Dette bør fjerne noget af den støj, der er til stede i kredsløbet. Måske endda lege med bare et lavpasfilter med en stejl afrullning.
• Lod loddelene og skab noget permanent. Dette bør reducere støj, dens køligere og sikrere.
• Digitaliser signalet og udsend det selv, eliminerer behovet for et DAQ -kort og giver dig mulighed for at skrive kode, der bestemmer hjerteslag for dig i stedet for at skulle bruge LabVIEW. Dette gør det muligt for den daglige bruger at registrere hjerteslag uden at kræve et kraftfuldt program.

Fremtidige projekter?

• Opret en enhed, der viser input direkte på en skærm (hmmmm hindbær pi og skærmprojekt?)
• Brug komponenter, der vil gøre kredsløbet mindre.
• Opret et alt-i-et bærbart EKG med display og pulsdetektering.

Dette afslutter det instruerbare! Tak fordi du læste. Efterlad venligst tanker eller forslag nedenfor.