Enostaven EKG in detektor srčnega utripa: 10 korakov

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:07

OBVESTILO: To ni medicinski pripomoček. To je samo v izobraževalne namene z uporabo simuliranih signalov. Če uporabljate to vezje za prave meritve EKG-ja, se prepričajte, da vezje in povezave vezje-instrument uporabljajo ustrezne izolacijske tehnike

Danes se bomo sprehodili skozi osnovno elektrokardiografsko (EKG) vezje in ustvarili vezje za ojačanje in filtriranje električnega signala vašega srca. Nato lahko s pomočjo programske opreme labVIEW izmerimo srčni utrip. V celotnem procesu bom dal podrobna navodila o elementih zasnove vezja in zakaj so se pojavili, ter malo biološkega ozadja. Naslovna slika je električni signal mojega srca. Do konca tega navodila boste lahko izmerili tudi svojega. Začnimo!

EKG je uporabno diagnostično orodje za zdravstvene delavce. Uporablja se lahko za diagnosticiranje številnih srčnih bolezni, od osnovnega srčnega infarkta (miokardni infarkt), pa vse do naprednejših srčnih motenj, kot je atrijska fibrilacija, ki jih ljudje lahko preživijo večino svojega življenja. Vsak srčni utrip, vaš avtonomni živčni sistem si močno prizadeva, da bi vam zaigralo srce. Pošilja električne signale v srce, ki potuje od vozlišča SA do vozlišča AV, nato pa sinhrono v levi in desni prekat ter na koncu od endokarda do epikarda in purkinjevih vlaken, zadnja obrambna linija srca. To zapleteno biološko vezje ima lahko težave kjer koli na svoji poti, za diagnosticiranje teh težav pa se lahko uporabi EKG. O biologiji bi se lahko pogovarjal cel dan, vendar o tem že obstaja knjiga, zato si oglejte "Diagnostika EKG v klinični praksi" avtorjev Nicholasa Peters, Michaela Gatzoulisa in Romea Vechta. Ta knjiga je zelo enostavna za branje in prikazuje neverjetno uporabnost EKG -ja.

Za izdelavo EKG -ja boste potrebovali naslednje komponente ali sprejemljive zamenjave.

• Za oblikovanje vezja:

  • Ogledna plošča
  • OP ojačevalniki x 5
  • Upori
  • Kondenzatorji
  • Žice
  • Aligatorske sponke ali druge metode stimulacije in merjenja
  • BNC kabli
  • Generator funkcij
  • Osciloskop
  • DC napajalnik ali baterije, če imate pri roki

• Za odkrivanje srčnega utripa:

  • LabView
  • Plošča DAQ

• Za merjenje biološkega signala*

  • Elektrode
  • Aligatorske sponke ali elektrode

*Zgoraj sem opozoril in še malo bom razpravljal o nevarnostih električnih komponent za človeško telo. Tega EKG -ja ne povezujte s seboj, razen če ste prepričani, da uporabljate ustrezne izolacijske tehnike. Priključitev naprav z električnim napajanjem, kot so napajalniki, osciloskopi in računalniki neposredno v vezje, lahko povzroči pretok velikih tokov skozi vezje v primeru prekinitve električne energije. Prosimo, da vezje izolirate od električnega omrežja z uporabo napajanja iz akumulatorja in drugimi izolacijskimi tehnikami.

Naprej 'Razpravljal bom o zabavnem delu; Elementi oblikovanja vezja!

1. korak: Specifikacije zasnove vezja

Zdaj bom govoril o načrtovanju vezja. Ne bom razpravljal o shemah vezja, saj bodo navedene po tem razdelku. Ta razdelek je za ljudi, ki želijo razumeti, zakaj smo izbrali komponente, ki smo jih naredili.

Zgornja slika, vzeta iz mojega laboratorijskega priročnika na Univerzi Purdue, nam daje skoraj vse, kar moramo vedeti za oblikovanje osnovnega EKG kroga. To je frekvenčna sestava nefiltriranega EKG signala z generično "amplitudo" (os y), ki se za primerjalne namene nanaša na brezdimenzionalno število. Zdaj pa se pogovorimo o oblikovanju!

A. Instrumentacijski ojačevalnik

Instrumentacijski ojačevalnik bo prva stopnja v tokokrogu. To vsestransko orodje medpomni signal, zmanjša hrup v običajnem načinu in ojača signal.

Vzamemo signal iz človeškega telesa. Nekatera vezja vam omogočajo, da svoj merilni vir uporabite kot napajalnik, saj je na voljo dovolj polnjenja brez nevarnosti poškodb. Vendar ne želimo poškodovati svojih človeških subjektov, zato moramo zaščititi signal, ki ga želimo meriti. Instrumentacijski ojačevalniki vam omogočajo shranjevanje bioloških signalov, saj imajo vhodi Op ojačevalnikov teoretično neskončno impedanco (v praksi to ne drži, vendar je impedanca običajno dovolj visoka), kar pomeni, da v vhod ne more priti noben tok (teoretično) terminali.

Človeško telo ima hrup. Signali iz mišic lahko povzročijo, da se ta hrup pokaže v signalih EKG. Za zmanjšanje tega hrupa lahko uporabimo diferenčni ojačevalnik za zmanjšanje hrupa v običajnem načinu. V bistvu želimo odšteti hrup, ki je prisoten v mišicah podlakti pri dveh namestitvah elektrod. Ojačevalnik Instrumentation vključuje ojačevalnik razlike.

Signali v človeškem telesu so majhni. Moramo ojačati te signale, da jih lahko merimo z ustrezno ločljivostjo z električnimi merilnimi napravami. Instrumentni ojačevalnik zagotavlja potreben dobiček za to. Za več informacij o instrumentalnih ojačevalnikih glejte priloženo povezavo.

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

B. Zarezni filter

Daljnovodi v ZDA proizvajajo "hrup omrežja" ali "hrup daljnovoda" pri natančno 60 Hz. V drugih državah se to zgodi pri 50 Hz. Ta hrup lahko vidimo, če pogledamo zgornjo sliko. Ker je naš signal EKG še vedno v območju zanimanja, želimo odstraniti ta šum. Za odstranitev tega šuma lahko uporabite zarezni filter, ki zmanjša ojačanje pri frekvencah znotraj zareze. Nekaterih morda ne zanimajo višje frekvence na EKG spektru in se lahko odločijo za ustvarjanje nizkoprepustnega filtra z mejno vrednostjo pod 60 Hz. Vendar smo želeli narediti napako na varni strani in sprejeti čim več signala, zato smo namesto tega izbrali zarezni filter in nizkoprepustni filter z višjo mejno frekvenco.

Za več informacij o zareznih filtrih si oglejte priloženo povezavo.

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

C. Nizkopasovni filter drugega reda Butterworth VCVS

Frekvenčna sestava EKG signala se razteza le doslej. Odpraviti želimo signale na višjih frekvencah, saj so za naše namene preprosto šumi. Signali iz vašega mobilnega telefona, naprave z modrimi zobmi ali prenosnega računalnika so povsod in ti signali bi povzročili nesprejemljiv šum v signalu EKG. Odpraviti jih je mogoče z nizkoprepustnim filtrom Butterworth. Izbrana mejna frekvenca je bila 220 Hz, kar je bilo malo nazaj. Če bi ponovno ustvaril to vezje, bi izbral mejno frekvenco, ki je veliko nižja od te, in morda celo eksperimentiral z mejno frekvenco pod 60 Hz in namesto tega uporabil filter višjega reda!

Ta filter je drugega reda. To pomeni, da dobiček "odteče" s hitrostjo 40 db/desetletje namesto 20 db/desetletje, kot bi bil filter prvega reda. Ta strmejši odmik zagotavlja večje ublažitev visokofrekvenčnega signala.

Izbran je bil Butterworthov filter, ker je v pasu prehoda "maksimalno raven", kar pomeni, da znotraj pasu prehodov ni popačenj. Če vas zanima, ta povezava vsebuje odlične informacije o osnovni zasnovi filtrov drugega reda:

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

Zdaj, ko smo govorili o načrtovanju vezij, lahko začnemo z gradnjo.

2. korak: Zgradite instrumentacijski ojačevalnik

To vezje bo medpomnilo vhod, odštelo hrup skupnega načina in ojačalo signal pri dobičku 100. Shema vezja in pripadajoče oblikovalske enačbe so prikazane zgoraj. To je bilo ustvarjeno z oblikovalcem OrCAD Pspice in simulirano s pomočjo Pspice. Shema je pri kopiranju iz OrCAD -a nekoliko zamegljena, zato se za to opravičujem. Sliko sem uredil, da upam, da bodo nekatere vrednosti upora nekoliko jasnejše.

Ne pozabite, da je treba pri ustvarjanju vezij izbrati razumne vrednosti upora in kapacitivnosti, tako da se upošteva praktična impedanca napetostnega vira, praktična impedanca naprave za merjenje napetosti in fizična velikost uporov in kondenzatorjev.

Konstrukcijske enačbe so navedene zgoraj. Sprva smo želeli, da je dobiček instrumentacijskega ojačevalnika x1000, in to vezje smo ustvarili tako, da smo lahko ojačali simulirane signale. Ko smo ga pritrdili na telo, smo zaradi varnostnih razlogov želeli zmanjšati dobiček na 100, saj plošče niso ravno najbolj stabilen vmesnik vezja. To je bilo storjeno z vročo zamenjavo upora 4, ki se je zmanjšal za desetkrat. V idealnem primeru bi bil vaš dobiček na vsaki stopnji instrumentacijskega ojačevalnika enak, namesto tega je naš dobiček postal 31,6 za stopnjo 1 in 3,16 za stopnjo 2, kar je dobiček 100. Priložil sem shemo vezja za dobiček 100 namesto 1000. S to stopnjo dobička boste še vedno videli simulirane in biološke signale, vendar morda ni idealen za digitalne komponente z nizko ločljivostjo.

Upoštevajte, da imam v shemi vezja besede "talni vhod" in "pozitivni vhod" narisane v oranžnem besedilu. Po nesreči sem postavil vhod funkcije tam, kjer naj bi bila tla. Prosimo, da ozemljite, kjer je zabeležen "vnos tal", in funkcijo, kjer je zabeležen "pozitiven vnos".

• Povzetek

  • Dobiček 1. stopnje - 31,6
  • Stopnja 2 stopnje - 3,16 iz varnostnih razlogov

3. korak: Zgradite Notch filter

Ta zarezni filter odpravlja 60 Hz šum iz ameriških daljnovodov. Ker želimo, da se ta filter zareže pri natančno 60 Hz, je uporaba pravilnih vrednosti upora ključnega pomena.

Konstrukcijske enačbe so navedene zgoraj. Uporabljen je bil faktor kakovosti 8, kar ima za posledico strmejši vrh pri frekvenci dušenja. Uporabljena je bila sredinska frekvenca (f0) 60 Hz s pasovno širino (beta) 2 rad/s za zagotavljanje dušenja pri frekvencah, ki rahlo odstopajo od osrednje frekvence. Spomnimo se, da je grška črka omega (w) v enotah rad/s. Za pretvorbo iz Hz v rad/s moramo pomnožiti našo osrednjo frekvenco, 60 Hz, z 2*pi. Beta se meri tudi v rad/s.

• Vrednosti za oblikovalske enačbe

  • w0 = 376,99 rad/s
  • Beta (B) = 2 rad/s
  • Q = 8
• Od tu so bile za konstrukcijo vezja izbrane razumne vrednosti upora in kapacitivnosti.

4. korak: Zgradite nizkoprepustni filter

Nizkoprepustni filter se uporablja za odpravo visokih frekvenc, ki jih ne želimo meriti, na primer signalov mobilnega telefona, komunikacije Bluetooth in hrupa WiFi. Aktivni filter VCVS Butterworth drugega reda zagotavlja maksimalno raven (čist) signal v pasovnem pasu z odklonom -40 db/desetletje v območju slabljenja.

Konstrukcijske enačbe so navedene zgoraj. Te enačbe so nekoliko dolge, zato ne pozabite preveriti matematike! Upoštevajte, da sta b in vrednosti skrbno izbrani, da zagotovita raven signal v območju nizkih tonov in enakomerno oslabitev v območju odmika. Za več informacij o tem, kako nastanejo te vrednosti, glejte povezavo v 2. koraku, oddelek C, "nizkoprepustni filter".

Specifikacija za C1 je precej dvoumna, saj je preprosto manjša od vrednosti, ki temelji na C2. Izračunal sem, da je manjši ali enak 22 nF, zato sem izbral 10 nF. Vezje je delovalo v redu in točka -3 db je bila zelo blizu 220 Hz, zato me to ne bi preveč skrbelo. Še enkrat spomnimo, kotna frekvenca (wc) v rad/s je enaka mejni frekvenci v Hz (fc) * 2pi.

• Oblikovalske omejitve

  • K (dobiček) = 1
  • b = 1
  • a = 1,4142
  • Izklopljena frekvenca - 220 Hz

Mejna frekvenca 220 Hz se je zdela nekoliko visoka. Če bi to ponovil, bi se verjetno približal 100 Hz ali se celo zapletel z nizkim prehodom višjega reda z mejno vrednostjo 50 Hz. Spodbujam vas, da preizkusite različne vrednosti in sheme!

5. korak: Priključite instrumentacijski ojačevalnik, zarezni filter in nizkoprepustni filter

Zdaj preprosto priključite izhod instrumentacijskega ojačevalnika na vhod zarezanega filtra. Nato priključite izhod zarezanega filtra na vhod nizkoprepustnega filtra.

Prav tako sem dodal obvodne kondenzatorje iz enosmernega napajanja na tla, da odpravim nekaj hrupa. Ti kondenzatorji bi morali biti enaki za vsak Op-Amp in najmanj 0,1 uF, vendar razen tega uporabite poljubno razumno vrednost.

Poskusil sem uporabiti malo vezje ovojnice za "glajenje" hrupnega signala, vendar ni delovalo, kot je bilo predvideno, in nisem imel dovolj časa, zato sem to idejo odpravil in namesto tega uporabil digitalno obdelavo. To bi bil super dodaten korak, če vas zanima!

Korak 6: Vklopite vezje, vnesite valovno obliko in izmerite

Navodila za napajanje vezja in izvajanje meritev. Ker je oprema za vsakogar drugačna, vam ne morem preprosto povedati, kako vnesti in izmeriti. Tukaj sem dal osnovna navodila. Za primer nastavitve glejte prejšnji diagram.

1. Priključite funkcijski generator na instrumentalni ojačevalnik.

   • Pozitiven posnetek na spodnji Op-Amp v diagramu instrumentacijskega ojačevalnika
   • Negativni posnetek na tleh.
   • Vhod zgornjega op-ojačevalnika v diagramu instrumentacijskega ojačevalnika na kratko ozemljite. To bo referenca za dohodni signal. (V bioloških signalih bo ta vhod elektroda z namenom zmanjšanja hrupa v običajnem načinu.)

2. Pozitivni sponko osciloskopa povežite z izhodom v zadnji fazi (izhod nizkoprepustnega filtra).

   • pozitivni posnetek za izhod v zadnji fazi
   • negativni posnetek na tla
3. Priključite DC napajalnik na tirnice, pri čemer pazite, da bo vsak vhod napajanja Op-Amp kratko povezan z vodilom, ki mu ustreza.

4. Ozemljitev ozemljitve vašega DC napajalnika priključite na preostalo spodnjo tirnico in tako zagotovite referenco za vaš signal.

   ozemljite spodnjo tirnico do tal zgornje tirnice, kar vam bo omogočilo čiščenje vezja

Začnite vnašati val in za meritve uporabite osciloskop! Če vaše vezje deluje, kot je predvideno, bi morali videti dobiček 100. To bi pomenilo, da mora biti napetost od vrha do vrha 2V za signal 20 mV. Če imate funkcijo generatorja domišljijske srčne valovne oblike, poskusite to vnesti.

Pomagajte s frekvencami in vhodi, da zagotovite, da filter deluje pravilno. Poskusite preizkusiti vsako stopnjo posebej in nato preskusite vezje kot celoto. Priložil sem vzorec poskusa, kjer sem analiziral delovanje zareznega filtra. Opazil sem zadostno oslabitev od 59,5 Hz do 60,5 Hz, vendar bi raje imel nekoliko več dušenja na točkah 59,5 in 60,5 Hz. Kljub temu je bil čas bistven, zato sem šel naprej in ugotovil, da lahko hrup kasneje digitalno odstranim. Tukaj je nekaj vprašanj, ki jih želite upoštevati pri svojem vezju:

• Je dobiček 100?
• Preverite ojačanje pri 220 Hz. Je -3 db ali blizu tega?
• Preverite dušenje pri 60 Hz. Je dovolj visoka? Ali še vedno zagotavlja nekaj oslabitve pri 60,5 in 59,5 Hz?
• Kako hitro se vaš filter odklopi od 220 Hz? Je -40 db/desetletje?
• Ali gre kakšen tok v enega od vhodov? Če je tako, to vezje ni primerno za človeške meritve in verjetno je nekaj narobe z vašo zasnovo ali sestavnimi deli.

Če vaše vezje deluje, kot je predvideno, ste pripravljeni nadaljevati! V nasprotnem primeru morate odpraviti nekaj težav. Preverite moč vsake stopnje posebej. Prepričajte se, da so vaši op-ojačevalniki napajani in delujoči. Preglejte napetost na vsakem vozlišču, dokler ne odkrijete težave s tokokrogom.

7. korak: LabVIEW Merjenje srčnega utripa

LabVIEW nam bo omogočil merjenje srčnega utripa z diagramom logičnega bloka. Glede na več časa bi podatke raje digitaliziral in ustvaril kodo, ki bi določala srčni utrip, saj ne bi potrebovali računalnikov z nameščenim labVIEW in zajetno ploščo DAQ. Poleg tega numerične vrednosti v labVIEW niso prišle intuitivno. Kljub temu je bilo učenje labVIEW dragocena izkušnja, saj je uporaba logike blokovnega diagrama veliko lažja, kot če bi morali trdo kodirati lastno logiko.

Za ta razdelek ni veliko za povedati. Izhod vašega vezja priključite na ploščo DAQ in ploščo DAQ povežite z računalnikom. Ustvarite vezje, prikazano na naslednji sliki, pritisnite "zaženi" in začnite zbirati podatke! Prepričajte se, da vezje prejema valovno obliko.

Nekatere pomembne nastavitve pri tem so:

• frekvenca vzorčenja 500 Hz in velikost okna 2500 enot pomeni, da v okno zajemamo podatke v vrednosti 5 sekund. To bi moralo zadostovati za 4-5 utripov srca v mirovanju in več med vadbo.
• Največja vrednost 0,9 je zadostovala za odkrivanje srčnega utripa. Čeprav izgleda, da grafično preverja, je dejansko trajalo kar nekaj časa, da smo prišli do te vrednosti. S tem bi se morali ukvarjati, dokler natančno ne izračunate srčnega utripa.
• Zdelo se je, da je širina "5" dovolj. Spet se je s to vrednostjo zapletlo in ni bilo videti intuitivno.
• Številčni vnos za izračun srčnega utripa uporablja vrednost 60. Vsakič, ko je naveden srčni utrip, gre skozi vezje nižje ravni in vsakič, ko srce utripa, vrne 1. Če to število delimo s 60, v bistvu rečemo "delite 60 s številom utripov, izračunanih v oknu". To vam bo vrnilo srčni utrip v utripih/min.

Priložena slika je mojega utripa v labVIEW. Ugotovilo je, da mi srce bije pri 82 utripih na minuto. Bil sem zelo navdušen, da je to vezje končno delovalo!

8. korak: človeško merjenje

Če ste sami dokazali, da je vaše vezje varno in funkcionalno, lahko sami izmerite srčni utrip. Z merilnimi elektrodami 3M jih postavite na naslednja mesta in jih povežite z vezjem. Zapestni vodi segajo na notranjo stran zapestja, po možnosti tam, kjer je malo ali nič las. Ozemljitvena elektroda gre na kostni del gležnja. Z aligatorskimi sponkami povežite pozitivni vod na pozitivni vhod, negativni vod na negativni vhod in ozemljitveno elektrodo na ozemljitveno tirnico (bodite pozorni, da to ni negativna tirnica)).

Še zadnja opomba: "To ni medicinski pripomoček. To je samo za izobraževalne namene z uporabo simuliranih signalov. Če to vezje uporabljate za prave meritve EKG, se prepričajte, da vezje in povezave vezja z instrumentom uporabljajo ustrezne izolacijske tehnike. Prevzemate tveganje kakršne koli nastale škode."

Prepričajte se, da je osciloskop pravilno priključen. Prepričajte se, da v operacijski ojačevalnik ne teče tok in da je ozemljitvena elektroda pritrjena na tla. Prepričajte se, da so velikosti oken osciloskopa pravilne. Opazoval sem kompleks QRS približno 60 mV in uporabil okno 5 s. Aligatorske sponke pritrdite na ustrezne pozitivne, negativne in ozemljene elektrode. Po nekaj sekundah bi morali začeti videti valovno obliko EKG. Sprostite se; ne premikajte se, saj lahko filter še vedno zazna mišične signale.

Ob pravilni nastavitvi vezja bi morali v prejšnjem koraku videti nekaj takega! To je vaš lastni EKG signal. Nato se bom dotaknil obdelave.

OPOMBA: Na spletu boste videli različne nastavitve EKG s 3 elektrodami. Tudi te bi delovale, vendar lahko dajo oblike obrnjenih valov. Ker je v tem vezju nastavljen diferencialni ojačevalnik, ta konfiguracija elektrode zagotavlja tradicionalno kompleksno valovno obliko pozitivnega QRS.

9. korak: Obdelava signala

Priključili ste se torej na osciloskop in vidite kompleks QRS, vendar je signal še vedno videti hrupen. Verjetno nekaj takega kot prva slika v tem razdelku. To je normalno. Uporabljamo vezje na odprti plošči s kopico električnih komponent, ki v bistvu delujejo kot majhne antene. Napajalniki enosmernega toka so zelo hrupni in RF zaščita ni prisotna. Seveda bo signal hrupen. Na kratko sem poskusil uporabiti vezje za sledenje ovojnic, vendar mi je zmanjkalo časa. To je enostavno narediti digitalno! Preprosto vzemite drseče povprečje. Edina razlika med sivo/modrim grafom in črno/zelenim grafom je v tem, da črno/zeleni graf uporablja drseče povprečje napetosti v 3 ms oknu. To je tako majhno okno v primerjavi s časom med utripi, vendar naredi signal tako bolj gladek.

10. korak: Naslednji koraki?

Ta projekt je bil kul, vendar je vedno mogoče narediti nekaj bolje. Tukaj je nekaj mojih misli. Svobodno pustite svojega spodaj!

• Uporabite nižjo mejno frekvenco. To bi moralo odpraviti nekaj hrupa v vezju. Morda se celo poigrajte z uporabo nizkoprepustnega filtra s strmim odklonom.
• Spajkajte komponente in ustvarite nekaj trajnega. To bi moralo zmanjšati hrup, njegov hladilnik in njegovo varnost.
• Digitalizirajte signal in ga oddajte sami, s čimer odpravite potrebo po plošči DAQ in vam omogočite pisanje kode, ki vam bo določila srčni utrip, namesto da bi morali uporabljati LabVIEW. To bo vsakodnevnemu uporabniku omogočilo, da zazna srčni utrip, ne da bi potreboval zmogljiv program.

Prihodnji projekti?

• Ustvarite napravo, ki bo vnos prikazala neposredno na zaslonu (hmmmm malina pi in projekt zaslona?)
• Uporabite komponente, ki bodo zmanjšale vezje.
• Ustvarite prenosni EKG vse v enem z zaslonom in zaznavanjem srčnega utripa.

S tem je pouk zaključen! Hvala za branje. Spodaj pustite vse misli ali predloge.