Einfaches automatisiertes EKG (1 Verstärker, 2 Filter) - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:17

Ein Elektrokardiogramm (EKG) misst und zeigt die elektrische Aktivität des Herzens mit verschiedenen Elektroden auf der Haut an. Ein EKG kann mit einem Instrumentenverstärker, Kerbfilter und Tiefpassfilter erstellt werden. Schließlich kann das gefilterte und verstärkte Signal mit der LabView-Software visualisiert werden. LabView verwendet auch die eingehende Frequenz des Signals, um den Herzschlag des menschlichen Probanden zu berechnen. Dem gebauten Instrumentenverstärker gelang es, das Kleinsignal des Körpers zu nehmen und auf 1 V zu verstärken, sodass es mit LabView auf dem Computer angezeigt werden konnte. Die Kerb- und Tiefpassfilter waren erfolgreich bei der Reduzierung des 60-Hz-Rauschens von Netzteilen und Störsignalen über 350 Hz. Der Ruhepuls wurde mit 75 Schlägen pro Minute und 137 Schlägen pro Minute nach fünf Minuten intensivem Training gemessen. Das gebaute EKG war in der Lage, Herzschläge mit realistischen Werten zu messen und die verschiedenen Komponenten einer typischen EKG-Kurve zu visualisieren. In Zukunft könnte dieses EKG verbessert werden, indem passive Werte im Notch-Filter geändert werden, um mehr Rauschen um 60 Hz zu reduzieren.

Schritt 1: Erstellen Sie den Instrumentierungsverstärker

Sie benötigen: LTSpice (oder eine andere Schaltungsvisualisierungssoftware)

Der Instrumentenverstärker wurde entwickelt, um die Größe des Signals zu erhöhen, damit es sichtbar ist und die Analyse der Wellenform ermöglicht.

Durch die Verwendung von R1 = 3.3k Ohm, R2 = 33k Ohm, R3 = 1k Ohm, R4 = 48 Ohm wird eine Verstärkung von X erreicht. Verstärkung = -R4/R3 (1+R2/R1) = -47k/1k(1-(33k/3,3k)) = -1008

Da im letzten Operationsverstärker das Signal in den invertierenden Pin geht, beträgt die Verstärkung 1008. Dieses Design wurde in LTSpice erstellt und dann mit einem AC-Sweep von 1 bis 1 kHz mit 100 Punkten pro Dekade für einen Sinuswelleneingang mit einer AC-Amplitude von 1 V. simuliert.

Wir haben überprüft, ob unser Gewinn ein ähnlicher beabsichtigter Gewinn war. Aus dem Diagramm haben wir Gain = 10^(60/20) = 1000 gefunden, was unserem beabsichtigten Gewinn von 1008 ausreichend nahe kommt.

Schritt 2: Erstellen Sie den Notch-Filter

Sie benötigen: LTSpice (oder eine andere Schaltungsvisualisierungssoftware)

Ein Notch-Filter ist ein bestimmter Typ von Tiefpassfilter, gefolgt von einem Hochpassfilter, um eine bestimmte Frequenz zu eliminieren. Ein Notch-Filter wird verwendet, um das von allen elektronischen Geräten erzeugte Rauschen, das bei 60 Hz vorhanden ist, zu eliminieren.

Die passiven Werte wurden berechnet: C =.1 uF (Wert wurde gewählt) 2C =.2 uF (verwendeter.22 uF Kondensator)

Es wird ein Q-Faktor von 8 verwendet: R1 = 1/(2*Q*2*pi*f*C) = 1/(2*8*2*3.14159*60*.1E-6) = 1.66 kOhm (1,8 kOhm verwendet wurde) R2 = 2Q/(2*pi*f*C) = (2*8)/(60 Hz*2*3.14159*.1E-6 F) = 424 kOhm (390 kOhm + 33 kOhm = 423 kOhm was verwendet) Spannungsteilung: Rf = R1*R2/(R1 + R2) = 1,8 kOhm * 423 kOhm / (1,8 kOhm + 423 kOhm) = 1,79 kOhm (1,8 kOhm wurde verwendet)

Dieses Filterdesign hat eine Verstärkung von 1, was bedeutet, dass keine verstärkenden Eigenschaften vorhanden sind.

Das Einstecken der passiven Werte und das Simulieren auf LTSpice mit einem AC-Sweep und einem Eingangssignal von 0,1 V Sinus mit einer AC-Frequenz von 1 kHz ergibt den beigefügten Bode-Plot.

Bei einer Frequenz von etwa 60 Hz erreicht das Signal seine niedrigste Spannung. Der Filter entfernt erfolgreich 60-Hz-Rauschen auf eine nicht wahrnehmbare Spannung von 0,01 V und bietet eine Verstärkung von 1, da die Eingangsspannung 0,1 V beträgt.

Schritt 3: Erstellen Sie den Tiefpassfilter

Sie benötigen: LTSpice (oder eine andere Schaltungsvisualisierungssoftware)

Ein Tiefpassfilter wurde erstellt, um die Signale oberhalb der interessierenden Schwelle zu entfernen, die das EKG-Signal enthalten würden. Die interessierende Schwelle lag zwischen 0 – 350 Hz.

Der Kondensatorwert wurde mit 0,1 uF gewählt. Der benötigte Widerstand wird für eine hohe Grenzfrequenz von 335 Hz berechnet: C = 0,1 uF R = 1/(2pi*0,1*(10^-6)*335 Hz) = 4,75 kOhm (4,7 kOhm wurde verwendet)

Durch Einstecken der passiven Werte und Simulieren auf LTSpice mit einem AC-Sweep und einem Eingangssignal von 0,1 V Sinus mit einer AC-Frequenz von 1 kHz ergibt sich der angehängte Bode-Plot.

Schritt 4: Erstellen Sie die Schaltung auf einem Steckbrett

Sie benötigen: Widerstände mit unterschiedlichen Werten, Kondensatoren mit unterschiedlichen Werten, Operationsverstärker UA 471, Starthilfekabel, ein Steckbrett, Anschlusskabel, ein Netzteil oder eine 9-V-Batterie

Nachdem Sie Ihre Schaltung simuliert haben, ist es an der Zeit, sie auf einem Steckbrett zu bauen. Wenn Sie nicht die genauen Werte aufgelistet haben, verwenden Sie das, was Sie haben, oder kombinieren Sie Widerstände und Kondensatoren, um die benötigten Werte zu erhalten. Denken Sie daran, Ihr Steckbrett mit einer 9-Volt-Batterie oder einem Gleichstromnetzteil zu betreiben. Jeder Operationsverstärker benötigt eine positive und eine negative Spannungsquelle.

Schritt 5: LabView-Umgebung einrichten

Sie benötigen: LabView-Software, einen Computer

Um die Darstellung der Wellenform und die Berechnung der Herzfrequenz zu automatisieren, wurde LabView verwendet. LabView ist ein Programm zur Visualisierung und Analyse von Daten. Der Ausgang der EKG-Schaltung ist der Eingang für LabView. Die Daten werden basierend auf dem unten entworfenen Blockdiagramm eingegeben, grafisch dargestellt und analysiert.

Zunächst nimmt der DAQ-Assistent das analoge Signal aus der Schaltung auf. Die Probenahmeanleitung wird hier eingerichtet. Die Abtastrate betrug 1k Abtastungen pro Sekunde und das Intervall 3k ms, daher beträgt das im Wellenformdiagramm angezeigte Zeitintervall 3 Sekunden. Der vom DAQ-Assistenten empfangene Wellenformgraph zeichnet diese dann im Frontpanel-Fenster auf. Der untere Abschnitt des Blockschaltbildes umfasst die Herzfrequenzberechnung. Zuerst werden das Maximum und das Minimum der Welle gemessen. Dann werden diese Amplitudenmessungen verwendet, um zu bestimmen, ob Spitzen auftreten, die als 95 % der maximalen Amplitude definiert sind, und wenn ja, wird der Zeitpunkt aufgezeichnet. Sobald die Peaks erkannt wurden, werden die Amplitude und der Zeitpunkt in Arrays gespeichert. Dann wird die Anzahl der Spitzen/Sekunden in Minuten umgerechnet und auf der Frontplatte angezeigt. Das Frontpanel zeigt die Wellenform und die Schläge pro Minute an.

Die Schaltung wurde über einen ADC von National Instruments mit LabVIEW verbunden, wie in der Abbildung oben gezeigt. Der Funktionsgenerator erzeugte das simulierte EKG-Signal und wurde in den ADC eingegeben, der die Daten zur grafischen Darstellung und Analyse an LabView übertrug. Sobald der BPM in LabVIEW berechnet wurde, wurde der numerische Indikator verwendet, um diesen Wert auf dem Frontpanel der Anwendung neben dem Wellenformdiagramm auszudrucken, wie in Abbildung 2 zu sehen ist.

Schritt 6: Testschaltung mit Funktionsgenerator

Sie benötigen: Schaltung auf Steckbrett, Verbindungskabel, Netzteil oder 9-V-Batterie, ADC von National Instruments, LabView-Software, einen Computer

Um die LabView-Instrumentierung zu testen, wurde ein simuliertes EKG in die Schaltung eingegeben und der Ausgang der Schaltung wurde über den ADC von National Instruments mit LabView verbunden. Zuerst wurde ein Signal von 20 mVpp bei 1 Hz in die Schaltung eingegeben, um den Ruheherzschlag zu simulieren. Das LabView-Frontpanel ist in der Abbildung unten dargestellt. Die P-, T-, U-Welle und der QRS-Komplex sind alle sichtbar. Der BMP wird korrekt berechnet und im numerischen Indikator angezeigt. Es gibt eine Verstärkung von etwa 8 V/0,02 V = 400 durch die Schaltung, die dem ähnelt, was wir gesehen haben, als die Schaltung an das Oszilloskop angeschlossen wurde. Ein Bild des Ergebnisses in LabView ist beigefügt. Um einen erhöhten Herzschlag beispielsweise während des Trainings zu simulieren, wurde als nächstes ein Signal von 20 mVpp bei 2 Hz in die Schaltung eingegeben. Es gab einen vergleichbaren Gewinn wie beim Test bei der Ruheherzfrequenz. Unten sieht man, dass die Wellenform dieselben Teile wie zuvor hat, nur mit einer höheren Geschwindigkeit. Die Herzfrequenz wird berechnet und im numerischen Indikator angezeigt und wir sehen die erwarteten 120 BPM.

Schritt 7: Testschaltung mit menschlichem Subjekt

Sie benötigen: Schaltkreis auf Steckbrett, Verbindungskabel, Netzteil oder 9-V-Batterie, ADC von National Instruments, LabView-Software, einen Computer, Elektroden (mindestens drei), einen menschlichen Probanden

Zuletzt wurde die Schaltung mit einem menschlichen Probanden getestet. EKG-Leitungen werden in die Schaltung eingegeben und die Ausgabe der Schaltung geht in LabView. Drei Elektroden wurden an einer Person angebracht, um ein echtes Signal zu erhalten. Elektroden wurden an beiden Handgelenken und am rechten Knöchel angebracht. Das rechte Handgelenk war der positive Input, das linke Handgelenk war negativ und der Knöchel war geschliffen. Auch hier wurden die Daten zur Verarbeitung in LabView eingegeben. Die Elektrodenkonfiguration ist als Bild beigefügt.

Zunächst wurde das Ruhe-EKG-Signal des Probanden angezeigt und analysiert. In Ruhe hatte die Person eine Herzfrequenz von etwa 75 Schlägen pro Minute. Anschließend nahm die Person 5 Minuten lang an intensiver körperlicher Aktivität teil. Das Subjekt wurde wieder verbunden und das angehobene Signal wurde aufgezeichnet. Die Herzfrequenz betrug nach der Aktivität etwa 137 Schläge pro Minute. Dieses Signal war kleiner und hatte mehr Rauschen. Elektroden wurden an beiden Handgelenken und am rechten Knöchel angebracht. Das rechte Handgelenk war der positive Input, das linke Handgelenk war negativ und der Knöchel war geschliffen. Wieder wurden die Daten zur Verarbeitung in LabView eingegeben.

Eine durchschnittliche Person hat ein EKG-Signal von etwa 1 mV. Unsere erwartete Verstärkung lag bei etwa 1000, daher würden wir eine Ausgangsspannung von 1 V erwarten. Aus der Ruheaufzeichnung in Bild XX geht hervor, dass die Amplitude des QRS-Komplexes ungefähr (-0,7) - (-1,6) = 0,9 V beträgt. Dies erzeugt einen Fehler von 10 %. (1-0.9)/1*100 = 10% Der Ruhepuls eines normalen Menschen beträgt 60, der gemessene lag bei etwa 75, dies ergibt |60-75|*100/60 = 25% Fehler. Die erhöhte Herzfrequenz eines normalen Menschen beträgt 120, die gemessene lag bei etwa 137, dies ergibt |120-137|*100/120 = 15% Fehler.

Herzlichen Glückwunsch! Sie haben nun Ihr eigenes automatisiertes EKG erstellt.