EKG-Sammlungskreislauf - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:21

HINWEIS: Dies ist kein Medizinprodukt. Dies dient nur zu Bildungszwecken mit simulierten Signalen. Wenn Sie diesen Stromkreis für echte EKG-Messungen verwenden, stellen Sie bitte sicher, dass der Stromkreis und die Stromkreis-zu-Gerät-Verbindungen geeignete Isolationstechniken verwenden

Die vielleicht am weitesten verbreitete physiologische Messung in der heutigen Gesundheitsbranche ist das Elektrokardiogramm (EKG/EKG). Es ist schwer, durch ein Krankenhaus oder eine Notaufnahme zu gehen, ohne den traditionellen „Piepton“eines Herzfrequenzmonitors zu hören oder die EKG-Kurve über den Bildschirm im Patientenzimmer zu sehen. Aber was ist diese Messung, die mit der modernen Gesundheitsversorgung so assoziiert wird?

Das Elektrokardiogramm wird oft mit der Aufzeichnung der körperlichen Aktivität des Herzens verwechselt, aber wie der Name schon sagt, handelt es sich tatsächlich um eine Aufzeichnung der elektrischen Aktivität, der Depolarisation und Repolarisation der Herzmuskeln. Durch die Analyse der aufgezeichneten Wellenform können Ärzte einen Einblick in das Verhalten des elektrischen Systems des Herzens gewinnen. Einige häufige Diagnosen aus EKG-Daten sind: Myokardinfarkt, Lungenembolie, Arrhythmien und AV-Blocks.

Das folgende Instructable skizziert den Prozess und die Prinzipien, die verwendet werden, um einen grundlegenden elektrischen Stromkreis aufzubauen, der in der Lage ist, ein EKG mit einfachen Oberflächenelektroden zu sammeln, wie dies in Krankenhäusern der Fall ist.

Schritt 1: Entwerfen Sie einen Instrumentierungsverstärker

Das erste zur Aufzeichnung des EKG-Signals erforderliche Schaltungselement ist ein Instrumentenverstärker. Dieser Verstärker hat zwei Effekte.

1. Es erzeugt einen elektronischen Puffer zwischen den Aufzeichnungselektroden und dem Rest der Schaltung. Dies reduziert die erforderliche Stromaufnahme von den Elektroden auf praktisch Null. Ermöglicht die Signalerfassung mit sehr geringer Verzerrung durch die Eingangsimpedanz.

2. Es verstärkt das aufgezeichnete Signal differenziell. Das bedeutet, dass jedes Signal, das beiden Aufzeichnungselektroden gemeinsam ist, nicht verstärkt wird, während die Unterschiede (die wichtigen Teile) bestehen bleiben.

Typische Oberflächenelektrodenaufzeichnungen für ein EKG liegen im Millivolt-Bereich. Um dieses Signal in einen Bereich zu bringen, können wir daher mit einer Verstärkung (K) von 1000 V/V arbeiten.

Die maßgebenden Gleichungen für den oben dargestellten Verstärker lauten:

K1 = 1 + 2*R2 / R1, dies ist die Verstärkung der Stufe 1

K2 = - R4/R3, dies ist die Verstärkung der Stufe 2

Beachten Sie, dass K1 und K2 idealerweise ungefähr gleich sein sollten und um die gewünschte Verstärkung zu erreichen K1 * K2 = 1000

Die in unserer Schaltung verwendeten Endwerte waren….

R1 = 6,5 kOhm

R2 = 100 kOhm

R3 = 3,17 kOhm

R4 = 100 kOhm

Schritt 2: Entwerfen eines Notch-Filters

In der modernen Welt ist es wahrscheinlich, dass die Erfassung des EKGs in der Nähe anderer elektronischer Geräte oder sogar nur in einem Gebäude erfolgt, das mit Strom aus lokalen Stromleitungen versorgt wird. Leider führt die Hochspannung und die oszillierende Natur der bereitgestellten Leistung dazu, dass sie in praktisch jedem leitfähigen Material, das sich in ihrer Nähe befindet, eine große Menge an elektrischem "Rauschen" erzeugt; Dazu gehören die Drähte und Schaltungselemente, die zum Aufbau unseres EKG-Erfassungskreislaufs verwendet werden.

Um dies zu bekämpfen, kann jedes Signal mit einer Frequenz gleich dem Rauschen der lokalen Stromversorgung (genannt Netzbrummen) einfach herausgefiltert und im Wesentlichen entfernt werden. In den USA liefert das Stromnetz 110-120V mit einer Frequenz von 60 Hz. Daher müssen wir jede Signalkomponente mit einer Frequenz von 60 Hz herausfiltern. Zum Glück wurde dies schon oft gemacht und erfordert nur die Konstruktion eines Notch-Filters (siehe Abbildung oben).

Die Gleichungen für diesen Filter sind….

R1 = 1 / (2 * Q * w * C)

R2 = (2 * Q) / (w * C)

R3 = (R1 * R2) / (R1 + R2)

Q = w / B

wobei wc2 die obere Grenzfrequenz ist, w2 die untere Grenzfrequenz, w die Grenzfrequenz in rad/s und Q ein Qualitätsfaktor

Beachten Sie, dass C ein frei wählbarer Wert ist. Die folgenden Werte, die in unserer Schaltung verwendet wurden, waren:

R1 = 1,65 kOhm

R2 =424,5 kOhm

Q = 8

w = 120 * pi rad/s

Schritt 3: Tiefpassfilter

EKG-Signale haben eine Frequenz von etwa 0 - 150 Hz. Um zu verhindern, dass von Geräten mit einer höheren Frequenz als diesem Bereich mehr Rauschen in das Signal eingekoppelt wird, wurde ein ButterWorth-Tiefpassfilter zweiter Ordnung mit einer Grenzfrequenz von 150 Hz implementiert, um nur das EKG-Signal durch die Schaltung zu lassen. Anstatt wie bei den vorherigen Komponenten sofort einen leicht verfügbaren Kondensatorwert zu wählen, wurde der erste Kondensatorwert C2 basierend auf der unten gefundenen Formel ausgewählt. Aus diesem Wert könnten alle anderen Komponentenwerte berechnet und dann der Schaltung hinzugefügt werden, während die Verstärkung wieder auf 1 V/V gehalten wird.

C2 ≈ 10/fc uf, wobei fc die Grenzfrequenz ist (in diesem Fall 150 Hz).

Dann können die restlichen Werte wie in der Tabelle gezeigt berechnet werden, die als zweites Bild in diesem Schritt enthalten ist.

Endgültige Werte, die im obigen Schema platziert wurden, sind:

C2 = 66 nF

C1 = 33 nF

R1 = 22,47 kOhm

R2 = 22,56 kOhm

Schritt 4: LabVIEW-Vorbereitung

Die einzigen erforderlichen Materialien für diesen Abschnitt der EKG-Sammlung sind ein Windows-Computer, der mit einer 64-Bit-Kopie von LabVIEW und einem Signal Conditioning Board von National Instruments () mit einem einzigen Eingangsmodul ausgestattet ist. Das Funktionsblockdiagramm in LabVIEW sollte dann wie folgt aufgebaut werden. Beginnen Sie mit dem Öffnen eines leeren Funktionsblockdiagramms.

Fügen Sie einen DAQ Assistant-Block ein und passen Sie die Einstellungen wie folgt an:

Messung: Analog→ Spannung

Modus: RSE

Probenahme: Kontinuierliche Probenahme

Gesammelte Proben: 2500

Abtastrate: 1000 / Sek.

Geben Sie die erfasste Wellenform in ein Wellenformdiagramm aus. Berechnen Sie außerdem den Maximalwert der aktuellen Wellenformdaten. Multiplizieren Sie den Maximalwert der Welle mit einem Wert wie z. B. 0,8, um einen Schwellenwert für die Spitzenwerterkennung zu erstellen. Dieser Wert kann basierend auf dem Rauschpegel innerhalb des Signals angepasst werden. Geben Sie das Produkt des vorherigen Schrittes als Schwellwert und das Rohspannungsarray als Daten für die Funktion „Peak Detection“ein. Nehmen Sie als Nächstes die Ausgabe „Location“des Peak-Erkennungs-Arrays und subtrahieren Sie den ersten und zweiten Wert. Dies stellt die Differenz der Indexwerte der beiden Peaks in der Anfangsmatrix dar. Diese lässt sich dann in eine Zeitdifferenz umrechnen, indem man den Wert durch die Abtastrate dividiert, im Beispielfall ist dies 1000 /sec. Nehmen Sie schließlich den Kehrwert dieses Wertes (geben Sie Hz an) und multiplizieren Sie ihn mit 60, um die Herzfrequenz in Schlägen pro Minute BPM zu erhalten. Das letzte Blockdiagramm dafür sollte dem Header-Bild für diesen Schritt ähneln.

Schritt 5: Gesamtsystemintegration

Nachdem nun alle Komponenten einzeln konstruiert wurden, ist es an der Zeit, die Mall zusammenzustellen. Dies kann durch einfaches Verdrahten des Ausgangs eines Abschnitts mit dem Eingang des folgenden Segments erfolgen. Die Stufen sollten in der gleichen Reihenfolge verdrahtet werden, in der sie in diesem Instructable erscheinen. Für die letzte Stufe, den ButterWorth-Filter, sollte sein Eingang an eine der beiden Leitungen am Eingangsmodul der Signalkonditionierungsplatine angeschlossen werden. Das andere Kabel von diesem Modul sollte an die gemeinsame Masse des Stromkreises angeschlossen werden.

Beim Instrumentenverstärker sollten seine beiden Leitungen jeweils an eine EKG/EKG-Elektrode angeschlossen werden. Dies ist ganz einfach mit zwei Krokodilklemmen möglich. Legen Sie dann an jedem Handgelenk eine Elektrode an. Stellen Sie sicher, dass alle Segmente der Schaltung verbunden sind und dass das LabVIEW-VI ausgeführt wird und das System einen Wellenformgraphen im LabVIEW-Fenster ausgeben sollte.

Die Ausgabe sollte dem zweiten Bild in diesem Schritt ähneln. Wenn es nicht ähnlich ist, müssen die Werte Ihrer Schaltung möglicherweise angepasst werden. Ein häufiges Problem ist, dass der Notch-Filter nicht direkt bei 60 Hz zentriert wird und möglicherweise etwas zu hoch / niedrig ist. Dies kann getestet werden, indem ein Bode-Plot für den Filter erstellt wird. Idealerweise hat der Notch-Filter eine Dämpfung von mindestens 20 dB bei 60 Hz. Es kann auch nützlich sein, zu überprüfen, ob Ihre lokale Stromversorgung mit 60 Hz versorgt wird. Es ist nicht ungewöhnlich, dass in einigen Gebieten 50-Hz-Wechselstromversorgungen vorhanden sind, dies würde eine Zentrierung des Kerbfilters um diesen Wert erfordern.