EKG-Schaltung - Gunook

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

Ein EKG ist ein Test, der die elektrische Aktivität des Herzens misst, indem er den Rhythmus und die Aktivität des Herzens aufzeichnet. Es funktioniert durch das Aufnehmen und Lesen von Signalen vom Herzen mit Hilfe von Kabeln, die an einem Elektrokardiographen angeschlossen sind. Dieses Instructable zeigt Ihnen, wie Sie eine Schaltung aufbauen, die das bioelektrische Signal des Herzens aufzeichnet, filtert und anzeigt. 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.

Diese Schaltung enthält drei verschiedene Stufen, die mit einem LabView-Programm in Reihe geschaltet sind. Die Widerstände im Instrumentenverstärker wurden mit einer Verstärkung von 975 berechnet, um sicherzustellen, dass die kleinen Signale des Herzens noch vom Stromkreis aufgenommen werden können. Der Notchfilter filtert das 60-Hz-Rauschen aus der Steckdose in der Wand heraus. Der Tiefpassfilter stellt sicher, dass hochfrequentes Rauschen aus der Schaltung entfernt wird, um eine bessere Signalerkennung zu ermöglichen.

Bevor Sie mit diesem Instructable beginnen, ist es hilfreich, sich mit dem Universal-Operationsverstärker uA741 vertraut zu machen. Die verschiedenen Pins im Operationsverstärker haben unterschiedliche Zwecke und die Schaltung funktioniert nicht, wenn sie falsch angeschlossen sind. Das falsche Anschließen der Pins an das Steckbrett ist auch eine einfache Möglichkeit, den Operationsverstärker zu braten und ihn funktionsunfähig zu machen. Der Link unten enthält das Schema, das für die Operationsverstärker in diesem anweisbaren verwendet wird.

Bildquelle:

Schritt 1: Materialien sammeln

Benötigte Materialien für alle 3 Filterstufen:

• Oszilloskop
• Funktionsgenerator
• Stromversorgung (+15V, -15V)
• Lötfreies Steckbrett
• Verschiedene Bananenkabel und Krokodilklemmen
• Aufkleber für EKG-Elektroden
• Verschiedene Überbrückungsdrähte

Instrumentierungsverstärker:

• 3 Operationsverstärker (uA741)

• Widerstände:

  • 1 kΩ x 3
  • 12 kΩ x 2
  • 39 kΩ x 2

Notch-Filter:

• 1 Operationsverstärker (uA741)

• Widerstände:

  • 1,6 kΩ x 2
  • 417 kΩ

• Kondensatoren:

  • 100 nF x 2
  • 200 nF

Tiefpassfilter:

• 1 Operationsverstärker (uA741)

• Widerstände:

  • 23,8 kΩ
  • 43 kΩ

• Kondensatoren:

  • 22 nF
  • 47 nF

Schritt 2: Instrumentenverstärker aufbauen

Biologische Signale geben oft nur Spannungen zwischen 0,2 und 2 mV aus [2]. Diese Spannungen sind zu klein, um auf dem Oszilloskop analysiert zu werden, daher mussten wir einen Verstärker bauen.

Nachdem Ihre Schaltung aufgebaut ist, testen Sie, ob sie richtig funktioniert, indem Sie die Spannung an Vout messen (in der Abbildung oben als Knoten 2 gezeigt). Wir haben den Funktionsgenerator verwendet, um eine Sinuswelle mit einer Eingangsamplitudenspannung von 20 mV an unseren Instrumentenverstärker zu senden. Alles, was zu weit darüber liegt, führt nicht zu den gewünschten Ergebnissen, da die Operationsverstärker nur eine bestimmte Leistung von -15 und +15 V erhielten. Vergleichen Sie den Ausgang des Funktionsgenerators mit dem Ausgang Ihres Instrumentenverstärkers und Suchen Sie nach einer Verstärkung von nahe 1000 V. (Vout/Vin sollte sehr nahe an 1000 liegen).

Tipp zur Fehlersuche: Stellen Sie sicher, dass alle Widerstände im kΩ-Bereich liegen.

[2]„Hochleistungs-Elektrokardiogramm (EKG)-Signalkonditionierung | Bildung | Analoge Geräte." [Online]. Verfügbar: https://www.analog.com/en/education/education-library/articles/high-perf-electrocardiogram-signal-condition.html. [Zugriff: 10. Dezember 2017].]

Schritt 3: Notch-Filter erstellen

Unser Notch-Filter wurde entwickelt, um eine Frequenz von 60 Hz herauszufiltern. Wir möchten die 60 Hz aus unserem Signal herausfiltern, weil das die Frequenz des Wechselstroms ist, der in Steckdosen vorkommt.

Messen Sie beim Testen des Notch-Filters das Spitze-zu-Spitze-Verhältnis zwischen den Eingangs- und Ausgangsdiagrammen. Bei 60 Hz sollte ein Verhältnis von -20 dB oder besser vorliegen. Dies liegt daran, dass die Ausgangsspannung bei -20 dB im Wesentlichen 0 V beträgt, was bedeutet, dass Sie das Signal bei 60 Hz erfolgreich herausgefiltert haben! Testen Sie auch Frequenzen um 60 Hz, um sicherzustellen, dass keine anderen Frequenzen versehentlich herausgefiltert werden.

Tipp zur Fehlerbehebung: Wenn Sie bei 60 Hz nicht genau -20 dB erreichen können, wählen Sie einen Widerstand aus und ändern Sie ihn leicht, bis Sie die gewünschten Ergebnisse erzielen. Wir mussten mit dem Wert von R2 herumspielen, bis wir die gewünschten Ergebnisse erzielten.

Schritt 4: Tiefpassfilter erstellen

Unser Tiefpassfilter wurde mit einer Grenzfrequenz von 150 Hz entwickelt. Wir haben diesen Cutoff gewählt, weil der breiteste diagnostische Bereich für ein EKG 0,05 Hz - 150 Hz beträgt, unter der Annahme einer bewegungslosen und geräuscharmen Umgebung [3]. Der Tiefpassfilter ist in der Lage, hochfrequentes Rauschen von Muskeln oder anderen Körperteilen zu beseitigen[4].

Um diese Schaltung auf ihre korrekte Funktion zu testen, messen Sie Vout (im Schaltplan als Knoten 1 dargestellt). Bei 150 Hz sollte die Amplitude des Ausgangssignals das 0,7-fache der Amplitude des Eingangssignals betragen. Wir haben ein Eingangssignal von 1V verwendet, um leicht erkennen zu können, dass unser Ausgang bei 150 Hz 0,7 sein sollte.

Tipps zur Fehlerbehebung: Solange Ihre Grenzfrequenz innerhalb weniger Hz von 150 Hz liegt, sollte Ihre Schaltung noch funktionieren. Unser Cutoff lag am Ende bei 153 Hz. Der Bereich für biologische Signale wird im Körper ein wenig schwanken, solange Sie nicht um mehr als ein paar Hz ausgeschaltet sind, sollte Ihre Schaltung noch funktionieren.

[3] „EKG-Filter | MEDTEQ.“[Online]. Verfügbar: https://www.medteq.info/med/ECGFilters. [Zugriff: 10. Dezember 2017].

[4] K. L. Venkatachalam, J. E. Herbrandson und S. J. Asirvatham, „Signals and Signal Processing for the Electrophysiologist: Part I: Electrogram Acquisition“, Circ. Arrhythmie Electrophysiol., vol. 4, nein. 6, S. 965–973, Dez. 2011.

Schritt 5: LabView-Programm erstellen

[5] „BME 305 Design Lab Project“(Herbst 2017).

Dieses Labview-Blockdiagramm wurde entwickelt, um das durch das Programm laufende Signal zu analysieren, EKG-Spitzen zu erkennen, die Zeitdifferenz zwischen den Spitzen zu erfassen und den BPM mathematisch zu berechnen. Es gibt auch ein Diagramm der EKG-Kurve aus.

Schritt 6: Verbinden Sie alle drei Stufen

Verbinden Sie alle drei Schaltungen in Reihe, indem Sie den Ausgang des Instrumentenverstärkers mit dem Eingang des Notch-Filters und den Ausgang des Notch-Filters mit dem Eingang des Tiefpassfilters verbinden. Verbinden Sie den Ausgang des Tiefpassfilters mit dem DAQ-Assistenten und verbinden Sie den DAQ-Assistenten mit dem Computer. Stellen Sie beim Verdrahten der Stromkreise sicher, dass die Steckdosenleisten für jedes Steckbrett verbunden sind und die Erdungsleisten alle mit derselben Erdungsklemme verbunden sind.

Im Instrumentenverstärker muss der zweite Operationsverstärker ungeerdet sein, damit zwei Elektrodenleitungen, die mit der Testperson verbunden sind, in der ersten Stufe dieses Filters jeweils mit einem anderen Operationsverstärker verbunden werden können.

Schritt 7: Erhalten Sie Signale von einem menschlichen Testsubjekt

An jedem Handgelenk sollte ein Elektrodenaufkleber angebracht werden, und einer sollte am Knöchel zur Erdung angebracht werden. Verwenden Sie Krokodilklemmen, um die beiden Handgelenkelektroden mit den Eingängen des Instrumentenverstärkers und den Knöchel mit Masse zu verbinden. Wenn Sie fertig sind, klicken Sie im LabView-Programm auf „Laufen“und sehen Sie Ihre Herzfrequenz und Ihr EKG auf dem Bildschirm!