Einfaches EKG-Circuit und LabVIEW-Herzfrequenzprogramm - Gunook

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

Ein Elektrokardiogramm, oder auch als EKG bezeichnet, ist ein äußerst leistungsfähiges Diagnose- und Überwachungssystem, das in allen Arztpraxen verwendet wird. EKGs werden verwendet, um die elektrische Aktivität des Herzens grafisch zu beobachten, um auf Anomalien der Herzfrequenz oder der elektrischen Signale zu prüfen.

Aus einer EKG-Messung kann die Herzfrequenz des Patienten durch den Zeitabstand zwischen QRS-Komplexen bestimmt werden. Darüber hinaus können durch eine ST-Strecken-Hebung weitere Erkrankungen wie ein bevorstehender Herzinfarkt erkannt werden. Messwerte wie diese können entscheidend sein, um einen Patienten richtig zu diagnostizieren und zu behandeln. Die P-Welle zeigt die Kontraktion des Herzvorhofs, die QRS-Kurve die ventrikuläre Kontraktion und die T-Welle die Repolarisation des Herzens. Selbst einfache Informationen wie diese zu kennen, kann bei Patienten schnell eine abnormale Herzfunktion diagnostizieren.

Ein Standard-EKG, das in der medizinischen Praxis verwendet wird, hat sieben Elektroden, die in einem leichten halbkreisförmigen Muster um den unteren Bereich des Herzens herum platziert werden. Diese Anordnung der Elektroden ermöglicht ein minimales Rauschen bei der Aufzeichnung und ermöglicht auch konsistentere Messungen. Für unseren Zweck des erstellten EKG-Kreises verwenden wir nur drei Elektroden. Die positive Eingangselektrode wird am rechten inneren Handgelenk platziert, die negative Eingangselektrode wird am linken inneren Handgelenk platziert und die Masseelektrode wird mit dem Knöchel verbunden. Dies ermöglicht eine relativ genaue Ablesung des Herzens. Bei dieser Anordnung von Elektroden, die mit einem Instrumentenverstärker, einem Tiefpassfilter und einem Kerbfilter verbunden sind, sollten EKG-Kurven als Ausgangssignal von der erstellten Schaltung leicht zu unterscheiden sein.

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

Schritt 1: Instrumentenverstärker konstruieren

Um eine mehrstufige Instrumentierung mit einer Verstärkung von 1000 oder 60 dB zu konstruieren, sollte die folgende Gleichung angewendet werden.

Gewinn=(1+2*R1/Rgewinn)

R1 ist gleich allen Widerständen, die im Instrumentenverstärker verwendet werden, abgesehen vom Verstärkungswiderstand, der gewissermaßen bewirkt, dass die gesamte Verstärkung in der ersten Stufe des Verstärkers beteiligt ist. Dieser wurde mit 50,3 kΩ gewählt. Um den Verstärkungswiderstand zu berechnen, wird dieser Wert in die obige Gleichung eingesetzt.

1000=(1+2*50300/Rgain)

Gewinn = 100,7

Nachdem dieser Wert berechnet wurde, kann der Instrumentenverstärker als die in diesem Schritt gezeigte folgende Schaltung aufgebaut werden. Die OP/AMPs sollten mit positiven und negativen 15 Volt gespeist werden, wie im Schaltplan gezeigt. Die Bypass-Kondensatoren für jeden OP/AMP sollten in der Nähe des OP/AMP in Reihe mit der Stromversorgung platziert werden, um jedes Wechselstromsignal zu dämpfen, das von der Stromquelle zur Erde kommt, um zu verhindern, dass die OP/AMPs durchgebrannt werden und zusätzliches Rauschen dazu beitragen könnte zum Signal. Um die tatsächliche Verstärkung der Schaltung zu testen, sollte dem Knoten der positiven Elektrode eine Sinuswelle am Eingang gegeben werden, und der Knoten der negativen Elektrode sollte mit Masse verbunden werden. Dadurch kann die Verstärkung der Schaltung bei einem Eingangssignal von weniger als 15 mV Spitze-Spitze genau gesehen werden.

Schritt 2: Konstruieren Sie den Tiefpassfilter 2. Ordnung

Ein Tiefpassfilter zweiter Ordnung wurde verwendet, um Rauschen oberhalb der interessierenden Frequenz für das EKG-Signal, die 150 Hz betrug, zu entfernen.

Der in Berechnungen für das Tiefpassfilter 2. Ordnung verwendete K-Wert ist die Verstärkung. Da wir keine Verstärkung in unserem Filter wünschen, haben wir einen Verstärkungswert von 1 gewählt, was bedeutet, dass die Eingangsspannung gleich der Ausgangsspannung ist.

K=1

Für ein Butterworth-Filter zweiter Ordnung, das für diese Schaltung verwendet wird, werden die a- und b-Koeffizienten unten definiert. a=1,414214 b=1

Erstens wird der zweite Kondensatorwert so gewählt, dass er ein relativ großer Kondensator ist, der im Labor und in der realen Welt leicht verfügbar ist.

C2=0,1 F

Um den ersten Kondensator zu berechnen, werden die folgenden Beziehungen zwischen ihm und dem zweiten Kondensator verwendet. Die Koeffizienten K, a und b wurden in die Gleichung eingesetzt, um diesen Wert zu berechnen.

C1<=C2*[a^2+4b(K-1)]/4b

C1<=(0.1*10^-6[1.414214^2+4*1(1-1)]/4*1

C1<=50 nF

Da die Berechnung des ersten Kondensators kleiner oder gleich 50 nF ist, wurde der folgende Kondensatorwert gewählt.

C1=33nF

Um den ersten Widerstand zu berechnen, der für dieses Tiefpassfilter zweiter Ordnung mit einer Grenzfrequenz von 150 Hz benötigt wird, wurde die folgende Gleichung unter Verwendung der berechneten Kondensatorwerte und der Koeffizienten K, a und b gelöst. R1=2/[(Grenzfrequenz)*[aC2*sqrt([(a^2+4b(K-1))C2^2-4bC1C2])]

R1=9478 Ohm

Um den zweiten Widerstand zu berechnen, wurde die folgende Gleichung verwendet. Die Grenzfrequenz beträgt wiederum 150 Hz und der b-Koeffizient ist 1.

R2=1/[bC1C2R1(Grenzfrequenz)^2]

R2=35,99 kOhmNach der Berechnung der obigen Werte für die Widerstände und Kondensatoren, die für ein Kerbfilter zweiter Ordnung benötigt werden, wurde die folgende Schaltung erstellt, um den aktiven Tiefpassfilter zu zeigen, der verwendet wird. Der OP/AMP wird mit positiven und negativen 15 Volt gespeist, wie im Diagramm gezeigt. Bypass-Kondensatoren sind an die Stromquellen angeschlossen, so dass jedes Wechselstromsignal, das aus der Quelle kommt, nach Masse umgeleitet wird, um sicherzustellen, dass der OP/AMP nicht durch dieses Signal gebraten wird. Um diese Stufe der EKG-Schaltung zu testen, sollte der Eingangssignalknoten mit einer Sinuswelle verbunden und ein Wechselstrom-Sweep von 1 Hz bis 200 Hz durchgeführt werden, um zu sehen, wie der Filter funktioniert.

Schritt 3: Konstruieren Sie den Notch-Filter

Der Notch-Filter ist ein äußerst wichtiger Bestandteil vieler Schaltungen zur Messung von niederfrequenten Signalen. Bei niedrigen Frequenzen ist ein Wechselstromrauschen von 60 Hz sehr verbreitet, da dies die Frequenz des Wechselstroms ist, der in den Vereinigten Staaten durch Gebäude fließt. Dieses 60-Hz-Rauschen ist unbequem, da es sich in der Mitte des Durchlassbandes für das EKG befindet, aber ein Kerbfilter kann bestimmte Frequenzen entfernen, während der Rest des Signals erhalten bleibt. Beim Entwerfen dieses Notch-Filters ist es sehr wichtig, einen hohen Qualitätsfaktor Q zu haben, um sicherzustellen, dass die Grenzfrequenz um den interessierenden Punkt herum scharf abfällt. Im Folgenden werden die Berechnungen beschrieben, die verwendet werden, um einen aktiven Kerbfilter zu konstruieren, der in der EKG-Schaltung verwendet wird.

Zuerst muss die interessierende Frequenz, 60 Hz, von Hz in rad/s umgewandelt werden.

Frequenz=2*pi*Frequenz

Frequenz=376,99 Rad/Sekunde

Als nächstes sollte die Bandbreite der geschnittenen Frequenzen berechnet werden. Diese Werte werden so ermittelt, dass die interessierende Hauptfrequenz, 60 Hz, vollständig abgeschnitten wird und nur wenige Umgebungsfrequenzen geringfügig beeinflusst werden.

Bandbreite=Cutoff2-Cutoff1

Bandbreite=37.699 Als nächstes muss der Qualitätsfaktor bestimmt werden. Der Qualitätsfaktor bestimmt, wie scharf die Kerbe ist und wie eng der Cut-Off beginnt. Dies wird unter Verwendung der Bandbreite und der interessierenden Frequenz berechnet. Q=Frequenz/Bandbreite

Q = 10

Für dieses Filter wird ein leicht verfügbarer Kondensatorwert gewählt. Der Kondensator muss nicht groß sein und sollte auf keinen Fall zu klein sein.

C=100 nF

Um den ersten in diesem aktiven Kerbfilter verwendeten Widerstand zu berechnen, wurde die folgende Beziehung verwendet, die den Qualitätsfaktor, die interessierende Frequenz und den gewählten Kondensator beinhaltet.

R1=1/[2QC*Frequenz]

R1=1326,29 Ohm

Der in diesem Filter verwendete zweite Widerstand wird unter Verwendung der folgenden Beziehung berechnet.

R2=2Q/[Frequenz*C]

R2=530516 Ohm

Der Endwiderstand für dieses Filter wird aus den beiden vorherigen Widerstandswerten berechnet. Es wird erwartet, dass er dem ersten berechneten Widerstand sehr ähnlich ist.

R3=R1*R2/[R1+R2]

R3=1323 Ohm

Nachdem alle Komponentenwerte unter Verwendung der oben beschriebenen Gleichungen berechnet wurden, sollte der folgende Kerbfilter konstruiert werden, um das 60-Hz-Wechselstromrauschen, das das EKG-Signal stört, genau herauszufiltern. Der OP/AMP sollte mit positiven und negativen 15 Volt gespeist werden, wie in der folgenden Schaltung gezeigt. Bypass-Kondensatoren werden von den Stromquellen am OP/AMP angeschlossen, so dass jedes von der Stromquelle kommende Wechselstromsignal an Masse umgeleitet wird, um sicherzustellen, dass der OP/AMP nicht durchgebrannt wird. Um diesen Teil der Schaltung zu testen, wird das Eingangssignal sollte an eine Sinuswelle angeschlossen werden und ein AC-Sweep sollte von 40 Hz bis 80 Hz durchgeführt werden, um die Filterung des 60-Hz-Signals zu sehen.

Schritt 4: Erstellen Sie ein LabVIEW-Programm zur Berechnung der Herzfrequenz

LabVIEW ist ein nützliches Werkzeug zum Ausführen von Instrumenten sowie zum Sammeln von Daten. Um EKG-Daten zu sammeln, wird eine DAQ-Karte verwendet, die Eingangsspannungen mit einer Abtastrate von 1 kHz liest. Diese Eingangsspannungen werden dann an einen Plot ausgegeben, der verwendet wird, um die EKG-Aufzeichnung anzuzeigen. Die gesammelten Daten durchlaufen dann einen Max-Finder, der die gelesenen Maximalwerte ausgibt. Diese Werte ermöglichen die Berechnung eines Spitzenschwellenwerts bei 98% der Maximalausgabe. Danach wird ein Spitzenwertdetektor verwendet, um zu bestimmen, wann die Daten größer als dieser Schwellenwert sind. Diese Daten können zusammen mit der Zeit zwischen den Spitzenwerten verwendet werden, um die Herzfrequenz zu bestimmen. Diese einfache Berechnung wird die Herzfrequenz anhand der von der DAQ-Platine gelesenen Eingangsspannungen genau bestimmen.

Schritt 5: Testen

Nachdem Sie Ihre Schaltungen erstellt haben, sind Sie bereit, sie in Betrieb zu nehmen! Zuerst sollte jede Stufe mit einem AC-Sweep mit Frequenzen von 0,05 Hz bis 200 Hz getestet werden. Die Eingangsspannung sollte nicht mehr als 15 mV Spitze-Spitze betragen, damit das Signal nicht durch die OP/AMP-Beschränkungen belastet wird. Schließen Sie als Nächstes alle Stromkreise an und führen Sie erneut einen vollständigen AC-Sweep durch, um sicherzustellen, dass alles ordnungsgemäß funktioniert. Nachdem Sie mit der Leistung Ihrer kompletten Schaltung zufrieden sind, ist es Zeit, sich daran anzuschließen. Platzieren Sie die positive Elektrode am rechten Handgelenk und die negative Elektrode am linken Handgelenk. Legen Sie die Erdungselektrode an Ihrem Knöchel an. Verbinden Sie den Ausgang der kompletten Schaltung mit Ihrem DAQ-Board und führen Sie das LabVIEW-Programm aus. Ihr EKG-Signal sollte jetzt im Kurvendiagramm des Computers sichtbar sein. Wenn es nicht oder verzerrt ist, versuchen Sie, die Verstärkung der Schaltung auf etwa 10 zu senken, indem Sie den Verstärkungswiderstand entsprechend ändern. Dadurch sollte das Signal vom LabVIEW-Programm gelesen werden können.