Einfacher EKG-Aufzeichnungskreis und LabVIEW-Herzfrequenzmesser - Gunook

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

Dies ist kein medizinisches Gerät. 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-Instrument-Verbindungen geeignete Isolationstechniken verwenden

Einer der grundlegendsten Aspekte der modernen Gesundheitsversorgung ist die Möglichkeit, eine Herzwelle mit einem EKG oder einem Elektrokardiogramm zu erfassen. Bei dieser Technik werden Oberflächenelektroden verwendet, um die verschiedenen vom Herzen emittierten elektrischen Muster zu messen, so dass die Ausgabe als Diagnosewerkzeug verwendet werden kann, um Herz- und Lungenerkrankungen wie verschiedene Formen von Tachykardie, Astblock und Hypertrophie zu diagnostizieren. Um diese Zustände zu diagnostizieren, wird die ausgegebene Wellenform mit einem normalen EKG-Signal verglichen.

Um ein System zu erstellen, das die EKG-Wellenform erhalten kann, muss das Signal zuerst verstärkt und dann entsprechend gefiltert werden, um Rauschen zu entfernen. Dazu kann mit OP-Amps eine dreistufige Schaltung aufgebaut werden.

Dieses Instructable liefert die Informationen, die erforderlich sind, um eine einfache Schaltung zu entwerfen und dann aufzubauen, die ein EKG-Signal mit Oberflächenelektroden aufzeichnen und dann dieses Signal zur weiteren Verarbeitung und Analyse filtern kann. Darüber hinaus wird dieses Instructable eine Technik skizzieren, die verwendet wird, um dieses Signal zu analysieren, um eine grafische Darstellung der Schaltungsausgabe zu erstellen, sowie eine Methode zur Berechnung der Herzfrequenz aus der EKG-Wellenformschaltungsausgabe.

Hinweis: Achten Sie beim Entwurf jeder Stufe darauf, AC-Sweeps sowohl experimentell als auch durch Simulationen durchzuführen, um das gewünschte Schaltungsverhalten sicherzustellen.

Schritt 1: Entwerfen und konstruieren Sie den Instrumentierungsverstärker

Die erste Stufe in dieser EKG-Schaltung ist ein Instrumentenverstärker, der aus drei Operationsverstärkern besteht. Die ersten beiden Operationsverstärker sind gepufferte Eingänge, die dann in einen dritten Operationsverstärker eingespeist werden, der als Differenzverstärker fungiert. Die Signale des Körpers müssen gepuffert werden, sonst wird die Leistung verringert, da der Körper nicht viel Strom liefern kann. Der Differenzverstärker nimmt die Differenz zwischen den beiden Eingangsquellen, um eine messbare Potenzialdifferenz bereitzustellen und gleichzeitig das gemeinsame Rauschen auszulöschen. Diese Stufe hat auch eine Verstärkung von 1000, wodurch die typischen mV auf eine besser lesbare Spannung verstärkt werden.

Die Schaltungsverstärkung von 1000 für den Instrumentenverstärker wird durch die gezeigten Gleichungen berechnet. Die Verstärkung der Stufe 1 des Instrumentenverstärkers wird durch (2) berechnet, und die Verstärkung der Stufe 2 des Instrumentenverstärkers wird durch (3) berechnet. K1 und K2 wurden so berechnet, dass sie sich um nicht mehr als einen Wert von 15 voneinander unterscheiden.

Für eine Verstärkung von 1000 könnte K1 auf 40 und K2 auf 25 eingestellt werden. Die Widerstandswerte können alle berechnet werden, aber dieser spezielle Instrumentenverstärker verwendet die folgenden Widerstandswerte:

R1 = 40 kΩ

R2 = 780 kΩ

R3 = 4 kΩ

R4 = 100 kΩ

Schritt 2: Entwerfen und konstruieren Sie den Notch-Filter

Die nächste Stufe ist ein Notch-Filter, um das 60-Hz-Signal, das aus der Steckdose kommt, zu entfernen.

Im Kerbfilter wird der Widerstandswert von R1 durch (4), der Wert von R2 durch (5) und der Wert von R3 durch (6) berechnet. Der Qualitätsfaktor der Schaltung, Q, wird auf 8 eingestellt, da dies eine vernünftige Fehlerspanne ergibt, während sie realistisch genau ist. Der Q-Wert kann durch (7) berechnet werden. Die letzte maßgebende Gleichung des Notch-Filters wird zur Berechnung der Bandbreite verwendet und wird durch (8) beschrieben. Zusätzlich zu dem Qualitätsfaktor von 8 wies der Notch-Filter andere Designspezifikationen auf. Dieser Filter hat eine Verstärkung von 1, damit er das Signal nicht verändert, während er das 60-Hz-Signal entfernt.

Nach diesen Gleichungen ist R1 = 11,0524 kΩ, R2 = 2,829 MΩ, R3 = 11,009 kΩ und C1 = 15 nF

Schritt 3: Entwerfen und konstruieren Sie den Butterworth-Tiefpassfilter 2. Ordnung

Die letzte Stufe ist ein Tiefpassfilter, um alle Signale zu entfernen, die oberhalb der höchsten Frequenzkomponente einer EKG-Welle auftreten können, wie z. B. WLAN-Rauschen und andere Umgebungssignale, die vom interessierenden Signal ablenken könnten. Der -3dB-Punkt für diese Phase sollte bei oder nahe 150 Hz liegen, da der Standardbereich der in einer EKG-Welle vorhandenen Signale von 0,05 Hz bis 150 Hz reicht.

Beim Entwerfen des Tiefpass-Butterworth-Filters zweiter Ordnung wird die Schaltung wiederum auf eine Verstärkung von 1 eingestellt, was ein einfacheres Schaltungsdesign ermöglicht. Vor weiteren Berechnungen ist zu beachten, dass die gewünschte Grenzfrequenz des Tiefpassfilters auf 150 Hz eingestellt ist. Am einfachsten ist es, mit der Berechnung des Wertes des Kondensators 2, C2, zu beginnen, da andere Gleichungen von diesem Wert abhängen. C2 kann durch (9) berechnet werden. Ausgehend von der Berechnung von C2 kann C1 durch (10) berechnet werden. Bei diesem Tiefpassfilter sind die Koeffizienten a und b mit a = 1,414214 und b = 1 definiert. Der Widerstandswert von R1 wird durch (11) berechnet und der Widerstandswert von R2 wird durch (12) berechnet..

Folgende Werte wurden verwendet:

R1 = 13,842 kΩ

R2 = 54,36kΩ

C1 = 38 nF

C1 = 68 nF

Schritt 4: Einrichten des LabVIEW-Programms für die Datenerfassung und -analyse

Als nächstes kann das Computerprogramm LabView verwendet werden, um eine Aufgabe zu erstellen, die eine grafische Darstellung eines Herzschlags aus einem EKG-Signal erstellt und die Herzfrequenz aus demselben Signal berechnet. Das LabView-Programm erreicht dies, indem es zunächst einen analogen Eingang von einer DAQ-Karte akzeptiert, die auch als Analog-Digital-Wandler fungiert. Dieses digitale Signal wird dann weiter analysiert und geplottet, wobei das Diagramm die grafische Darstellung des Signals zeigt, das in das DAQ-Board eingegeben wird. Die Signalwellenform wird analysiert, indem 80 % der maximalen Werte des akzeptierten digitalen Signals genommen werden und dann eine Spitzenwertdetektorfunktion verwendet wird, um diese Spitzenwerte des Signals zu erkennen. Gleichzeitig nimmt das Programm die Wellenform und berechnet die Zeitdifferenz zwischen den Spitzen der Wellenform. Die Spitzenwerterkennung ist mit begleitenden Werten von entweder 1 oder 0 gekoppelt, wobei 1 einen Spitzenwert darstellt, um einen Index für die Position von Spitzenwerten zu erstellen, und dieser Index wird dann in Verbindung mit der Zeitdifferenz zwischen Spitzenwerten verwendet, um die Herzfrequenz in mathematisch zu berechnen Schläge pro Minute (BPM). Das Blockschaltbild, das im LabView-Programm verwendet wurde, wird angezeigt.

Schritt 5: Vollständige Montage

Sobald Sie alle Ihre Schaltungen und das LabVIEW-Programm erstellt und sichergestellt haben, dass alles ordnungsgemäß funktioniert, können Sie ein EKG-Signal aufzeichnen. Abgebildet ist ein mögliches Schema der vollständigen Kreislaufsystembaugruppe.

Verbinden Sie die positive Elektrode mit Ihrem rechten Handgelenk und einem der eingekreisten Instrumentenverstärkereingänge und die negative Elektrode mit Ihrem linken Handgelenk und dem anderen Instrumentenverstärkereingang wie abgebildet. Die Reihenfolge der Elektrodeneingabe spielt keine Rolle. Platzieren Sie schließlich eine Erdungselektrode an Ihrem Knöchel und verbinden Sie sie mit Masse in Ihrem Stromkreis. Herzlichen Glückwunsch, Sie haben alle notwendigen Schritte zum Aufzeichnen und EKG-Signal durchgeführt.