Elektrokardiogramm (EKG) Schaltung - 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.

Wir sind zwei Studenten der Biomedizinischen Technik und nachdem wir unseren ersten Zirkelkurs besucht hatten, waren wir ziemlich aufgeregt und beschlossen, die Grundlagen, die wir gelernt haben, zu nutzen, um etwas Nützliches zu tun: ein EKG anzeigen und die Herzfrequenz ablesen. Dies wäre die komplexeste Schaltung, die wir bisher gebaut haben!

Einige Hintergrundinformationen zu einem EKG:

Viele elektrische Geräte werden verwendet, um die biologische Aktivität im menschlichen Körper zu messen und aufzuzeichnen. Ein solches Gerät ist das Elektrokardiogramm, das die vom Herzen erzeugten elektrischen Signale misst. Diese Signale geben objektive Informationen über den Aufbau und die Funktion des Herzens. Das EKG wurde erstmals 1887 entwickelt und bot Ärzten eine neue Möglichkeit, Herzkomplikationen zu diagnostizieren. EKGs können Herzrhythmus, Herzfrequenz, Herzinfarkte, unzureichende Blut- und Sauerstoffversorgung des Herzens sowie strukturelle Anomalien erkennen. Unter Verwendung eines einfachen Schaltungsdesigns kann ein EKG erstellt werden, das all diese Dinge überwachen könnte.

Schritt 1: Materialien

Bau der Schaltung

Grundlegende Materialien, die zum Aufbau der Schaltung benötigt werden, sind in Bildern gezeigt. Sie beinhalten:

• Steckbrett

• Operationsverstärker

  • Alle in dieser Schaltung verwendeten Operationsverstärker sind LM741.
  • Weitere Informationen finden Sie im Datenblatt:
• Widerstände
• Kondensatoren
• Drähte

• Elektroden zum Aufkleben

  Diese werden nur benötigt, wenn Sie sich entscheiden, die Schaltung an einer realen Person auszuprobieren

Die verwendete Software umfasst:

• LabVIEW 2016
• CircuitLab oder PSpice für Simulationen zur Überprüfung von Werten

• Excel

  Dies wird dringend empfohlen, falls Sie irgendwelche Eigenschaften Ihrer Schaltung ändern müssen. Möglicherweise müssen Sie auch mit den Zahlen spielen, bis Sie Widerstands- und Kondensatorwerte finden, die leicht verfügbar sind. Von Stift-und-Papier-Berechnungen wird hier abgeraten! Wir haben unsere Tabellenkalkulationen angehängt, um eine Idee zu geben

Testen der Schaltung

Sie benötigen auch einige größere elektronische Geräte:

• Gleichstromquelle
• DAQ-Platine zur Anbindung der Schaltung an LabVIEW
• Funktionsgenerator zum Testen der Schaltung
• Oszilloskop zum Testen der Schaltung

Schritt 2: Instrumentenverstärker

Warum wir es brauchen:

Wir werden einen Instrumentenverstärker bauen, um die vom Körper gemessene kleine Amplitude zu verstärken. Die Verwendung von zwei Verstärkern in unserer ersten Stufe ermöglicht es uns, das vom Körper erzeugte Rauschen (das an beiden Elektroden gleich ist) auszulöschen. Wir verwenden zwei Stufen mit ungefähr gleichem Gewinn – dies schützt den Benutzer, wenn das System mit einer Person verbunden ist, indem verhindert wird, dass der gesamte Gewinn an einem Ort stattfindet. Da die normale Amplitude eines EKG-Signals zwischen 0,1 und 5 mV liegt, möchten wir, dass die Verstärkung des Instrumentenverstärkers etwa 100 beträgt. Eine akzeptable Toleranz der Verstärkung beträgt 10 %.

So bauen Sie es:

Unter Verwendung dieser Spezifikationen und der Gleichungen in der Tabelle (beigefügte Bilder) haben wir festgestellt, dass unsere Widerstandswerte R1 = 1,8 KiloOhm, R2 = 8,2 KiloOhm, R3 = 1,5 KiloOhm und R4 = 15 KiloOhm sind. K1 ist die Verstärkung der ersten Stufe (OA1 und OA2) und K2 ist die Verstärkung der zweiten Stufe (OA3). In den Stromversorgungen der Operationsverstärker werden Bypass-Kondensatoren mit gleicher Kapazität verwendet, um Rauschen zu entfernen.

So testen Sie es:

Jedes Signal, das in den Instrumentenverstärker eingespeist wird, sollte um 100 verstärkt werden. Bei dB=20log(Vout/Vin) bedeutet dies ein Verhältnis von 40 dB. Sie können dies in PSpice oder CircuitLab simulieren oder das physische Gerät testen oder beides!

Das angehängte Oszilloskopbild zeigt eine Verstärkung von 1000. Für ein echtes EKG ist dies zu hoch!

Schritt 3: Kerbfilter

Warum wir es brauchen:

Wir werden einen Kerbfilter verwenden, um das 60-Hz-Rauschen zu entfernen, das in allen Netzteilen in den USA vorhanden ist.

So bauen Sie es:

Wir werden den Qualitätsfaktor Q auf 8 setzen, was eine akzeptable Filterausgabe liefert, während die Komponentenwerte in einem zulässigen Bereich gehalten werden. Wir setzen auch den Kondensatorwert auf 0,1 μF, damit die Berechnungen nur die Widerstände betreffen. Die berechneten und verwendeten Widerstandswerte können der Tabelle (in Bildern) oder unten entnommen werden

• Q = w/B

  setze Q auf 8 (oder wähle dein eigenes basierend auf deinem eigenen Bedarf)

• w = 2*pi*f

  f = 60 Hz verwenden

• C

  auf 0,1 uF eingestellt (oder wählen Sie Ihren eigenen Wert aus den verfügbaren Kondensatoren)

• R1 = 1/(2*Q*w*C)

  Berechnung. Unser Wert beträgt 1,66 kOhm

• R2 = 2*Q/(w*C)

  Berechnung. Unser Wert beträgt 424,4 kOhm

• R3 = R1*R2/(R1+R2)

  Berechnung. Unser Wert beträgt 1,65 kOhm

So testen Sie es:

Der Notch-Filter sollte alle Frequenzen unverändert passieren lassen, mit Ausnahme derjenigen um 60 Hz. Dies kann mit einem AC-Sweep überprüft werden. Als gut gilt ein Filter mit einer Verstärkung von -20 dB bei 60 Hz. Sie können dies in PSpice oder CircuitLab simulieren oder das physische Gerät testen oder beides!

Diese Art von Notch-Filter kann im simulierten AC-Sweep eine gute Kerbe erzeugen, aber ein physikalischer Test zeigte, dass unsere ursprünglichen Werte eine Kerbe bei einer niedrigeren Frequenz als beabsichtigt erzeugten. Um dies zu beheben, haben wir R2 um etwa 25 kOhm erhöht.

Das Oszilloskopbild zeigt, dass der Filter die Eingangssignalgröße bei 60 Hz stark reduziert. Die Grafik zeigt einen AC-Sweep für einen hochwertigen Notch-Filter.

Schritt 4: Tiefpassfilter

Warum wir es brauchen:

Die letzte Stufe des Geräts ist ein aktiver Tiefpassfilter. Das EKG-Signal besteht aus vielen verschiedenen Wellenformen, die jeweils ihre eigene Frequenz haben. All dies wollen wir ohne hochfrequentes Rauschen einfangen. Als Standard-Grenzfrequenz für EKG-Monitore ist 150 Hz gewählt. (Manchmal werden höhere Grenzwerte gewählt, um bestimmte Herzprobleme zu überwachen, aber für unser Projekt verwenden wir einen normalen Grenzwert.)

Wenn Sie eine einfachere Schaltung herstellen möchten, können Sie auch einen passiven Tiefpassfilter verwenden. Dies beinhaltet keinen Operationsverstärker und besteht nur aus einem Widerstand in Reihe mit einem Kondensator. Am Kondensator wird die Ausgangsspannung gemessen.

So bauen Sie es:

Wir werden es als Butterworth-Filter zweiter Ordnung entwerfen, das Koeffizienten a und b gleich 1,414214 bzw. 1 hat. Durch Einstellen der Verstärkung auf 1 wird der Operationsverstärker zu einem Spannungsfolger. Die gewählten Gleichungen und Werte sind in der Tabelle (in Bildern) und unten aufgeführt.

• w=2*pi*f

  f = 150 Hz einstellen

• C2 = 10/f

  Berechnung. Unser Wert beträgt 0,067 uF

• C1 <= C2*(a^2)/(4b)

  Berechnung. Unser Wert beträgt 0,033 uF

• R1 = 2/(w*(aC2+sqrt(a^2*C2^2-4b*C1*C2)))

  Berechnung. Unser Wert beträgt 18.836 kOhm

• R2 = 1/(b*C1*C2*R1*w^2)

  Berechnung. Unser Wert beträgt 26.634 kOhm

So testen Sie es:

Der Filter sollte Frequenzen unterhalb der Grenzfrequenz unverändert durchlassen. Dies kann mit einem AC-Sweep getestet werden. Sie können dies in PSpice oder CircuitLab simulieren oder das physische Gerät testen oder beides!

Das Oszilloskopbild zeigt die Reaktion des Filters bei 100 Hz, 150 Hz und 155 Hz. Unsere physische Schaltung hatte einen Cutoff näher bei 155 Hz, was durch das -3 dB-Verhältnis angezeigt wird.

Schritt 5: Hochpassfilter

Warum wir es brauchen:

Der Hochpassfilter wird verwendet, damit Frequenzen unterhalb eines bestimmten Cut-Off-Wertes nicht aufgezeichnet werden und ein sauberes Signal durchgelassen werden kann. Als Grenzfrequenz wird 0,5 Hz gewählt (ein Standardwert für EKG-Monitore).

So bauen Sie es:

Die dazu erforderlichen Widerstands- und Kondensatorwerte sind unten aufgeführt. Unser tatsächlich verwendeter Widerstand betrug 318,2 kOhm.

• R = 1/(2*pi*f*C)

  • setze f = 0,5 Hz und C = 1 uF
  • Berechnen Sie R. Unser Wert ist 318.310 kOhm

So testen Sie es:

Der Filter sollte Frequenzen oberhalb der Grenzfrequenz unverändert durchlassen. Dies kann mit einem AC-Sweep getestet werden. Sie können dies in PSpice oder CircuitLab simulieren oder das physische Gerät testen oder beides!

Schritt 6: LabVIEW einrichten

Das Flussdiagramm stellt das Designkonzept des LabVIEW-Teils des Projekts dar, der das Signal mit einer hohen Abtastrate aufzeichnet und die Herzfrequenz (BPM) und das EKG anzeigt. Unsere LabView-Schaltung enthält die folgenden Komponenten: DAQ-Assistent, Index-Array, arithmetische Operatoren, Spitzenwerterkennung, numerische Indikatoren, Kurvendiagramm, Zeitänderung, Max/Min-Kennung und Zahlenkonstanten. Der DAQ-Assistent ist so eingestellt, dass er kontinuierlich Samples mit einer Rate von 1 kHz aufnimmt, wobei die Anzahl der Samples zwischen 3.000 und 5.000 Samples zur Spitzenerkennung und Signalklarheit geändert wird.

Fahren Sie mit der Maus über die verschiedenen Komponenten im Schaltplan, um zu lesen, wo sie in LabVIEW zu finden sind!

Schritt 7: Daten sammeln

Nachdem die Schaltung nun zusammengebaut wurde, können Daten gesammelt werden, um zu sehen, ob sie funktioniert! Senden Sie ein simuliertes EKG mit 1 Hz durch den Stromkreis. Das Ergebnis sollte ein sauberes EKG-Signal sein, bei dem der QRS-Komplex, die P-Welle und die T-Welle deutlich zu sehen sind. Die Herzfrequenz sollte ebenfalls 60 Schläge pro Minute (bpm) anzeigen. Um die Schaltung und das LabVIEW-Setup weiter zu testen, ändern Sie die Frequenz auf 1,5 Hz und 0,5 Hz. Die Herzfrequenz sollte sich auf 90 Schläge/min bzw. 30 Schläge/min ändern.

Damit langsamere Herzfrequenzen genau angezeigt werden, müssen Sie möglicherweise die DAQ-Einstellungen anpassen, um mehr Wellen pro Diagramm anzuzeigen. Dies kann durch Erhöhen der Anzahl der Proben erfolgen.

Wenn Sie das Gerät an einem Menschen testen möchten, stellen Sie sicher, dass das Netzteil, das Sie für die Operationsverstärker verwenden, den Strom auf 0,015 mA begrenzt! Es gibt mehrere akzeptable Elektrodenkonfigurationen, aber wir haben uns entschieden, die positive Elektrode am linken Knöchel, die negative Elektrode am rechten Handgelenk und die Masseelektrode am rechten Knöchel zu platzieren, wie im beigefügten Bild zu sehen.

Mit einigen grundlegenden Schaltungskonzepten und unserem Wissen über das menschliche Herz haben wir Ihnen gezeigt, wie Sie ein unterhaltsames und nützliches Gerät erstellen. Wir hoffen, Ihnen hat unser Tutorial gefallen!