Digitaler EKG- und Herzfrequenzmesser - 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 Verbindungen zwischen Stromkreis und Instrument Batteriestrom und andere geeignete Isolationstechniken verwenden

Ein Elektrokardiogramm (EKG) zeichnet elektrische Signale während des Herzzyklus auf. Jedes Mal, wenn das Herz schlägt, gibt es einen Zyklus der Depolarisation und Hyperpolarisation der Myokardzellen. Die Depolarisation und Hyperpolarisation können mit Elektroden aufgezeichnet werden, und Ärzte lesen diese Informationen, um mehr über die Funktionsweise des Herzens zu erfahren. Ein EKG kann einen Myokardinfarkt, Vorhofflimmern oder Kammerflimmern, Tachykardie und Bradykardie feststellen [1]. Nachdem das Problem anhand des EKGs festgestellt wurde, können die Ärzte den Patienten erfolgreich diagnostizieren und behandeln. Befolgen Sie die nachstehenden Schritte, um zu erfahren, wie Sie Ihr eigenes Elektrokardiogramm-Aufzeichnungsgerät herstellen!

Schritt 1: Materialien

Schaltungskomponenten:

• Fünf Operationsverstärker UA741
• Widerstände
• Kondensatoren
• Überbrückungsdrähte
• DAQ-Platine
• LabVIEW-Software

Ausrüstung testen:

• Funktionsgenerator
• Gleichstromquelle
• Oszilloskop
• BNC-Kabel und T-Splitter
• Überbrückungskabel
• Krokodilklemmen
• Bananenstecker

Schritt 2: Instrumentenverstärker

Die erste Stufe der Schaltung ist ein Instrumentenverstärker. Dadurch wird das biologische Signal verstärkt, sodass die verschiedenen Komponenten des EKGs unterschieden werden können.

Das Schaltbild des Instrumentenverstärkers ist oben dargestellt. Die Verstärkung der ersten Stufe dieser Schaltung ist definiert als K1 = 1 + 2*R2/R1. Die Verstärkung der zweiten Stufe der Schaltung ist definiert als K2 = R4 / R3. Die Gesamtverstärkung des Instrumentenverstärkers beträgt K1 * K2. Die gewünschte Verstärkung für dieses Projekt betrug ungefähr 1000, daher wurde K1 mit 31 und K2 mit 33 gewählt. Widerstandswerte für diese Verstärkungen sind oben im Schaltplan dargestellt. Sie können die oben gezeigten Widerstandswerte verwenden oder die Werte ändern, um Ihre gewünschte Verstärkung zu erreichen.**

Sobald Sie Ihre Komponentenwerte ausgewählt haben, kann die Schaltung auf dem Steckbrett aufgebaut werden. Um die Schaltungsverbindungen auf dem Steckbrett zu vereinfachen, wurde die negative horizontale Schiene oben als Masse eingestellt, während die beiden horizontalen Schienen unten auf +/- 15 V eingestellt wurden.

Der erste Operationsverstärker wurde auf der linken Seite des Steckbretts platziert, um Platz für alle verbleibenden Komponenten zu lassen. Anhänge wurden in chronologischer Reihenfolge der Pins hinzugefügt. Dies macht es einfacher zu verfolgen, welche Teile hinzugefügt wurden oder nicht. Sobald alle Pins für Operationsverstärker 1 vollständig sind, kann der nächste Operationsverstärker platziert werden. Stellen Sie auch hier sicher, dass es relativ nah ist, um Platz zu lassen. Der gleiche chronologische Pin-Prozess wurde für alle Operationsverstärker durchgeführt, bis der Instrumentenverstärker fertig war.

Zusätzlich zum Schaltplan wurden dann Bypass-Kondensatoren hinzugefügt, um die Wechselstromkopplung in den Drähten zu beseitigen. Diese Kondensatoren wurden parallel zur Gleichspannungsversorgung geschaltet und auf der oberen horizontalen negativen Schiene geerdet. Diese Kondensatoren sollten im Bereich von 0,1 bis 1 Mikrofarad liegen. Jeder Operationsverstärker hat zwei Bypass-Kondensatoren, einen für Pin 4 und einen für Pin 7. Die beiden Kondensatoren an jedem Operationsverstärker müssen den gleichen Wert haben, können aber von Operationsverstärker zu Operationsverstärker variieren.

Um die Verstärkung zu testen, wurden ein Funktionsgenerator und ein Oszilloskop an den Eingang bzw. Ausgang des Verstärkers angeschlossen. Das Eingangssignal wurde auch mit dem Oszilloskop verbunden. Zur Bestimmung der Verstärkung wurde eine einfache Sinuswelle verwendet. Geben Sie den Ausgang des Funktionsgenerators in die beiden Eingangsklemmen des Instrumentenverstärkers ein. Stellen Sie das Oszilloskop so ein, dass das Verhältnis von Ausgangssignal zu Eingangssignal gemessen wird. Die Verstärkung einer Schaltung in Dezibel beträgt Gain = 20 * log10(Vout / Vin). Bei einer Verstärkung von 1000 beträgt die Verstärkung in Dezibel 60 dB. Mit dem Oszilloskop können Sie feststellen, ob die Verstärkung Ihrer konstruierten Schaltung Ihren Spezifikationen entspricht oder ob Sie einige Widerstandswerte ändern müssen, um Ihre Schaltung zu verbessern.

Sobald der Instrumentenverstärker korrekt montiert und funktionsfähig ist, können Sie mit dem Notch-Filter fortfahren.

**Im obigen Schaltplan R2 = R21 = R22, R3 = R31 = R32, R4 = R41 =R42

Schritt 3: Kerbfilter

Der Notch-Filter dient dazu, Rauschen aus dem 60-Hz-Netzteil zu entfernen. Ein Notch-Filter dämpft das Signal an der Grenzfrequenz und lässt Frequenzen darüber und darunter durch. Für diese Schaltung beträgt die gewünschte Grenzfrequenz 60 Hz.

Die maßgebenden Gleichungen für den oben gezeigten Schaltplan sind R1 = 1 /(2 * Q * w *C), R2 = 2 * Q / (w * C) und R3 = R1 * R2 / (R1 + R2), wobei Q ist der Qualitätsfaktor und w ist 2 * pi * (Grenzfrequenz). Ein Qualitätsfaktor von 8 ergibt Widerstands- und Kondensatorwerte in einem vernünftigen Bereich. Die Kondensatorwerte können als alle gleich angenommen werden. Somit können Sie einen Kondensatorwert auswählen, der in Ihren Kits verfügbar ist. Die in der obigen Schaltung gezeigten Widerstandswerte gelten für eine Grenzfrequenz von 60 Hz, einen Qualitätsfaktor von 8 und einen Kondensatorwert von 0,22 uF.

Da sich Kondensatoren parallel addieren, wurden zwei Kondensatoren mit dem gewählten Wert C parallel geschaltet, um einen Wert von 2C zu erreichen. Außerdem wurden dem Operationsverstärker Bypass-Kondensatoren hinzugefügt.

Um das Notch-Filter zu testen, verbinden Sie den Ausgang des Funktionsgenerators mit dem Eingang des Notch-Filters. Beobachten Sie den Eingang und Ausgang der Schaltung auf einem Oszilloskop. Um einen effektiven Notch-Filter zu haben, sollten Sie eine Verstärkung von kleiner oder gleich -20 dB bei der Grenzfrequenz haben. Da die Komponenten nicht ideal sind, kann dies schwierig zu erreichen sein. Die berechneten Widerstands- und Kondensatorwerte liefern möglicherweise nicht die gewünschte Verstärkung. Dies erfordert, dass Sie Änderungen an den Widerstands- und Kondensatorwerten vornehmen.

Konzentrieren Sie sich dazu jeweils auf eine Komponente. Erhöhen und verringern Sie den Wert einer einzelnen Komponente, ohne andere zu ändern. Beobachten Sie die Auswirkungen, die dies auf die Verstärkung der Schaltung hat. Dies kann viel Geduld erfordern, um den gewünschten Gewinn zu erzielen. Denken Sie daran, dass Sie Widerstände in Reihe schalten können, um die Widerstandswerte zu erhöhen oder zu verringern. Die Änderung, die unsere Verstärkung am meisten verbesserte, bestand darin, einen der Kondensatoren auf 0,33 uF zu erhöhen.

Schritt 4: Tiefpassfilter

Der Tiefpassfilter entfernt höherfrequentes Rauschen, das das EKG-Signal stören kann. Ein Tiefpass-Cutoff von 40 Hz ist ausreichend, um die EKG-Wellenforminformationen zu erfassen. Einige Komponenten des EKGs überschreiten jedoch 40 Hz. Es könnte auch ein Cutoff von 100 Hz oder 150 Hz verwendet werden [2].

Der konstruierte Tiefpassfilter ist ein Butterworth-Filter zweiter Ordnung. Da die Verstärkung unserer Schaltung vom Instrumentenverstärker bestimmt wird, wollen wir eine Verstärkung von 1 innerhalb des Bandes für den Tiefpassfilter. Bei einer Verstärkung von 1 ist RA kurzgeschlossen und RB im obigen Schaltplan offen [3]. In der Schaltung gilt C1 = 10 / (fc) uF, wobei fc die Grenzfrequenz ist. C1 sollte kleiner oder gleich C2 * a^2 / (4 * b) sein. Für ein Butterworth-Filter zweiter Ordnung, a = sqrt(2) und b = 1. Wenn man Werte für a und b einsetzt, vereinfacht sich die Gleichung für C2 auf kleiner oder gleich C1 / 2. Dann ist R1 = 2 / [w * (a * C2 + sqrt(a^2 *C2 ^2 - 4 *b * C1 * C2))] und R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w^2), wobei w = 2 *pi * fc. Die Berechnungen für diese Schaltung wurden abgeschlossen, um eine Grenzfrequenz von 40 Hz bereitzustellen. Widerstands- und Kondensatorwerte, die diese Spezifikationen erfüllen, sind im obigen Schaltplan dargestellt.

Der Operationsverstärker wurde auf der rechten Seite des Steckbretts platziert, da danach keine anderen Komponenten hinzugefügt werden. Widerstände und Kondensatoren wurden dem Operationsverstärker hinzugefügt, um die Schaltung zu vervollständigen. Dem Operationsverstärker wurden auch Bypass-Kondensatoren hinzugefügt. Der Eingangsanschluss wurde leer gelassen, da der Eingang vom Kerbfilter-Ausgangssignal kommt. Zu Testzwecken wurde jedoch am Eingangspin ein Draht gelegt, um den Tiefpassfilter isolieren und einzeln testen zu können.

Als Eingangssignal wurde eine Sinuswelle des Funktionsgenerators verwendet und bei verschiedenen Frequenzen beobachtet. Beobachten Sie sowohl das Eingangs- als auch das Ausgangssignal auf einem Oszilloskop und bestimmen Sie die Verstärkung der Schaltung bei verschiedenen Frequenzen. Bei einem Tiefpassfilter sollte die Verstärkung bei der Grenzfrequenz -3 dB betragen. Bei dieser Schaltung sollte die Abschaltung bei 40 Hz erfolgen. Frequenzen unter 40 Hz sollten in ihrer Wellenform wenig bis gar keine Dämpfung aufweisen, aber wenn die Frequenz über 40 Hz ansteigt, sollte die Verstärkung weiter abnehmen.

Schritt 5: Zusammenbau der Schaltungsstufen

Sobald Sie jede Stufe der Schaltung aufgebaut und unabhängig getestet haben, können Sie sie alle verbinden. Der Ausgang des Instrumentenverstärkers sollte mit dem Eingang des Notchfilters verbunden werden. Der Ausgang des Notchfilters sollte mit dem Eingang des Tiefpassfilters verbunden werden.

Um die Schaltung zu testen, verbinden Sie den Eingang des Funktionsgenerators mit dem Eingang der Instrumentenverstärkerstufe. Beobachten Sie den Eingang und Ausgang der Schaltung auf einem Oszilloskop. Sie können mit einer vorprogrammierten EKG-Welle vom Funktionsgenerator oder mit einer Sinuswelle testen und die Auswirkungen Ihrer Schaltung beobachten. Im obigen Oszilloskopbild ist die gelbe Kurve die Eingangswellenform und die grüne Kurve die Ausgabe.

Nachdem Sie alle Schaltungsstufen angeschlossen und nachgewiesen haben, dass sie ordnungsgemäß funktionieren, können Sie den Ausgang Ihrer Schaltung an die DAQ-Platine anschließen und mit der Programmierung in LabVIEW beginnen.

Schritt 6: LabVIEW-Programm

Der LabVIEW-Code soll die Schläge pro Meter einer simulierten EKG-Welle bei verschiedenen Frequenzen erkennen. Um in LabVIEW zu programmieren, müssen Sie zuerst alle Komponenten identifizieren. Ein Analog-Digital-Wandler, auch als Datenerfassungsplatine (DAQ) bekannt, muss eingerichtet und auf Dauerbetrieb eingestellt werden. Das Ausgangssignal der Schaltung wird mit dem Eingang der DAQ-Platine verbunden. Der Wellenformgraph im LabVIEW-Programm wird direkt mit dem Ausgang des DAQ-Assistenten verbunden. Die Ausgabe der DAQ-Daten geht auch an die Max/Min-Kennung. Das Signal durchläuft dann einen arithmetischen Multiplikationsoperator. Der numerische Indikator von 0,8 wird verwendet, um den Schwellenwert zu berechnen. Wenn das Signal 0,8*Maximum überschreitet, wird eine Spitze erkannt. Immer wenn dieser Wert gefunden wurde, wurde er im Index-Array gespeichert. Die beiden Datenpunkte werden im Index-Array gespeichert und in den arithmetischen Subtraktionsoperator eingegeben. Die zeitliche Änderung wurde zwischen diesen beiden Werten gefunden. Dann wird zur Berechnung der Herzfrequenz 60 durch die Zeitdifferenz geteilt. Ein numerischer Indikator, der neben dem Ausgabediagramm angezeigt wird, gibt die Herzfrequenz in Schlägen pro Minute (bpm) des Eingangssignals aus. Sobald das Programm eingerichtet ist, sollte alles in eine kontinuierliche while-Schleife eingefügt werden. Unterschiedliche Frequenzeingänge ergeben unterschiedliche bpm-Werte.

Schritt 7: EKG-Daten sammeln

Jetzt können Sie ein simuliertes EKG-Signal in Ihre Schaltung eingeben und Daten in Ihrem LabVIEW-Programm aufzeichnen! Ändern Sie die Frequenz und Amplitude des simulierten EKGs, um zu sehen, wie sich dies auf Ihre aufgezeichneten Daten auswirkt. Wenn Sie die Frequenz ändern, sollten Sie eine Änderung der berechneten Herzfrequenz sehen. Sie haben erfolgreich einen EKG- und Herzfrequenzmonitor entwickelt!

Schritt 8: Weitere Verbesserungen

Das konstruierte Gerät eignet sich gut für die Erfassung simulierter EKG-Signale. Wenn Sie jedoch biologische Signale aufzeichnen möchten (befolgen Sie unbedingt die entsprechenden Sicherheitsvorkehrungen), sollten weitere Änderungen an den Schaltkreisen vorgenommen werden, um die Signalablesung zu verbessern. Ein Hochpassfilter sollte hinzugefügt werden, um DC-Offset und niederfrequente Bewegungsartefakte zu entfernen. Die Verstärkung des Instrumentenverstärkers sollte ebenfalls um das Zehnfache reduziert werden, um im für LabVIEW und die Operationsverstärker nutzbaren Bereich zu bleiben.

Quellen

[1] S. Meek und F. Morris, „Einleitung. II--grundlegende Terminologie.,” BMJ, vol. 324, Nr. 7335, S. 470–3, Feb. 2002.

[2] Chia-Hung Lin, Frequenzdomänenfunktionen für die EKG-Schlagunterscheidung mit Hilfe von Gray Relational Analysis-based Classifier, In Computers & Mathematics with Applications, Band 55, Ausgabe 4, 2008, Seiten 680-690, ISSN 0898-1221, [3] „Filter zweiter Ordnung | Tiefpassfilter-Design zweiter Ordnung.“Basic Electronics Tutorials, 09.09.2016, www.electronics-tutorials.ws/filter/second-order-…