EKG-Monitor - 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.

Elektrokardiographie ist der Prozess der Aufzeichnung elektrischer Signale, die vom Herzen eines Patienten erzeugt werden, um Informationen über die Herzaktivität zu erhalten. Damit das elektrische Signal effektiv erfasst werden kann, muss es durch elektrische Komponenten gefiltert und verstärkt werden. Die Informationen müssen einem Benutzer auch auf klare und wirksame Weise präsentiert werden.

Das folgende Instructable beschreibt, wie die Verstärkungs- / Filterschaltung sowie eine Benutzeroberfläche aufgebaut werden. Es umfasst den Aufbau eines Instrumentenverstärkers, eines Notch-Filters, eines Tiefpassfilters und einer Benutzeroberfläche in LabVIEW.

Der erste Schritt in diesem Prozess besteht darin, die Anforderungen der analogen Schaltung zu definieren. Nach der Definition der Anforderungen werden Entscheidungen darüber getroffen, welche Primärkomponenten die Schaltung bilden. Später werden kleinere Details bezüglich der Eigenschaften dieser Hauptkomponenten behandelt, und schließlich wird die Schaltungsentwurfsphase abgeschlossen, indem die genauen Werte jedes Widerstands und Kondensators in der Schaltung definiert werden.

Schritt 1: Definieren von Anforderungen und primären Komponenten

Die Aufgabe des Schaltkreises besteht darin, das vom Patienten erzeugte EKG-Signal zu verstärken und alle damit verbundenen Störungen herauszufiltern. Das Rohsignal besteht aus einer komplexen Wellenform mit einer maximalen Amplitude von etwa 2 mV und Frequenzkomponenten im Bereich von 100 Hz bis 250 Hz im QRS-Komplex. Dies ist das zu verstärkende und aufzuzeichnende Signal.

Zusätzlich zu diesem interessierenden Signal wird Rauschen von mehreren Quellen erzeugt. Netzteile erzeugen 60-Hz-Rauschen und Patientenbewegungen erzeugen Artefakte im Bereich von weniger als 1 Hz. Mehr hochfrequentes Rauschen wird durch Hintergrundstrahlung und Telekommunikationssignale wie Mobiltelefone und drahtloses Internet eingeführt. Diese Rauschsammlung ist das zu filternde Signal.

Die Schaltung muss zuerst das Rohsignal verstärken. Es muss dann 60-Hz-Rauschen und jedes andere Rauschen über 160 Hz herausfiltern. Das Filtern von niederfrequentem Rauschen, das mit der Bewegung des Patienten verbunden ist, wird als unnötig erachtet, da der Patient einfach angewiesen werden kann, still zu bleiben.

Da das Signal als Potentialdifferenz zwischen zwei am Patienten befindlichen Elektroden gemessen wird, wird die Verstärkung durch den Einsatz eines Instrumentenverstärkers erreicht. Es könnte auch ein einfacher Differenzverstärker verwendet werden, aber Instrumentenverstärker schneiden in Bezug auf Rauschunterdrückung und Toleranzen oft besser ab. Die 60-Hz-Filterung wird durch die Verwendung eines Kerbfilters erreicht, und der Rest der Hochfrequenzfilterung wird durch die Verwendung eines Tiefpassfilters erreicht. Diese drei Elemente bilden die gesamte analoge Schaltung.

Wenn man die drei Elemente der Schaltung kennt, können kleinere Details bezüglich Verstärkungen, Grenzfrequenzen und Bandbreiten der Komponenten definiert werden.

Der Instrumentenverstärker wird auf eine Verstärkung von 670 eingestellt. Dies ist groß genug, um ein kleines EKG-Signal aufzuzeichnen, aber auch klein genug, um sicherzustellen, dass sich die Operationsverstärker beim Testen der Schaltung mit Signalen nahe 20 mV innerhalb ihres linearen Bereichs verhalten, da ist bei einigen Funktionsgeneratoren das Minimum.

Der Notch-Filter wird auf 60 Hz zentriert.

Der Tiefpassfilter hat eine Grenzfrequenz von 160 Hz. Dies sollte immer noch den Großteil des QRS-Komplexes erfassen und hochfrequentes Hintergrundrauschen unterdrücken.

Schritt 2: Instrumentenverstärker

Die obigen Schemata beschreiben den Instrumentenverstärker.

Der Verstärker hat zwei Stufen. Die erste Stufe besteht aus den beiden Operationsverstärkern links in den obigen Bildern und die zweite Stufe besteht aus dem einzelnen Operationsverstärker rechts. Die Verstärkung jedes dieser Elemente kann nach Belieben moduliert werden, wir haben uns jedoch entschieden, es mit einer Verstärkung von 670 V/V zu bauen. Dies kann mit folgenden Widerstandswerten erreicht werden:

R1: 100 Ohm

R2: 3300 Ohm

R3: 100 Ohm

R4: 1000 Ohm

Schritt 3: Kerbfilter

Die obigen Schemata beschreiben den Notch-Filter. Dies ist ein aktiver Filter, also könnten wir wählen, ob wir ein Signal verstärken oder dämpfen möchten, aber wir haben bereits alle notwendigen Verstärkungen erreicht, also wählen wir eine Verstärkung von eins für diesen Operationsverstärker. Die Mittenfrequenz sollte 60 Hz und der Gütefaktor 8 betragen. Dies kann mit folgenden Komponentenwerten erreicht werden:

R1: 503 Ohm

R2: 128612 Ohm

R3: 503 Ohm

C: 0,33 MikroFarad

Schritt 4: Tiefpassfilter

Auch dies ist ein aktiver Filter, wir können also jede beliebige Verstärkung wählen, aber wir wählen 1. Dies wird erreicht, indem R4 oben in einen Kurzschluss und R3 in einen offenen Stromkreis verwandelt wird. Der Rest wird, wie bei den anderen Komponenten, erreicht, indem unsere zuvor definierten Anforderungen in Kombination mit den Gleichungen für die Schaltungen verwendet werden, um einzelne Elementwerte zu erhalten:

R1: 12056 Ohm

R2: 19873,6 Ohm

C1: 0,047 MikroFarad

C2: 0,1 MikroFarad

Schritt 5: Vollständige Schaltung virtuell entwerfen

Das Entwerfen einer Schaltung in einer virtuellen Schaltungsbausoftware wie PSPICE kann sehr hilfreich sein, um Fehler zu erkennen und Pläne zu festigen, bevor Sie mit der realen analogen Schaltungsherstellung übergehen. An dieser Stelle kann man AC-Sweeps der Schaltung erfassen, um sicherzustellen, dass sich alles nach Plan verhält.

Schritt 6: Bauen Sie eine vollständige Schaltung auf

Die Schaltung kann beliebig aufgebaut werden, aber für diesen Fall wurde ein Steckbrett gewählt.

Die Montage auf einem Steckbrett wird empfohlen, da dies einfacher ist als das Löten, aber das Löten würde eine längere Haltbarkeit ergeben. Es wird auch empfohlen, einen 0,1-MikroFarad-Bypass-Kondensator parallel zur Stromquelle an Masse zu legen, da dies dazu beiträgt, unerwünschte Abweichungen von der konstanten Leistung zu vermeiden.

Schritt 7: LabVIEW-Benutzeroberfläche

Die LabVIEW-Benutzeroberfläche ist ein Mittel zur Umwandlung von analogen Signalen in visuelle und numerische Darstellungen des EKG-Signals, die für den Benutzer leicht zu interpretieren sind. Eine DAQ-Karte wird verwendet, um das Signal von analog in digital umzuwandeln, und die Daten werden in LabVIEW importiert.

Die Software ist ein objektbasiertes Programm, das bei der Datenverarbeitung und Schnittstellenerstellung hilft. Die Daten werden zuerst visuell durch den Graphen dargestellt, und dann wird eine Signalverarbeitung durchgeführt, um die Frequenz des Herzschlags zu bestimmen, damit er neben dem Graphen angezeigt werden kann.

Um die Herzfrequenz zu bestimmen, muss man Herzschläge erkennen. Dies kann mit dem Peak-Erkennungsobjekt von Lab VIEW erreicht werden. Das Objekt gibt die Indizes der Spitzen im empfangenen Datenfeld aus, die dann in Berechnungen verwendet werden können, um die Zeit zu bestimmen, die zwischen den Herzschlägen vergeht.

Da LabVIEW-Details ein ganz anderes Instructable wären, überlassen wir die Details einer anderen Quelle. Die genaue Funktionsweise des Programms kann dem oben dargestellten Blockschaltbild entnommen werden.

Schritt 8: Endgültige Benutzeroberfläche von LabVIEW

Die endgültige Benutzeroberfläche zeigt ein verstärktes, gefiltertes, umgewandeltes und verarbeitetes Signal zusammen mit der Herzfrequenzanzeige in Schlägen pro Minute