Erstellen Sie Ihr eigenes EKG! - Gunook

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

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

Der Herzschlag besteht aus rhythmischen Kontraktionen, die durch die spontane Präsentation elektrischer Depolarisationen in Herzmuskelzellen (den Muskelzellen des Herzens) reguliert werden. Eine solche elektrische Aktivität kann erfasst werden, indem nichtinvasive Aufzeichnungselektroden entlang verschiedener Positionen des Körpers platziert werden. Selbst mit einem einführenden Verständnis von Schaltkreisen und Bioelektrizität können diese Signale relativ einfach erfasst werden. In diesem Instructable stellen wir eine vereinfachte Methodik vor, die verwendet werden kann, um ein elektrokardiographisches Signal mit praktischer und kostengünstiger Ausrüstung zu erfassen. Durchweg werden wir wesentliche Überlegungen bei der Erfassung solcher Signale hervorheben und Techniken für die programmatische Signalanalyse vorstellen.

Schritt 1: Ein Überblick über die Funktionen

Das Gerät, das Sie bauen, funktioniert durch die folgenden Funktionen:

1. Elektrodenaufnahmen
2. Instrumentierungsverstärker
3. Notch-Filter
4. Tiefpassfilter
5. Analog-Digital-Wandlung
6. Signalanalyse mit LabView

Einige Schlüsselkomponenten, die Sie benötigen:

1. NI LabView
2. NI-Datenerfassungsplatine (für Eingänge in LabView)
3. Gleichstromversorgung (zur Stromversorgung von Operationsverstärkern)
4. Hautelektrodenpads für Elektrodenaufnahmen
5. ODER ein Funktionsgenerator, der ein simuliertes EKG-Signal erzeugen kann

Lass uns anfangen!

Schritt 2: Entwerfen Sie einen Tiefpassfilter

Ein normales EKG enthält identifizierbare Merkmale in der Signalform, die als P-Welle, QRS-Komplex und T-Welle bezeichnet werden. Alle Merkmale des EKGs erscheinen im Frequenzbereich unter 250 Hz. Daher ist es wichtig, bei der Aufzeichnung eines EKGs von Elektroden nur die interessierenden Merkmale zu erfassen. Ein Tiefpassfilter mit einer Grenzfrequenz von 250 Hz sorgt dafür, dass kein hochfrequentes Rauschen im Signal eingefangen wird

Schritt 3: Entwerfen Sie einen Notch-Filter

Ein Notch-Filter mit einer Frequenz von 60 Hz ist nützlich, um das Rauschen aus einer Stromversorgung zu entfernen, die mit der EKG-Aufzeichnung verbunden ist. Grenzfrequenzen zwischen 56,5 Hz und 64 Hz lassen Signale mit Frequenzen außerhalb dieses Bereichs durch. Auf den Filter wurde ein Qualitätsfaktor von 8 angewendet. Es wurde eine Kapazität von 0,1 uF gewählt. Die experimentellen Widerstände wurden wie folgt gewählt: R1 = R3 = 1,5 kOhm, R2 = 502 kOhm. Diese Werte wurden verwendet, um den Kerbfilter zu konstruieren.

Schritt 4: Entwerfen Sie einen Instrumentierungsverstärker

Ein Instrumentenverstärker mit einer Verstärkung von 1000 V/V verstärkt alle gefilterten Signale, um die Messung zu erleichtern. Der Verstärker verwendet eine Reihe von Operationsverstärkern und ist in zwei Stufen (links und rechts) mit jeweiliger Verstärkung K1 und K2 unterteilt. Das obige Bild zeigt einen Schaltplan, der dieses Ergebnis erzielen kann, und Abbildung 6 zeigt die durchgeführten Berechnungen.

Schritt 5: Verbinden Sie alles miteinander

Die drei Stufen der Verstärkung und Filterung sind in Abbildung 7 unten kombiniert. Der Instrumentenverstärker verstärkt den sinusförmigen Frequenzeingang mit einer Verstärkung von 1000 V/V. Als nächstes entfernt der Notch-Filter alle Signalfrequenzen von 60 Hz mit einem Qualitätsfaktor von 8. Schließlich durchläuft das Signal einen Tiefpassfilter, der Signale jenseits einer Frequenz von 250 Hz dämpft. Die obige Abbildung zeigt das vollständige experimentell erstellte System.

Schritt 6: …und stellen Sie sicher, dass es funktioniert

Wenn Sie über einen Funktionsgenerator verfügen, sollten Sie eine Frequenzgangkurve erstellen, um eine ordnungsgemäße Antwort zu gewährleisten. Das Bild oben zeigt das vollständige System und die zu erwartende Frequenzgangkurve. Wenn Ihr System zu funktionieren scheint, können Sie mit dem nächsten Schritt fortfahren: der Umwandlung des analogen Signals in ein digitales!

Schritt 7: (Optional) Visualisieren Sie Ihr EKG auf dem Oszilloskop

Das EKG zeichnet ein Signal mit zwei Elektroden auf und verwendet eine dritte Elektrode als Masse. Stecken Sie bei Ihren EKG-Aufzeichnungselektroden eine in einen Eingang des Instrumentenverstärkers, die andere in den anderen Instrumentenverstärkereingang und verbinden Sie die dritte mit Masse auf Ihrem Steckbrett. Legen Sie als Nächstes eine Elektrode an einem Handgelenk, die andere am anderen Handgelenk an und erden Sie Ihren Knöchel. Dies ist eine Ableitung 1-Konfiguration für ein EKG. Um das Signal auf Ihrem Oszilloskop zu visualisieren, verwenden Sie einen Oszilloskop-Tastkopf, um den Ausgang der dritten Stufe zu messen.

Schritt 8: Erfassen Sie Daten mit National Instruments DAQ

Wenn Sie Ihr Signal in LabView analysieren möchten, benötigen Sie eine Möglichkeit, analoge Daten aus Ihrem EKG zu sammeln und an den Computer zu übertragen. Es gibt viele Möglichkeiten, Daten zu erfassen! National Instruments ist ein Unternehmen, das sich auf Datenerfassungsgeräte und Datenanalysegeräte spezialisiert hat. Sie sind ein guter Ort, um nach Tools zum Sammeln von Daten zu suchen. Sie können auch Ihren eigenen kostengünstigen Analog-Digital-Wandler-Chip kaufen und einen Raspberry Pi verwenden, um Ihr Signal zu übertragen! Dies ist wahrscheinlich die günstigere Variante. In diesem Fall hatten wir bereits ein NI-DAQ-Modul, einen NI-ADC und LabView im Haus, also blieben wir strikt bei der Hard- und Software von National Instruments.

Schritt 9: Daten in LabVIEW importieren

Die visuelle Programmiersprache LabVIEW wurde verwendet, um die vom analogen Verstärkungs-/Filtersystem gesammelten Daten zu analysieren. Die Daten wurden vom NI-DAQ-Gerät mit DAQ Assistant, einer integrierten Datenerfassungsfunktion in LabVIEW, gesammelt. Unter Verwendung von LabView-Steuerelementen wurden die Anzahl der Proben und die Zeitdauer für die Probensammlung programmgesteuert festgelegt. Die Bedienelemente sind manuell einstellbar und ermöglichen dem Benutzer eine einfache Feinabstimmung der Eingabeparameter. Bei bekannter Gesamtzahl von Abtastwerten und bekannter Zeitdauer wurde ein Zeitvektor erstellt, wobei jeder Indexwert die entsprechende Zeit bei jedem Abtastwert im erfassten Signal darstellt.

Schritt 10: Formatieren, analysieren und fertig

Daten aus der DAQ-Assistentenfunktion wurden in ein verwendbares Format umgewandelt. Das Signal wurde als 1D-Array von Doubles neu erstellt, indem zuerst der DAQ-Ausgangsdatentyp in einen Waveform-Datentyp und dann in ein (X, Y) geclustertes Paar von Doubles konvertiert wurde. Jeder Y-Wert aus dem (X, Y)-Paar wurde ausgewählt und mit Hilfe einer Schleifenstruktur in ein zunächst leeres 1D-Array von Doubles eingefügt. Das 1D-Array von Doubles und der entsprechende Zeitvektor wurden auf einem XY-Graphen aufgetragen. Gleichzeitig wurde der Maximalwert des 1D-Arrays von Doubles mit einer Maximalwert-Identifikationsfunktion identifiziert. Sechs Zehntel des Maximalwerts wurden als Schwellenwert für einen in LabView integrierten Spitzenerkennungsalgorithmus verwendet. Die Spitzenwerte des 1D-Arrays von Doubles wurden mit der Spitzenerkennungsfunktion identifiziert. Mit den bekannten Peakstandorten wurde die Zeitdifferenz zwischen jedem Peak berechnet. Dieser Zeitunterschied in Einheiten von Sekunden pro Peak wurde in Peaks pro Minute umgewandelt. Der resultierende Wert wurde als die Herzfrequenz in Schlägen pro Minute angesehen.

Das ist es! Sie haben nun ein EKG-Signal gesammelt und analysiert!