Aufzeichnen bioelektrischer Signale: EKG und Pulsmesser - 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.

Ein Elektrokardiogramm (EKG) ist ein Test, bei dem Oberflächenelektroden auf eine bestimmte Weise an einer Person angebracht werden, um die elektrische Aktivität des Herzens der Person zu erkennen und zu messen [1]. Ein EKG hat viele Verwendungsmöglichkeiten und kann bei der Diagnose von Herzerkrankungen, Belastungstests und der Beobachtung während einer Operation helfen. Ein EKG kann auch Veränderungen des Herzschlags, Arrhythmien, einen Herzinfarkt und viele andere Erfahrungen und Krankheiten erkennen [1], die auch in der obigen Problemstellung beschrieben sind. Das von einem EKG gemessene Herzsignal erzeugt drei verschiedene Wellenformen, die einen Live-Feed des funktionierenden Herzens darstellen. Diese werden in der Abbildung oben gezeigt.

Das Ziel dieses Projekts ist es, ein Gerät zu entwickeln, das das EKG-Signal von einem Ausgangsgenerator oder einem Menschen erhalten und das Signal unter Eliminierung von Rauschen reproduzieren kann. Die Ausgabe des Systems berechnet auch den BPM.

Lass uns anfangen!

Schritt 1: Sammeln Sie alle Materialien

Um dieses EKG zu erstellen, erstellen wir ein System, das aus zwei Hauptteilen besteht, der Schaltung und dem LabVIEW-System. Der Zweck der Schaltung besteht darin, sicherzustellen, dass wir das gewünschte Signal erhalten. Es gibt viele Umgebungsgeräusche, die unser EKG-Signal übertönen können, daher müssen wir unser Signal verstärken und alle Geräusche herausfiltern. Nachdem das Signal durch die Schaltung gefiltert und verstärkt wurde, können wir das verfeinerte Signal an ein LabVIEW-Programm senden, das die Wellenform anzeigt und den BPM berechnet. Folgende Materialien werden für dieses Projekt benötigt:

-Widerstand, Kondensator und Operationsverstärker (Op-Amps - UA741 wurden verwendet) elektrische Komponenten

-Lötfreies Steckbrett zum Bauen und Testen

-DC-Netzteil zur Stromversorgung von Operationsverstärkern

-Funktionsgenerator zur Bereitstellung eines bioelektrischen Signals

-Oszilloskop zum Anzeigen des Eingangssignals

-DAQ-Platine zum Umwandeln von Signalen von analog zu digital

-LabVIEW-Software zur Beobachtung des Ausgangssignals

-BNC und Kabel mit variablem Ende

Schritt 2: Entwerfen der Schaltung

Wie wir gerade besprochen haben, ist es notwendig, unser Signal sowohl zu filtern als auch zu verstärken. Dazu können wir 3 verschiedene Etappen unseres Rundkurses aufbauen. Zuerst müssen wir unser Signal verstärken. Dies kann durch Verwendung eines Instrumentenverstärkers erfolgen. Auf diese Weise ist unser Eingangssignal im Endprodukt viel besser zu sehen. Wir brauchen dann einen Notch-Filter in Reihe mit diesem Instrumentenverstärker. Der Kerbfilter wird verwendet, um das Rauschen unserer Stromquelle zu eliminieren. Danach können wir einen Tiefpassfilter haben. Da EKG-Messwerte normalerweise eine niedrige Frequenz aufweisen, möchten wir alle Frequenzen abschneiden, die außerhalb unserer EKG-Messgrenzen liegen, also verwenden wir einen Tiefpassfilter. Diese Phasen werden in den folgenden Schritten näher erläutert.

Wenn Sie Probleme mit Ihrer Schaltung haben, simulieren Sie Ihre Schaltung am besten in einem Online-Programm. Auf diese Weise können Sie überprüfen, ob Ihre Berechnungen für Widerstands- und Kondensatorwerte korrekt sind.

Schritt 3: Entwerfen des Instrumentierungsverstärkers

Um das bioelektrische Signal effizienter zu beobachten, muss das Signal verstärkt werden. Für dieses Projekt sind insgesamt 1000 V/V zu erreichen. Um die angegebene Verstärkung des Instrumentenverstärkers zu erreichen, wurden die Widerstandswerte für die Schaltung nach den folgenden Gleichungen berechnet:

(Stufe 1) K1 = 1 + ((2 * R2) / R1)

(Stufe 2) K2 = -R4 / R3

Wobei jede der Stufen multipliziert wird, um die Gesamtverstärkung zu berechnen. Widerstandswerte, die gewählt werden, um eine Verstärkung von 1000 V/V zu erzeugen, sind R1 = 10 kOhm, R2 = 150 kOhm, R3 = 10 kOhm und R4 = 330 kOhm. Verwenden Sie das DC-Netzteil, um einen Spannungsbereich von +/- 15 V bereitzustellen (wobei die Stromgrenze niedrig bleibt), um die Operationsverstärker der physischen Schaltung zu versorgen. Wenn Sie die wahren Werte der Widerstände überprüfen oder diese Verstärkung vor dem Bau erreichen möchten, können Sie die Schaltung mit einem Programm wie PSpice oder CircuitLab online simulieren oder ein Oszilloskop mit einer bestimmten Eingangssignalspannung verwenden und auf die wahren Werte prüfen Verstärkung nach dem Bau eines physikalischen Verstärkers. Schließen Sie den Funktionsgenerator und das Oszilloskop an den Verstärker an, um die Schaltung zu betreiben.

Das Foto oben zeigt, wie die Schaltung in der Simulationssoftware PSpice aussieht. Um zu überprüfen, ob Ihre Schaltung richtig funktioniert, liefern Sie eine 1 kHz 10 mV Spitze-Spitze-Sinuswelle vom Funktionsgenerator durch die Schaltung und zum Oszilloskop. Auf dem Oszilloskop sollte eine Sinuswelle von 10 V Spitze-Spitze beobachtet werden.

Schritt 4: Entwerfen des Notch-Filters

Ein besonderes Problem beim Umgang mit dieser Schaltung ist die Tatsache, dass in den Vereinigten Staaten von Stromversorgungsleitungen ein 60-Hz-Rauschsignal erzeugt wird. Um dieses Rauschen zu entfernen, muss das Eingangssignal in die Schaltung mit 60 Hz gefiltert werden, und wie geht das besser als mit einem Notch-Filter!

Ein Kerbfilter (die oben abgebildete Schaltung) ist eine bestimmte Art von elektrischem Filter, mit dem eine bestimmte Frequenz aus einem Signal entfernt werden kann. Um das 60-Hz-Signal zu entfernen, haben wir die folgenden Gleichungen berechnet:

R1 = 1 / (2 * Q * w * C)

R2 = (2 * Q) / (w * C)

R3 = (R1 * R2) / (R1 + R2)

Q = w / B

B = w2 - w1

Verwenden Sie einen Qualitätsfaktor (Q) von 8, um einen anständig genauen Filter zu entwerfen, eine Kapazität (C) von 0,033 uFarad für eine einfachere Montage und eine Mittenfrequenz (w) von 2 * pi * 60 Hz. Dadurch wurden erfolgreich Werte für die Widerstände R1 = 5,024 kOhm, R2 = 1,2861 MOhm und R3 = 5,004 kOhm berechnet und erfolgreich ein Filter erstellt, um eine 60-Hz-Frequenz aus dem bioelektrischen Eingangssignal zu entfernen. Wenn Sie den Filter überprüfen möchten, können Sie die Schaltung mit einem Programm wie PSpice oder CircuitLab online simulieren oder ein Oszilloskop mit einer bestimmten Eingangssignalspannung verwenden und nach dem Bau eines physischen Verstärkers auf das entfernte Signal prüfen. Schließen Sie den Funktionsgenerator und das Oszilloskop an den Verstärker an, um die Schaltung zu betreiben.

Die Durchführung eines Wechselstrom-Sweeps mit dieser Schaltung über einen Frequenzbereich von 1 Hz bis 1 kHz bei einem 1-V-Spitze-Spitze-Signal sollte bei 60 Hz im Ausgangsdiagramm ein Merkmal vom Typ „Kerb“ergeben, das vom Eingang entfernt wird Signal.

Schritt 5: Entwerfen des Tiefpassfilters

Die letzte Stufe der Schaltung ist der Tiefpassfilter, insbesondere ein Butterworth-Tiefpassfilter zweiter Ordnung. Dies wird verwendet, um unser EKG-Signal zu isolieren. EKG-Kurven liegen normalerweise innerhalb der Frequenzgrenzen von 0 bis ~100 Hz. Also berechnen wir unsere Widerstands- und Kondensatorwerte basierend auf der Grenzfrequenz von 100 Hz und einem Qualitätsfaktor von 8, was uns einen relativ genauen Filter geben würde.

R1=2/(w[aC2+sqrt(a2+4b(K-1))

C2^2-4b*C1*C2) R2=1/(b*C1*C2*R1*w^2)

C1 <= C2[a^2+4b(K-1)]/4b

Die von uns berechneten Werte waren R1 = 81,723 kOhm, R2 = 120,92 kOhm, C1 = 0,1 Mikrofarad und C2 = 0,045 Mikrofarad. Versorgen Sie die Operationsverstärker mit einer Gleichspannung von + und - 15V. Wenn Sie den Filter überprüfen möchten, können Sie die Schaltung mit einem Programm wie PSpice oder CircuitLab online simulieren oder ein Oszilloskop mit einer bestimmten Eingangssignalspannung verwenden und nach dem Bau eines physischen Verstärkers auf das entfernte Signal prüfen. Schließen Sie den Funktionsgenerator und das Oszilloskop an den Verstärker an, um die Schaltung zu betreiben. Bei der Grenzfrequenz sollten Sie einen Betrag von -3 dB sehen. Dies zeigt an, dass Ihre Schaltung ordnungsgemäß funktioniert.

Schritt 6: LabVIEW einrichten

Nun, da die Schaltung erstellt wurde, möchten wir unser Signal interpretieren können. Dazu können wir LabVIEW verwenden. Ein DAQ-Assistent kann verwendet werden, um das Signal von der Schaltung zu erfassen. Richten Sie nach dem Öffnen von LabVIEW die Schaltung wie im obigen Diagramm gezeigt ein. Der DAQ-Assistent nimmt diese Eingangsablesung von der Schaltung und das Signal wird in die Wellenformgrafik übertragen. Dadurch können Sie die EKG-Kurve sehen!

Als nächstes wollen wir den BPM berechnen. Die obige Einrichtung übernimmt dies für Sie. Das Programm funktioniert, indem es zuerst die Maximalwerte des eingehenden EKG-Signals nimmt. Der Schwellenwert lässt uns alle neu hinzukommenden Werte erkennen, die einen Prozentsatz unseres Maximalwertes (in diesem Fall 90%) erreichen. Die Positionen dieser Werte werden dann an das Indizierungs-Array gesendet. Da die Indizierung bei 0 beginnt, möchten wir den 0. und den 1. Punkt nehmen und die zeitliche Änderung zwischen ihnen berechnen. Dies gibt uns die Zeit zwischen den Schlägen. Anschließend extrapolieren wir diese Daten, um den BPM zu ermitteln. Dies geschieht insbesondere durch Multiplizieren der Ausgabe des dt-Elements und der Ausgabe der Subtraktion zwischen den beiden Werten in den Indizierungs-Arrays und anschließender Division durch 60 (da wir in Minuten umrechnen).

Schritt 7: Verbinden Sie alles und testen Sie es

Verbinden Sie die Schaltung mit dem Eingang der DAQ-Platine. Jetzt wird das von Ihnen eingegebene Signal durch die Schaltung zur DAQ-Platine geleitet und das LabVIEW-Programm gibt die Wellenform und den berechneten BPM aus.

Herzlichen Glückwunsch!