Digitaler EKG- und Herzfrequenzmonitor - Gunook

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

Ein Elektrokardiogramm oder EKG ist eine sehr alte Methode zur Messung und Analyse der Herzgesundheit. Das von einem EKG abgelesene Signal kann auf ein gesundes Herz oder eine Reihe von Problemen hinweisen. Ein zuverlässiges und genaues Design ist wichtig, denn wenn das EKG-Signal eine deformierte Wellenform oder einen falschen Herzschlag aufweist, kann eine Person falsch diagnostiziert werden. Ziel ist es, eine EKG-Schaltung zu entwickeln, die das EKG-Signal erfassen, verstärken und filtern kann. Wandeln Sie dieses Signal dann über einen A/D-Wandler in Labview um, um ein Echtzeitdiagramm und einen Herzschlag in BPM des EKG-Signals zu erstellen. Die Ausgangswellenform sollte wie in diesem Bild aussehen.

Dies ist kein medizinisches Gerät. 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-Instrument-Verbindungen geeignete Isolationstechniken verwenden

Schritt 1: Entwerfen der Schaltung

Die Schaltung muss in der Lage sein, ein EKG-Signal zu erfassen und zu verstärken. Dazu kombinieren wir drei aktive Filter; ein Instrumentationsverstärker, ein Butterworth-Tiefpassfilter zweiter Ordnung und ein Notch-Filter. Das Design dieser Schaltungen ist in den Bildern zu sehen. Wir werden sie nacheinander durchgehen und sie dann zusammenstellen, um den gesamten Kreislauf zu vervollständigen.

Schritt 2: Instrumentenverstärker

Die Verstärkung des Instrumentenverstärkers muss 1000 V/V betragen, um ein gutes Signal zu erhalten. Die Verstärkung durch den Instrumentenverstärker erfolgt in zwei Stufen. Die erste Stufe besteht aus den beiden Operationsverstärkern links und den Widerständen R1 und R2 und die zweite Verstärkungsstufe besteht aus dem Operationsverstärker rechts und den Widerständen R3 und R4. Die Verstärkung (Verstärkung) für Stufe 1 und Stufe 2 sind in Gleichung (1) und (2) angegeben.

Stufe 1 Verstärkung: K1 = 1 + (2R2/R1) (1)

Stufe 2 Verstärkung: K2 = R4/R3 (2)

Ein wichtiger Hinweis zur Verstärkung in Schaltungen ist, dass sie multiplikativ ist; z. B. die Verstärkung der Gesamtschaltung in Abbildung 2 beträgt K1*K2. Diese Gleichungen ergeben die im Schaltplan gezeigten Werte. Die für diesen Filter benötigten Materialien sind drei LM741-Operationsverstärker, drei 1k-Ohm-Widerstände, zwei 24,7-kOhm-Widerstände und zwei 20-kOhm-Widerstände.

Schritt 3: Kerbfilter

Die nächste Stufe ist ein Notch-Filter, um Rauschen bei 60 Hz auszublenden. Diese Frequenz muss abgeschnitten werden, da es bei 60 Hz aufgrund von Netzstörungen viel zusätzliches Rauschen gibt, aber es wird nichts Wesentliches aus dem EKG-Signal herausnehmen. Die Werte für die in der Schaltung verwendeten Komponenten basieren auf der Frequenz, die herausgefiltert werden soll, in diesem Fall 60 Hz (377 rad/s). Die Komponentengleichungen lauten wie folgt

R1= 1/ (6032*C)

R2= 16 / (377*C)

R3 = (R1R2)/ (R1 + R2)

Die dafür benötigten Materialien waren ein Operationsverstärker LM741, drei Widerstände mit Werten von 1658 Ohm, 424,4 kOhm und 1651 Ohm und 3 Kondensatoren, zwei mit 100 nF und einer mit 200 nF.

Schritt 4: Tiefpassfilter

Die letzte Stufe ist ein Butterworth-Tiefpassfilter zweiter Ordnung mit einer Grenzfrequenz von 250 Hz. Dies ist die Grenzfrequenz, da ein EKG-Signal nur bis maximal 250 Hz reicht. Die Gleichungen für die Werte der Komponenten im Filter sind in den folgenden Gleichungen definiert:

R1 = 2/ (1571(1.4C2 + sort(1.4^2 * C2^2 - 4C1C2)))

R2 = 1 / (1571*C1*C2*R1)

C1 < (C2 *1,4^2) / 4

Die für dieses Filter benötigten Materialien waren ein LM741 Operationsverstärker, zwei Widerstände von 15,3 kOhm und 25,6 kOhm und zwei Kondensatoren von 47 nF und 22 nF.

Sobald alle drei Etappen entworfen und gebaut sind, sollte die letzte Runde wie auf dem Foto aussehen.

Schritt 5: Testen der Schaltung

Nachdem die Schaltung gebaut wurde, muss sie getestet werden, um sicherzustellen, dass sie ordnungsgemäß funktioniert. An jedem Filter muss ein Wechselstrom-Sweep unter Verwendung eines kardialen Eingangssignals mit 1 Hz von einem Spannungsgenerator durchgeführt werden. Der Betragsgang in dB sollte wie in den Bildern aussehen. Wenn die Ergebnisse des AC-Sweeps korrekt sind, ist die Schaltung fertig und kann verwendet werden. Wenn die Antworten nicht korrekt sind, muss die Schaltung debuggt werden. Überprüfen Sie zunächst alle Anschlüsse und Stromeingänge, um sicherzustellen, dass alles eine gute Verbindung hat. Wenn dies das Problem nicht löst, verwenden Sie die Gleichungen für die Komponenten der Filter, um die Werte der Resists und Kondensatoren nach Bedarf anzupassen, bis der Ausgang dort ist, wo er sein sollte.

Schritt 6: Erstellen einer VUI in Labview

Labview ist eine digitale Datenerfassungssoftware, mit der ein Benutzer eine VUI oder virtuelle Benutzeroberfläche entwerfen kann. Ein DAQ-Board ist ein A/D-Wandler, der das EKG-Signal umwandeln und in Labview übertragen kann. Mit dieser Software kann das EKG-Signal in einem Amplituden-Zeit-Diagramm dargestellt werden, um das Signal klar zu lesen und das Signal dann in einen Herzschlag in BPM umzuwandeln. Das erste, was dafür benötigt wird, ist ein DAQ-Board, das Daten erfasst und in ein digitales Signal umwandelt, um es an Labview auf dem Computer zu senden. Das erste, was dem Labview-Design hinzugefügt werden musste, war der DAQ-Assistent, der das Signal von der DAQ-Platine erfasst und die Abtastparameter definiert. Der nächste Schritt besteht darin, ein Kurvendiagramm mit der Ausgabe des DAQ-Assistenten im VUI-Design zu verbinden, das das EKG-Signal mit der EKG-Kurve darstellt. Nun, da das Kurvendiagramm fertig ist, müssen die Daten auch umgewandelt werden, um eine numerische Ausgabe der Herzfrequenz zu erzeugen. Der erste Schritt bei dieser Berechnung bestand darin, das Maximum der EKG-Daten zu finden, indem das Max/Min-Element mit der Ausgabe der DAQ-Daten in der VUI verbunden und dann an ein anderes Element namens Peak-Erkennung und an ein Element ausgegeben wurde, das die Zeitänderung genannt dt. Das Spitzendetektionselement benötigte auch einen Schwellenwert von max/min, der berechnet wurde, indem das Maximum vom max. min-Element genommen und mit 0,8 multipliziert wurde, um 80% des Maximalwerts zu finden, und dann in das Spitzendetektionselement eingegeben wurde. Dieser Schwellenwert ermöglichte es dem Peak-Erfassungselement, das Maximum der R-Welle und die Stelle zu finden, an der das Maximum auftrat, während die anderen Peaks des Signals ignoriert wurden. Die Orte der Peaks wurden dann an ein als nächstes auf der VUI hinzugefügtes Index-Array-Element gesendet. Das Index-Array-Element wurde so eingestellt, dass es auf einem Array mit und einem Index beginnend bei 0 und dann einem anderen beginnend mit einem Index von 1 speichert. Dann wurden diese voneinander subtrahiert, um die Differenz der beiden Peak-Positionen zu finden, die der Zahl entspricht von Punkten zwischen jedem Peak. Die Anzahl der Punkte multipliziert mit der Zeitdifferenz zwischen den einzelnen Punkten ergibt die Zeit, die für das Auftreten jedes Schlags benötigt wird. Dies wurde erreicht, indem die Ausgabe des dt-Elements und die Ausgabe der Subtraktion der beiden Arrays multipliziert wurden. Diese Zahl wurde dann durch 60 geteilt, um die Schläge pro Minute zu ermitteln, und dann unter Verwendung eines numerischen Indikatorelements auf der VUI ausgegeben. Die Einrichtung des VUI-Designs in Labview ist in der Abbildung dargestellt.

Schritt 7: Setzen Sie alles zusammen

Sobald die VUI in Labview fertig ist, besteht der letzte Schritt darin, die Schaltung mit der DAQ-Platine zu verbinden, sodass das Signal durch die Schaltung, in die Platine und dann zu Labview läuft. Wenn alles richtig funktioniert, sollte ein 1-Hz-Signal die in der Abbildung gezeigte Wellenform und einen Herzschlag von 60 Schlägen pro Minute erzeugen. Jetzt haben Sie einen funktionierenden digitalen EKG- und Herzfrequenzmonitor.