Jednostavan EKG i detektor otkucaja srca: 10 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:37

OBAVIJEST: Ovo nije medicinski uređaj. Ovo je samo u obrazovne svrhe korištenjem simuliranih signala. Ako ovaj krug koristite za stvarna mjerenja EKG-a, provjerite koriste li krug i veze krug-instrument ispravne tehnike izolacije

Danas ćemo proći kroz dizajn osnovne elektrokardiografske (EKG) sheme i stvoriti krug za pojačavanje i filtriranje električnog signala vašeg srca. Zatim možemo mjeriti broj otkucaja srca pomoću softvera labVIEW. Tijekom cijelog procesa dat ću detaljne upute o elementima dizajna kruga i zašto su se pojavili, kao i malo biološke pozadine. Naslovna slika je električni signal mog srca. Do kraja ove upute moći ćete mjeriti i svoju. Započnimo!

EKG je koristan dijagnostički alat za medicinske djelatnike. Može se koristiti za dijagnosticiranje mnogih srčanih oboljenja, od osnovnog srčanog udara (infarkt miokarda), pa sve do naprednijih srčanih poremećaja, poput fibrilacije atrija, koje ljudi mogu provesti većinu svog života, a da to i ne primijete. Svaki otkucaj srca, vaš autonomni živčani sustav naporno radi kako bi vam srce kucalo. Šalje električne signale u srce, koje putuje od SA čvora do AV čvora, a zatim sinkrono u lijevu i desnu klijetku, i na kraju iz endokarda do epikardija i purkinjevih vlakana, srca zadnja linija obrane. Ovaj složeni biološki krug može imati problema bilo gdje na svom putu, a EKG se može koristiti za dijagnosticiranje tih problema. Mogao bih cijeli dan pričati o biologiji, ali već postoji knjiga na tu temu, pa pogledajte "Dijagnoza EKG -a u kliničkoj praksi", autora Nicholasa Petersa, Michaela Gatzoulisa i Romea Vechta. Ova je knjiga izuzetno laka za čitanje i pokazuje nevjerojatnu korisnost EKG -a.

Za izradu EKG -a trebat će vam sljedeće komponente ili prihvatljive zamjene.

• Za dizajn kola:

  • Oglasna ploča
  • OP pojačala x 5
  • Otpornici
  • Kondenzatori
  • Žice
  • Aligatorske isječke ili druge metode poticanja i mjerenja
  • BNC kabeli
  • Generator funkcija
  • Osciloskop
  • DC napajanje ili baterije ako ste pri ruci

• Za otkrivanje otkucaja srca:

  • LabView
  • DAQ ploča

• Za mjerenje biološkog signala*

  • Elektrode
  • Aligatorske kopče ili elektrode

*Gore sam stavio upozorenje i još ću malo razgovarati o opasnostima električnih komponenti po ljudsko tijelo. Nemojte spajati ovaj EKG na sebe ako niste osigurali da koristite odgovarajuće tehnike izolacije. Priključivanje uređaja s glavnim napajanjem, poput izvora napajanja, osciloskopa i računala izravno u krug, može uzrokovati protok velikih struja kroz krug u slučaju nestanka struje. Molimo izolirajte krug od glavnog napajanja pomoću napajanja iz baterije i drugih tehnika izolacije.

Sljedeće 'Raspravljat ću o zabavnom dijelu; Elementi dizajna kruga!

Korak 1: Specifikacije dizajna kruga

Sada ću govoriti o dizajnu kola. Neću raspravljati o shemama kruga jer će one biti navedene nakon ovog odjeljka. Ovaj odjeljak je za ljude koji žele razumjeti zašto smo odabrali komponente koje smo napravili.

Gornja slika, preuzeta iz mog laboratorijskog priručnika na Sveučilištu Purdue, daje nam gotovo sve što trebamo znati za projektiranje osnovnog EKG kruga. Ovo je frekvencijski sastav nefiltriranog EKG signala, s općom "amplitudom" (os y) koja se odnosi na bezdimenzionalni broj u usporedbene svrhe. Razgovarajmo sada o dizajnu!

A. Instrumentalno pojačalo

Instrumentacijsko pojačalo bit će prva faza u krugu. Ovaj svestrani alat amortizira signal, smanjuje šum uobičajenog načina rada i pojačava signal.

Uzimamo signal iz ljudskog tijela. Neki krugovi omogućuju vam korištenje vašeg mjernog izvora kao izvora napajanja jer je na raspolaganju dovoljno punjenja bez rizika od oštećenja. Međutim, ne želimo ozlijediti naše ljudske subjekte, pa moramo amortizirati signal koji želimo mjeriti. Instrumentalna pojačala omogućuju međuspremljivanje bioloških signala, budući da Op-ulazi imaju teoretski beskonačnu impedanciju (to nije slučaj, u praksi, ali impedancija je obično dovoljno visoka) što znači da nikakva struja (teoretski) ne može ući u ulaz terminali.

Ljudsko tijelo ima buku. Signali iz mišića mogu uzrokovati da se ova buka očituje u EKG signalima. Da bismo smanjili ovu buku, možemo upotrijebiti pojačalo s razlikom za smanjenje zajedničke buke. U osnovi, želimo oduzeti buku prisutnu u mišićima podlaktice na dva položaja elektroda. Instrumentacijsko pojačalo uključuje pojačalo razlike.

Signali u ljudskom tijelu su mali. Moramo pojačati ove signale kako bi se mogli mjeriti odgovarajućom razlučivošću pomoću električnih mjernih uređaja. Instrumentalno pojačalo osigurava dobitak potreban za to. Za više informacija o instrumentacijskim pojačalima pogledajte priloženi link.

www.electronics-tutorial.net/amplifier/instrumentation-amplifier/index.html

B. Filter s usjekom

Elektroenergetski vodovi u SAD -u stvaraju "šum u mreži" ili "šum dalekovoda" na točno 60 Hz. U drugim zemljama to se događa pri 50 Hz. Ovu buku možemo vidjeti gledajući gornju sliku. Budući da je naš EKG signal još uvijek unutar opsega interesa, želimo ukloniti ovaj šum. Za uklanjanje ove buke može se upotrijebiti usjekni filter koji smanjuje pojačanje na frekvencijama unutar usjeka. Neki ljudi možda nisu zainteresirani za više frekvencije na EKG spektru, pa mogu odlučiti stvoriti niskopropusni filtar s graničnom vrijednosti ispod 60 Hz. Međutim, htjeli smo pogriješiti sa sigurne strane i primiti što je moguće više signala, pa smo umjesto toga odabrali usjekni filter i niskopropusni filtar s većom graničnom frekvencijom.

Za više informacija o ureznim filterima pogledajte priloženi link.

www.electronics-tutorials.ws/filter/band-st…

C. Butterworth VCVS niskopropusni filtar drugog reda

Frekvencijski sastav EKG signala samo se do sada proteže. Želimo eliminirati signale na višim frekvencijama, jer su za naše potrebe oni jednostavno šum. Signali s vašeg mobitela, uređaja s plavim zubima ili prijenosnog računala prisutni su posvuda, a ti bi signali uzrokovali neprihvatljivu buku u EKG signalu. Mogu se ukloniti Butterworthovim niskopropusnim filtrom. Naša odabrana granična frekvencija bila je 220 Hz, što je unatrag bilo malo visoko. Kad bih ponovno stvorio ovaj krug, odabrao bih graničnu frekvenciju mnogo nižu od te, pa možda čak i eksperimentirao s graničnom frekvencijom ispod 60 Hz i umjesto toga upotrijebio filter višeg reda!

Ovaj filter je drugog reda. To znači da se dobitak "kotrlja" brzinom od 40 db/desetljeće umjesto 20 db/desetljeće kao što bi to učinio filter prve narudžbe. Ovo strmije skretanje pruža veće ublažavanje visokofrekventnog signala.

Odabran je Butterworthov filter budući da je "maksimalno ravan" u propusnom pojasu, što znači da nema izobličenja unutar propusnog pojasa. Ako vas zanima, ova veza sadrži sjajne informacije o osnovnom dizajnu filtera drugog reda:

www.electronics-tutorials.ws/filter/second-…

Sad kad smo razgovarali o projektiranju sklopova, možemo početi s izgradnjom.

Korak 2: Konstruirajte instrumentalno pojačalo

Ovaj će krug međuspremiti ulaz, oduzimati šum zajedničkog moda i pojačati signal pri dobitku od 100. Shema sheme i popratne jednadžbe dizajna prikazane su gore. Ovo je stvoreno pomoću dizajnera OrCAD Pspice i simulirano pomoću Pspice. Shema postaje malo mutna kada se kopira iz OrCAD -a, pa se ispričavam zbog ovoga. Uredio sam sliku kako bih nadam se učinio neke vrijednosti otpornika malo jasnijima.

Upamtite da pri stvaranju sklopova razumne vrijednosti otpora i kapacitivnosti trebaju biti odabrane tako da se uzima u obzir praktična impedancija izvora napona, praktična impedancija uređaja za mjerenje napona i fizička veličina otpornika i kondenzatora.

Jednadžbe projektiranja navedene su gore. U početku smo htjeli da dobitak instrumentalnog pojačala bude x1000, pa smo stvorili ovaj krug kako bismo mogli pojačati simulirane signale. No, kad smo ga pričvrstili na tijelo, htjeli smo iz dobitaka smanjiti dobitak na 100, budući da ploče nisu baš najstabilnija sučelja sklopova. To je učinjeno pomoću otpornika 4 za zamjenu koji se smanjio za deset puta. U idealnom slučaju, vaš dobitak iz svake faze instrumentacijskog pojačala bio bi isti, ali umjesto toga naš dobitak postao je 31,6 za stupanj 1 i 3,16 za stupanj 2, dajući dobitak od 100. Priložio sam shemu kola za dobitak od 100 umjesto 1000. I dalje ćete vidjeti simulirane i biološke signale savršeno u redu s ovom razinom pojačanja, ali to možda nije idealno za digitalne komponente s niskom razlučivošću.

Imajte na umu da u shemi kola imam riječi "ulazni uzemljenje" i "pozitivni ulaz" nacrtane narančastim tekstom. Slučajno sam postavio ulaz funkcije tamo gdje bi trebalo biti tlo. Molimo postavite zemlju gdje je zabilježen "ulaz uzemljenja" i funkciju gdje je zabilježen "pozitivan ulaz".

• Sažetak

  • Dobitak 1. stupnja - 31,6
  • Dobit 2. stupnja - 3,16 iz sigurnosnih razloga

Korak 3: Konstruirajte Notch filter

Ovaj urezani filter uklanja šum od 60 Hz iz američkih dalekovoda. Budući da želimo da ovaj filter zareže na točno 60 Hz, korištenje ispravnih vrijednosti otpora kritično je.

Jednadžbe projektiranja navedene su gore. Korišten je faktor kvalitete 8, što rezultira strmijim vrhom pri frekvenciji prigušenja. Korištena je središnja frekvencija (f0) od 60 Hz, s propusnošću (beta) od 2 rad/s kako bi se osiguralo prigušenje na frekvencijama koje malo odstupaju od središnje frekvencije. Podsjetimo da je grčko slovo omega (w) u jedinicama rad/s. Za pretvaranje iz Hz u rad/s, moramo pomnožiti našu središnju frekvenciju, 60 Hz, sa 2*pi. Beta se također mjeri u rad/s.

• Vrijednosti za jednadžbe za projektiranje

  • w0 = 376,99 rad/s
  • Beta (B) = 2 rad/s
  • Q = 8
• Odavde su za izgradnju sklopa odabrane razumne vrijednosti otpora i kapacitivnosti.

Korak 4: Konstruirajte niskopropusni filtar

Niskopropusni filtar koristi se za uklanjanje visokih frekvencija koje ne zanimamo mjeriti, kao što su signali mobitela, bluetooth komunikacija i WiFi šum. Aktivni VCVS Butterworthov filter drugog reda pruža maksimalno ravan (čist) signal u području prolaska pojasa s odstupanjem od -40 db/desetljeće u području slabljenja.

Jednadžbe projektiranja navedene su gore. Ove su jednadžbe malo dugačke, stoga ne zaboravite provjeriti matematiku! Imajte na umu da su b i vrijednosti pažljivo odabrane kako bi pružile ravan signal u području basova i ravnomjerno prigušenje u području odmicanja. Za više informacija o tome kako nastaju ove vrijednosti pogledajte vezu u koraku 2, odjeljak C, "niskopropusni filtar".

Specifikacija za C1 je prilično dvosmislena, jer je jednostavno manja od vrijednosti temeljene na C2. Izračunao sam da je manji ili jednak 22 nF, pa sam odabrao 10 nF. Krug je dobro radio, a točka od -3 db bila je vrlo blizu 220 Hz, pa se ne bih previše brinuo oko ovoga. Još jednom podsjetimo da je kutna frekvencija (wc) u rad/s jednaka graničnoj frekvenciji u Hz (fc) * 2pi.

• Ograničenja dizajna
  • K (dobitak) = 1
  • b = 1
  • a = 1.4142
  • Granična frekvencija - 220 Hz

Granična frekvencija od 220 Hz činila se malo visokom. Kad bih ovo ponovio, vjerojatno bih se približio na 100 Hz, ili bih se čak zeznuo s niskim prolazom višeg reda s prekidom od 50 Hz. Potičem vas da isprobate različite vrijednosti i sheme!

Korak 5: Povežite instrumentalno pojačalo, Notch filter i Low Pass Filter

Sada jednostavno spojite izlaz instrumentacijskog pojačala na ulaz urezanog filtera. Zatim spojite izlaz urezanog filtera na ulaz niskopropusnog filtra.

Također sam dodao zaobilazne kondenzatore iz istosmjernog napajanja na masu kako bih eliminirao neku buku. Ti bi kondenzatori trebali imati istu vrijednost za svako Op-Amp i najmanje 0,1 uF, ali osim toga, slobodno upotrijebite bilo koju razumnu vrijednost.

Pokušao sam upotrijebiti mali sklop omotnice za "izglađivanje" bučnog signala, ali nije radio kako je predviđeno, a nedostajalo mi je vremena pa sam odbacio ovu ideju i umjesto toga koristio digitalnu obradu. Ovo bi bio super dodatni korak ako ste znatiželjni!

Korak 6: Uključite krug, unesite valni oblik i izmjerite

Upute za napajanje strujnog kruga i mjerenje. Budući da je svačija oprema različita, ne postoji jednostavan način na koji vam mogu reći kako unijeti i mjeriti. Ovdje sam dao osnovne upute. Primjer postavljanja potražite na prethodnom dijagramu.

1. Spojite funkcijski generator na instrumentalno pojačalo.

   • Pozitivan isječak donjeg op-pojačala u dijagramu pojačala instrumentacije
   • Negativni isječak na masu.
   • Kratko spojite ulaz gornjeg op-pojačala u dijagramu instrumentacijskog pojačala na masu. To će osigurati referencu za dolazni signal. (U biološkim signalima ovaj ulaz će biti elektroda s namjerom da smanji šum uobičajenog načina rada.)

2. Spojite pozitivni isječak osciloskopa na izlaz u završnoj fazi (izlaz niskopropusnog filtra).

   • pozitivni isječak za izlaz u završnoj fazi
   • negativni isječak na tlo
3. Spojite DC napajanje na tračnice, pazeći da svaki ulaz napajanja Op-Amp-om bude spojen na tračnicu kojoj odgovara.

4. Spojite uzemljenje DC napajanja na preostalu donju vodilicu, dajući referentni signal za vas.

   spojite uzemljenje donje tračnice s uzemljenjem gornje tračnice, što bi vam trebalo omogućiti čišćenje kruga

Počnite unositi val i upotrijebite osciloskop za mjerenje! Ako vaš krug radi kako je predviđeno, trebali biste vidjeti dobitak od 100. To bi značilo da bi napon od vrha do vrha trebao biti 2V za signal od 20 mV. Ako ste generator funkcija kao otmjeni srčani val, pokušajte to unijeti.

Petljajte po frekvencijama i ulazima kako biste bili sigurni da vaš filter radi ispravno. Pokušajte testirati svaku fazu pojedinačno, a zatim testirajte krug kao cjelinu. Priložio sam uzorak pokusa u kojem sam analizirao funkciju filtera sa zarezima. Primijetio sam dovoljno slabljenje od 59,5 Hz do 60,5 Hz, ali bih radije imao malo veće slabljenje na točkama 59,5 i 60,5 Hz. Ipak, vrijeme je bilo bitno, pa sam krenuo dalje i zaključio da ću kasnije digitalno ukloniti buku. Evo nekoliko pitanja koja želite razmotriti za svoj krug:

• Je li dobitak 100?
• Provjerite pojačanje na 220 Hz. Je li -3 db ili blizu toga?
• Provjerite slabljenje pri 60 Hz. Je li dovoljno visoka? Pruža li još uvijek određeno slabljenje pri 60,5 i 59,5 Hz?
• Koliko brzo se vaš filtar otkoči od 220 Hz? Je li to -40 db/desetljeće?
• Postoji li struja koja ulazi u neki od ulaza? Ako je tako, ovaj krug nije prikladan za mjerenje ljudi i vjerojatno nešto nije u redu s vašim dizajnom ili komponentama.

Ako vaš sklop radi kako je predviđeno, spremni ste za nastavak! Ako ne, morate riješiti neke probleme. Provjerite izlaz svake faze pojedinačno. Uvjerite se da su vaša op-pojačala napajana i funkcionalna. Ispitajte napon na svakom čvoru dok ne pronađete problem s krugom.

Korak 7: LabVIEW mjerenje brzine otkucaja srca

LabVIEW će nam omogućiti mjerenje otkucaja srca pomoću dijagrama logičkog bloka. S obzirom na više vremena, radije bih sam digitalizirao podatke i stvorio kôd koji bi odredio broj otkucaja srca, jer ne bi zahtijevao računala s instaliranim labVIEW-om i veliku DAQ ploču. Osim toga, numeričke vrijednosti u labVIEW -u nisu došle intuitivno. Usprkos tome, učenje labVIEW-a bilo je dragocjeno iskustvo jer je korištenje logike blok dijagrama mnogo lakše nego teško kodiranje vlastite logike.

Nema se puno za reći za ovaj odjeljak. Spojite izlaz vašeg kruga na DAQ ploču, a DAQ ploču na računalo. Napravite krug prikazan na sljedećoj slici, pritisnite "pokreni" i počnite prikupljati podatke! Provjerite prima li vaš krug valni oblik.

Ovo su neke važne postavke:

• brzina uzorkovanja od 500 Hz i veličina prozora od 2500 jedinica znači da unutar prozora snimamo podatke vrijedne 5 sekundi. To bi trebalo biti dovoljno za vidjeti 4-5 otkucaja srca u mirovanju, a više tijekom vježbe.
• Otkriveni vrh od 0,9 bio je dovoljan za otkrivanje otkucaja srca. Iako ovo izgleda kao da grafički provjerava, zapravo je trebalo dosta vremena da se dođe do ove vrijednosti. S tim biste se trebali petljati dok ne izračunate otkucaje srca.
• Činilo se da je širina "5" dovoljna. Opet, s ovom vrijednošću se petljalo i činilo se da nema intuitivnog smisla.
• Numerički ulaz za izračunavanje brzine otkucaja srca koristi vrijednost 60. Svaki put kada se otkrije otkucaj srca, on prolazi kroz krug niže razine i vraća 1 pri svakom otkucaju srca. Podijelimo li ovaj broj sa 60, u biti govorimo "podijelite 60 s brojem otkucaja izračunatim u prozoru". Ovo će vam vratiti otkucaje srca, u otkucajima/min.

Priložena slika je moje srce u labVIEW -u. Utvrdilo je da mi srce kuca na 82 otkucaja u minuti. Bio sam prilično uzbuđen što sam napokon proradio ovaj sklop!

Korak 8: Mjerenje čovjeka

Ako ste sebi dokazali da je vaš krug siguran i funkcionalan, tada možete mjeriti vlastiti otkucaj srca. Pomoću 3M mjernih elektroda postavite ih na sljedeća mjesta i spojite u krug. Žice za zglobove idu s unutarnje strane vašeg zgloba, po mogućnosti tamo gdje ima malo ili nimalo dlaka. Elektroda za uzemljenje ide na koštani dio vašeg gležnja. Koristeći štipaljke od aligatora, povežite pozitivni vod na pozitivni ulaz, negativni vod na negativni ulaz, a uzemljenu elektrodu na uzemljenu tračnicu (dobro obratite pozornost da to nije negativna traka snage)).

Još jedno zadnje ponavljanje Napomena: "Ovo nije medicinski uređaj. Ovo je samo u obrazovne svrhe korištenjem simuliranih signala. Ako ovaj krug koristite za stvarna mjerenja EKG-a, provjerite koriste li se strujni krug i veze kruga s instrumentom odgovarajuće tehnike izolacije. Preuzimate rizik od nastale štete."

Provjerite je li vaš osciloskop pravilno spojen. Uvjerite se da u pojačalo ne teče struja i da je elektroda za uzemljenje spojena na masu. Provjerite jesu li veličine prozora vašeg osciloskopa ispravne. Promatrao sam QRS kompleks otprilike 60 mV i koristio prozor od 5 sekundi. Pričvrstite kopče od aligatora na njihove pozitivne, negativne i uzemljene elektrode. Nakon nekoliko sekundi trebali biste početi vidjeti EKG valni oblik. Opustiti; nemojte raditi nikakve pokrete jer filtar i dalje može pokupiti mišićne signale.

S pravilnim postavljanjem kruga, trebali biste vidjeti nešto poput tog izlaza u prethodnom koraku! Ovo je vaš vlastiti EKG signal. Zatim ću se dotaknuti obrade.

NAPOMENA: Na internetu ćete vidjeti različite postavke EKG-a s 3 elektrode. I oni bi djelovali, ali mogu dati obrnute oblike valova. S načinom na koji je diferencijalno pojačalo postavljeno u ovom krugu, ova konfiguracija elektrode daje tradicionalni pozitivni QRS kompleksni valni oblik.

Korak 9: Obrada signala

Priključili ste se na osciloskop i možete vidjeti QRS kompleks, ali signal i dalje izgleda bučno. Vjerojatno nešto poput prve slike u ovom odjeljku. Ovo je normalno. Koristimo krug na otvorenoj ploči s hrpom električnih komponenti koje u osnovi djeluju kao male antene. Napajanja istosmjernom strujom notorno su bučna i nema RF zaštite. Naravno signal će biti bučan. Kratko sam pokušao upotrijebiti krug za praćenje omotnica, ali mi je isteklo vrijeme. To je, međutim, lako učiniti digitalno! Jednostavno uzmite pokretni prosjek. Jedina razlika između sivo/plavog grafikona i crno/zelenog grafa je u tome što crno/zeleni grafikon koristi pomični prosjek napona u prozoru od 3 ms. Ovo je tako mali prozor u usporedbi s vremenom između otkucaja, ali čini signal toliko glatkijim.

Korak 10: Sljedeći koraci?

Ovaj projekt je bio super, ali uvijek se nešto može učiniti bolje. Evo nekih mojih razmišljanja. Slobodno ostavite svoje ispod!

• Koristite nižu graničnu frekvenciju. To bi trebalo ukloniti dio buke prisutne u krugu. Možda se čak i poigrajte korištenjem samo niskopropusnog filtra sa strmim odmicanjem.
• Lemite komponente i stvorite nešto trajno. To bi trebalo smanjiti buku, njezin hladnjak i učiniti ga sigurnijim.
• Digitalizirajte signal i emitirajte ga sami, eliminirajući potrebu za DAQ pločom i omogućujući vam pisanje koda koji će vam odrediti otkucaje srca umjesto potrebe za upotrebom LabVIEW -a. To će omogućiti svakodnevnom korisniku da otkrije otkucaje srca bez potrebe za moćnim programom.

Budući projekti?

• Napravite uređaj koji će unos prikazati izravno na ekranu (hmmmm malina pi i zaslon projekt?)
• Koristite komponente koje će smanjiti krug.
• Napravite prijenosni EKG sve u jednom s zaslonom i detekcijom otkucaja srca.

Ovo završava instrukcije! Hvala na čitanju. Molimo ostavite sve misli ili prijedloge ispod.