Jednostavan EKG i detektor pulsa: 10 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:08

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

Danas ćemo proći kroz dizajn osnovnih elektrokardiografskih krugova (EKG) i stvoriti krug za pojačavanje i filtriranje električnog signala vašeg srca. Zatim možemo mjeriti broj otkucaja srca pomoću softvera labVIEW. Tokom cijelog procesa dat ću detaljna uputstva o elementima dizajna kola i zašto su nastali, kao i malo biološke pozadine. Naslovna slika je električni signal mog srca. Do kraja ovog uputstva moći ćete mjeriti i svoje. Hajde da počnemo!

EKG je koristan dijagnostički alat za medicinske radnike. 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 nervni sistem naporno radi kako bi vam srce kucalo. On šalje električne signale u srce, koje putuje od SA čvora do AV čvora, zatim sinhrono u lijevu i desnu komoru, i na kraju iz endokarda do epikardija i purkinjevih vlakana, srca posljednja linija odbrane. Ovaj složeni biološki krug može imati problema bilo gdje na svom putu, a EKG se može koristiti za dijagnosticiranje ovih problema. Mogao bih cijeli dan pričati o biologiji, ali već postoji knjiga na tu temu, pa pogledajte "EKG dijagnostika 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 bit će vam potrebne sljedeće komponente ili prihvatljive zamjene.

• Za dizajn kola:

  • Breadboard
  • OP pojačala x 5
  • Otpornici
  • Kondenzatori
  • Žice
  • Aligatorske kopče ili druge metode stimulacije i mjerenja
  • BNC kablovi
  • 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 povezivati ovaj EKG sa sobom ako niste osigurali da koristite odgovarajuće tehnike izolacije. Priključivanje uređaja s glavnim napajanjem, poput izvora napajanja, osciloskopa i računara izravno u krug, može uzrokovati prolazak 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 kola!

Korak 1: Specifikacije dizajna kola

Sada ću govoriti o dizajnu kola. Neću raspravljati o shemama kola, jer će one biti date 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 Univerzitetu Purdue, daje nam gotovo sve što trebamo znati za dizajniranje osnovnog EKG kruga. Ovo je frekvencijski sastav nefiltriranog EKG signala, s generičkom "amplitudom" (os y) koja se odnosi na bezdimenzionalni broj u usporedbene svrhe. Razgovarajmo sada o dizajnu!

A. Instrumentacijsko 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 da svoj izvor mjerenja koristite kao izvor napajanja jer je na raspolaganju dovoljno punjenja bez rizika od oštećenja. Međutim, ne želimo povrijediti naše ljudske subjekte, pa moramo amortizirati signal koji želimo mjeriti. Instrumentacijska pojačala vam 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 telo ima buku. Signali iz mišića mogu uzrokovati da se ova buka očituje u EKG signalima. Da bismo smanjili ovu buku, možemo upotrijebiti različito pojačalo za smanjenje šuma uobičajenog načina rada. 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 rezolucijom pomoću električnih mjernih uređaja. Instrumentacijsko pojačalo osigurava pojačanje potrebno za to. Za više informacija o instrumentacijskim pojačalima pogledajte priloženi link.

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

B. Notch filter

Elektroenergetski vodovi u Sjedinjenim Državama proizvode "šum iz mreže" ili "šum dalekovoda" na točno 60 Hz. U drugim zemljama to se događa pri 50 Hz. Ovu buku možemo vidjeti ako pogledamo gornju sliku. Budući da je naš EKG signal još uvijek u opsegu interesa, želimo ukloniti ovaj šum. Za uklanjanje ove buke može se upotrijebiti urezani filter koji smanjuje pojačanje na frekvencijama unutar zareza. Neki ljudi možda nisu zainteresirani za više frekvencije na EKG spektru, pa mogu odlučiti stvoriti niskopropusni filter s graničnim vrijednostima ispod 60 Hz. Međutim, htjeli smo pogriješiti sa sigurne strane i primiti što je moguće više signala, pa smo umjesto toga odabrali urezani filter i niskopropusni filter s većom graničnom frekvencijom.

Za više informacija o ureznim filterima pogledajte priloženi link.

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

C. Butterworth VCVS niskopropusni filter 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 sa plavim zubima ili prijenosnog računala prisutni su posvuda, a ti bi signali uzrokovali neprihvatljivu buku u EKG signalu. Mogu se ukloniti Butterworth-ovim niskopropusnim filterom. Naša odabrana granična frekvencija bila je 220 Hz, što je unatrag bilo malo visoko. Ako bih ponovo stvorio ovo kolo, izabrao bih graničnu frekvenciju mnogo nižu od te, pa možda čak i eksperimentirao sa graničnom frekvencijom ispod 60 Hz i umjesto toga koristio filter višeg reda!

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

Izabran je Butterworthov filter jer je "maksimalno ravan" u propusnom pojasu, što znači da nema izobličenja unutar propusnog opsega. Ako ste zainteresirani, ova veza sadrži sjajne informacije o osnovnom dizajnu filtera drugog reda:

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

Sada kada smo razgovarali o dizajnu kola, možemo započeti izgradnju.

Korak 2: Konstruirajte instrumentacijsko pojačalo

Ovo kolo će međuspremiti ulaz, oduzeti šum zajedničkog moda i pojačati signal pri dobitku od 100. Shema kola i prateće jednadžbe dizajna prikazane su gore. Ovo je kreirano pomoću OrCAD Pspice dizajnera i simulirano pomoću Pspice -a. 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 kola treba izabrati razumne vrijednosti otpora i kapacitivnosti tako da se uzima u obzir praktična impedancija izvora napona, praktična impedancija uređaja za mjerenje napona i fizička veličina otpornika i kondenzatora.

Jednadžbe dizajna navedene su gore. U početku smo htjeli da dobitak instrumentacijskog pojačala bude x1000 i stvorili smo ovo kolo tako da možemo pojačati simulirane signale. Međutim, kada smo ga priključili na tijelo, htjeli smo iz sigurnosnih razloga smanjiti dobitak na 100, budući da matične ploče nisu baš najstabilnija sučelja kola. To je učinjeno pomoću otpornika 4 za zamjenu koji se smanjuje za deset puta. U idealnom slučaju, vaš dobitak u svakoj fazi instrumentacijskog pojačala bio bi isti, ali umjesto toga naš dobitak je postao 31,6 za stepen 1 i 3,16 za stepen 2, dajući dobitak od 100. Priložio sam shemu kola za pojačanje 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 rezolucijom.

Napomena, na shemi kola imam riječi "ulazni uzemljenje" i "pozitivni ulaz" nacrtane u narandžastom tekstu. 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

  • Dobit 1. faze - 31.6
  • Poboljšanje 2. faze - 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, upotreba ispravnih vrijednosti otpora je kritična.

Jednadžbe dizajna navedene su gore. Korišten je faktor kvalitete 8, što rezultira strmijim vrhom pri frekvenciji prigušenja. Korištena je središnja frekvencija (f0) od 60 Hz, s propusnim opsegom (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 odabrane razumne vrijednosti otpora i kapacitivnosti za konstrukciju kola.

Korak 4: Konstruirajte niskopropusni filter

Niskopropusni filter koristi se za uklanjanje visokih frekvencija koje ne želimo mjeriti, kao što su signali mobitela, bluetooth komunikacija i WiFi šum. Aktivni VCVS Butterworth -ov filter drugog reda pruža maksimalno ravan (čist) signal u području prolaska pojasa sa padom od -40 db/deceniju u području slabljenja.

Jednadžbe dizajna navedene su gore. Ove jednadžbe su malo dugačke, pa provjerite svoju matematiku! Imajte na umu da su b i vrijednosti pažljivo odabrane kako bi pružile ravan signal u području basova i ujednačeno slabljenje u području odmicanja. Za više informacija o tome kako nastaju ove vrijednosti pogledajte vezu u koraku 2, odjeljak C, "niskopropusni filter".

Specifikacija za C1 je prilično dvosmislena, jer je jednostavno manja od vrijednosti zasnovane 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, tako da 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. Ako bih ovo ponovio, vjerovatno bih se približio na 100 Hz, ili bih se čak petljao 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 filtera.

Dodao sam i 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 krug omotača da "izgladim" šumni signal, 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. Priključite funkcijski generator na instrumentalno pojačalo.

   • Pozitivan isečak donjeg op-pojačala u dijagramu instrumentacionog pojačala
   • Negativni isječak na masu.
   • Skratite ulaz gornjeg op-pojačala u dijagramu pojačala instrumenta na masu. Ovo će dati referencu za dolazni signal. (U biološkim signalima, ovaj ulaz će biti elektroda s namjerom da smanji uobičajenu buku.)

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

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

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

   spojite donju masu donje šine na masu gornje šine, što bi vam trebalo omogućiti čišćenje kola

Počnite unositi val i upotrijebite osciloskop za mjerenje! Ako vaše kolo 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 u cjelini. Priložio sam ogledni eksperiment u kojem sam analizirao funkciju urezanog filtera. Primijetio sam dovoljno slabljenje od 59,5 Hz do 60,5 Hz, ali bih radije imao malo veće slabljenje na tačkama 59,5 i 60,5 Hz. Ipak, vrijeme je bilo najvažnije, 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 na 60 Hz. Je li dovoljno visoka? Pruža li još uvijek određeno slabljenje pri 60,5 i 59,5 Hz?
• Koliko brzo se vaš filter otkoči od 220 Hz? Je li to -40 db/decenija?
• Postoji li struja koja ulazi u neki od ulaza? Ako je tako, ovaj krug nije prikladan za mjerenje ljudi i nešto vjerojatno nije u redu s vašim dizajnom ili komponentama.

Ako vaše kolo 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 sa krugom.

Korak 7: LabVIEW mjerenje pulsa

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 računare sa 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 hard-kodiranje vlastite logike.

Nema se mnogo za reći za ovaj odjeljak. Priključite izlaz vašeg kola na DAQ ploču, a DAQ ploču na računar. Napravite krug prikazan na sljedećoj slici, pritisnite "pokreni" i počnite prikupljati podatke! Uvjerite se da vaš krug prima 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 4-5 otkucaja srca u mirovanju, a više za vrijeme vježbanja.
• 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. Trebali biste se petljati s ovim dok ne precizno 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 nižeg nivoa i vraća 1 svaki put kad srce kuca. Ako ovaj broj podijelimo sa 60, u suštini kažemo "podijelite 60 sa brojem otkucaja izračunatim u prozoru". Ovo će vam vratiti otkucaje srca, u otkucajima/min.

Priložena slika je mog otkucaja srca u labVIEW -u. Utvrdilo je da mi srce kuca na 82 otkucaja u minuti. Bio sam prilično uzbuđen što je konačno ovo kolo radilo!

Korak 8: Mjerenje čovjeka

Ako ste sebi dokazali da je vaš krug siguran i funkcionalan, tada možete izmjeriti svoj otkucaj srca. Pomoću 3M mjernih elektroda postavite ih na sljedeća mjesta i spojite na strujno kolo. Kapci 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 vodič na pozitivni ulaz, negativni vod na negativni ulaz, a elektrodu za uzemljenje na uzemljenu šinu (pažljivo obratite pažnju da to nije negativna traka za napajanje)).

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 da li krug i veze kola s instrumentom koriste odgovarajuće tehnike izolacije. Preuzimate rizik od nastale štete."

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

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

NAPOMENA: Na mreži ćete vidjeti različite postavke EKG-a sa 3 elektrode. I oni bi radili, 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. Vjerovatno nešto poput prve slike u ovom odjeljku. To je normalno. Koristimo kolo na otvorenoj matičnoj ploči, s gomilom električnih komponenti koje u osnovi djeluju kao male antene. Jednosmerni izvori napajanja su notorno bučni i nema RF zaštite. Naravno signal će biti bučan. Napravio sam kratak pokušaj korištenja kola za praćenje koverti, ali mi je isteklo vrijeme. To je lako učiniti digitalno! Jednostavno uzmite pokretni prosjek. Jedina razlika između sivo/plavog grafikona i crno/zelenog grafikona je u tome što crno/zeleni grafikon koristi pomični prosjek napona u prozoru od 3 ms. Ovo je tako mali prozor u odnosu na vrijeme između otkucaja, ali čini da signal izgleda toliko glatko.

Korak 10: Sljedeći koraci?

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

• Koristite nižu graničnu frekvenciju. Ovo bi trebalo ukloniti dio buke prisutne u krugu. Možda se čak i poigrajte koristeći samo niskopropusni filter sa strmim otkosom.
• Lemite komponente i stvorite nešto trajno. Ovo bi trebalo smanjiti buku, njen hladnjak i učiniti ga sigurnijim.
• Digitalizirajte signal i emitirajte ga sami, eliminirajući potrebu za DAQ pločom i omogućavajući vam da napišete kod 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 prikazati ulaz direktno na ekranu (hmmmm malina pi i ekran projekat?)
• Koristite komponente koje će smanjiti krug.
• Napravite sve-u-jednom prenosivi EKG sa zaslonom i detekcijom otkucaja srca.

Ovo završava instrukcije! Hvala vam na čitanju. Molimo ostavite bilo kakva razmišljanja ili prijedloge ispod.