Lihtne EKG ja südame löögisageduse andur: 10 sammu

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:50

MÄRKUS: See ei ole meditsiiniseade. See on mõeldud ainult hariduslikel eesmärkidel, kasutades simuleeritud signaale. Kui kasutate seda vooluringi tegelikes EKG mõõtmistes, veenduge, et vooluahel ja vooluahela-seadme ühendused kasutavad õigeid eraldusvõtteid

Täna vaatame läbi elektrokardiograafia (EKG) elementaarse disaini ja loome vooluahela, mis võimendab ja filtreerib teie südame elektrisignaali. Seejärel saame mõõta pulssi labVIEW tarkvara abil. Kogu protsessi vältel annan üksikasjalikke juhiseid vooluahela projekteerimise elementide ja põhjuste kohta, samuti natuke bioloogilist tausta. Pealkiri kujutab endast minu südame elektrisignaali. Selle juhendi lõpuks saate mõõta ka oma. Alustame!

EKG on meditsiinitöötajatele kasulik diagnostiline tööriist. Seda saab kasutada paljude südamehaiguste diagnoosimiseks, alates põhilisest südameinfarktist (müokardiinfarkt) kuni kaugelearenenud südamehäireteni, nagu kodade virvendusarütmia, mida inimesed võivad suurema osa oma elust märkamatult veeta. Iga südamelöök teeb teie autonoomne närvisüsteem kõvasti tööd, et teie süda lööks. See saadab südamesse elektrilisi signaale, mis liiguvad SA -sõlmest AV -sõlme ja seejärel sünkroonselt vasakule ja paremale vatsakestele ning lõpuks endokardist epikardi ja purkinje kiududesse, mis on südamete viimane kaitseliin. Sellel keerulisel bioloogilisel ahelal võib olla probleeme igal pool oma teel ja nende probleemide diagnoosimiseks saab kasutada EKG -d. Ma võiks terve päeva rääkida bioloogiast, kuid sellel teemal on juba raamat, seega vaadake Nicholas Petersi, Michael Gatzoulise ja Romeo Vechti artiklit "EKG diagnoosimine kliinilises praktikas". Seda raamatut on äärmiselt lihtne lugeda ja see näitab EKG hämmastavat kasulikkust.

EKG loomiseks vajate järgmisi komponente või vastuvõetavaid asendusi.

• Vooluahela disain:

  • Leivalaud
  • OP võimendid x 5
  • Takistid
  • Kondensaatorid
  • Juhtmed
  • Alligaatoriklambrid või muud stimuleerimise ja mõõtmise meetodid
  • BNC kaablid
  • Funktsiooni generaator
  • Ostsilloskoop
  • Alalisvoolu toiteallikas või akud, kui teil on käepärast

• Südame löögisageduse tuvastamiseks:

  • LabView
  • DAQ juhatus

• Bioloogilise signaali mõõtmiseks*

  • Elektroodid
  • Alligaatori klambrid või elektroodijuhtmed

*Panen ülalpool hoiatava märkuse ja arutan veel natuke elektrikomponentide ohtlikkust inimkehale. Ärge ühendage seda EKG -d endaga, kui te pole veendunud, et kasutate õigeid eraldusvõtteid. Toiteallikaga toidetavate seadmete, nagu toiteallikad, ostsilloskoobid ja arvutid otse vooluahelasse ühendamine, võib voolutõusu korral vooluahelast läbi voolata suuri voolusid. Palun eraldage vooluahel vooluvõrgust, kasutades akut ja muid eraldusmeetodeid.

Järgmine 'Arutlen lõbusat osa; Vooluahela kujunduselemendid!

1. samm: vooluringi disaini spetsifikatsioonid

Nüüd räägin vooluringi disainist. Ma ei aruta vooluahela skeeme, kuna need antakse pärast seda jaotist. See jaotis on mõeldud inimestele, kes soovivad mõista, miks me valisime komponendid, mida tegime.

Ülaltoodud pilt, mis on võetud minu Purdue ülikooli laborijuhendist, annab meile peaaegu kõik, mida peame teadma põhilise EKG-ahela kujundamiseks. See on filtreerimata EKG -signaali sageduskompositsioon, mille üldine amplituud (y -telg) viitab võrdluseks mõõtmeteta arvule. Nüüd räägime disainist!

A. Seadmete võimendi

Mõõteseadmete võimendi on ahela esimene etapp. See mitmekülgne tööriist puhverdab signaali, vähendab tavalise režiimi müra ja võimendab signaali.

Võtame signaali inimkehast. Mõned vooluringid võimaldavad teil mõõteallikat toiteallikana kasutada, kuna saadaval on piisav laeng ilma kahjustuste ohuta. Kuid me ei taha oma inimsubjektidele haiget teha, nii et peame signaali, mida oleme huvitatud mõõtma, puhverdama. Instrumentvõimendid võimaldavad puhverdada bioloogilisi signaale, kuna op-võimendi sisenditel on teoreetiliselt lõpmatu takistus (praktikas see nii ei ole, kuid takistus on tavaliselt piisavalt kõrge), mis tähendab, et sisendisse ei saa voolata (teoreetiliselt) terminalid.

Inimese kehas on müra. Lihastest saadavad signaalid võivad põhjustada selle müra avaldumist EKG signaalides. Selle müra vähendamiseks saame tavalise režiimi müra vähendamiseks kasutada diferentsiaalvõimendit. Põhimõtteliselt tahame lahutada müra, mis esineb teie küünarvarre lihastes kahes elektroodi paigutuses. Seadmevõimendi sisaldab diferentsiaalvõimendit.

Signaalid inimkehas on väikesed. Peame neid signaale võimendama, et neid saaks mõõta sobiva eraldusvõimega, kasutades elektrilisi mõõteseadmeid. Selle jaoks vajalikku võimendust pakub mõõteriistade võimendi. Lisateavet mõõteriistade võimendite kohta leiate lisatud lingilt.

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

B. Sälkfilter

USA elektriliinid tekitavad võrgumürinat või elektriliinimüra täpselt 60 Hz juures. Teistes riikides toimub see sagedusel 50 Hz. Seda müra näeme ülaltoodud pilti vaadates. Kuna meie EKG signaal on endiselt mõnevõrra huvipakkuvas vahemikus, tahame selle müra eemaldada. Selle müra eemaldamiseks võib kasutada sälgufiltrit, mis vähendab võimendust sälgu sagedustel. Mõned inimesed ei pruugi olla huvitatud EKG spektri kõrgematest sagedustest ja võivad luua madalpääsfiltri, mille läviväärtus on alla 60 Hz. Tahtsime aga turvalisel poolel eksida ja võimalikult palju signaali vastu võtta, seega valiti selle asemel sälgufilter ja madalama sagedusega filter.

Lisateavet sälkfiltrite kohta leiate lisatud lingilt.

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

C. Teise järgu Butterworthi VCVS madalpääsfilter

EKG -signaali sageduskoostis ulatub seni ainult. Me tahame kõrvaldada kõrgematel sagedustel olevad signaalid, kuna meie jaoks on need lihtsalt müra. Signaalid teie mobiiltelefonist, sinise hambaga seadmest või sülearvutist on kõikjal ning need signaalid tekitaksid EKG signaalis vastuvõetamatut müra. Neid saab kõrvaldada Butterworthi madalpääsfiltriga. Meie valitud piirisagedus oli 220 Hz, mis tagantjärele mõeldes oli veidi kõrge. Kui ma peaksin seda vooluahelat uuesti looma, valiksin sellest palju madalama piirsageduse ja võib -olla isegi katsetan piirisagedusega alla 60 Hz ja kasutaksin selle asemel kõrgema astme filtrit!

See filter on teist järku. See tähendab, et võimendus "rullub maha" kiirusega 40 db/kümnend, mitte 20 db/dekaad, nagu esmakordse filtri puhul. See järsem rullumine leevendab kõrgsagedussignaali paremini.

Valiti Butterworthi filter, kuna see on läbipääsuribal "maksimaalselt tasane", mis tähendab, et läbipääsuribas pole moonutusi. Kui olete huvitatud, sisaldab see link suurepärast teavet teise järjekorra filtri disaini kohta:

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

Nüüd, kui oleme ahelate projekteerimisest rääkinud, saame ehitusega alustada.

Samm: konstrueerige mõõteriistade võimendi

See ahel puhverdab sisendit, lahutab tavalise režiimi müra ja võimendab signaali võimendusega 100. Lülituse skeem ja sellega kaasnevad disainivõrrandid on näidatud ülal. See loodi OrCAD Pspice disaineri abil ja simuleeriti Pspice abil. Skeem tuleb OrCAD -ist kopeerides veidi udune, seega vabandan selle pärast. Olen pilti redigeerinud, et loodetavasti mõned takisti väärtused veidi selgemaks muuta.

Pidage meeles, et vooluahelate loomisel tuleks valida mõistlikud takistuse ja mahtuvuse väärtused nii, et oleks arvestatud pingeallika praktilist takistust, pinge mõõteseadme praktilist takistust ning takistite ja kondensaatorite füüsilist suurust.

Disainivõrrandid on loetletud eespool. Esialgu soovisime mõõteriistade võimendi võimenduseks olla x1000 ja lõime selle vooluahela, et saaksime võimendada simuleeritud signaale. Siiski soovisime seda oma kehale kinnitades ohutuse tagamiseks vähendada võimendust 100 -ni, kuna leivaplaadid pole just kõige stabiilsemad vooluahela liidesed. Seda tehti kuumvahetusega takisti 4 abil, vähendades seda kümme korda. Ideaalis oleks teie võimendus mõõteriistade võimendi igast etapist sama, kuid selle asemel muutus meie võimendus 1. etapi jaoks 31.6 ja 2. etapi jaoks 3.16, andes võimenduse 100. Lisasin skeemi 100 võimenduse jaoks 1000 asemel näete simuleeritud ja bioloogilisi signaale selle võimendustasemega täiesti hästi, kuid see ei pruugi olla ideaalne madala eraldusvõimega digitaalkomponentide jaoks.

Pange tähele, et skeemi skeemil on mul oranži tekstiga joonistatud sõnad "maapealne sisend" ja "positiivne sisend". Asetasin funktsiooni sisendi kogemata sinna, kus maapind peaks olema. Palun pange maandus, kus on märgitud "maandussisend", ja funktsioon, kus on märgitud "positiivne sisend".

• Kokkuvõte

  • 1. etapi võimendus - 31.6
  • 2. etapi võimendus - 3.16 ohutuse tagamiseks

3. samm: ehitage sälgufilter

See sälgufilter kõrvaldab 60 Hz müra USA elektriliinidest. Kuna me tahame, et see filter tärkaks täpselt 60 Hz juures, on õige takistuse väärtuste kasutamine kriitiline.

Disainivõrrandid on loetletud eespool. Kasutati kvaliteeditegurit 8, mille tulemuseks on sumbumissagedusel järsem tipp. Kasutati kesksagedust (f0) 60 Hz, ribalaiusega (beeta) 2 rad/s, et tagada summutus keskmistest sagedustest veidi kõrvale kalduvatel sagedustel. Tuletame meelde, et kreeka täht omega (w) on ühikutes rad/s. Hz -st rad/s -ks teisendamiseks peame oma kesksageduse 60 Hz korrutama 2*pi -ga. Beetat mõõdetakse ka rad/s.

• Disainivõrrandite väärtused

  • w0 = 376,99 rad/s
  • Beeta (B) = 2 rad/s
  • Q = 8
• Siit valiti vooluahela ehitamiseks mõistlikud takistuse ja mahtuvuse väärtused.

Samm: konstrueerige madalpääsfilter

Madalpääsfiltrit kasutatakse selliste kõrgete sageduste, nagu me pole huvitatud mõõtmisest, kõrvaldamiseks, näiteks mobiiltelefoni signaalid, Bluetooth-side ja WiFi-müra. Aktiivne teise järgu VCVS Butterworthi filter annab ribalaiuse piirkonnas maksimaalselt tasase (puhta) signaali, mille summutuspiirkonnas on -40 db/kümnend.

Disainivõrrandid on loetletud eespool. Need võrrandid on natuke pikad, seega pidage meeles oma matemaatikat! Pange tähele, et b ja väärtused on hoolikalt valitud, et tagada lame signaal bassi piirkonnas ja ühtlane sumbumine rullimispiirkonnas. Nende väärtuste tekkimise kohta lisateabe saamiseks vaadake 2. sammu jaotise C linki "Madalpääsfilter".

C1 spetsifikatsioon on üsna mitmetähenduslik, kuna see on lihtsalt väiksem kui C2 -l põhinev väärtus. Arvutasin, et see on väiksem või võrdne 22 nF, seega valisin 10 nF. Ahel töötas hästi ja -3 db punkt oli väga lähedal 220 Hz, nii et ma ei muretseks selle pärast liiga palju. Tuletame veel kord meelde, et nurgasagedus (wc) rad/s on võrdne piirsagedusega Hz (fc) * 2pi.

• Disainipiirangud

  • K (võimendus) = 1
  • b = 1
  • a = 1,4142
  • Lõikesagedus - 220 Hz

Lõikesagedus 220 Hz tundus pisut kõrge. Kui ma seda uuesti teeksin, teeksin selle tõenäoliselt lähemale 100 Hz -le või isegi segaksin kõrgema astme madalpääsuga, mille piir on 50 Hz. Soovitan teil proovida erinevaid väärtusi ja skeeme!

Samm: ühendage mõõteriistade võimendi, sälgufilter ja madalpääsfilter

Nüüd ühendage lihtsalt mõõteriistade võimendi väljund sälkfiltri sisendiga. Seejärel ühendage sälgufiltri väljund madalpääsfiltri sisendiga.

Olen lisanud ka alalisvoolu toiteplokist maapinnale ümbersõidu kondensaatoreid, et kõrvaldada müra. Need kondensaatorid peaksid olema iga Op-Amp jaoks sama väärtusega ja vähemalt 0,1 uF, kuid muidu kasutage julgelt mis tahes mõistlikku väärtust.

Proovisin müraka signaali "silumiseks" kasutada väikest ümbrikuahelat, kuid see ei töötanud ettenähtud viisil ja mul oli aeg otsa, seega jätsin selle idee kasutamata ja kasutasin selle asemel digitaalset töötlemist. See oleks lahe lisasamm, kui olete uudishimulik!

Samm: lülitage vooluahel sisse, sisestage lainekuju ja mõõtke

Juhised vooluahela toiteks ja mõõtmiste tegemiseks. Kuna igaühe varustus on erinev, ei ole lihtne öelda, kuidas sisestada ja mõõta. Olen siin andnud põhilised juhised. Seadistuse näiteid leiate eelmisest skeemist.

1. Ühendage funktsioonigeneraator mõõteriistade võimendiga.

   • Positiivne klamber mõõteriistade võimendi skeemi alumisele op-võimendile
   • Negatiivne klamber maapinnale.
   • Lülitage mõõteriistade võimendi skeemi ülemise op-võimendi sisend maapinnaga. See annab viite sissetulevale signaalile. (Bioloogiliste signaalide puhul on see sisend elektrood, mille eesmärk on vähendada ühisrežiimi müra.)

2. Ühendage ostsilloskoobi positiivne klamber väljundiga viimases etapis (madalpääsfiltri väljund).

   • positiivne klipp väljundisse viimases etapis
   • negatiivne klamber maapinnale
3. Ühendage oma alalisvoolu toide rööbastega, tagades, et iga Op-Amp toite sisend on lühistatud rööpaga, millele see vastab.

4. Ühendage alalisvoolu toiteallika maandus ülejäänud alumise rööpaga, pakkudes teile signaali.

   ühendage alumine rööp maandus ülemise rööpaga, mis peaks ahelat puhastama

Alustage laine sisestamist ja kasutage mõõtmiste tegemiseks ostsilloskoopi! Kui teie vooluahel töötab ettenähtud viisil, peaksite nägema võimendust 100. See tähendaks, et 20 mV signaali puhul peaks tipp -tipppinge olema 2 V. Kui olete funktsioonigeneraator kui väljamõeldud südame lainekuju, proovige see sisestada.

Jagage ringi sageduste ja sisenditega, et veenduda, et teie filter töötab korralikult. Proovige testida iga etappi eraldi ja seejärel katsetada vooluringi tervikuna. Lisasin näidiskatse, kus analüüsisin sälkfiltri funktsiooni. Märkasin piisavat sumbumist vahemikus 59,5 Hz kuni 60,5 Hz, kuid oleksin eelistanud 59,5 ja 60,5 Hz punktides natuke suuremat sumbumist. Sellegipoolest oli aeg ülitähtis, nii et liikusin edasi ja arvasin, et saan müra hiljem digitaalselt eemaldada. Siin on mõned küsimused, mida soovite oma vooluringi jaoks kaaluda:

• Kas kasu on 100?
• Kontrollige võimendust 220 Hz juures. Kas see on -3 db või selle lähedal?
• Kontrollige sumbumist 60 Hz juures. Kas see on piisavalt kõrge? Kas see annab endiselt mõningast sumbumist 60,5 ja 59,5 Hz juures?
• Kui kiiresti teie filter 220 Hz pealt maha rullub? Kas see on -40 db/dekaad?
• Kas kumbagi sisendisse läheb voolu? Kui jah, siis see vooluring ei sobi inimese mõõtmiseks ja tõenäoliselt on teie disaini või komponentidega midagi valesti.

Kui teie vooluring töötab ettenähtud viisil, olete valmis edasi liikuma! Kui ei, siis peate tegema mõned tõrkeotsingud. Kontrollige iga etapi väljundit eraldi. Veenduge, et teie op-võimendid on toiteallikad ja toimivad. Uurige iga sõlme pinget, kuni olete ahela probleemi leidnud.

Samm 7: LabVIEW südame löögisageduse mõõtmine

LabVIEW võimaldab meil mõõta südame löögisagedust loogilise plokkskeemi abil. Arvestades rohkem aega, oleksin eelistanud andmed ise digiteerida ja luua südame löögisagedust määrava koodi, kuna selleks poleks vaja arvuteid, kuhu on installitud labVIEW ja kopsakas DAQ-plaat. Lisaks ei tulnud labVIEW numbrilised väärtused intuitiivselt. Sellegipoolest oli labVIEW õppimine väärtuslik kogemus, kuna plokkskeemi loogika kasutamine on palju lihtsam kui oma loogika kõva kodeerimine.

Selle jaotise kohta pole palju öelda. Ühendage oma vooluahela väljund DAQ -plaadiga ja ühendage DAQ -plaat arvutiga. Looge järgmisel pildil kuvatav vooluring, klõpsake nuppu "Käivita" ja alustage andmete kogumist! Veenduge, et teie vooluahel võtab vastu lainekuju.

Siin on mõned olulised seaded:

• proovivõtu sagedus 500 Hz ja akna suurus 2500 ühikut tähendab, et jäädvustame aknast 5 sekundi väärtuses andmeid. Sellest peaks piisama, et näha 4-5 südamelööki puhkeolekus ja rohkem treeningu ajal.
• Südame löögisageduse tuvastamiseks piisas 0,9 tuvastatud piigist. Kuigi see näeb välja graafiliselt, kulus selle väärtuse leidmiseks tegelikult üsna palju aega. Peaksite sellega jama, kuni olete südamelööke täpselt arvutanud.
• Laius "5" tundus olevat piisav. Jällegi, selle väärtusega nokitseti ja see ei tundunud olevat intuitiivne.
• Südame löögisageduse arvutamiseks kasutatav numbriline sisend kasutab väärtust 60. Iga kord, kui näidatakse südamelööke, läbib see madalama taseme ahela ja tagastab iga kord, kui süda lööb, 1. Kui jagada see arv 60 -ga, ütleme sisuliselt "jagage 60 aknas arvutatud löökide arvuga". See tagastab teie südame löögisageduse löökidena minutis.

Lisatud pilt on minu enda südamelöögist labVIEW -s. See tegi kindlaks, et mu süda peksis kiirusel 82 lööki minutis. Olin päris põnevil, et see ring lõpuks tööle sai!

8. samm: inimese mõõtmine

Kui olete endale tõestanud, et vooluring on ohutu ja funktsionaalne, saate oma südamelööke ise mõõta. Asetage 3M mõõteelektroodide abil need järgmistesse kohtadesse ja ühendage need vooluahelaga. Randmejuhtmed asuvad randme siseküljel, eelistatavalt seal, kus on vähe juukseid. Maanduselektrood läheb pahkluu kondisele osale. Alligaatorklambrite abil ühendage positiivne juhe positiivse sisendiga, negatiivne juhe negatiivse sisendiga ja maanduselektrood maandusrööpaga (pöörake tähelepanu sellele, et see pole negatiivne toiteraud)).

Viimane korduv märkus: "See ei ole meditsiiniseade. See on mõeldud hariduslikel eesmärkidel, kasutades ainult simuleeritud signaale. Kui kasutate seda vooluringi tegelikes EKG mõõtmistes, veenduge, et vooluahel ja vooluahela-seadme ühendused kasutavad õigeid eraldusvõtteid. Te võtate endale võimaliku kahju riski."

Veenduge, et ostsilloskoop on korralikult ühendatud. Veenduge, et op -võimendisse ei voolaks voolu ja maanduselektrood oleks maandusega ühendatud. Veenduge, et ostsilloskoobi akna suurused on õiged. Vaatasin umbes 60 mV QRS kompleksi ja kasutasin 5s akent. Kinnitage alligaatori klambrid vastavate positiivsete, negatiivsete ja maanduselektroodide külge. Paari sekundi pärast peaksite nägema EKG lainekuju. Lõdvestu; ärge tehke mingeid liigutusi, kuna filter suudab ikkagi lihasignaale üles võtta.

Kui vooluring on õigesti seadistatud, peaksite eelmises etapis nägema midagi sellist väljundit! See on teie enda EKG signaal. Järgmisena puudutan töötlemist.

MÄRKUS. Internetis näete erinevaid 3-elektroodilisi EKG seadistusi. Need toimiksid ka, kuid võivad anda ümberpööratud lainekuju. Tänu sellele vooluahela diferentsiaalvõimendi seadistamisele pakub see elektroodide konfiguratsioon traditsioonilist positiivse QRS-kompleksi lainekuju.

9. samm: signaali töötlemine

Nii et olete ostsilloskoobi külge haakinud ja näete QRS -kompleksi, kuid signaal tundub endiselt mürarikas. Ilmselt midagi sarnast selle jaotise esimese pildiga. See on normaalne. Me kasutame vooluahelat avatud leivaplaadil koos hunniku elektriliste komponentidega, mis põhimõtteliselt toimivad väikeste antennidena. Alalisvoolu toiteallikad on kurikuulsalt mürarikkad ja RF -varjestus puudub. Muidugi on signaal mürarikas. Proovisin lühidalt kasutada ümbrike jälgimise skeemi, kuid aeg sai otsa. Digitaalselt on seda aga lihtne teha! Võtke lihtsalt libisev keskmine. Ainus erinevus halli/sinise graafiku ja musta/rohelise graafiku vahel on see, et must/roheline graafik kasutab libisevat keskmist pinget 3 ms aknas. See on löökide vahelise ajaga võrreldes nii väike aken, kuid muudab signaali tunduvalt sujuvamaks.

10. samm: järgmised sammud?

See projekt oli lahe, kuid alati saab midagi paremini teha. Siin on mõned minu mõtted. Jätke oma julgelt allapoole!

• Kasutage madalamat sagedust. See peaks kõrvaldama osa vooluringis esinevast mürast. Võib -olla isegi mängida, kasutades vaid madalpääsfiltrit, millel on järsk rull.
• Jootke komponendid ja looge midagi püsivat. See peaks vähendama müra, jahedamat ja ohutumat.
• Digiteerige signaal ja väljastage see ise, välistades vajaduse DAQ -tahvli järele ja lubades teil kirjutada koodi, mis määrab teie südame löögisageduse, selle asemel, et LabVIEW -i kasutada. See võimaldab igapäevasel kasutajal tuvastada südamelööke ilma võimsat programmi nõudmata.

Tulevased projektid?

• Looge seade, mis kuvab sisendi otse ekraanile (hmmmm vaarika pi ja ekraaniprojekt?)
• Kasutage komponente, mis muudavad vooluringi väiksemaks.
• Looge kõik-ühes kaasaskantav EKG koos ekraani ja südame löögisageduse tuvastamisega.

Sellega lõpeb juhendatav! Tänan teid lugemise eest. Palun jätke kõik mõtted või ettepanekud allpool.