Прост ЕКГ и детектор на сърдечната честота: 10 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:54

ЗАБЕЛЕЖКА: Това не е медицинско изделие. Това е само за образователни цели, като се използват симулирани сигнали. Ако използвате тази схема за реални измервания на ЕКГ, моля, уверете се, че веригата и връзките верига към инструмент използват подходящи техники за изолация

Днес ще преминем през основната схема на електрокардиография (ЕКГ) и ще създадем схема за усилване и филтриране на електрическия сигнал на сърцето ви. След това можем да измерим сърдечната честота с помощта на софтуера labVIEW. По време на процеса ще дам подробни инструкции за елементите на схемата и защо те са възникнали, както и малко биологична информация. Заглавното изображение е от електрическия сигнал на сърцето ми. До края на тази инструкция ще можете да измерите и вашата. Да започваме!

ЕКГ е полезен диагностичен инструмент за медицински специалисти. Може да се използва за диагностициране на множество сърдечни състояния, от основния инфаркт (инфаркт на миокарда), чак до по -напреднали сърдечни нарушения, като предсърдно мъждене, които хората могат да прекарат през по -голямата част от живота си, без да забележат. Всеки сърдечен ритъм, вашата автономна нервна система работи усилено, за да накара сърцето ви да бие. Той изпраща електрически сигнали към сърцето, които преминават от SA възела към AV възела, а след това към левия и десния вентрикул синхронно и накрая от ендокарда към епикарда и пуркиневите влакна, сърцата са последната линия на защита. Тази сложна биологична верига може да има проблеми навсякъде по пътя си и ЕКГ може да се използва за диагностициране на тези проблеми. Бих могъл да говоря по биология по цял ден, но вече има книга по темата, така че вижте „ЕКГ диагностика в клиничната практика“, от Nicholas Peters, Michael Gatzoulis и Romeo Vecht. Тази книга е изключително лесна за четене и демонстрира невероятната полезност на ЕКГ.

За да създадете ЕКГ, ще ви трябват следните компоненти или приемливи заместители.

• За дизайн на вериги:

  • Платка
  • OP усилватели 5
  • Резистори
  • Кондензатори
  • Проводници
  • Алигаторни клипове или други методи за стимулиране и измерване
  • BNC кабели
  • Генератор на функции
  • Осцилоскоп
  • DC захранване или батерии, ако сте подръка

• За откриване на сърдечната честота:

  • LabView
  • DAQ Board

• За измерване на биологичен сигнал*

  • Електроди
  • Алигаторни скоби или електродни проводници

*Поставих предупредителна бележка по -горе и ще обсъдя още малко опасностите от електрическите компоненти за човешкото тяло. Не свързвайте този ЕКГ със себе си, освен ако не сте се уверили, че използвате подходящи изолационни техники. Свързването на устройства, захранвани с електрозахранване, като захранвания, осцилоскопи и компютри директно към веригата, може да доведе до преминаване на големи токове през веригата в случай на пренапрежение. Моля, изолирайте веригата от захранващия кабел, като използвате захранване от батерията и други изолационни техники.

След това „Ще обсъдя забавната част; Елементи на дизайна на веригата!

Стъпка 1: Спецификации за проектиране на вериги

Сега ще говоря за схемен дизайн. Няма да обсъждам схеми на вериги, тъй като те ще бъдат дадени след този раздел. Този раздел е за хора, които искат да разберат защо избрахме компонентите, които направихме.

Изображението по-горе, взето от моето лабораторно ръководство в университета Purdue, ни дава почти всичко, което трябва да знаем, за да проектираме основна ЕКГ верига. Това е честотният състав на нефилтриран ЕКГ сигнал, с обща "амплитуда" (ос y), отнасяща се до безразмерно число за сравнителни цели. Сега нека поговорим за дизайна!

А. Инструментален усилвател

Инструменталният усилвател ще бъде първият етап във веригата. Този универсален инструмент буферира сигнала, намалява шума в обичайния режим и усилва сигнала.

Ние приемаме сигнал от човешкото тяло. Някои схеми ви позволяват да използвате вашия източник на измерване като захранване, тъй като има наличен адекватен заряд без риск от повреда. Не искаме обаче да нараним нашите човешки субекти, затова трябва да буферираме сигнала, който се интересуваме от измерването. Инструменталните усилватели ви позволяват да буферирате биологични сигнали, тъй като Op Amp-входовете имат теоретично безкраен импеданс (на практика това не е така, но импедансът обикновено е достатъчно висок), което означава, че ток (теоретично) не може да тече във входа терминали.

Човешкото тяло има шум. Сигналите от мускулите могат да причинят този шум да се прояви в ЕКГ сигнали. За да намалим този шум, можем да използваме различен усилвател, за да намалим обикновения шум. По същество искаме да извадим шума, който присъства в мускулите на предмишницата ви при две разположения на електрода. Инструментален усилвател включва различен усилвател.

Сигналите в човешкото тяло са малки. Трябва да усилим тези сигнали, така че да могат да бъдат измерени с подходяща разделителна способност с помощта на електрически измервателни устройства. Инструментален усилвател осигурява печалбата, необходима за това. Вижте приложената връзка за повече информация относно инструменталните усилватели.

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

Б. Филтър с прорез

Електропроводите в САЩ произвеждат „шум от мрежата“или „шум от електропровода“при точно 60 Hz. В други страни това се случва при 50 Hz. Можем да видим този шум, като погледнем изображението по -горе. Тъй като нашият ЕКГ сигнал все още е донякъде в обхвата на интереса, искаме да премахнем този шум. За да премахнете този шум, може да се използва филтър с прорез, който намалява усилването при честоти в рамките на прореза. Някои хора може да не се интересуват от по -високите честоти в спектъра на ЕКГ и могат да изберат да създадат нискочестотен филтър с прекъсване под 60 Hz. Искахме обаче да сгрешим от безопасната страна и да получим възможно най -много сигнал, затова вместо това бяха избрани филтър с прорез и нискочестотен филтър с по -висока честота на прекъсване.

Вижте приложената връзка за повече информация относно филтрите с прорез.

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

В. Нискочестотен филтър VCVS от втори ред Butterworth

Честотният състав на ЕКГ сигнал се разширява само дотук. Искаме да премахнем сигналите на по -високи честоти, тъй като за нашите цели те са просто шум. Сигналите от вашия мобилен телефон, устройство със сини зъби или лаптоп са навсякъде и тези сигнали биха предизвикали неприемлив шум в ЕКГ сигнала. Те могат да бъдат елиминирани с нискочестотен филтър на Butterworth. Избраната от нас гранична честота беше 220 Hz, което в крайна сметка беше малко високо. Ако трябваше отново да създам тази схема, бих избрал гранична честота много по -ниска от тази и може би дори експериментирам с гранична честота под 60 Hz и вместо това използвам филтър от по -висок ред!

Този филтър е от втори ред. Това означава, че печалбата "се търкаля" със скорост 40 db/десетилетие вместо 20 db/десетилетие, както би направил филтър от първа поръчка. Това по -рязко отклонение осигурява по -голямо смекчаване на високочестотния сигнал.

Избран е филтър на Butterworth, тъй като е "максимално плосък" в пропускателната лента, което означава, че няма изкривявания в пропускателната лента. Ако се интересувате, тази връзка съдържа страхотна информация за основния дизайн на филтри от втори ред:

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

Сега, когато говорихме за проектиране на вериги, можем да започнем строителството.

Стъпка 2: Конструирайте инструменталния усилвател

Тази схема ще буферира входа, ще извади шума от общия режим и ще усили сигнала при печалба от 100. Схемата на схемата и придружаващите я уравнения на дизайна са показани по -горе. Това е създадено с помощта на OrCAD Pspice дизайнер и симулирано с помощта на Pspice. Схемата излиза малко замъглена при копиране от OrCAD, затова се извинявам за това. Редактирах изображението, за да се надявам някои от стойностите на резистора да станат малко по -ясни.

Не забравяйте, че при създаването на вериги, разумните стойности на съпротивлението и капацитета трябва да бъдат избрани така, че да се вземат предвид практическият импеданс на източника на напрежение, практически импеданс на устройството за измерване на напрежение и физическият размер на резисторите и кондензаторите.

Уравненията за проектиране са изброени по -горе. Първоначално искахме усилването на инструменталния усилвател да бъде x1000 и създадохме тази схема, за да можем да усилваме симулирани сигнали. Въпреки това, когато го прикрепяхме към тялото си, искахме да намалим печалбата до 100 от съображения за безопасност, тъй като макетите не са точно най -стабилните интерфейси на схемите. Това беше направено чрез гореща смяна на резистор 4, за да се намали с десет пъти. В идеалния случай печалбата ви от всеки етап на инструменталния усилвател би била една и съща, но вместо това нашата печалба стана 31,6 за етап 1 и 3,16 за етап 2, давайки печалба от 100. Приложих схемата на веригата за печалба от 100 вместо 1000. Все още ще виждате симулирани и биологични сигнали напълно добре с това ниво на усилване, но може да не е идеално за цифрови компоненти с ниска разделителна способност.

Забележете, че в схемата на веригата има думи "заземяване" и "положителен вход", нарисувани в оранжев текст. Случайно поставих входа на функцията там, където се предполага, че е земята. Моля, поставете земя, където е отбелязан "вход на земята", и функцията, където е отбелязан "положителен вход".

• Резюме

  • Печалба от етап 1 - 31.6
  • Усилване на етап 2 - 3,16 от съображения за безопасност

Стъпка 3: Конструирайте Notch Filter

Този прорезен филтър елиминира 60 Hz шум от електропроводи в САЩ. Тъй като искаме този филтър да се нарязва на точно 60 Hz, използването на правилните стойности на съпротивлението е от решаващо значение.

Уравненията за проектиране са изброени по -горе. Използва се качествен фактор 8, което води до по -стръмен пик при честотата на затихване. Използвана е централна честота (f0) от 60 Hz, с честотна лента (бета) от 2 rad/s, за да се осигури затихване при честоти, леко отклоняващи се от централната честота. Припомнете си, че гръцката буква омега (w) е в единици rad/s. За да преобразуваме от Hz в rad/s, трябва да умножим нашата централна честота, 60 Hz, с 2*pi. Бета също се измерва в rad/s.

• Стойности за уравнения за проектиране

  • w0 = 376,99 rad/s
  • Бета (B) = 2 rad/s
  • Q = 8
• Оттук бяха избрани разумни стойности на съпротивление и капацитет за изграждане на веригата.

Стъпка 4: Изградете нискочестотен филтър

Нискочестотен филтър се използва за премахване на високи честоти, които не се интересуваме от измерване, като например сигнали от мобилен телефон, Bluetooth комуникация и WiFi шум. Активен филтър VCVS Butterworth от втори ред осигурява максимално плосък (чист) сигнал в областта на пропускане на лентата с отклонение от -40 db/десетилетие в зоната на затихване.

Уравненията за проектиране са изброени по -горе. Тези уравнения са малко дълги, така че не забравяйте да проверите математиката си! Обърнете внимание, че b и стойностите са внимателно подбрани, за да осигурят плосък сигнал в басовата област и равномерно затихване в областта на отклонение. За повече информация как възникват тези стойности, вижте връзката в стъпка 2, раздел В, „нискочестотен филтър“.

Спецификацията за C1 е доста двусмислена, тъй като е просто по -малка от стойност, базирана на C2. Изчислих, че е по -малко или равно на 22 nF, затова избрах 10 nF. Схемата работеше добре и точката -3 db беше много близка до 220 Hz, така че не бих се притеснявал твърде много за това. Отново припомнете, че ъгловата честота (wc) в rad/s е равна на граничната честота в Hz (fc) * 2pi.

• Ограничения при проектирането

  • K (усилване) = 1
  • b = 1
  • а = 1,4142
  • Прекъсната честота - 220 Hz

Пределната честота от 220 Hz изглеждаше малко висока. Ако трябваше да направя това отново, вероятно щях да го доближа до 100 Hz или дори да се забъркам с нискочестотен проход с по -висок ред с прекъсване от 50 Hz. Насърчавам ви да изпробвате различни стойности и схеми!

Стъпка 5: Свържете инструменталния усилвател, Notch филтъра и нискочестотния филтър

Сега просто свържете изхода на инструменталния усилвател към входа на филтъра с прорези. След това свържете изхода на режещия филтър към входа на нискочестотния филтър.

Също така добавих байпасни кондензатори от DC захранването към земята, за да елиминирам известен шум. Тези кондензатори трябва да имат една и съща стойност за всеки Op-Amp и поне 0,1 uF, но освен това, не се колебайте да използвате всяка разумна стойност.

Опитах се да използвам малка верига с пликове, за да „изгладя“шумния сигнал, но той не работеше по предназначение, а времето ми се забави, затова премахнах тази идея и вместо това използвах цифрова обработка. Това би било страхотна допълнителна стъпка, ако сте любопитни!

Стъпка 6: Включете веригата, въведете форма на вълната и измерете

Инструкции за захранване на веригата и извършване на измервания. Тъй като оборудването на всеки е различно, няма прост начин да ви кажа как да въвеждате и измервате. Дадох основни инструкции тук. Вижте предишната диаграма за примерна настройка.

1. Свържете функционалния генератор към инструменталния усилвател.

   • Положителен клип към долния оп-усилвател в диаграмата на инструменталния усилвател
   • Отрицателен клип към земята.
   • Закъснете входа на горния операционен усилвател в диаграмата на инструменталния усилвател към земята. Това ще осигури справка за входящия сигнал. (В биологичните сигнали този вход ще бъде електрод с намерението да намали шума от общия режим.)

2. Свържете положителния клип на осцилоскопа към изхода на крайния етап (изход на нискочестотен филтър).

   • положителен клип за извеждане на последния етап
   • отрицателен клип към земята
3. Свържете захранването си с постоянен ток към релсите, като се уверите, че всеки вход на Op-Amp захранване е късо свързан към шината, на която съответства.

4. Свържете заземяването на захранването на DC захранването към останалата долна шина, като осигурите справочен сигнал за вас.

   закъснете долната релсова маса до горната релсова маса, което трябва да ви позволи да почистите веригата

Започнете да въвеждате вълна и използвайте осцилоскопа, за да направите измервания! Ако вашата схема работи по предназначение, трябва да видите печалба от 100. Това би означавало, че пикът до пиковото напрежение трябва да бъде 2V за сигнал от 20 mV. Ако сте генератор на функции като фантастична форма на сърдечна вълна, опитайте да я въведете.

Забъркайте се с честоти и входове, за да сте сигурни, че филтърът ви работи правилно. Опитайте да тествате всеки етап поотделно и след това тествайте веригата като цяло. Прилагам примерен експеримент, в който анализирах функцията на филтъра с прорези. Забелязах достатъчно затихване от 59,5 Hz до 60,5 Hz, но бих предпочел да имам малко повече затихване в точките 59,5 и 60,5 Hz. Независимо от това времето беше от съществено значение, затова продължих и реших, че по -късно мога да премахна шума по цифров път. Ето някои въпроси, които искате да разгледате за вашата верига:

• Печалбата 100 ли е?
• Проверете усилването при 220 Hz. Дали е -3 db или близо до това?
• Проверете затихването при 60 Hz. Достатъчно висока ли е? Осигурява ли все още известно затихване при 60,5 и 59,5 Hz?
• Колко бързо филтърът ви се отклонява от 220 Hz? -40 db/десетилетие ли е?
• Има ли някакъв ток, който влиза в някой от входовете? Ако е така, тази верига не е подходяща за човешко измерване и вероятно нещо не е наред с вашия дизайн или компоненти.

Ако вашата схема работи по предназначение, значи сте готови да продължите! Ако не, трябва да направите някои отстраняване на неизправности. Проверете изхода на всеки етап поотделно. Уверете се, че вашите оп-усилватели са захранвани и функционални. Проверете напрежението на всеки възел, докато не откриете проблема с веригата.

Стъпка 7: Измерване на сърдечната честота на LabVIEW

LabVIEW ще ни позволи да измерваме сърдечната честота с помощта на логическа блокова диаграма. Като се има предвид повече време, бих предпочел сам да дигитализирам данните и да създам код, който да определя сърдечната честота, тъй като няма да изисква компютри с инсталиран labVIEW и здрава DAQ платка. Освен това числените стойности в labVIEW не идват интуитивно. Независимо от това, изучаването на labVIEW беше ценен опит, тъй като използването на логика на блоковата диаграма е много по-лесно, отколкото да се налага да кодирате твърдо собствената си логика.

Няма какво да се каже за този раздел. Свържете изхода на вашата схема към DAQ платката и свържете DAQ платката към компютъра. Създайте веригата, показана на следното изображение, натиснете "тичам" и започнете да събирате данни! Уверете се, че вашата верига получава форма на вълна.

Някои важни настройки в това са:

• честота на дискретизация от 500 Hz и размер на прозорец от 2500 единици означава, че ние улавяме данни за 5 секунди в прозореца. Това би трябвало да е достатъчно, за да видите 4-5 сърдечни удара в покой и повече по време на тренировка.
• Открит пик от 0,9 е достатъчен за откриване на сърдечната честота. Въпреки че изглежда, че се проверява графично, всъщност отне доста време, за да се достигне до тази стойност. Трябва да се забърквате с това, докато не изчислите точно сърдечния ритъм.
• Ширината на "5" изглеждаше достатъчна. Отново тази стойност се бъркаше и изглежда нямаше интуитивен смисъл.
• Числовият вход за изчисляване на сърдечната честота използва стойност 60. Всеки път, когато се посочи сърдечен ритъм, той преминава през веригата на по -ниско ниво и връща 1 всеки път, когато сърцето бие. Ако разделим това число на 60, по същество казваме „разделете 60 на броя удари, изчислени в прозореца“. Това ще върне сърдечната Ви честота, в удари/мин.

Прикаченото изображение е от собствения ми пулс в labVIEW. Определи, че сърцето ми бие с 82 удара в минута. Бях доста развълнуван, че най -накрая тази схема работи!

Стъпка 8: Измерване на човека

Ако сте доказали, че вашата верига е безопасна и функционална, тогава можете да измерите собствения си сърдечен ритъм. С помощта на 3M измервателни електроди ги поставете на следните места и ги свържете към веригата. Кабелите за китката отиват от вътрешната страна на китката ви, за предпочитане там, където няма почти никакви косми. Заземителният електрод преминава върху костната част на глезена ви. Използвайки алигаторни скоби, свържете положителния проводник към положителния вход, отрицателния проводник към отрицателния вход и заземителния електрод към заземяващата шина (обърнете специално внимание, че това не е отрицателната шина на захранването)).

Забележка за последно повторение: "Това не е медицинско изделие. Това е само за образователни цели с използване на симулирани сигнали. Ако използвате тази схема за реални ЕКГ измервания, моля, уверете се, че веригата и връзките верига към инструмент използват подходящи техники за изолация. Вие поемате риска от нанесени щети."

Уверете се, че вашият осцилоскоп е правилно свързан. Уверете се, че в операционния усилвател не тече ток и че заземителният електрод е прикрепен към земята. Уверете се, че размерите на прозореца на вашия осцилоскоп са правилни. Наблюдавах QRS комплекс от приблизително 60 mV и използвах 5s прозорец. Прикрепете алигаторните скоби към съответните им положителни, отрицателни и заземени електроди. Трябва да започнете да виждате ЕКГ форма на вълната след няколко секунди. Отпуснете се; не правете никакви движения, тъй като филтърът все още може да улавя мускулни сигнали.

При правилна настройка на веригата би трябвало да виждате нещо подобно на изхода в предишната стъпка! Това е вашият собствен ЕКГ сигнал. След това ще се докосна до обработката.

ЗАБЕЛЕЖКА: Ще видите различни 3-електродни ЕКГ настройки онлайн. Те също биха работили, но могат да дадат обърнати вълни. С начина, по който диференциалният усилвател е настроен в тази схема, тази конфигурация на електрода осигурява традиционна комплексна форма на вълна с положителен QRS.

Стъпка 9: Обработка на сигнала

Значи сте се свързали с осцилоскопа и можете да видите комплекса QRS, но сигналът все още изглежда шумен. Вероятно нещо като първото изображение в този раздел. Това е нормално. Използваме схема на отворена макетна платка, с куп електрически компоненти, които основно действат като малки антени. Захранванията с постоянен ток са известни с шум и няма RF екраниране. Разбира се, сигналът ще бъде шумен. Направих кратък опит да използвам верига за проследяване на пликове, но времето изтече. Лесно е да направите това по цифров път! Просто вземете плъзгаща се средна. Единствената разлика между сиво/синята графика и черно/зелената графика е, че черно/зелената графика използва плъзгаща се средна стойност на напрежението в прозорец от 3 ms. Това е толкова малък прозорец в сравнение с времето между ударите, но прави сигнала да изглежда толкова по -плавен.

Стъпка 10: Следващи стъпки?

Този проект беше страхотен, но винаги може да се направи нещо по -добре. Ето някои от моите мисли. Чувствайте се свободни да оставите своя по -долу!

• Използвайте по -ниска честота на прекъсване. Това би трябвало да елиминира част от шума, присъстващ във веригата. Може би дори си поиграйте с използването само на нискочестотен филтър със стръмно отклонение.
• Запоявайте компонентите и създайте нещо постоянно. Това би трябвало да намали шума, по -хладния и по -безопасния.
• Дигитализирайте сигнала и го изведете сами, премахвайки необходимостта от DAQ платка и ви позволявайки да напишете код, който ще определи сърдечния ритъм вместо вас, вместо да се налага да използвате LabVIEW. Това ще позволи на обикновения потребител да открие сърдечния ритъм, без да се нуждае от мощна програма.

Бъдещи проекти?

• Създайте устройство, което ще показва входа директно на екрана (хмммм малиново пи и екранен проект?)
• Използвайте компоненти, които ще направят веригата по -малка.
• Създайте преносим ЕКГ „всичко в едно“с дисплей и откриване на сърдечната честота.

Това завършва инструкциите! Благодаря ви за четенето. Моля, оставете мисли или предложения по -долу.