Простой детектор ЭКГ и сердечного ритма: 10 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:53

ВНИМАНИЕ: Это не медицинское устройство. Это предназначено только для образовательных целей с использованием смоделированных сигналов. При использовании этой схемы для реальных измерений ЭКГ убедитесь, что в цепи и соединениях цепи с прибором используются надлежащие методы изоляции

Сегодня мы рассмотрим базовую схему электрокардиографии (ЭКГ) и создадим схему для усиления и фильтрации электрического сигнала вашего сердца. Затем мы можем измерить частоту сердечных сокращений с помощью программного обеспечения labVIEW. На протяжении всего процесса я буду давать подробные инструкции по элементам схемотехники и почему они возникли, а также немного расскажу о биологии. Заглавное изображение - это электрический сигнал моего сердца. К концу этой инструкции вы также сможете измерить свой. Давайте начнем!

ЭКГ - полезный диагностический инструмент для медицинских работников. Его можно использовать для диагностики множества сердечных заболеваний, от основного сердечного приступа (инфаркт миокарда) до более серьезных сердечных заболеваний, таких как фибрилляция предсердий, которые люди могут не замечать большую часть своей жизни. Каждое сердцебиение ваша вегетативная нервная система усердно работает, чтобы заставить ваше сердце биться. Он посылает электрические сигналы к сердцу, которые проходят от узла SA к узлу AV, затем синхронно к левому и правому желудочкам и, наконец, от эндокарда к эпикарду и волокнам Пуркинье, последней линии защиты сердца. У этой сложной биологической цепи могут быть проблемы где угодно на своем пути, и ЭКГ можно использовать для диагностики этих проблем. Я мог бы говорить о биологии весь день, но уже есть книга по этой теме, так что ознакомьтесь с «ЭКГ-диагностикой в клинической практике» Николаса Петерса, Майкла Гацулиса и Ромео Фехта. Эта книга чрезвычайно проста для чтения и демонстрирует удивительную полезность ЭКГ.

Для создания ЭКГ вам потребуются следующие компоненты или приемлемые замены.

• Для схемотехники:

  • Макетная плата
  • Операционные усилители x 5
  • Резисторы
  • Конденсаторы
  • Провода
  • Клипсы «Аллигатор» или другие методы стимуляции и измерения
  • Кабели BNC
  • Генератор функций
  • Осциллограф
  • Источник питания постоянного тока или батарейки, если вам под рукой

• Для определения частоты пульса:

  • LabView
  • Доска DAQ

• Для измерения биологического сигнала *

  • Электроды
  • Зажимы-крокодилы или выводы электродов

* Я поставил предупреждение выше и немного подробнее остановлюсь на опасности электрических компонентов для человеческого тела. Не подключайте эту ЭКГ к себе, если вы не уверены, что используете надлежащие методы изоляции. Подключение устройств с питанием от сети, таких как источники питания, осциллографы и компьютеры, непосредственно к цепи может вызвать протекание через нее больших токов в случае скачка напряжения. Изолируйте цепь от электросети, используя питание от батареи и другие методы изоляции.

Далее я расскажу о самой интересной части; Элементы схемотехники!

Шаг 1: Технические характеристики схемы

Теперь поговорим о схемотехнике. Я не буду обсуждать принципиальные схемы, так как они будут приведены после этого раздела. Этот раздел предназначен для людей, которые хотят понять, почему мы выбрали именно эти компоненты.

Изображение выше, взятое из моего лабораторного руководства в Университете Пердью, дает нам почти все, что нам нужно знать для разработки базовой схемы ЭКГ. Это частотный состав нефильтрованного сигнала ЭКГ с общей «амплитудой» (ось y), относящейся к безразмерному числу для целей сравнения. Теперь поговорим о дизайне!

A. Инструментальный усилитель

Инструментальный усилитель будет первым каскадом в схеме. Этот универсальный инструмент буферизует сигнал, снижает синфазный шум и усиливает сигнал.

Мы принимаем сигнал от человеческого тела. Некоторые схемы позволяют использовать источник измерения в качестве источника питания, поскольку имеется достаточный заряд без риска повреждения. Однако мы не хотим причинять вред нашим людям, поэтому нам нужно буферизовать сигнал, который мы хотим измерить. Инструментальные усилители позволяют буферизовать биологические сигналы, поскольку входы операционных усилителей имеют теоретически бесконечный импеданс (на практике это не так, но импеданс обычно достаточно высок), что означает, что ток (теоретически) не может течь на вход. терминалы.

В человеческом теле есть шум. Сигналы от мышц могут привести к тому, что этот шум проявится в сигналах ЭКГ. Чтобы уменьшить этот шум, мы можем использовать дифференциальный усилитель для уменьшения синфазного шума. По сути, мы хотим вычесть шум, который присутствует в мышцах предплечья при установке двух электродов. Инструментальный усилитель включает в себя дифференциальный усилитель.

Сигналов в человеческом теле мало. Нам необходимо усилить эти сигналы, чтобы их можно было измерить с соответствующим разрешением с помощью электрических измерительных устройств. Инструментальный усилитель обеспечивает необходимое усиление. См. Прикрепленную ссылку для получения дополнительной информации об инструментальных усилителях.

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

Б. Режекторный фильтр

Линии электропередач в США производят «гул сети» или «шум линии электропередачи» с частотой точно 60 Гц. В других странах это происходит при 50 Гц. Мы можем увидеть этот шум, посмотрев на изображение выше. Поскольку наш сигнал ЭКГ все еще находится в пределах интересующего диапазона, мы хотим удалить этот шум. Чтобы удалить этот шум, можно использовать режекторный фильтр, который снижает усиление на частотах в пределах режекторного фильтра. Некоторых людей могут не интересовать более высокие частоты в спектре ЭКГ, и они могут выбрать создание фильтра нижних частот с отсечкой ниже 60 Гц. Однако мы хотели на всякий случай ошибиться и получить как можно больше сигнала, поэтому вместо них были выбраны режекторный фильтр и фильтр нижних частот с более высокой частотой среза.

См. Прикрепленную ссылку для получения дополнительной информации о режекторных фильтрах.

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

В. Фильтр нижних частот Баттерворта VCVS второго порядка

Частотный состав сигнала ЭКГ далеко не исчерпывается. Мы хотим исключить сигналы на более высоких частотах, поскольку для наших целей это просто шум. Сигналы от вашего мобильного телефона, устройства с синим зубом или ноутбука повсюду, и эти сигналы могут вызвать недопустимый шум в сигнале ЭКГ. Их можно устранить с помощью фильтра нижних частот Баттерворта. Выбранная нами частота среза составляла 220 Гц, что в ретроспективе было немного выше. Если бы мне пришлось создать эту схему снова, я бы выбрал частоту среза намного ниже, и, возможно, даже поэкспериментировал бы с частотой среза ниже 60 Гц и вместо этого использовал бы фильтр более высокого порядка!

Это фильтр второго порядка. Это означает, что усиление «спадает» со скоростью 40 дБ / декаду вместо 20 дБ / декаду, как это делал бы фильтр первого порядка. Этот более крутой спад обеспечивает большее ослабление высокочастотного сигнала.

Был выбран фильтр Баттерворта, поскольку он «максимально ровный» в полосе пропускания, что означает отсутствие искажений в полосе пропускания. Если вам интересно, эта ссылка содержит отличную информацию по основному дизайну фильтра второго порядка:

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

Теперь, когда мы поговорили о схемотехнике, мы можем приступить к конструированию.

Шаг 2: Создайте инструментальный усилитель

Эта схема будет буферизовать вход, вычитать синфазный шум и усиливать сигнал с коэффициентом усиления 100. Принципиальная схема схемы и сопутствующие расчетные уравнения показаны выше. Это было создано с помощью дизайнера OrCAD Pspice и смоделировано с помощью Pspice. Схема получается немного размытой при копировании из OrCAD, поэтому я приношу извинения за это. Я отредактировал изображение, чтобы, надеюсь, немного прояснить некоторые значения резисторов.

Помните, что при создании цепей следует выбирать разумные значения сопротивления и емкости с учетом практического импеданса источника напряжения, практического импеданса устройства измерения напряжения и физических размеров резисторов и конденсаторов.

Расчетные уравнения перечислены выше. Первоначально мы хотели, чтобы коэффициент усиления инструментального усилителя был x1000, и мы создали эту схему, чтобы мы могли усиливать моделируемые сигналы. Однако, прикрепляя его к нашему телу, мы хотели уменьшить усиление до 100 по соображениям безопасности, поскольку макетные платы не совсем стабильные схемотехнические интерфейсы. Это было сделано с помощью резистора 4 с горячей заменой, который был уменьшен в десять раз. В идеале, ваше усиление на каждом каскаде инструментального усилителя было бы одинаковым, но вместо этого наше усиление стало 31,6 для стадии 1 и 3,16 для стадии 2, что дает коэффициент усиления 100. Я приложил принципиальную схему для усиления 100. вместо 1000. Вы по-прежнему будете видеть смоделированные и биологические сигналы совершенно нормально с этим уровнем усиления, но он может быть не идеальным для цифровых компонентов с низким разрешением.

Обратите внимание, что на принципиальной схеме слова «земляной вход» и «положительный вход» нарисованы оранжевым текстом. Я случайно разместил функциональный вход там, где должно быть заземление. Пожалуйста, поместите заземление там, где отмечен «вход заземления», и функцию, где отмечен «положительный вход».

• Резюме

  • Прирост 1 ступени - 31,6
  • Коэффициент усиления 2-й ступени - 3,16 из соображений безопасности

Шаг 3. Создайте режекторный фильтр

Этот режекторный фильтр устраняет шум 60 Гц от линий электропередач в США. Поскольку мы хотим, чтобы этот фильтр работал с частотой точно 60 Гц, использование правильных значений сопротивления имеет решающее значение.

Расчетные уравнения перечислены выше. Был использован коэффициент качества 8, что привело к более крутому пику на частоте затухания. Использовалась центральная частота (f0) 60 Гц с полосой пропускания (beta) 2 рад / с для обеспечения ослабления на частотах, слегка отклоняющихся от центральной частоты. Напомним, что греческая буква омега (ш) измеряется в рад / с. Чтобы преобразовать из Гц в рад / с, мы должны умножить нашу центральную частоту, 60 Гц, на 2 * пи. Бета также измеряется в рад / с.

• Значения для расчетных уравнений

  • w0 = 376,99 рад / с
  • Бета (B) = 2 рад / с
  • Q = 8
• Отсюда были выбраны разумные значения сопротивления и емкости для построения схемы.

Шаг 4: Создайте фильтр нижних частот

Фильтр нижних частот используется для устранения высоких частот, которые мы не заинтересованы в измерении, таких как сигналы сотового телефона, связь Bluetooth и шум Wi-Fi. Активный фильтр Баттерворта второго порядка VCVS обеспечивает максимально ровный (чистый) сигнал в полосе пропускания со спадом -40 дБ / декаду в области ослабления.

Расчетные уравнения перечислены выше. Эти уравнения довольно длинные, поэтому не забудьте проверить свои математические данные! Обратите внимание, что значения b и a тщательно подобраны, чтобы обеспечить ровный сигнал в области низких частот и равномерное затухание в области спада. Для получения дополнительной информации о том, как возникают эти значения, обратитесь к ссылке в шаге 2, раздел C, «фильтр нижних частот».

Спецификация для C1 довольно неоднозначна, поскольку она просто меньше значения, основанного на C2. Я рассчитал, что он меньше или равен 22 нФ, поэтому я выбрал 10 нФ. Схема работала нормально, а точка -3 дБ была очень близка к 220 Гц, так что я бы не стал особо об этом беспокоиться. Снова напомним, что угловая частота (wc) в рад / с равна частоте среза в Гц (fc) * 2pi.

• Ограничения проектирования

  • K (усиление) = 1
  • б = 1
  • а = 1,4142
  • Частота среза - 220 Гц

Частота среза 220 Гц показалась завышенной. Если бы я сделал это снова, я бы, вероятно, сделал это ближе к 100 Гц или даже возился с нижним проходом более высокого порядка с отсечкой 50 Гц. Я призываю вас попробовать разные значения и схемы!

Шаг 5: Подключите инструментальный усилитель, режекторный фильтр и фильтр низких частот

Теперь просто подключите выход инструментального усилителя к входу режекторного фильтра. Затем подключите выход режекторного фильтра к входу фильтра нижних частот.

Я также добавил байпасные конденсаторы от источника питания постоянного тока к земле, чтобы устранить некоторый шум. Эти конденсаторы должны быть одинакового номинала для каждого операционного усилителя и быть не менее 0,1 мкФ, но кроме этого, не стесняйтесь использовать любое разумное значение.

Я попытался использовать небольшую схему огибающей, чтобы «сгладить» зашумленный сигнал, но она работала не так, как задумано, и у меня было мало времени, поэтому я отказался от этой идеи и вместо этого использовал цифровую обработку. Если вам интересно, это будет отличным дополнительным шагом!

Шаг 6: Включите схему, введите сигнал и измерьте

Инструкция по питанию схемы и снятию измерений. Поскольку оборудование у всех разное, я не могу сказать вам, как вводить данные и проводить измерения простым способом. Я дал здесь базовые инструкции. Обратитесь к предыдущей схеме для примера установки.

1. Подключите функциональный генератор к инструментальному усилителю.

   • Положительный зажим к нижнему операционному усилителю на схеме инструментального усилителя
   • Отрицательный зажим к земле.
   • Замкните вход верхнего операционного усилителя на схеме инструментального усилителя на массу. Это обеспечит ссылку для входящего сигнала. (В биологических сигналах этот вход будет электродом с целью уменьшения синфазного шума.)

2. Подключите положительный зажим осциллографа к выходу конечного каскада (выход фильтра нижних частот).

   • положительный клип для вывода на финальном этапе
   • отрицательный зажим на землю
3. Подключите источник питания постоянного тока к шинам, убедившись, что каждый вход питания операционного усилителя закорочен на шину, которой он соответствует.

4. Подключите заземление вашего источника питания постоянного тока к оставшейся нижней направляющей, обеспечивая опорный сигнал для вашего сигнала.

   Замкните заземление нижней шины на землю верхней шины, что должно позволить вам очистить цепь

Начните вводить волну и используйте осциллограф для измерений! Если ваша схема работает, как задумано, вы должны увидеть коэффициент усиления 100. Это будет означать, что размах напряжения должен составлять 2 В для сигнала 20 мВ. Если вы используете генератор функций в виде причудливой сердечной волны, попробуйте ввести это.

Поиграйте с частотами и входами, чтобы убедиться, что ваш фильтр работает должным образом. Попробуйте протестировать каждый этап по отдельности, а затем протестируйте схему в целом. Я приложил образец эксперимента, в котором я проанализировал функцию режекторного фильтра. Я заметил достаточное затухание от 59,5 Гц до 60,5 Гц, но я бы предпочел иметь немного большее затухание в точках 59,5 и 60,5 Гц. Тем не менее время имело значение, поэтому я двинулся дальше и решил, что смогу удалить шум в цифровом виде позже. Вот несколько вопросов, которые вы хотите рассмотреть для своей схемы:

• Прирост 100?
• Проверьте усиление на 220 Гц. Это -3 дБ или близко к этому?
• Проверьте затухание на 60 Гц. Достаточно ли он высокий? Обеспечивает ли он некоторое ослабление на частотах 60,5 и 59,5 Гц?
• Как быстро ваш фильтр спадет с 220 Гц? Это -40 дБ / декада?
• Есть ли ток на любом из входов? Если это так, то эта схема не подходит для измерения человеком, и, вероятно, что-то не так с вашей конструкцией или компонентами.

Если ваша схема работает, как задумано, то вы готовы двигаться дальше! Если нет, вам нужно устранить неполадки. Проверяйте производительность каждого этапа индивидуально. Убедитесь, что ваши операционные усилители включены и работают. Проверяйте напряжение на каждом узле, пока не найдете проблему в цепи.

Шаг 7: Измерение сердечного ритма LabVIEW

LabVIEW позволит нам измерять частоту сердечных сокращений с помощью логической блок-схемы. Если бы у меня было больше времени, я бы предпочел сам оцифровать данные и создать код, который бы определял частоту сердечных сокращений, поскольку для этого не потребовались бы компьютеры с установленным labVIEW и здоровенная плата сбора данных. Кроме того, числовые значения в labVIEW не приходят интуитивно. Тем не менее, изучение labVIEW было ценным опытом, поскольку использовать логику блок-схемы намного проще, чем жестко программировать собственную логику.

По этому разделу особо нечего сказать. Подключите выход вашей схемы к плате DAQ и подключите плату DAQ к компьютеру. Создайте схему, показанную на следующем изображении, нажмите «запустить» и начните сбор данных! Убедитесь, что ваша схема принимает сигнал.

Вот некоторые важные настройки:

• частота дискретизации 500 Гц и размер окна 2500 единиц означают, что мы захватываем данные за 5 секунд внутри окна. Этого должно быть достаточно, чтобы увидеть 4-5 ударов сердца в покое и больше во время тренировки.
• Обнаруженного пика 0,9 было достаточно для определения частоты сердечных сокращений. Хотя это выглядит так, как будто это проверяется графически, на самом деле для получения этого значения потребовалось довольно много времени. Вы должны возиться с этим, пока не будете точно рассчитывать сердцебиение.
• Ширина «5» показалась достаточной. Опять же, это значение было изменено и, похоже, не имело интуитивного смысла.
• Числовой ввод для расчета частоты пульса использует значение 60. Каждый раз, когда указывается сердцебиение, он проходит через цепь нижнего уровня и возвращает 1 каждый раз, когда сердце бьется. Если мы разделим это число на 60, мы, по сути, говорим «разделите 60 на количество ударов, вычисленное в окне». Это вернет вашу частоту пульса в ударах / мин.

Прикрепленное изображение - мое собственное сердцебиение в labVIEW. Он определил, что мое сердце билось со скоростью 82 удара в минуту. Я был очень взволнован, когда эта схема наконец заработала!

Шаг 8: Измерение человека

Если вы доказали себе, что ваша схема безопасна и работоспособна, вы можете измерить собственное сердцебиение. Используя измерительные электроды 3M, разместите их в следующих местах и подключите к цепи. Наручные поводки проходят на внутренней стороне запястья, предпочтительно там, где почти нет волос. Заземляющий электрод идет на костную часть вашей лодыжки. Используя зажимы из крокодиловой кожи, подключите положительный провод к положительному входу, отрицательный провод к отрицательному входу, а заземляющий электрод к шине заземления (обратите внимание, что это не отрицательная шина питания.).

Последнее повторное примечание: «Это не медицинское устройство. Оно предназначено только для образовательных целей с использованием смоделированных сигналов. При использовании этой схемы для реальных измерений ЭКГ, пожалуйста, убедитесь, что в цепи и соединениях цепи с прибором используются надлежащие методы изоляции. Вы принимаете на себя риск причинения любого ущерба ».

Убедитесь, что ваш осциллограф правильно подключен. Убедитесь, что в операционный усилитель не поступает ток и что заземляющий электрод заземлен. Убедитесь, что размеры окна вашего осциллографа правильные. Я наблюдал комплекс QRS примерно 60 мВ и использовал окно 5 с. Присоедините зажимы типа «крокодил» к соответствующим положительным, отрицательным и заземляющим электродам. Через пару секунд вы должны увидеть кривую ЭКГ. Расслабиться; не делайте никаких движений, так как фильтр все еще может улавливать мышечные сигналы.

При правильной настройке схемы вы должны увидеть что-то вроде того, что было на предыдущем шаге! Это ваш собственный сигнал ЭКГ. Далее я коснусь обработки.

ПРИМЕЧАНИЕ. В Интернете вы увидите различные настройки 3-электродной ЭКГ. Они тоже будут работать, но могут давать перевернутые волны. Благодаря тому, как дифференциальный усилитель установлен в этой схеме, эта конфигурация электродов обеспечивает традиционную форму сигнала комплексной положительной QRS.

Шаг 9: обработка сигнала

Итак, вы подключили себя к осциллографу и видите комплекс QRS, но сигнал все равно выглядит зашумленным. Наверное, что-то вроде первого изображения в этом разделе. Это нормально. Мы используем схему на открытой макетной плате с множеством электрических компонентов, которые в основном действуют как маленькие антенны. Источники питания постоянного тока, как известно, издают шум, и отсутствует радиочастотное экранирование. Конечно, сигнал будет зашумленным. Я сделал короткую попытку использовать схему отслеживания конверта, но не хватило времени. Однако это легко сделать в цифровом виде! Просто возьмите скользящую среднюю. Единственное различие между серо-синим графиком и черным / зеленым графиком состоит в том, что на черно-зеленом графике используется скользящее среднее напряжения в окне 3 мс. Это такое маленькое окно по сравнению со временем между ударами, но оно делает сигнал намного более плавным.

Шаг 10: Что дальше?

Этот проект был крутым, но всегда можно что-то сделать лучше. Вот некоторые из моих мыслей. Не стесняйтесь оставлять свое ниже!

• Используйте более низкую частоту среза. Это должно устранить часть шума, присутствующего в цепи. Возможно, даже поиграйте с использованием только фильтра низких частот с крутым спадом.
• Спаяйте компоненты и создайте что-нибудь постоянное. Это должно уменьшить шум, его охлаждение и безопасность.
• Оцифруйте сигнал и выведите его самостоятельно, устраняя необходимость в плате сбора данных и позволяя вам писать код, который будет определять сердцебиение для вас, вместо того, чтобы использовать LabVIEW. Это позволит обычному пользователю определять сердцебиение, не требуя мощной программы.

Будущие проекты?

• Создайте устройство, которое будет отображать ввод прямо на экране (хм, малиновый пи и экранный проект?)
• Используйте компоненты, которые сделают схему меньше.
• Создайте универсальную портативную ЭКГ с дисплеем и функцией определения частоты пульса.

На этом поучительное завершается! Спасибо за чтение. Пожалуйста, оставьте любые мысли или предложения ниже.