Как сделать кардиограмму своими руками

Содержание

Самодельный простой электрокардиограф (ЭКГ)
LTC1044
Устройство для снятия кардиограммы
Самодельный кардиограф (несколько вариантов)
max68.2011
max68.2011
max68.2011

Самодельный простой электрокардиограф (ЭКГ)

LTC1044

В данной статье рассматривается простое устройство мониторинга сердца, ЭКГ электрокардиограф. Прежде чем я продолжу объяснения, мне необходимо вас предупредить ! 500 мА на 220 В полностью разрушат вашу нервную систему (лучше воспользоваться аккумулятором), поэтому проверьте все дважды, так как ответственность за нежелательные результаты будет лежать именно на вас.

Деполяризованное поле в сердце представляет собой вектор, который меняет направление и величину в течение сердечного цикла. Размещение электродов на пациенте позволяет получить вид данного вектора как функцию времени. Наиболее часто используемая схема размещения электродов показана на рис. 1. На рисунке разность потенциалов измеряется между левой и правой рукой, правой рукой и левой ногой, левой рукой и правой ногой. Три данных измерения от датчиков привязаны к указателям I, II, III соответственно. Измерение при таком размещении датчиков было разработано Айнтховеном, который установил, что при наличии измерений I и II, можно вычислить вид сигнала при измерении III. Это основной вариант размещения датчиков ЭКГ: при наличии различных характеристик сердца можно получить его деполяризацию. В клинике в диапазон схем размещения датчиков включены датчики на конечностях и нагрудные.

Рис. 1

Следовательно, диаграмма ЭКГ демонстрирует врачу электрические сигналы, связанные с работой предсердия и желудочков. Благодаря ЭКГ врач может определить время сжатия предсердия и желудочков и оценить его амплитуду, а также желудочковую реполяризацию и деполяризацию. Такая информация позволяет выявить состояние сердечного клапана. У пациента после инфаркта ЭКГ покажет изменения диаграммы по форме и времени, в зависимости от скорости похождения сигнала через мускульную ткань. Такие изменения ишемического мускула связаны с инфарктом.

Рис. 2, Диаграмма связи

Сигнал от тела усиливается (сигналы от тела очень слабые и находятся в диапазоне от 0.5 мВ до 5.0 мВ), фильтруется (удаляется шум), преобразуется (имеется в виду преобразование аналогового сигнала в цифровой посредством ADC) и затем передается компьютеру по интерфейсу RS232 (беспроводным способом или как-то иначе, но данный интерфейс был выбран из-за простоты изготовления). Первые два шага показаны на рисунке 3.

Рис. 3, ЭКГ схема

Усилители, которые используются в биомедицине для работы с сигналами, имеющими очень небольшие колебания напряжения вместе с напряжением смещения, называются инструментальными операционными усилителями. Инструментальные усилители имеют высокую CMRR (высокая степень подавления синфазных помех), что означает способность к дифференциальному усилению сигнала на входах + и — . Самыми известными производителями инструментальных усилителей являются Texas Instruments и Analog Devices. Я использовал усилители производства второй компании, Analog Devices. AD620, инструментальный усилитель, и OP97, высокоточный операционный усилитель. Так как данным усилителям необходимо подавать на вход отрицательное напряжение, то оно было получено с помощью линейного устройства LTC1044, коммутируемого конденсаторного преобразователя напряжения, рис. 4. Подаваемое напряжение составляло 5 В. Схема показана на рисунке 5 и взята из описания, где есть более подробные объяснения.

Рис. 4. LTC1044, генератор отрицательного напряжения

Рис. 5, схема ЭКГ

Шум возникает при сжатии мускула, интерференции 50-60 Гц линии питания, от контакта электрода, от других электронных устройств и т.д. Фильтр для приложения ЭКГ должен быть полосовым фильтром (ограничивающим сигнал сверху и снизу). Фильтр должен работать в диапазоне от 0.5 Гц до 50 Гц. Я сделал простые фильтры — RC высокочастотный и низкочастотный — подключив их последовательно (просто два конденсатора и резистора).

Рис. 6, Сигнал ЭКГ

Я использовал внутренний конвертер ADC в Atmel MCU, ATMega8. Код здесь.

Чтобы увидеть ЭКГ сердца, я воспользовался программой LABView.

Рис. 7. Результаты ЭКГ в программе LABView (нажмите на изображение для увеличения)

Рис. 8, Результаты ЭКГ в программе LABView (нажмите на изображение для увеличения)

Рис. 9, Я с электродами

Рис. 10, Плата ЭКГ, которую я сделал сам, вид спереди

Источник

Устройство для снятия кардиограммы

Из этой статьи мы с вами узнаем, как можно самостоятельно собрать аппарат ЭКГ. Это устройство имеет встроенный дисплей, на котором отображаются отдельные сердечные сокращения в большом формате, последовательность сердечных сокращений в маленьком формате и график Пуанкаре.

Аппарат работает от аккумулятора, и он достаточно компактный. Он построен на на нескольких базовых деталях модуле AD8232, Arduino Nano и 2,8-дюймового TFT-дисплея.

Шаг второй: модуль AD8232
Чип AD8232 — это датчик сердечного ритма. Микросхема AD8232 содержит высококачественный малошумящий измерительный усилитель и систему формирования сигнала для удаления шума. Он предназначен в первую очередь для записи ЭКГ.
Сначала мастер собирает схему на макетной плате, как на фото ниже.

AD8232 включает в себя функцию «обнаружения отключения проводов». Если один из выводов отсоединен, контакты LO + или LO- модуля переходят в высокий уровень. Для первоначального тестирования мастер подключил выводы LO + и LO- к двум светодиодам через резисторы 1 кОм. Светодиоды загораются при отключении провода. Для последней схемы нужно удалить светодиоды и подключить LO + и LO- к Arduino.
Дальше загружает скетч ArdECG0.ino на компьютер и затем в Nano.

В приобретенном мастером модуле выводы электродов окрашены в следующие цвета:
LA левая рука: Зеленый
Правая рука Ra: Красный
Правая Нога: Желтый

В комплекте с модулем идет всего 3 электрода. Они быстро израсходуются, и мастер решил сделать электроды самостоятельно. Сделать их можно из медной пластины или монеты.

В качестве состава, которым покрывают кожу перед установкой электродов, он использовал смесь шампуни и соли. Электроды приклеивает к коже лейкопластырем.

Электроды устанавливаются, как на рисунке:
LA слева от груди под ключицей
РА с правой стороны груди ниже ключицы
RL внизу подальше от сердца
Электрод RL называется «правая нога», но на самом деле он не обязательно должен находиться на ноге, но нужно стараться размещать его не на мышцах.
Код можно скачать ниже.
ArdECG0.ino

Шаг третий: сердце
Врачи считают сердце сложным органом, но для разработчика электроники это просто генератор электрических сигналов — несколько десятков милливольт.

Синоатриальный узел (узел SA) действует как осциллятор, генерирующий импульс примерно каждую секунду. В электронном виде это релаксационный осциллятор (или осциллятор Ван дер Поля).

Сокращение пульса медленно распространяется к мышцам предсердий и атриовентрикулярному узлу (AV-узлу). Мышцы предсердий сокращаются, а затем расслабляются. Когда они сокращаются, они перекачивают кровь в желудочки. Когда они расслабляются, предсердия закачивает кровь из тела или из легких.

Узел AV задерживает импульс (на 120-200 мс), а затем отправляет его мышцам желудочков. В электронном виде это тоже релаксационный осциллятор, но его период намного больше, чем у SA-осциллятора.

Мышцы желудочков сокращаются, а затем расслабляются. Когда они сокращаются, они перекачивают кровь к телу или легким.
Весь процесс занимает около 500 мс.

Для перекачивания крови по телу требуется много энергии, поэтому самый большой сигнал исходит от мышц левого желудочка.
Ионы натрия, калия и кальция перекачиваются через мембраны клеток сердечной мышцы. Когда сердечная мышца расслаблена, разница в концентрациях ионов вызывает разность потенциалов 90 мВ.

Когда в клетке возникает потенциал действия, активируется соседняя клетка. Таким образом, потенциал действия распространяется через мышцу, а также через волокна Пуркинье.
Проводимость мышечных клеток составляет 0,3–0,4 м / с.
Проводимость волокна Пуркинье составляет 2–3 м / с.
Нормальная проводимость нейронов 70-120 м / с.
Волокна Пуркинье могут колебаться сами по себе со скоростью 20-40 ударов в минуту и поэтому действуют как резервная система, если генераторы SA и AV выходят из строя.

ЭКГ регистрирует потенциалы действия различных мышц. Потенциалы действия мышц передаются через грудную стенку и кожу посредством простой электрической проводимости. К тому времени, когда он достигает кожи, сигнал составляет около 1 мВ.
Поскольку разные потенциалы действия возникают в разных областях сердца, перемещая электроды ЭКГ, можно записывать активность в разных мышцах.

Шаг четвертый: дисплей
Дисплей представляет собой 2,8-дюймовый цветной TFT ЖК-экран с контроллером ILI9341, 320×240 пикселей.
ЖК-дисплей имеет следующие контакты:
VCC 5V
GND ground
CS LCD chip select
RESET reset
DC data/command
MOSI SPI bus MOSI of Arduino
SCK SPI bus SCLK
LED back light
MISO SPI data out of LCD (ignored)
T_CLK SPI bus SCLK (ignored)
T_CS touch chip select (ignored)
T_DIN MOSI of Arduino (ignored)
T_DO SPI data out of touch (ignored)
T_IRQ touch interrupt request (ignored)

В дисплей встроен регулятор 3V3. Таким образом, модуль может питаться от 5 В, и можно его подключить напрямую к 5-вольтовому выводу Arduino. Вывод питания светодиода также может быть подключен напрямую к выводу 5V.

Логические выводы дисплея требуют сигналов 3,3 В. Их нельзя подключать напрямую к 5-вольтовым контактам ввода-вывода Arduino. Чтобы понизить напряжение нужно установить резисторы.

Для работы дисплея нужно загрузить эскиз ArdECG1.ino.
Нужно поместить все файлы ниже в одну папку:
ArdECG1.ino
SimpleILI9341.h
SimpleILI9341.cpp

Шаг шестой: сборка
После проверки работы устройства на макетной плате мастер приступил к монтажу и сборки устройства.
Модуль AD8232 крепится к задней части дисплея с помощью двустороннего скотча. Nano удерживается между двумя платами с помощью припаянных перемычек. Вся сборка довольно компактная и прочная.

Корпус мастер сделал из полистирола.
Экранирование немного влияет на уровень шума, поэтому он выложил заднюю часть коробки кухонной пленкой.

Общее потребление тока составляет около 127 мА. Задача была, чтобы устройство работало в автономном режиме в течение 8 часов. Значит, нужен источник питания емкостью около 1000 мАч.

Сначала мастер хотел установить четыре аккумулятора AA.
Ячейки AA — хороший выбор, но проблема их размер. Тогда мастер решил установить один литий-ионный аккумулятор емкостью 1000 мАч.
С помощью переключателя выполняется выбор между работой и зарядкой.

Источник

Самодельный кардиограф (несколько вариантов)

max68.2011

Посетитель

Небольшая игрушка на базе USB осциллографа.
или дешевой USB- sound платы для SKYPE — телефонии.

Позволяет записать кардиограмму в файл.bin
а так-же воспроизвести в реальном времени результаты сохраненных замеров.
К сожалению не нашел программ для расшифровки кардиограмм
и не знаю как правильно сохранить файл, поэтому это просто *.bin файл.
Может пригодиться для выявления редких отклонений в ЭКГ,
которые бывает трудно зафиксировать при редких
и коротких посещениях кабинета ЭКГ
или просто для наблюдения за сердцем если у вас есть знакомый кардиолог(.

Посмотреть список литературы по этой теме и добавить свою информацию
можно на форуме в теме Какие книги посоветуете?

Узнать что делать с полученой кардиограммой
и предложить свой вариант можно на форуме
в теме Кардиограмма получена. Что дальше?

Там же на форуме можно посмотреть и добавить свои Ссылки на сайты о кардиологии и кардиографах

Подключать электроды будем по самой простой схеме:

Можно для начала упростить задачу, подключив провода отведений к плечам, а заземление — на запястье.
Возможные варианты подключения:

Электроды для начала могут быть самодельными, но, учитывая сложность задачи, желательно со временем обзавестись промышленными из специальных материалов.
Вот, например один из множества вариантов:
Disposable ECG Electrode is Ag or AgCl electrode, which consist of base lining material, conductive gel, and electrode buckle.

Так как усилители не имеют гальваноразвязки, то все эксперименты в целях безопасности и для снижения помех необходимо проводить с ноутбуком не подключенным к сети 220В.

Программа ECG.llb Для версии LabVIEW5.0

Модуль усилителя — любой усилитель с закрытым (>4 мкФ) входом и Кус >=100

В моем случае используется модуль KARDIO от USB_осциллографа.

Схема и конструкция выглядят так:

DA1 можно не устанавливать, а провод RRL — подключить к земле.

R6+R7+R8 = 100-400 Ом (150)

Bxoды от левой и правой руки подключить к R11 и R12 через неполярные конденсаторы 8.0 -10.0 мкФ для устранения возможного гальванического смещения (до сотен мкВ)

max68.2011

Посетитель

Файл платы кардиоусилителя в формате JPG: CARDIO_JPG.zip в формате PCB2004: Kardio_PCB2004.zip

Плата модуля микроконтроллера и прошивка — на страничке модуль осциллографа.

Все объединено в один корпус для компактности. Если в этом нет необходимости можно просто использовать модуль осциллографа
в паре с модулем кардиоусилителя. Или сделать свое устройство передающее данные в указаном в модуле осциллографа формате.

Программа корректор. Korrektor.llb

Позволяет выровнять кардиограмму :

Выглядеть этот вариант может так:

2. Кардиограф на базе звуковой USB платы
ECG of the USB sound card

Верся для USB sund card на базе микросхемы для SKYPE телефонов AP-T6911 или любой другой, позволяющей измерять напряжение постоянного тока:

1. Приобретаем за 2-10$ нечто подобное :

например этот: http://www.dealextreme.com/details.dx/sku.22475
2. Отключаем микрофонный усилитель. остается только 10-битный АЦП с входным смещением около 2,5 вльт
которое придется компенсировать если будете мерять и постоянное напряжение.
Модернизируем USB — Sound плату (См рисунки)

Выглядит это примерно так:

при условии что там стоит микросхема SKYPE телефона AP-TP6911_02EV10

Предупреждение: модели меняются постоянно.

R4 -подбираем по симметрии ограничения большого сигнала.
R9 — усиление. Если убрать С6 и С7 можно мерять постоянку, но кардиосигнал будет нестабилен.

Хороших точностных показателей не ждите. Особенно стабильности 0.

Сборка — на макетной плате
В результате получаем нечто подобное:

max68.2011

Посетитель

В сборе это выглядит так:

4.Программа: ECG_USB_SND.llb (Labview 5.0) EXE- вариант ( Опробовано под XP, VISTA , Windows 7 )

5. Для отладки аппаратуры можно имитировать сигнал с помощью ГЕНЕРАТОРА-ИМИТАТОРА загрузив в него файл образца одного периода сигнала
например такой: ECG_1_282_76_9.dat (zip) (кардиосигнал с частотой 76,9 ударов/мин + 50Гц помеха)
Это обычный текстовый файл но, т.к. генератор предназначен для имитации сигналов датчиков 4-х тактного двигателя ось Х должна быть от 0 до 720 град,
а частоту ударов сердца нужно задавать в генераторе в оборотах в минуту

. Обязательно 76.9 иначе сигнал помехи будет не равен 50 Гц.
По соседнему каналу рекомендую пустить прямоугольный сигнал со скважностью около 5% для контроля искажений.

Для работы с SOUND — платой использованы материалы этого сайта

К сожалению USB и SOUND варианты создают *.bin файлы с разной частотой оцифровки сигнала.
Если в ECG_USB_SND.llb это можно исправить в программе то ЕХЕ вариант прошит жестко на 48000/32 выборок в сек.
В случае работы со штатной звуковой платой вам придется найти переходные конденсаторы в канале микрофонного входа
(обычно 1 на входе и 1 в усилителе микрофона) и увеличить их емкость до десятков микрофарад.

3. Кардиограф на базе bluetooth гарнитуры с микросхемой BC31A223A (От телефонов Sony Ericsson):

1. Подготовка гарнитуры.
Заключается в отключении микрофона путем удаления конденсатора C10, вывода на разъем дифф входа
микрофонного усилителя микросхемы ( MIC_N и MIC_P ) и напряжения VOUT (2,7V) для питания подключаемых к разему усилителей.
Как это было сделано показано на рисунке ниже.
Телефон гарнитуры решил пока не трогать для того чтобы использовать по его прямому назначению.

2. Установка драйверов BLUETOOTH имеющих поддержку гарнитуры.
В моем случае не подошли следующие драйвера:

Microsoft — он не поддерживает профиль работы с гарнитурой

Widcomm — он не распознал оба моих USB-Bluetooth устройства

Вопрос достаточно проблемный поэтому кому-то возможно придется решать его по другому.

После этого можно начинать эксперименты.

На данный момент имеются следующие результаты:

Максимальный входной сигнал имеет размах +/- 32мВ при 15 битах разрешения и частотой оцифровки 8кГц что позволяет снимать кардиограмму
при подключении электродов через разделительный конденсатор к контактам MIC_N и MIC_P выведеным на внешний разъем.
Пример картинок приведены на рисунке.

Связь оказалась достаточно некачественной. Довольно часто проходят помехи или разрывы потока, что проявляется в виде импульсной помехи.
Так что мониторирование ЭКГ по Холтеру через Bluetooth-гарнитуру, похоже, невозможно.

После обычной процедуры подключения гарнитуры кардиограмму можно записать удобным вам способом в *.wav файл
для дальнейшей обработки или воспользоваться приведенной выше программой Кардиографа на базе звуковой USB платы

Если существует такая прекрасная вещь как PSoC , то можно попробовать собрать кардиограф например на CY8CKIT-014 PSoC® 5 FirstTouch™ Starter Kit

Кроме КИТа понадобится простой усилитель (например приведенный выше усилитель для звуковой платы (вывод 5 — заземлить и уменьшить к-т усиления).
Выглядеть может например так:

Задачи решаемые устройством(пока):
1.Оцифровка сигнала 12-битным АЦП (2 байта) с частотой 1кГц

2.Отключаемая фильтрация сигнала (LP_cutoff = 30Hz или выше)

3.Непрерывная отправка 2-х байтных отсчетов АЦП в COM-порт (побайтно: младший-старший пакетами по 64байта).

Поскольку это начальный (надеюсь) вариант то программа для PC — простая гляделка:

Если совсем не хочется делать свою аналоговую часть, то можно обойтись и тем что есть в PSoC :
От себя придется добавить 3 резистора и 2 конденсатора.
Выглядеть может так: