如何構(gòu)建低成本ECG設(shè)備

步驟1：警告

此ECG設(shè)備項目僅用作設(shè)計研究項目，并非醫(yī)療設(shè)備。僅使用電池（最大電源電壓：9V）。請勿使用任何交流電源，任何變壓器或任何其他電源，以免對您自己或他人造成嚴重傷害和電擊。請勿將任何交流電源供電的儀器或設(shè)備連接到此處建議的ECG設(shè)備。 ECG設(shè)備已電連接到人，并且僅可使用低壓電池（最大9V）以確保安全預(yù)防措施并防止損壞設(shè)備。電極在人體上的放置為電流提供了極好的路徑。當(dāng)身體連接到任何電子設(shè)備時，您必須非常小心，因為它可能導(dǎo)致嚴重甚至致命的電擊。對于因使用本手冊中所述的任何電路或步驟所造成的任何傷害，作者概不負責(zé)。作者并不聲稱任何電路或程序都是安全的。使用風(fēng)險自負。想要構(gòu)建此設(shè)備的任何人都必須對以安全和可控的方式使用電力有充分的了解。

步驟2：所需的軟件文件（Android App和Arduino Sketch）

ECG設(shè)備可以輕松構(gòu)建，只需要電子學(xué)的基本知識即可實現(xiàn)硬件電路。不需要軟件編程知識，因為您所需要做的就是通過從Andriod智能手機打開apk文件來安裝該應(yīng)用程序，并將所提供的Arduino草圖上傳到Arduino板上（這可以通過使用Arduino Software IDE和以下方法之一輕松完成）

第3步：說明

該設(shè)備由電池供電，并且由前面板組成-端電路通過公共電極和Arduino板獲取ECG信號（僅肢體引線），以數(shù)字化模擬信號，并通過藍牙協(xié)議將其傳輸?shù)紸ndroid智能手機。相關(guān)的應(yīng)用程序可以實時顯示ECG信號，并可以將信號過濾并存儲在文件中。

步驟4：組裝手冊和用戶手冊

有關(guān)組裝ECG設(shè)備的所有詳細說明，也可以在組裝手冊文件中找到，而使用它的所有信息在用戶手冊文件中進行了說明。

步驟5：硬件描述

簡單的電路設(shè)計和布局是兼顧低成本（少量組件）和良好性能的一個不錯的選擇。

電池開啟設(shè)備時為Arduino開發(fā)板和led L1提供（+ Vb）（R12 = 10 kOhm控制L1電流）；設(shè)備的其余部分由Arduino 5 V電壓輸出（+ Vcc）提供?；旧?，該設(shè)備工作在0 V（-Vcc）至5 V（+ Vcc）之間，但是通過具有相等電阻器（R10和R11 = 1 MOhm）的分壓器，再由一個單位增益緩沖器將單電源轉(zhuǎn)換為雙電源。 （1/2 TL062）。輸出為2.5 V（TL062電源的中壓：0-5 V）;然后，正電源軌和負電源軌相對于公共端子（參考值）提供雙電源（±2.5 V）。電容器C3（100 nF），C4（100 nF），C5（1 uF，電解）和C6（1 uF，電解）使電源電壓更加穩(wěn)定。為了安全起見，每個電極都通過560 kOhm（R3，R4，R13）的保護電阻器連接到設(shè)備，以在設(shè)備內(nèi)部發(fā)生故障時限制流入患者的電流。這些高電阻（R3，R4，R13）應(yīng)在極少數(shù)情況下使用，因為低壓電源（6或9 V，根據(jù)使用的電池電源電壓）意外地或由于INA組件而直接進入患者導(dǎo)線失敗。此外，兩個CR高通濾波器（C1-R1和C2-R2）位于兩個輸入端，可阻斷直流電流，并減少由電極接觸電勢產(chǎn)生的不必要的直流和低頻噪聲。 ECG信號在放大級之前經(jīng)過高通濾波，截止頻率約為0.1 Hz（在-3 dB）。 R1（作為R2）的存在降低了前置放大級的輸入阻抗，因此信號的減小幅度取決于R1和R3（作為R2和R4）的值。如果R1 = 2.2 MOhm和R2 = 560 kOhm，則這樣的因數(shù)可以近似為：

R1/（R1 + R3）= 0.797

更建議選擇對C1-電容值彼此非常接近的C2（1 uF，薄膜電容器），電阻值彼此非常接近的耦合R1- R2（2.2 MOhm），并且耦合R3-R4相同。這樣，減少了不需要的偏移，并且不會被儀表放大器（INA128）放大。雙輸入電路中組件的電路參數(shù)之間的任何不匹配都會導(dǎo)致CMRR下降；這樣的組件應(yīng)該很好地匹配（甚至是物理布局），以便選擇盡可能低的公差（或者，操作員可以用萬用表手動測量其值，以便選擇盡可能接近的耦合組件）。 R5（2.2 kOhm）根據(jù)以下公式定義INA128增益：

G_INA = 1 +（50kΩ/R5）

ECG信號被INA放大并依次高通經(jīng)C7和R7濾波（如果C7 = 1 uF和R7 = 2.2 MOhm，則-3 dB截止頻率約為0.1 Hz），以消除運算放大器進行最后一次更高放大之前的任何直流偏移電壓（1/2 TL062 ）在具有增益的同相配置中：

G_TL062 = 1 +（R8/（Rp + R6））

為使用戶在運行時更改增益，運算符可以選擇使用可變電阻器（微調(diào)/電位器）代替Rp或母插座板，以實現(xiàn)可更改的電阻器（因為未焊接）。但是，在第一種情況下，不可能確切知道ECG信號的實際增益（數(shù)據(jù)的mV值將是不正確的），而在第二種情況下，可以通過指定應(yīng)用程序“設(shè)置”部分中公式“增益”中的Rp值（請參閱用戶手冊）。 C8電容創(chuàng)建了一個低通濾波器，其截止頻率約為40 Hz，該濾波器的截止頻率為-3 dB，R9和C9組成了RC濾波器。截止頻率值由以下公式給出：

f = 1/（2 *π* C * R）。

對于40 Hz ［1］時的低通濾波器，RC分量值為：

R8 = 120 kOhm，C8 = 33 nF，R9 = 39 kOhm，C9 = 100 nF

ECG信號在0.1到40 Hz之間的頻帶中進行濾波，并以等于以下的增益進行放大：

增益= 0.797 * G_INA * G_TL062

R5 = 2，2千歐，R8 = 120千歐，R6 = 100歐姆，Rp = 2，2千歐，

增益= 0.797 *（1 + 50000/2200）*（1 + 120000/（2200） + 100））= 1005

要獲得濾波器截止頻率的準確值，RC濾波器組件應(yīng)具有盡可能低的容差（或者，操作員可以用萬用表手動測量其值，以便選擇最接近所需值的值）。

模擬信號通過Arduino板（A0輸入通道）進行數(shù)字化，然后通過串行通信引腳傳輸?shù)紿C-06模塊。最后，數(shù)據(jù)通過藍牙發(fā)送到智能手機。

參考電極（黑色）是可選的，可以通過卸下跳線J1來排除（或者操作員可以使用開關(guān)代替跳線）。該電路配置設(shè)計為也可使用兩個電極。但是，應(yīng)該使用參比電極來獲得更好的信號質(zhì)量（更低的噪聲）。

步驟6：組件

排除智能手機和一次性部件（電極和電池），整個設(shè)備的成本約為43美元（這里被認為是單一產(chǎn)品；如果數(shù)量更大，價格就會下降）。

有關(guān)所有組件的詳細列表（描述和近似成本），請參閱組裝手冊文件。

步驟7：需要工具

-需要工具：測試儀，剪刀，烙鐵，焊絲，螺絲起子和鉗子。

步驟8：如何構(gòu)建-步驟1

-準備帶23x21孔（約62 mm x 55 mm）的穿孔原型板

-根據(jù)圖中所示的PCB頂部布局，焊接：電阻器，連接線，母排插（用于Rp）插座，公頭和母頭接頭連接器（母頭接頭位置在此處圖中適用于Arduino Nano或Arduino Micro），電容器，LED

第9步：如何構(gòu)建-Step2

-根據(jù)此處顯示的PCB底部布局連接所有組件。

步驟10：如何構(gòu)建-步驟3

-使用電池帶/固定器，母接頭連接器和熱縮管實現(xiàn)電池的電線連接器；將其連接到PCB“ con1”（連接器1）

步驟11：如何構(gòu)建-步驟4

-實現(xiàn)三個電極電纜（使用同軸電纜，母接頭連接器，熱縮管，鱷魚夾）并將其連接到PCB，并用一些剛性電纜將其擰緊到板上

步驟12：如何構(gòu)建-Step5

-實現(xiàn)一個開關(guān)（使用滑動開關(guān)，母接頭連接器，熱縮管）并將其連接到PCB

-將INA128，TL062和Rp電阻器插入相應(yīng)的插座

-程序（請參閱軟件說明部分），然后連接Arduino Nano板（應(yīng)調(diào)整穿孔的原型板和母頭連接器）如果使用另一個Arduino板（例如UNO或Nano），則在PCB上顯示

-將HC-06模塊連接到PCB“ con2”（connector2）上

步驟13：如何構(gòu)建-Step6

-連接跳線J1以使用參考電de

-連接電池

步驟14：如何構(gòu)建-Step7

-將電路放置在合適的帶孔的盒子中，用于容納LED，電纜和開關(guān)。

在組裝手冊文件中顯示了更詳細的描述。

步驟15：其他選項

-用于監(jiān)控應(yīng)用的ECG信號在0.1到40 Hz之間濾波；可以通過更改R8或C8和R9或C9來提高低通濾波器的上限。

-可以使用微調(diào)器或電位器來代替Rp電阻來改變增益（并放大）。 ECG信號）。

-ECG設(shè)備也可以與不同的Arduino板一起使用。 Arduino Nano和Arduino UNO經(jīng)過測試?？梢允褂闷渌澹ɡ鏏rduino Micro，Arduino Mega等），但是提供的Arduino草圖文件需要根據(jù)板功能進行修改。

-ECG設(shè)備也可以使用HC-05模塊而不是HC-06模塊。

步驟16：軟件說明

不需要軟件編程知識。

Arduino編程：可以通過安裝Arduino Software IDE（可從Arduino官方網(wǎng)站免費下載）輕松地將Arduino草圖文件上傳到Arduino板上?？稍贏rduino官方網(wǎng)站上找到。提供了一個針對Arduino Nano和Arduino UNO的草圖文件（“ ECG_SmartApp_skecht_arduino.ino”）（草圖已在兩個板上進行了測試）。相同的草圖也適用于Arduino Micro（此板未經(jīng)測試）。對于其他Arduino開發(fā)板，草圖文件可能需要更改。安裝ECG SmartApp：要安裝該應(yīng)用程序，請在智能手機內(nèi)存上復(fù)制提供的apk文件“ ECG_SmartApp.apk”（如果帶寬為150 Hz，則為“ ECG_SmartApp_upTo150Hz.apk”），將其打開，然后按照說明進行操作接受權(quán)限。在安裝之前，可能需要通過允許從未知來源安裝應(yīng)用程序來更改智能手機設(shè)置（選中“安全”菜單的“未知來源”選項框）。要將ECG設(shè)備與HC-06（或HC-05）藍牙模塊連接，在第一次與該模塊建立藍牙連接的情況下，可能會要求輸入配對代碼或密碼：輸入“ 1234”。如果該應(yīng)用程序找不到藍牙模塊，請嘗試使用智能手機藍牙設(shè)置（配對代碼“ 1234”）將智能手機與HC-06（或HC-05）藍牙模塊配對；此操作僅需要一次（第一次連接）。

步驟17：源文件

可選的源文件可在此處用于修改或個性化應(yīng)用。但是，需要具備Android編程技能。

步驟18：從ECG SMARTAPP開始-步驟1

-確保連接到設(shè)備的電池（最大電壓：9V）已充電

-放置電極之前清潔皮膚。干燥的死皮層通常存在于我們的身體表面，并且皮膚和電極之間可能存在氣隙，這不利于ECG信號傳輸?shù)诫姌O。因此，需要在電極和皮膚之間保持潮濕狀態(tài)。在放置電極膠墊（一次性）之前，需要清潔皮膚（用酒精或至少水浸泡過的薄紙）。

-根據(jù)下表放置電極。如果是非一次性電極，則應(yīng)在皮膚和金屬電極之間或至少浸在自來水或鹽溶液中的一塊布巾之間使用電極導(dǎo)電膠（市售）。

該設(shè)備還允許僅使用2個電極來記錄ECG（LI，LII或LIII）。參比電極（黑色）是可選的，可以通過使用開關(guān)或卸下跳線J1來排除它（請參閱組裝手冊）。但是，應(yīng)使用參比電極來獲得更好的信號質(zhì)量（更低的噪聲）。

步驟19：從ECG SMARTAPP開始-Step2

-使用開關(guān)（紅色指示燈亮起）打開ECG設(shè)備

-在智能手機上運行應(yīng)用程序

-按單擊“打開”按鈕將智能手機連接到ECG設(shè)備（應(yīng)用程序?qū)⒃儐柲蜷_藍牙的權(quán)限：按“是”），等待發(fā)現(xiàn)HC-06（或HC-05）藍牙模塊ECG設(shè)備。如果第一次與模塊建立藍牙連接，則可能會要求輸入配對代碼或密碼：輸入“ 1234”。如果該應(yīng)用程序找不到藍牙模塊，請嘗試使用智能手機藍牙設(shè)置（配對代碼“ 1234”）將智能手機與HC-06（或HC-05）藍牙模塊配對；只需一次操作（第一次連接）

-建立連接后，ECG信號將出現(xiàn)在屏幕上；如果是LI（默認鉛為LI，要更改鉛，請轉(zhuǎn)到“設(shè)置”段落），將實時估算心率（HR）。信號將每3秒更新

-要應(yīng)用數(shù)字濾波器，請按“濾波器”按鈕，然后從列表中選擇一個濾波器。默認情況下，將應(yīng)用40 Hz的低通濾波器和陷波濾波器（根據(jù)設(shè)置中保存的首選項）。

步驟20：設(shè)置

-按下“設(shè)置”按鈕以打開設(shè)置/首選項頁面

-按下“用戶手冊（help.pdf）”以打開用戶手冊文件

-選擇ECG導(dǎo)線（默認為LI）

-選擇陷波濾波器頻率（根據(jù)干擾頻率：50或60 Hz）

-選擇文件保存選項可將經(jīng)過濾波或未濾波的ECG信號保存在文件中

-按下“保存設(shè)置”按鈕以保存首選項

在進行硬件修改或修改時，增益值可以更改

步驟21：記錄ECG信號

-插入文件名（如果用戶記錄了更多內(nèi)容） ECG在同一會話中發(fā)出信號，但不更改文件名，在文件名的末尾添加一個漸進索引，以避免覆蓋前一個

-按“ Rec。”按鈕開始記錄心電信號

-按“ Stop”按鈕停止記錄

-每個ECG信號將存儲在智能手機內(nèi)存主根目錄下的“ ECG_Files”文件夾內(nèi)的txt文件中。可以根據(jù)設(shè)置中保存的首選項存儲已過濾或未過濾的ECG信號

-按“重新啟動”按鈕再次可視化運行時采集的ECG信號

-記錄新的ECG信號，重復(fù)前面的點

一個ECG文件包含一系列以mV為單位的ECG信號幅度的采樣（采樣頻率：600 Hz）。

步驟22：打開和分析ECG文件

-按下“打開”按鈕：“ ECG_Files”文件夾中存儲的文件列表將出現(xiàn)

-選擇要顯示的ECG文件

將顯示ECG文件的第一部分（10秒），不顯示任何網(wǎng)格。

用戶可以在顯示屏上手動滾動以可視化ECG信號的任何時間間隔。

要放大或縮小用戶，可以按放大鏡圖標（在圖形底部的右上角），也可以直接在智能手機顯示屏上使用雙指縮放。

當(dāng)可視化小于5秒的時間間隔（通過放大）時，將自動顯示時間軸，電壓軸和標準ECG網(wǎng)格。電壓軸（y軸）值以mV為單位，而時間軸（x軸）值以秒為單位。

要應(yīng)用數(shù)字過濾器，請按“過濾器”按鈕，然后從列表中選擇一個過濾器。默認情況下，將應(yīng)用一個低通濾波器@ 40 Hz，一個用于消除漂移線的濾波器和一個陷波濾波器（根據(jù)設(shè)置中保存的首選項）。圖形標題顯示：

-文件名

-根據(jù)應(yīng)用的過濾器的ECG頻帶

-如果標簽“飄移基線已刪除”

-根據(jù)所應(yīng)用的陷波濾波器，標簽“?50”或“?60”

用戶可以在兩個之間進行測量（時間間隔或幅度）通過使用“獲取Pt1”和“獲取Pt2”按鈕來繪制圖形的點。要選擇第一個點（Pt1），用戶可以按“獲取Pt1”并通過直接單擊圖形來手動選擇ECG信號的一個點：紅色點將出現(xiàn)在ECG藍色信號上；如果用戶錯過了ECG曲線，則不會選擇任何點，并且將出現(xiàn)“未選擇點”字符串：用戶必須重復(fù)選擇。選擇第二個點（Pt2）需要相同的過程。這樣，將顯示以毫秒（dX）為單位的時間值和以mV（dY）為單位的幅度值之間的差異（Pt2 – Pt1）。 “清除”按鈕清除選定的點。

用戶可以使用“ +”按鈕（放大）和“-”按鈕（減小）來調(diào)整ECG信號增益；最大增益：5.0，最小增益：0.5

步驟23：FILTERS菜單

-無數(shù)字濾波器：刪除所有應(yīng)用的數(shù)字濾波器

-消除基線漂移：應(yīng)用特定處理以消除基線漂移。如果信號非常嘈雜，則處理可能會失敗

-高通‘x’Hz：根據(jù)指定的截止頻率‘x’應(yīng)用IIR高通濾波器

-低通‘x’Hz：根據(jù)指定的截止頻率‘x’應(yīng)用IIR低通濾波器

-消除50 Hz開啟（陷波+低通25 Hz）：應(yīng)用特別穩(wěn)定的FIR既是50 Hz陷波又是25 Hz左右低通的濾波器

-60 Hz去除開啟（陷波+ 25 GHz低通）：應(yīng)用一個既很穩(wěn)定又特別陷波的FIR濾波器60 Hz和大約25 Hz處的低通

-去除50 Hz開啟：以50 Hz遞歸陷波濾波器

-60 Hz去除開啟：應(yīng)用遞歸陷波濾波器60 Hz

-去除50/60 Hz OFF：去除應(yīng)用的陷波濾波器

步驟24：硬件規(guī)格

-最大輸入信號幅度（峰峰值）：3.6 mV（最大輸入信號幅度取決于硬件增益）

-供電電源：僅使用電池（兩者均可用）

-最小電源電壓：6V（例如4 x 1.5V電池）

-最大供電電壓：9V（例如6 x 1.5V或1 x 9V電池）

-采樣頻率：600 Hz

-頻率帶寬@-3dB（硬件）：0.1 Hz-40 Hz（通過更改RC濾波器組件，可以將低通濾波器的上限提高0.1 Hz-150 Hz（請參閱組裝手冊）

-CMRR：最小值1209 dB

-放大率（硬件增益）：1005（可通過更換增益電阻器來更改（請參見組裝手冊）-分辨率：5V/（1024 x Hardware_Gain）

-偏置電流最大10 nA-ECG通道數(shù)：1

-ECG引線：肢體引線LI，LII和LIII

-智能手機連接：通過藍牙

-理論電源電流：《50 mA（基于不同組件的數(shù)據(jù)表信息）

-測量的電源電流：《60 mA（使用9V電壓電源和Arduino Nano）/p》

-電極數(shù)：2或3

該設(shè)備還允許僅使用2個電極來記錄ECG（LI，LII或LIII）；電極（黑色）是可選的，可以通過卸下跳線J1（或開關(guān)S2，請參閱《組裝手冊》文件）將其排除。但是，應(yīng)該使用參比電極來獲得更好的信號質(zhì)量（更低的噪聲）。

步驟25：軟件規(guī)格

-在進行心電圖觀察時記錄（時間窗口：3秒）

-心率估計（僅適用于LI）

-采樣頻率：600 Hz

-ECG信號記錄和保存放入智能手機內(nèi)存中的txt文件中（根據(jù)設(shè)置可以將過濾后的信號或未過濾的信號保存在txt文件中）（文件夾：位于主根目錄中的“ ECG_Files”文件夾）

-數(shù)據(jù)（樣本）被保存為以600 Hz的mV值（16位值）

-具有縮放選項，網(wǎng)格，增益調(diào)整（從“ x 0.5”到“ x 5”）和兩點選擇的已保存文件可視化（以測量時間距離和幅度差）

-智能手機顯示：應(yīng)用布局可針對不同的顯示尺寸進行調(diào)整；但是，為了獲得更好的可視化效果，建議至少使用3.7英寸顯示屏，分辨率為480 x 800像素

數(shù)字濾波：

-高通濾波@ 0.1，0.15，0.25 ，0.5、1 Hz

-低通濾波@ 25、35、40 Hz（ECG SmartApp版本中提供了100和150 Hz，帶寬為150 Hz）

-陷波濾波以消除@ 50或60 Hz時的電力線干擾

-消除基線漂移