如何构建低成本ECG设备

步骤1：警告

此ECG设备项目仅用作设计研究项目，并非医疗设备。仅使用电池（最大电源电压：9V）。请勿使用任何交流电源，任何变压器或任何其他电源，以免对您自己或他人造成严重伤害和电击。请勿将任何交流电源供电的仪器或设备连接到此处建议的ECG设备。 ECG设备已电连接到人，并且仅可使用低压电池（最大9V）以确保安全预防措施并防止损坏设备。电极在人体上的放置为电流提供了极好的路径。当身体连接到任何电子设备时，您必须非常小心，因为它可能导致严重甚至致命的电击。对于因使用本手册中所述的任何电路或步骤所造成的任何伤害，作者概不负责。作者并不声称任何电路或程序都是安全的。使用风险自负。想要构建此设备的任何人都必须对以安全和可控的方式使用电力有充分的了解。

步骤2：所需的软件文件（Android App和Arduino Sketch）

ECG设备可以轻松构建，只需要电子学的基本知识即可实现硬件电路。不需要软件编程知识，因为您所需要做的就是通过从Andriod智能手机打开apk文件来安装该应用程序，并将所提供的Arduino草图上传到Arduino板上（这可以通过使用Arduino Software IDE和以下方法之一轻松完成）

第3步：说明

该设备由电池供电，并且由前面板组成-端电路通过公共电极和Arduino板获取ECG信号（仅肢体引线），以数字化模拟信号，并通过蓝牙协议将其传输到Android智能手机。相关的应用程序可以实时显示ECG信号，并可以将信号过滤并存储在文件中。

步骤4：组装手册和用户手册

有关组装ECG设备的所有详细说明，也可以在组装手册文件中找到，而使用它的所有信息在用户手册文件中进行了说明。

步骤5：硬件描述

简单的电路设计和布局是兼顾低成本（少量组件）和良好性能的一个不错的选择。

电池开启设备时为Arduino开发板和led L1提供（+ Vb）（R12 = 10 kOhm控制L1电流）；设备的其余部分由Arduino 5 V电压输出（+ Vcc）提供。基本上，该设备工作在0 V（-Vcc）至5 V（+ Vcc）之间，但是通过具有相等电阻器（R10和R11 = 1 MOhm）的分压器，再由一个单位增益缓冲器将单电源转换为双电源。 （1/2 TL062）。输出为2.5 V（TL062电源的中压：0-5 V）;然后，正电源轨和负电源轨相对于公共端子（参考值）提供双电源（±2.5 V）。电容器C3（100 nF），C4（100 nF），C5（1 uF，电解）和C6（1 uF，电解）使电源电压更加稳定。为了安全起见，每个电极都通过560 kOhm（R3，R4，R13）的保护电阻器连接到设备，以在设备内部发生故障时限制流入患者的电流。这些高电阻（R3，R4，R13）应在极少数情况下使用，因为低压电源（6或9 V，根据使用的电池电源电压）意外地或由于INA组件而直接进入患者导线失败。此外，两个CR高通滤波器（C1-R1和C2-R2）位于两个输入端，可阻断直流电流，并减少由电极接触电势产生的不必要的直流和低频噪声。 ECG信号在放大级之前经过高通滤波，截止频率约为0.1 Hz（在-3 dB）。 R1（作为R2）的存在降低了前置放大级的输入阻抗，因此信号的减小幅度取决于R1和R3（作为R2和R4）的值。如果R1 = 2.2 MOhm和R2 = 560 kOhm，则这样的因数可以近似为：

R1/（R1 + R3）= 0.797

更建议选择对C1-电容值彼此非常接近的C2（1 uF，薄膜电容器），电阻值彼此非常接近的耦合R1- R2（2.2 MOhm），并且耦合R3-R4相同。这样，减少了不需要的偏移，并且不会被仪表放大器（INA128）放大。双输入电路中组件的电路参数之间的任何不匹配都会导致CMRR下降；这样的组件应该很好地匹配（甚至是物理布局），以便选择尽可能低的公差（或者，操作员可以用万用表手动测量其值，以便选择尽可能接近的耦合组件）。 R5（2.2 kOhm）根据以下公式定义INA128增益：

G_INA = 1 +（50kΩ/R5）

ECG信号被INA放大并依次高通经C7和R7滤波（如果C7 = 1 uF和R7 = 2.2 MOhm，则-3 dB截止频率约为0.1 Hz），以消除运算放大器进行最后一次更高放大之前的任何直流偏移电压（1/2 TL062 ）在具有增益的同相配置中：

G_TL062 = 1 +（R8/（Rp + R6））

为使用户在运行时更改增益，运算符可以选择使用可变电阻器（微调/电位器）代替Rp或母插座板，以实现可更改的电阻器（因为未焊接）。但是，在第一种情况下，不可能确切知道ECG信号的实际增益（数据的mV值将是不正确的），而在第二种情况下，可以通过指定应用程序“设置”部分中公式“增益”中的Rp值（请参阅用户手册）。 C8电容创建了一个低通滤波器，其截止频率约为40 Hz，该滤波器的截止频率为-3 dB，R9和C9组成了RC滤波器。截止频率值由以下公式给出：

f = 1/（2 *π* C * R）。

对于40 Hz ［1］时的低通滤波器，RC分量值为：

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

ECG信号在0.1到40 Hz之间的频带中进行滤波，并以等于以下的增益进行放大：

增益= 0.797 * G_INA * G_TL062

R5 = 2，2千欧，R8 = 120千欧，R6 = 100欧姆，Rp = 2，2千欧，

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

要获得滤波器截止频率的准确值，RC滤波器组件应具有尽可能低的容差（或者，操作员可以用万用表手动测量其值，以便选择最接近所需值的值）。

模拟信号通过Arduino板（A0输入通道）进行数字化，然后通过串行通信引脚传输到HC-06模块。最后，数据通过蓝牙发送到智能手机。

参考电极（黑色）是可选的，可以通过卸下跳线J1来排除（或者操作员可以使用开关代替跳线）。该电路配置设计为也可使用两个电极。但是，应该使用参比电极来获得更好的信号质量（更低的噪声）。

步骤6：组件

排除智能手机和一次性部件（电极和电池），整个设备的成本约为43美元（这里被认为是单一产品；如果数量更大，价格就会下降）。

有关所有组件的详细列表（描述和近似成本），请参阅组装手册文件。

步骤7：需要工具

-需要工具：测试仪，剪刀，烙铁，焊丝，螺丝起子和钳子。

步骤8：如何构建-步骤1

-准备带23x21孔（约62 mm x 55 mm）的穿孔原型板

-根据图中所示的PCB顶部布局，焊接：电阻器，连接线，母排插（用于Rp）插座，公头和母头接头连接器（母头接头位置在此处图中适用于Arduino Nano或Arduino Micro），电容器，LED

第9步：如何构建-Step2

-根据此处显示的PCB底部布局连接所有组件。

步骤10：如何构建-步骤3

-使用电池带/固定器，母接头连接器和热缩管实现电池的电线连接器；将其连接到PCB“ con1”（连接器1）

步骤11：如何构建-步骤4

-实现三个电极电缆（使用同轴电缆，母接头连接器，热缩管，鳄鱼夹）并将其连接到PCB，并用一些刚性电缆将其拧紧到板上

步骤12：如何构建-Step5

-实现一个开关（使用滑动开关，母接头连接器，热缩管）并将其连接到PCB

-将INA128，TL062和Rp电阻器插入相应的插座

-程序（请参阅软件说明部分），然后连接Arduino Nano板（应调整穿孔的原型板和母头连接器）如果使用另一个Arduino板（例如UNO或Nano），则在PCB上显示

-将HC-06模块连接到PCB“ con2”（connector2）上

步骤13：如何构建-Step6

-连接跳线J1以使用参考电de

-连接电池

步骤14：如何构建-Step7

-将电路放置在合适的带孔的盒子中，用于容纳LED，电缆和开关。

在组装手册文件中显示了更详细的描述。

步骤15：其他选项

-用于监控应用的ECG信号在0.1到40 Hz之间滤波；可以通过更改R8或C8和R9或C9来提高低通滤波器的上限。

-可以使用微调器或电位器来代替Rp电阻来改变增益（并放大）。 ECG信号）。

-ECG设备也可以与不同的Arduino板一起使用。 Arduino Nano和Arduino UNO经过测试。可以使用其他板（例如Arduino Micro，Arduino Mega等），但是提供的Arduino草图文件需要根据板功能进行修改。

-ECG设备也可以使用HC-05模块而不是HC-06模块。

步骤16：软件说明

不需要软件编程知识。

Arduino编程：可以通过安装Arduino Software IDE（可从Arduino官方网站免费下载）轻松地将Arduino草图文件上传到Arduino板上。可在Arduino官方网站上找到。提供了一个针对Arduino Nano和Arduino UNO的草图文件（“ ECG_SmartApp_skecht_arduino.ino”）（草图已在两个板上进行了测试）。相同的草图也适用于Arduino Micro（此板未经测试）。对于其他Arduino开发板，草图文件可能需要更改。安装ECG SmartApp：要安装该应用程序，请在智能手机内存上复制提供的apk文件“ ECG_SmartApp.apk”（如果带宽为150 Hz，则为“ ECG_SmartApp_upTo150Hz.apk”），将其打开，然后按照说明进行操作接受权限。在安装之前，可能需要通过允许从未知来源安装应用程序来更改智能手机设置（选中“安全”菜单的“未知来源”选项框）。要将ECG设备与HC-06（或HC-05）蓝牙模块连接，在第一次与该模块建立蓝牙连接的情况下，可能会要求输入配对代码或密码：输入“ 1234”。如果该应用程序找不到蓝牙模块，请尝试使用智能手机蓝牙设置（配对代码“ 1234”）将智能手机与HC-06（或HC-05）蓝牙模块配对；此操作仅需要一次（第一次连接）。

步骤17：源文件

可选的源文件可在此处用于修改或个性化应用。但是，需要具备Android编程技能。

步骤18：从ECG SMARTAPP开始-步骤1

-确保连接到设备的电池（最大电压：9V）已充电

-放置电极之前清洁皮肤。干燥的死皮层通常存在于我们的身体表面，并且皮肤和电极之间可能存在气隙，这不利于ECG信号传输到电极。因此，需要在电极和皮肤之间保持潮湿状态。在放置电极胶垫（一次性）之前，需要清洁皮肤（用酒精或至少水浸泡过的薄纸）。

-根据下表放置电极。如果是非一次性电极，则应在皮肤和金属电极之间或至少浸在自来水或盐溶液中的一块布巾之间使用电极导电胶（市售）。

该设备还允许仅使用2个电极来记录ECG（LI，LII或LIII）。参比电极（黑色）是可选的，可以通过使用开关或卸下跳线J1来排除它（请参阅组装手册）。但是，应使用参比电极来获得更好的信号质量（更低的噪声）。

步骤19：从ECG SMARTAPP开始-Step2

-使用开关（红色指示灯亮起）打开ECG设备

-在智能手机上运行应用程序

-按单击“打开”按钮将智能手机连接到ECG设备（应用程序将询问您打开蓝牙的权限：按“是”），等待发现HC-06（或HC-05）蓝牙模块ECG设备。如果第一次与模块建立蓝牙连接，则可能会要求输入配对代码或密码：输入“ 1234”。如果该应用程序找不到蓝牙模块，请尝试使用智能手机蓝牙设置（配对代码“ 1234”）将智能手机与HC-06（或HC-05）蓝牙模块配对；只需一次操作（第一次连接）

-建立连接后，ECG信号将出现在屏幕上；如果是LI（默认铅为LI，要更改铅，请转到“设置”段落），将实时估算心率（HR）。信号将每3秒更新

-要应用数字滤波器，请按“滤波器”按钮，然后从列表中选择一个滤波器。默认情况下，将应用40 Hz的低通滤波器和陷波滤波器（根据设置中保存的首选项）。

步骤20：设置

-按下“设置”按钮以打开设置/首选项页面

-按下“用户手册（help.pdf）”以打开用户手册文件

-选择ECG导线（默认为LI）

-选择陷波滤波器频率（根据干扰频率：50或60 Hz）

-选择文件保存选项可将经过滤波或未滤波的ECG信号保存在文件中

-按下“保存设置”按钮以保存首选项

在进行硬件修改或修改时，增益值可以更改

步骤21：记录ECG信号

-插入文件名（如果用户记录了更多内容） ECG在同一会话中发出信号，但不更改文件名，在文件名的末尾添加一个渐进索引，以避免覆盖前一个

-按“ Rec。”按钮开始记录心电信号

-按“ Stop”按钮停止记录

-每个ECG信号将存储在智能手机内存主根目录下的“ ECG_Files”文件夹内的txt文件中。可以根据设置中保存的首选项存储已过滤或未过滤的ECG信号

-按“重新启动”按钮再次可视化运行时采集的ECG信号

-记录新的ECG信号，重复前面的点

一个ECG文件包含一系列以mV为单位的ECG信号幅度的采样（采样频率：600 Hz）。

步骤22：打开和分析ECG文件

-按下“打开”按钮：“ ECG_Files”文件夹中存储的文件列表将出现

-选择要显示的ECG文件

将显示ECG文件的第一部分（10秒），不显示任何网格。

用户可以在显示屏上手动滚动以可视化ECG信号的任何时间间隔。

要放大或缩小用户，可以按放大镜图标（在图形底部的右上角），也可以直接在智能手机显示屏上使用双指缩放。

当可视化小于5秒的时间间隔（通过放大）时，将自动显示时间轴，电压轴和标准ECG网格。电压轴（y轴）值以mV为单位，而时间轴（x轴）值以秒为单位。

要应用数字过滤器，请按“过滤器”按钮，然后从列表中选择一个过滤器。默认情况下，将应用一个低通滤波器@ 40 Hz，一个用于消除漂移线的滤波器和一个陷波滤波器（根据设置中保存的首选项）。图形标题显示：

-文件名

-根据应用的过滤器的ECG频带

-如果标签“飘移基线已删除”

-根据所应用的陷波滤波器，标签“〜50”或“〜60”

用户可以在两个之间进行测量（时间间隔或幅度）通过使用“获取Pt1”和“获取Pt2”按钮来绘制图形的点。要选择第一个点（Pt1），用户可以按“获取Pt1”并通过直接单击图形来手动选择ECG信号的一个点：红色点将出现在ECG蓝色信号上；如果用户错过了ECG曲线，则不会选择任何点，并且将出现“未选择点”字符串：用户必须重复选择。选择第二个点（Pt2）需要相同的过程。这样，将显示以毫秒（dX）为单位的时间值和以mV（dY）为单位的幅度值之间的差异（Pt2 – Pt1）。 “清除”按钮清除选定的点。

用户可以使用“ +”按钮（放大）和“-”按钮（减小）来调整ECG信号增益；最大增益：5.0，最小增益：0.5

步骤23：FILTERS菜单

-无数字滤波器：删除所有应用的数字滤波器

-消除基线漂移：应用特定处理以消除基线漂移。如果信号非常嘈杂，则处理可能会失败

-高通‘x’Hz：根据指定的截止频率‘x’应用IIR高通滤波器

-低通‘x’Hz：根据指定的截止频率‘x’应用IIR低通滤波器

-消除50 Hz开启（陷波+低通25 Hz）：应用特别稳定的FIR既是50 Hz陷波又是25 Hz左右低通的滤波器

-60 Hz去除开启（陷波+ 25 GHz低通）：应用一个既很稳定又特别陷波的FIR滤波器60 Hz和大约25 Hz处的低通

-去除50 Hz开启：以50 Hz递归陷波滤波器

-60 Hz去除开启：应用递归陷波滤波器60 Hz

-去除50/60 Hz OFF：去除应用的陷波滤波器

步骤24：硬件规格

-最大输入信号幅度（峰峰值）：3.6 mV（最大输入信号幅度取决于硬件增益）

-供电电源：仅使用电池（两者均可用）

-最小电源电压：6V（例如4 x 1.5V电池）

-最大供电电压：9V（例如6 x 1.5V或1 x 9V电池）

-采样频率：600 Hz

-频率带宽@-3dB（硬件）：0.1 Hz-40 Hz（通过更改RC滤波器组件，可以将低通滤波器的上限提高0.1 Hz-150 Hz（请参阅组装手册）

-CMRR：最小值1209 dB

-放大率（硬件增益）：1005（可通过更换增益电阻器来更改（请参见组装手册）-分辨率：5V/（1024 x Hardware_Gain）

-偏置电流最大10 nA-ECG通道数：1

-ECG引线：肢体引线LI，LII和LIII

-智能手机连接：通过蓝牙

-理论电源电流：《50 mA（基于不同组件的数据表信息）

-测量的电源电流：《60 mA（使用9V电压电源和Arduino Nano）/p》

-电极数：2或3

该设备还允许仅使用2个电极来记录ECG（LI，LII或LIII）；电极（黑色）是可选的，可以通过卸下跳线J1（或开关S2，请参阅《组装手册》文件）将其排除。但是，应该使用参比电极来获得更好的信号质量（更低的噪声）。

步骤25：软件规格

-在进行心电图观察时记录（时间窗口：3秒）

-心率估计（仅适用于LI）

-采样频率：600 Hz

-ECG信号记录和保存放入智能手机内存中的txt文件中（根据设置可以将过滤后的信号或未过滤的信号保存在txt文件中）（文件夹：位于主根目录中的“ ECG_Files”文件夹）

-数据（样本）被保存为以600 Hz的mV值（16位值）

-具有缩放选项，网格，增益调整（从“ x 0.5”到“ x 5”）和两点选择的已保存文件可视化（以测量时间距离和幅度差）

-智能手机显示：应用布局可针对不同的显示尺寸进行调整；但是，为了获得更好的可视化效果，建议至少使用3.7英寸显示屏，分辨率为480 x 800像素

数字滤波：

-高通滤波@ 0.1，0.15，0.25 ，0.5、1 Hz

-低通滤波@ 25、35、40 Hz（ECG SmartApp版本中提供了100和150 Hz，带宽为150 Hz）

-陷波滤波以消除@ 50或60 Hz时的电力线干扰

-消除基线漂移