Enostavno EKG vezje in program srčnega utripa LabVIEW: 6 korakov

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:07

Elektrokardiogram ali v nadaljevanju EKG je izredno zmogljiv diagnostični in nadzorni sistem, ki se uporablja v vseh medicinskih praksah. EKG se uporablja za grafično opazovanje električne aktivnosti srca za preverjanje nenormalnosti srčnega utripa ali električne signalizacije.

Na podlagi odčitka EKG lahko bolnikov srčni utrip določimo s časovnim razmikom med kompleksi QRS. Poleg tega se lahko odkrijejo druga zdravstvena stanja, na primer čakajoči srčni napad zaradi zvišanja segmenta ST. Takšni odčitki so lahko ključnega pomena za pravilno diagnozo in zdravljenje pacienta. Val P prikazuje krčenje srčnega atrija, krivulja QRS je krčenje prekata, val T pa repolarizacija srca. Poznavanje celo preprostih informacij, kot je ta, lahko bolnikom hitro diagnosticira nenormalno delovanje srca.

Standardni EKG, ki se uporablja v medicinski praksi, ima sedem elektrod, ki so nameščene v blagem polkrožnem vzorcu okoli spodnjega dela srca. Ta postavitev elektrod omogoča minimalen šum pri snemanju in omogoča tudi bolj dosledne meritve. Za naš namen izdelanega EKG vezja bomo uporabili le tri elektrode. Pozitivna vhodna elektroda bo nameščena na desno notranje zapestje, negativna vhodna elektroda bo nameščena na levo notranje zapestje, ozemljitvena elektroda pa bo priključena na gleženj. To bo omogočilo relativno natančno merjenje odčitkov po srcu. S to postavitvijo elektrod, priključenih na instrumentalni ojačevalnik, nizkoprepustni filter in zarezni filter, je treba valovne oblike EKG zlahka razlikovati kot izhodni signal iz ustvarjenega vezja.

OPOMBA: To ni medicinski pripomoček. To je samo v izobraževalne namene z uporabo simuliranih signalov. Če uporabljate to vezje za prave meritve EKG-ja, se prepričajte, da vezje in povezave vezje-instrument uporabljajo ustrezne izolacijske tehnike

1. korak: Zgradite instrumentacijski ojačevalnik

Za izdelavo večstopenjskega instrumenta z ojačitvijo 1000 ali 60 dB je treba uporabiti naslednjo enačbo.

Dobiček = (1+2*R1/Rgain)

R1 je enak vsem uporom, ki se uporabljajo v instrumentacijskem ojačevalniku, razen ojačevalnega upora, kar bo na nek način povzročilo vključitev vsega dobička v prvo stopnjo ojačevalnika. Izbrano je bilo 50,3 kΩ. Za izračun ojačevalnega upora je ta vrednost priključena na zgornjo enačbo.

1000 = (1+2*50300/povračilo)

Rgain = 100,7

Po izračunu te vrednosti lahko instrumentacijski ojačevalnik sestavimo kot naslednje vezje, prikazano v tem koraku. OP/AMP -ji morajo biti napajani s pozitivnimi in negativnimi 15 volti, kot je prikazano na shemi vezja. Obvodni kondenzatorji za vsak OP/AMP morajo biti nameščeni v bližini OP/AMP zaporedno z napajanjem, da ublažijo vsak izmenični signal, ki prihaja iz vira energije na tla, da se prepreči ocvrtje OP/AMP in kakršen koli dodaten šum, ki bi lahko prispeval na signal. Za preverjanje dejanskega dobička vezja je treba vozlišču pozitivne elektrode dati vhodni sinusni val, vozlišče negativne elektrode pa priključiti na ozemljitev. To bo omogočilo natančno opazovanje dobička vezja z vhodnim signalom od vrha do vrha manjšega od 15 mV.

2. korak: Zgradite nizkoprepustni filter 2. reda

Nizkoprepustni filter 2. reda je bil uporabljen za odstranjevanje hrupa nad frekvenco, ki nas zanima za EKG signal, ki je bil 150 Hz.

Vrednost K, uporabljena pri izračunih za nizkoprepustni filter 2. reda, je dobiček. Ker v našem filtru ne želimo nobenega dobička, smo izbrali vrednost dobička 1, kar pomeni, da bo vhodna napetost enaka izhodni napetosti.

K = 1

Za Butterworthov filter drugega reda, ki bo uporabljen za to vezje, sta spodaj opredeljena koeficienta a in b. a = 1,414214 b = 1

Prvič, druga vrednost kondenzatorja je izbrana kot relativno velik kondenzator, ki je na voljo v laboratoriju in resničnem svetu.

C2 = 0,1 F.

Za izračun prvega kondenzatorja se uporabljajo naslednja razmerja med njim in drugim kondenzatorjem. Koeficienci K, a in b so bili vključeni v enačbo, da bi izračunali, kakšna bi morala biti ta vrednost.

C1 <= C2*[a^2+4b (K-1)]/4b

C1 <= (0,1*10^-6 [1,414214^2+4*1 (1-1)]/4*1

C1 <= 50 nF

Ker se izračuna, da je prvi kondenzator manjši ali enak 50 nF, je bila izbrana naslednja vrednost kondenzatorja.

C1 = 33 nF

Za izračun prvega upora, ki je potreben za ta nizkoprepustni filter drugega reda z mejno frekvenco 150 Hz, je bila naslednja enačba rešena z uporabo izračunanih vrednosti kondenzatorja in koeficientov K, a in b. R1 = 2/[(mejna frekvenca)*[aC2*sqrt ([(a^2+4b (K-1)) C2^2-4bC1C2])]

R1 = 9478 Ohm

Za izračun drugega upora smo uporabili naslednjo enačbo. Mejna frekvenca je spet 150 Hz, koeficient b pa 1.

R2 = 1/[bC1C2R1 (mejna frekvenca)^2]

R2 = 35,99 kOhm Po izračunu zgornjih vrednosti za upore in kondenzatorje, potrebne za zarezni filter drugega reda, je bilo ustvarjeno naslednje vezje, ki prikazuje aktivni nizkoprepustni filter, ki bo uporabljen. OP/AMP se napaja s pozitivnimi in negativnimi 15 volti, kot je prikazano na diagramu. Obvodni kondenzatorji so priključeni na vire napajanja, tako da se vsak izmenični signal, ki prihaja iz vira, preusmeri na tla, da se zagotovi, da OP/AMP zaradi tega signala ne zapeče. Za preizkus te stopnje EKG vezja je treba vozlišče vhodnega signala priključiti na sinusni val in izvesti izmenični tok od 1 Hz do 200 Hz, da vidite, kako deluje filter.

3. korak: Zgradite Notch filter

Zarezni filter je izredno pomemben del številnih vezij za merjenje nizkofrekvenčnih signalov. Pri nizkih frekvencah je 60 Hz izmenični hrup zelo pogost, saj je to frekvenca izmeničnega toka, ki teče skozi stavbe v Združenih državah. Ta 60 Hz šum je neprijeten, saj je sredi prehodnega pasu za EKG, vendar lahko zarezni filter odstrani določene frekvence, hkrati pa ohrani preostali signal. Pri načrtovanju tega filtra z zarezo je zelo pomembno imeti visokokakovosten faktor Q, da zagotovimo, da je odmik odseka oster okoli zanimivosti. Spodaj podrobno opisujemo izračune, uporabljene za izdelavo filtra z aktivno zarezo, ki se bo uporabljal v EKG krogu.

Najprej je treba frekvenco obresti 60 Hz pretvoriti iz Hz v rad/s.

frekvenca = 2*pi*frekvenca

frekvenca = 376,99 rad/sekundo

Nato je treba izračunati pasovno širino odrezanih frekvenc. Te vrednosti so določene na način, ki zagotavlja, da je glavna frekvenca, ki nas zanima, 60 Hz, popolnoma odrezana in le nekaj okoliških frekvenc rahlo vpliva.

Pasovna širina = Cutoff2-Cutoff1

Pasovna širina = 37,699 Nato je treba določiti faktor kakovosti. Faktor kakovosti določa, kako ostra je zareza in kako ozka se začne prekinitev. To se izračuna na podlagi pasovne širine in frekvence obresti. Q = frekvenca/širina pasu

Q = 10

Za ta filter je izbrana hitro dostopna vrednost kondenzatorja. Kondenzator ni nujno velik in vsekakor ne sme biti premajhen.

C = 100 nF

Za izračun prvega upora, uporabljenega v tem filtru z aktivno zarezo, je bilo uporabljeno naslednje razmerje, ki vključuje faktor kakovosti, frekvenco, ki nas zanima, in izbrani kondenzator.

R1 = 1/[2QC*frekvenca]

R1 = 1326,29 ohma

Drugi upor, uporabljen v tem filtru, je izračunan z uporabo naslednjega razmerja.

R2 = 2Q/[frekvenca*C]

R2 = 530516 Ohm

Končni upor za ta filter se izračuna z uporabo prejšnjih dveh vrednosti upora. Pričakuje se, da bo zelo podoben prvemu izračunatemu uporu.

R3 = R1*R2/[R1+R2]

R3 = 1323 ohmov

Ko so vse vrednosti komponent izračunane z zgoraj opisanimi enačbami, je treba izdelati naslednji zarezni filter za natančno filtriranje 60 Hz izmeničnega hrupa, ki bo motil signal EKG. OP/AMP je treba napajati s pozitivnimi in negativnimi 15 volti, kot je prikazano v spodnjem vezju. Obvodni kondenzatorji so priključeni iz virov napajanja na OP/AMP, tako da se vsak izmenični signal, ki prihaja iz vira napajanja, preusmeri na tla, da se zagotovi, da se OP/AMP ne ocvrti. priključiti na sinusni val in izvesti izmenični tok od 40 Hz do 80 Hz, da se prikaže filtriranje signala 60 Hz.

4. korak: Ustvarite program LabVIEW za izračun srčnega utripa

LabVIEW je uporabno orodje za izvajanje instrumentov in zbiranje podatkov. Za zbiranje podatkov EKG se uporablja plošča DAQ, ki bere vhodne napetosti pri frekvenci vzorčenja 1 kHz. Te vhodne napetosti se nato oddajo na ploskev, ki se uporablja za prikaz posnetka EKG. Zbrani podatki nato gredo skozi iskalnik največjih vrednosti, ki prikaže največje odčitane vrednosti. Te vrednosti omogočajo, da se najvišji prag izračuna pri 98% največje moči. Nato se detektor vrhov uporabi za ugotavljanje, kdaj so podatki večji od tega praga. Ti podatki skupaj s časom med vrhovi se lahko uporabijo za določitev srčnega utripa. Ta preprost izračun bo natančno določil srčni utrip iz vhodnih napetosti, ki jih odčita plošča DAQ.

5. korak: Testiranje

Po izdelavi vezja ste pripravljeni, da jih začnete delati! Najprej je treba vsako stopnjo preskusiti z izmeničnim izmenjevanjem frekvenc od 0,05 Hz do 200 Hz. Vhodna napetost ne sme biti večja od 15 mV od vrha do vrha, tako da signal ni omejen zaradi omejitev OP/AMP. Nato priključite vsa vezja in znova zaženite celoten izmenični tok, da se prepričate, da vse deluje pravilno. Ko ste zadovoljni z izhodom celotnega vezja, je čas, da se nanj povežete. Pozitivno elektrodo postavite na desno zapestje, negativno pa na levo zapestje. Ozemljitveno elektrodo namestite na gleženj. Priključite izhod celotnega vezja na ploščo DAQ in zaženite program LabVIEW. Vaš signal EKG bi moral biti zdaj viden na grafu valovne oblike v računalniku. Če ni ali je popačeno, poskusite znižati dobiček vezja na približno 10, tako da ustrezno spremenite ojačevalni upor. To bi moralo omogočiti branje signala s programom LabVIEW.