Enostavno snemanje vezja EKG in merilnik srčnega utripa LabVIEW: 5 korakov

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

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

Eden najbolj temeljnih vidikov sodobnega zdravstva je sposobnost zajema srčnega vala z uporabo EKG ali elektrokardiograma. Ta tehnika uporablja površinske elektrode za merjenje različnih električnih vzorcev, ki jih oddaja srce, tako da se lahko izhod uporablja kot diagnostično orodje za diagnosticiranje bolezni srca in pljuč, kot so različne oblike tahikardije, blok vej in hipertrofija. Za diagnosticiranje teh stanj se izhodna valovna oblika primerja z normalnim EKG signalom.

Za izdelavo sistema, ki lahko pridobi valovno obliko EKG -ja, je treba signal najprej ojačati in nato ustrezno filtrirati, da se odstrani šum. Če želite to narediti, lahko z uporabo OP ojačevalnikov zgradite tristopenjsko vezje.

Ta Instructable bo zagotovil informacije, potrebne za načrtovanje in izdelavo preprostega vezja, ki lahko snema signal EKG s pomočjo površinskih elektrod, nato pa ta signal filtrira za nadaljnjo obdelavo in analizo. Poleg tega bo ta Instructable opisal eno tehniko, ki se uporablja za analizo tega signala, da se ustvari grafični prikaz izhoda vezja, pa tudi metodo za izračun srčnega utripa iz izhoda vezja EKG -ja.

Opomba: pri načrtovanju vsake stopnje ne pozabite izvesti izmeničnega toka tako eksperimentalno kot s simulacijami, da zagotovite želeno vedenje vezja.

1. korak: Oblikujte in izdelajte instrumentacijski ojačevalnik

Prva stopnja v tem EKG vezju je instrumentacijski ojačevalnik, ki je sestavljen iz treh OP ojačevalnikov. Prva dva ojačevalnika OP sta medpomnjena vhoda, ki se nato napajata v tretji ojačevalnik OP, ki deluje kot diferencialni ojačevalnik. Signale iz telesa je treba medpomniti, sicer se bo izhod zmanjšal, ker telo ne more zagotoviti velikega toka. Diferencialni ojačevalnik upošteva razliko med dvema vhodnima viroma, da zagotovi izmerljivo razliko potencialov, hkrati pa odpravi skupni šum. Ta stopnja ima tudi dobiček 1000, ki tipični mV ojača na bolj berljivo napetost.

Dobiček vezja 1000 za instrumentacijski ojačevalnik se izračuna po prikazanih enačbah. Dobiček stopnje 1 instrumentacijskega ojačevalnika se izračuna po (2), stopnja 2 ojačitve instrumentacijskega ojačevalnika pa se izračuna po (3). K1 in K2 sta bila izračunana tako, da se med seboj nista razlikovali za več kot vrednost 15.

Za dobiček 1000 lahko K1 nastavite na 40, K2 pa na 25. Vse vrednosti uporov je mogoče izračunati, vendar je ta instrumentni ojačevalnik uporabil spodnje vrednosti uporov:

R1 = 40 kΩ

R2 = 780 kΩ

R3 = 4 kΩ

R4 = 100 kΩ

2. korak: Oblikujte in izdelajte zarezni filter

Naslednja stopnja je zarezni filter za odstranitev signala 60 Hz, ki prihaja iz vtičnice.

V zarezanem filtru se vrednost upora R1 izračuna s (4), vrednost R2 s (5) in vrednost R3 z (6). Faktor kakovosti vezja Q je nastavljen na 8, ker daje razumno mejo napake, hkrati pa je realno natančen. Vrednost Q se lahko izračuna po (7). Zadnja veljavna enačba zarezanega filtra se uporablja za izračun pasovne širine in je opisana v (8). Poleg faktorja kakovosti 8 je imel zarezni filter prisotne še druge oblikovne specifikacije. Ta filter je zasnovan tako, da ima ojačanje 1, da ne bi spremenil signala, medtem ko odstrani signal 60 Hz.

V skladu s temi enačbami je R1 = 11,0524 kΩ, R2 = 2,829 MΩ, R3 = 11,009 kΩ in C1 = 15 nF

3. korak: Oblikujte in izdelajte nizkoprepustni filter 2. reda Butterworth

Zadnja faza je nizkoprepustni filter, ki odstrani vse signale, ki se lahko pojavijo nad najvišjo frekvenčno komponento vala EKG, na primer šum WiFi, in druge zunanje signale, ki bi lahko odvrnili pozornost od signala, ki nas zanima. Točka -3dB za to stopnjo bi morala biti okoli 150 Hz ali blizu nje, saj je standardni razpon signalov v valovnem območju EKG od 0,05 Hz do 150 Hz.

Pri načrtovanju nizkoprepustnega filtra Butterworth drugega reda je vezje spet nastavljeno na dobiček 1, kar je omogočilo enostavnejšo zasnovo vezja. Preden izvedete kakršne koli nadaljnje izračune, je pomembno upoštevati, da je želena mejna frekvenca nizkoprepustnega filtra nastavljena na 150 Hz. Najlažje je začeti z izračunom vrednosti kondenzatorja 2, C2, saj so druge enačbe odvisne od te vrednosti. C2 je mogoče izračunati z (9). Na podlagi izračuna C2, C1 lahko izračunamo z (10). V primeru tega nizkoprepustnega filtra sta koeficienta a in b določena, kjer je a = 1.414214 in b = 1. Vrednost upora R1 se izračuna z (11), vrednost upora R2 pa z (12).

Uporabljene so bile naslednje vrednosti:

R1 = 13,842 kΩ

R2 = 54,36 kΩ

C1 = 38 nF

C1 = 68 nF

4. korak: Nastavite program LabVIEW za zbiranje in analizo podatkov

Nato lahko z računalniškim programom LabView ustvarite nalogo, ki bo ustvarila grafični prikaz srčnega utripa iz signala EKG in izračunala srčni utrip iz istega signala. Program LabView to doseže tako, da najprej sprejme analogni vhod s plošče DAQ, ki deluje tudi kot analogno -digitalni pretvornik. Ta digitalni signal se nato dodatno analizira in nariše, kjer diagram prikazuje grafično predstavitev signala, ki se vnese na ploščo DAQ. Signalna valovna oblika se analizira tako, da se vzame 80% največjih vrednosti sprejetega digitalnega signala, nato pa z uporabo funkcije detektorja vrhov zazna te vrhove signala. Hkrati program vzame valovno obliko in izračuna časovno razliko med vrhovi valovne oblike. Zaznavanje vrha je skupaj s spremljajočimi vrednostmi bodisi 1 ali 0, pri čemer 1 predstavlja vrh za ustvarjanje indeksa lokacije vrhov, nato pa se ta indeks uporablja skupaj s časovno razliko med vrhovi za matematični izračun srčnega utripa v utripov na minuto (BPM). Prikazan je blok diagram, ki je bil uporabljen v programu LabView.

5. korak: Popolna montaža

Ko sestavite vsa vezja in program LabVIEW ter zagotovite, da vse deluje pravilno, ste pripravljeni na snemanje signala EKG. Na sliki je možna shema celotnega sistema vezja.

Pozitivno elektrodo priključite na desno zapestje in enega od krožnih vhodov ojačevalnika instrumentacije, negativno elektrodo pa na levo zapestje in drugi vhod ojačevalnika instrumentacije, kot je na sliki. Vrstni red vnosa elektrod ni pomemben. Na koncu namestite ozemljitveno elektrodo na gleženj in jo povežite z maso v svojem vezju. Čestitamo, zaključili ste vse potrebne korake za snemanje in EKG signal.