Oblikovanje digitalnega monitorja in vezja EKG: 5 korakov

2025 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2025-01-23 15:09

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

Cilj tega projekta je zgraditi vezje, ki lahko ojača in filtrira EKG signal, znan tudi kot elektrokardiogram. Z EKG lahko določimo srčni utrip in srčni ritem, saj lahko zazna električne signale, ki prehajajo skozi različne dele srca med različnimi stopnjami srčnega cikla. Tukaj za ojačanje in filtriranje EKG uporabljamo instrumentacijski ojačevalnik, zarezni filter in nizkoprepustni filter. Nato se z uporabo LabView izračuna utrip na minuto in prikaže grafični prikaz EKG -ja. Končni izdelek si lahko ogledate zgoraj.

1. korak: Instrumentacijski ojačevalnik

Potreben dobiček za instrumentacijski ojačevalnik je 1000 V/V. To bi omogočilo zadostno ojačanje vhodnega signala, ki je veliko manjši. Instrumentacijski ojačevalnik je razdeljen na dva dela, stopnjo 1 in stopnjo 2. Dobiček vsake stopnje (K) mora biti podoben, tako da je pri množenju dobiček okoli 1000. Spodnje enačbe se uporabljajo za izračun dobička.

K1 = 1 + ((2*R2)/R1)

K2 = -R4/R3

Iz teh enačb so bile ugotovljene vrednosti R1, R2, R3 in R4. Za izdelavo vezja na slikah so bili uporabljeni trije operacijski ojačevalniki in upori uA741. Op ojačevalniki se napajajo s 15V iz enosmernega napajanja. Vhod instrumentacijskega ojačevalnika je bil povezan s funkcijskim generatorjem, izhod pa z osciloskopom. Nato smo posneli izmenični tok in ugotovili ojačanje instrumentacijskega ojačevalnika, kot je razvidno na zgornji ploskvi "Dobiček ojačevalnika instrumentacije". Nazadnje je bilo vezje ponovno ustvarjeno v LabViewu, kjer je bila izvedena simulacija dobička, kot je razvidno iz zgornje črne risbe. Rezultati so potrdili, da je vezje delovalo pravilno.

Korak: Zarezni filter

Zarezni filter se uporablja za odstranjevanje hrupa, ki se pojavi pri 60 Hz. Vrednosti komponent je mogoče izračunati z uporabo spodnjih enačb. Uporabljen je bil faktor kakovosti (Q) 8. C je bil izbran glede na razpoložljive kondenzatorje.

R1 = 1/(2*Q*ω*C)

R2 = 2*Q/(ω*C)

R3 = (R1*R2)/(R1+R2)

Vrednosti upora in kondenzatorja so bile najdene in zgornje vezje je bilo zgrajeno, tam so izračunane vrednosti. Operacijski ojačevalnik je bil napajan z enosmernim napajanjem, pri čemer je vhod priključen na funkcijski generator, izhod pa na osciloskop. Izvajanje izmeničnega toka je povzročilo zgornjo ploskev "Notw Filter AC Sweep", ki je pokazala, da je bila odstranjena frekvenca 60 Hz. Za potrditev tega je bila izvedena simulacija LabView, ki je potrdila rezultate.

3. korak: Nizkoprepustni filter

Uporablja se nizkoprepustni filter drugega reda Butterworth z odrezano frekvenco 250Hz. Za določitev vrednosti upora in kondenzatorja so bile uporabljene spodnje enačbe. Za te enačbe se je mejna frekvenca v Hz spremenila v rad/s, kar je bilo 1570,8. Uporabljen je bil dobiček K = 1. Vrednosti za a in b sta bili 1,414214 oziroma 1.

R1 = 2 / (wc (a C2 + sqrt (a^2 + 4 b (K - 1)) C2^2 - 4 b C1 C2))

R2 = 1/ (b C1 C2 R1 wc^2)

R3 = K (R1 + R2) / (K - 1)

R4 = K (R1 + R2)

C1 = (C2 (a^2 + 4 b (K-1)) / (4 b)

C2 = (10 / fc)

Ko so bile vrednosti izračunane, je bilo vezje zgrajeno z vrednostmi, ki jih lahko vidimo na eni od zgornjih slik. Treba je opozoriti, da je bil od uporabe dobička 1 R3 zamenjan z odprtim vezjem, R4 pa s kratkim stikom. Ko je bilo vezje sestavljeno, se je operacijski ojačevalnik napajal s 15V iz enosmernega napajanja. Podobno kot pri drugih komponentah sta bila vhod in izhod povezana s funkcijskim generatorjem in osciloskopom. Ustvarjen je bil diagram pometanja izmeničnega toka, ki je prikazan v zgornjem "Nizkoprepustni filter AC pometanje". Načrt v črni barvi v simulaciji vezja LabView, ki potrjuje naše rezultate.

4. korak: LabVIEW

Na sliki prikazan program LabVIEW se uporablja za izračun utripov na minuto in za prikaz vizualnega prikaza vhodnega EKG -ja. Pomočnik DAQ pridobi vhodni signal in nastavi parametre vzorčenja. Graf valovne oblike nato nariše vhod, ki ga DAQ prejme v uporabniškem vmesniku in ga prikaže uporabniku. Na vhodnih podatkih je narejenih več analiz. Največje vrednosti vhodnih podatkov so ugotovljene z identifikatorjem maks/min, parametri za zaznavanje vrhov pa so nastavljeni z zaznavanjem vrhov. Z uporabo indeksnega niza lokacij vrhov, časa med največjimi vrednostmi, ki jih določa komponenta Sprememba časa, in različnimi aritmetičnimi operacijami se BPM izračuna in prikaže kot številski izhod.

5. korak: Dokončano vezje

Ko so bile vse komponente povezane, je bil celoten sistem preizkušen s simuliranim EKG signalom. Nato je bilo vezje uporabljeno za filtriranje in ojačanje človeškega EKG -ja z rezultati, ki so prikazani v prej omenjenem programu LabView. Elektrode so bile pritrjene na desno zapestje, levo zapestje in levi gleženj. Levo zapestje in desno zapestje sta bila povezana z vhodi instrumentacijskega ojačevalnika, levi gleženj pa za ozemljitev. Izhod nizkoprepustnega filtra je bil nato priključen na pomočnika DAQ. Z istim blok diagramom LabView od prej je bil program zagnan. Ko je človeški EKG prehajal, je bil iz izhoda celotnega sistema viden jasen in stabilen signal, kar je razvidno iz zgornje slike.