Łatwe zautomatyzowane EKG (1 wzmacniacz, 2 filtry): 7 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:29

Elektrokardiogram (EKG) mierzy i wyświetla aktywność elektryczną serca za pomocą różnych elektrod umieszczonych na skórze. EKG można utworzyć za pomocą wzmacniacza oprzyrządowania, filtra wycinającego i filtra dolnoprzepustowego. Na koniec, przefiltrowany i wzmocniony sygnał można wizualizować za pomocą oprogramowania LabView. LabView wykorzystuje również przychodzącą częstotliwość sygnału do obliczenia bicia serca pacjenta. Zbudowany wzmacniacz oprzyrządowania z powodzeniem przejął mały sygnał ciała i wzmocnił go do 1 V, dzięki czemu można go było oglądać na komputerze za pomocą LabView. Filtry wycinające i dolnoprzepustowe skutecznie zredukowały szum 60 Hz z zasilaczy i sygnały zakłócające powyżej 350 Hz. Bicie serca w spoczynku zostało zmierzone na 75 uderzeń na minutę i 137 uderzeń na minutę po pięciu minutach intensywnego wysiłku. Zbudowany EKG był w stanie mierzyć uderzenia serca w realistycznych wartościach i wizualizować różne elementy typowej fali EKG. W przyszłości to EKG można poprawić, zmieniając wartości pasywne w filtrze wycinającym, aby zredukować więcej szumów około 60 Hz.

Krok 1: Utwórz wzmacniacz oprzyrządowania

Będziesz potrzebował: LTSpice (lub inne oprogramowanie do wizualizacji obwodów)

Wzmacniacz instrumentalny został stworzony w celu zwiększenia wielkości sygnału tak, aby był widoczny i umożliwiał analizę przebiegu.

Używając R1 = 3,3 k omów, R2 = 33 k omów, R3 = 1 k omów, R4 = 48 omów uzyskuje się wzmocnienie X. Zysk = - R4/R3 (1+R2/R1) = -47k/1k(1-(33k/3,3k)) = -1008

Ponieważ w końcowym wzmacniaczu operacyjnym sygnał trafia do pinu odwracającego, wzmocnienie wynosi 1008. Ten projekt został stworzony w LTSpice, a następnie symulowany z przemiataniem prądu przemiennego od 1 do 1 kHz ze 100 punktami na dekadę dla wejścia fali sinusoidalnej o amplitudzie prądu przemiennego 1 V.

Sprawdziliśmy, że nasz zysk był podobny do zamierzonego. Na wykresie znaleźliśmy Zysk = 10^(60/20) = 1000, co jest wystarczająco bliskie naszemu zamierzonemu zyskowi 1008.

Krok 2: Utwórz filtr wycinający

Będziesz potrzebował: LTSpice (lub inne oprogramowanie do wizualizacji obwodów)

Filtr wycinający to specyficzny typ filtra dolnoprzepustowego, po którym następuje filtr górnoprzepustowy w celu wyeliminowania określonej częstotliwości. Filtr wycinający służy do eliminacji szumów wytwarzanych przez wszystkie urządzenia elektroniczne, które występują przy 60 Hz.

Obliczono wartości pasywne: C = 0,1 uF (wartość została wybrana) 2C = 0,2 uF (używany kondensator 0,22 uF)

Zostanie użyty współczynnik AQ równy 8: R1 = 1/(2*Q*2*pi*f*C) = 1/(2*8*2*3,14159*60*.1E-6) = 1,66 kOhm (1,8 kOhm zastosowano) R2 = 2Q/(2*pi*f*C) = (2*8)/(60 Hz*2*3,14159*.1E-6 F) = 424 kOhm (390 kOhm + 33 kOhm = 423 kOhm było użyty) Podział napięcia: Rf = R1*R2/(R1 + R2) = 1,8 kΩ * 423 kΩ / (1,8 kΩ + 423 kΩ) = 1,79 kΩ (użyto 1,8 kΩ)

Ta konstrukcja filtra ma wzmocnienie 1, co oznacza, że nie ma właściwości wzmacniających.

Włączenie wartości pasywnych i symulacja na LTSpice z AC Sweep i wejściowym sygnałem sinusoidalnym 0,1 V z częstotliwością AC 1 kHz daje załączony wykres Bode.

Przy częstotliwości około 60 Hz sygnał osiąga najniższe napięcie. Filtr skutecznie usuwa szum 60 Hz do niezauważalnego napięcia 0,01 V i zapewnia wzmocnienie 1, ponieważ napięcie wejściowe wynosi 0,1 V.

Krok 3: Utwórz filtr dolnoprzepustowy

Będziesz potrzebował: LTSpice (lub inne oprogramowanie do wizualizacji obwodów)

Utworzono filtr dolnoprzepustowy, aby usunąć sygnały powyżej progu zainteresowania, które zawierałyby sygnał EKG. Próg zainteresowania mieścił się w zakresie 0 – 350 Hz.

Wartość kondensatora została wybrana na 0,1 uF. Wymagana rezystancja jest obliczana dla wysokiej częstotliwości odcięcia 335 Hz: C = 0,1 uF R = 1/(2pi*0,1*(10^-6)*335 Hz) = 4,75 kOhm (użyto 4,7 kOhm)

Włączenie wartości pasywnych i symulacja na LTSpice z AC Sweep i wejściowym sygnałem sinusoidalnym 0,1 V z częstotliwością AC 1 kHz daje załączony wykres Bode.

Krok 4: Utwórz obwód na tablicy do krojenia chleba

Potrzebne będą: rezystory o różnych wartościach, kondensatory o różnych wartościach, wzmacniacze operacyjne UA 471, kable rozruchowe, płytka stykowa, kable połączeniowe, zasilacz lub akumulator 9 V

Teraz, gdy już zasymulowałeś swój obwód, nadszedł czas, aby zbudować go na płytce prototypowej. Jeśli nie masz podanych dokładnych wartości, użyj tego, co masz lub połącz rezystory i kondensatory, aby uzyskać potrzebne wartości. Pamiętaj, aby zasilać deskę do krojenia chleba za pomocą baterii 9 V lub zasilacza prądu stałego. Każdy wzmacniacz operacyjny wymaga dodatniego i ujemnego źródła napięcia.

Krok 5: Konfiguracja środowiska LabView

Potrzebne będą: oprogramowanie LabView, komputer

W celu zautomatyzowania wyświetlania przebiegu i obliczania tętna wykorzystano LabView. LabView to program służący do wizualizacji i analizy danych. Wyjście obwodu EKG jest wejściem dla LabView. Dane są wprowadzane, przedstawiane na wykresach i analizowane w oparciu o zaprojektowany poniżej schemat blokowy.

Najpierw asystent DAQ pobiera sygnał analogowy z układu. Instrukcje pobierania próbek znajdują się tutaj. Częstotliwość próbkowania wynosiła 1k próbek na sekundę, a interwał wynosił 3k ms, dlatego przedział czasu widoczny na wykresie kształtu fali wynosi 3 sekundy. Waveform Graph odebrał dane z DAQ Assistant, a następnie wykreśla je w oknie panelu przedniego. Dolna część schematu blokowego obejmuje obliczanie tętna. Najpierw mierzone jest maksimum i minimum fali. Następnie te pomiary amplitudy są wykorzystywane do określenia, czy występują piki, które są zdefiniowane jako 95% maksymalnej amplitudy, a jeśli tak, rejestrowany jest punkt czasowy. Po wykryciu pików amplituda i punkt czasowy są przechowywane w tablicach. Następnie liczba szczytów/sekund jest przeliczana na minuty i wyświetlana na panelu przednim. Panel przedni pokazuje przebieg i uderzenia na minutę.

Obwód został podłączony do LabVIEW przez przetwornik ADC firmy National Instruments, jak pokazano na powyższym rysunku. Generator funkcji wytworzył symulowany sygnał EKG wprowadzony do przetwornika ADC, który przesłał dane do LabView w celu wykreślenia wykresów i analizy. Dodatkowo, po obliczeniu BPM w LabVIEW, wskaźnik numeryczny został użyty do wydrukowania tej wartości na przednim panelu aplikacji wzdłuż wykresu przebiegu, jak pokazano na rysunku 2.

Krok 6: Przetestuj obwód za pomocą generatora funkcji

Potrzebne będą: układ na płytce stykowej, kable połączeniowe, zasilacz lub bateria 9 V, National Instruments ADC, oprogramowanie LabView, komputer

Aby przetestować oprzyrządowanie LabView, symulowane EKG zostało wprowadzone do obwodu, a wyjście obwodu zostało podłączone do LabView przez National Instruments ADC. Najpierw do obwodu wprowadzono sygnał 20mVpp przy 1Hz, aby symulować bicie serca w spoczynku. Panel przedni LabView jest pokazany na poniższym obrazku. Widoczne są wszystkie załamki P, T, U i zespół QRS. BMP jest poprawnie obliczany i wyświetlany we wskaźniku numerycznym. W obwodzie występuje wzmocnienie około 8 V/0,02 V = 400, które jest podobne do tego, które widzieliśmy, gdy obwód był podłączony do oscyloskopu. Obraz wyniku w LabView jest załączony. Następnie, aby zasymulować przyspieszone bicie serca, na przykład podczas ćwiczeń, do obwodu wprowadzono sygnał 20mVpp przy 2Hz. W przypadku tętna spoczynkowego uzyskano porównywalny wzrost do testu. Poniżej przebiegu widać, że wszystkie części są takie same, jak poprzednio, tylko w szybszym tempie. Tętno jest obliczane i wyświetlane na wskaźniku numerycznym i widzimy oczekiwane 120 BPM.

Krok 7: Przetestuj obwód za pomocą ludzkiego obiektu

Potrzebne będą: obwód na płytce stykowej, kable połączeniowe, zasilacz lub bateria 9 V, National Instruments ADC, oprogramowanie LabView, komputer, elektrody (co najmniej trzy), człowiek

Na koniec, obwód był testowany za pomocą wejść EKG człowieka do obwodu i wyjścia obwodu przechodzącego do LabView. Trzy elektrody zostały umieszczone na obiekcie, aby uzyskać prawdziwy sygnał. Elektrody zostały umieszczone na obu nadgarstkach i prawej kostce. Prawy nadgarstek był dodatni, lewy ujemny, a kostka była oszlifowana. Ponownie dane zostały wprowadzone do LabView w celu przetworzenia. Konfiguracja elektrod jest dołączona jako obraz.

Najpierw wyświetlano i analizowano spoczynkowy sygnał EKG pacjenta. W spoczynku pacjent miał tętno około 75 uderzeń na minutę. Następnie badany uczestniczył w intensywnej aktywności fizycznej przez 5 minut. Podmiot został ponownie połączony i podniesiony sygnał został zarejestrowany. Tętno po aktywności wynosiło około 137 uderzeń na minutę. Ten sygnał był mniejszy i miał więcej szumów. Elektrody zostały umieszczone na obu nadgarstkach i prawej kostce. Prawy nadgarstek był dodatni, lewy ujemny, a kostka była oszlifowana. Ponownie dane zostały wprowadzone do LabView w celu przetworzenia.

Przeciętny człowiek ma sygnał EKG około 1mV. Nasz oczekiwany zysk wyniósł około 1000, dlatego oczekiwalibyśmy napięcia wyjściowego 1V. Z rejestracji w spoczynku widocznej na obrazie XX amplituda zespołu QRS wynosi w przybliżeniu (-0,7)- (-1,6) = 0,9 V. Daje to 10% błąd. (1-0,9)/1*100 = 10% Tętno spoczynkowe standardowego człowieka wynosi 60, zmierzone było około 75, co daje błąd |60-75|*100/60 = 25%. Podwyższone tętno standardowego człowieka wynosi 120, zmierzone było około 137, co daje |120-137|*100/120 = 15% błędu.

Gratulacje! Zbudowałeś teraz własne automatyczne EKG.