Obwód pobierania EKG: 5 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:32

UWAGA: To nie jest wyrób medyczny. Służy to wyłącznie celom edukacyjnym przy użyciu symulowanych sygnałów. Jeśli używasz tego obwodu do rzeczywistych pomiarów EKG, upewnij się, że obwód i połączenia między obwodem a przyrządem wykorzystują odpowiednie techniki izolacji

Być może najbardziej rozpowszechnionym pomiarem fizjologicznym w dzisiejszej branży opieki zdrowotnej jest elektrokardiogram (EKG/EKG). Trudno jest przejść przez szpital lub izbę przyjęć, nie słysząc tradycyjnego „bipnięcia” monitora tętna lub widząc krzywą EKG toczącą się po ekranie w pokoju pacjenta. Ale czym jest ten pomiar, który stał się tak kojarzony z nowoczesną opieką zdrowotną?

Elektrokardiogram jest często mylony z rejestracją fizycznej aktywności serca, jednak, jak sama nazwa wskazuje, jest to w rzeczywistości zapis aktywności elektrycznej, depolaryzacji i repolaryzacji mięśni serca. Analizując nagrany przebieg, lekarze są w stanie uzyskać wgląd w zachowanie układu elektrycznego serca. Niektóre typowe rozpoznania postawione na podstawie danych EKG obejmują: zawał mięśnia sercowego, zatorowość płucną, zaburzenia rytmu serca i bloki przedsionkowo-komorowe.

Poniższa instrukcja przedstawia proces i zasady stosowane do budowy podstawowego obwodu elektrycznego, który jest w stanie zbierać EKG za pomocą prostych elektrod powierzchniowych, tak jak ma to miejsce w szpitalach.

Krok 1: Zaprojektuj wzmacniacz oprzyrządowania

Pierwszym elementem obwodu wymaganym do rejestracji sygnału EKG jest wzmacniacz oprzyrządowania. Ten wzmacniacz ma dwa efekty.

1. Tworzy bufor elektroniczny pomiędzy elektrodami rejestrującymi a resztą obwodu. Zmniejsza to wymagany pobór prądu z elektrod praktycznie do zera. Umożliwia zbieranie sygnału z bardzo małymi zniekształceniami spowodowanymi przez impedancję wejściową.

2. Różnicowo wzmacnia zarejestrowany sygnał. Oznacza to, że jakikolwiek sygnał wspólny dla obu elektrod rejestrujących nie zostanie wzmocniony, natomiast różnice (ważne części) będą.

Zazwyczaj zapisy elektrod powierzchniowych dla EKG będą mieściły się w zakresie miliwoltów. Dlatego, aby uzyskać ten sygnał w zakresie, możemy pracować ze wzmocnieniem (K) 1000 V/V.

Przedstawione powyżej równania rządzące dla wzmacniacza to:

K1 = 1 + 2*R2 / R1, to jest wzmocnienie stopnia 1

K2 = - R4/R3, to jest wzmocnienie stopnia 2

Zauważ, że idealnie, K1 i K2 powinny być w przybliżeniu równe i aby osiągnąć pożądane wzmocnienie K1 * K2 = 1000

Ostateczne wartości użyte w naszym obwodzie to….

R1 = 6,5 kΩ

R2 = 100 kΩ

R3 = 3,17 kΩ

R4 = 100 kΩ

Krok 2: Projektowanie filtra wycinającego

Jest prawdopodobne, że we współczesnym świecie pobieranie EKG będzie odbywać się w pobliżu innych urządzeń elektronicznych, a nawet tylko w budynku, który jest zasilany energią elektryczną z lokalnych linii energetycznych. Niestety, wysokie napięcie i oscylacyjny charakter dostarczanej mocy oznacza, że będzie ona wytwarzać dużą ilość „szumu” elektrycznego w praktycznie każdym materiale przewodzącym, który znajduje się w pobliżu; obejmuje to przewody i elementy obwodu używane do budowy naszego obwodu zbierania EKG.

Aby temu zaradzić, każdy sygnał o częstotliwości równej szumowi generowanemu przez lokalne zasilanie (tzw. przydźwięk sieciowy) można po prostu odfiltrować i zasadniczo usunąć. W Stanach Zjednoczonych sieć energetyczna dostarcza 110-120V o częstotliwości 60 Hz. Dlatego musimy odfiltrować dowolny składnik sygnału o częstotliwości 60 Hz. Na szczęście zostało to zrobione wiele razy wcześniej i wymaga jedynie zaprojektowania filtra wycinającego (na zdjęciu powyżej).

Równania rządzące tym filtrem to….

R1 = 1 / (2 * Q * w * C)

R2 = (2 * Q) / (w * C)

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

Q = w / B

gdzie wc2 to wysoka częstotliwość graniczna, w2 niska częstotliwość graniczna, w częstotliwość graniczna w rad/s, a Q współczynnik jakości

Zauważ, że C jest wartością, którą można dowolnie wybrać. Następujące wartości użyte w naszym obwodzie to:

R1 = 1,65 kΩ

R2 = 424,5 kOhm

Q = 8

w = 120 * pi rad/s

Krok 3: Filtr dolnoprzepustowy

Sygnały EKG mają częstotliwość około 0 - 150 Hz. Aby zapobiec sprzężeniu większej ilości szumów z sygnałem z obiektów o częstotliwości wyższej niż ten zakres, zastosowano filtr dolnoprzepustowy ButterWorth drugiego rzędu z odcięciem 150 Hz, aby umożliwić przechodzenie przez obwód tylko sygnału EKG. Zamiast od razu wybierać łatwo dostępną wartość kondensatora, podobnie jak poprzednie komponenty, pierwsza wartość kondensatora, C2, została wybrana na podstawie wzoru znajdującego się poniżej. Z tej wartości można obliczyć wszystkie inne wartości komponentów, a następnie dodać je do obwodu, utrzymując ponownie wzmocnienie na poziomie 1 V/V.

C2 ≈ 10/fc uf, gdzie fc jest częstotliwością graniczną (w tym przypadku 150 Hz).

Następnie pozostałe wartości można obliczyć, jak pokazano w tabeli znajdującej się na drugim obrazie w tym kroku.

Wartości końcowe, które zostały umieszczone na powyższym schemacie to:

C2 = 66 nF

C1 = 33 nF

R1 = 22,47 kΩ

R2 = 22,56 kΩ

Krok 4: Przygotowanie LabVIEW

Jedynymi materiałami wymaganymi dla tej części kolekcji EKG jest komputer z systemem Windows wyposażony w 64-bitową kopię LabVIEW i płytkę kondycjonowania sygnału National Instruments () z pojedynczym modułem wejściowym. Schemat bloków funkcjonalnych w LabVIEW powinien być skonstruowany w następujący sposób. Zacznij od otwarcia pustego diagramu bloków funkcjonalnych.

Wstaw blok Asystenta DAQ i dostosuj ustawienia do następujących wartości:

Pomiar: analogowy → napięcie

Tryb: RSE

Pobieranie próbek: Ciągłe pobieranie próbek

Zebrane próbki: 2500

Częstotliwość próbkowania: 1000/s

Prześlij zebrany przebieg do wykresu przebiegu. Dodatkowo oblicz maksymalną wartość aktualnych danych przebiegu. Pomnóż maksymalną wartość fali przez wartość taką jak 0,8, aby utworzyć próg dla wykrywania szczytów, wartość ta może być regulowana w oparciu o poziom szumu w sygnale. Wprowadź produkt z poprzedniego kroku jako próg i surową tablicę napięć jako dane dla funkcji „Wykrywanie szczytów”. Następnie weź dane wyjściowe „Lokalizacja” tablicy wykrywania pików i odejmij pierwszą i drugą wartość. Stanowi to różnicę w wartościach indeksów dwóch pików w początkowej tablicy. Można to następnie przekonwertować na różnicę czasu, dzieląc wartość przez częstotliwość próbkowania, na przykład 1000 /sek. Na koniec weź odwrotność tej wartości (podając Hz) i pomnóż przez 60, aby uzyskać tętno w uderzeniach na minutę BPM. Ostateczny schemat blokowy powinien przypominać obraz nagłówka dla tego kroku.

Krok 5: pełna integracja systemu

Teraz, gdy wszystkie elementy zostały zbudowane indywidualnie, nadszedł czas, aby złożyć centrum handlowe. Można to zrobić przez proste podłączenie wyjścia jednej sekcji do wejścia następnego segmentu. Etapy powinny być połączone w tej samej kolejności, w jakiej pojawiają się w tej instrukcji. W ostatnim etapie, filtr ButterWorth, jego wejście należy podłączyć do jednego z dwóch wyprowadzeń na module wejściowym płytki kondycjonowania sygnału. Drugi przewód z tego modułu należy podłączyć do masy obwodów.

W przypadku wzmacniacza oprzyrządowania, każdy z jego dwóch przewodów powinien być podłączony do elektrody EKG/EKG. Można to łatwo zrobić za pomocą dwóch zacisków krokodylkowych. Następnie umieść jedną elektrodę na każdym nadgarstku. Upewnij się, że wszystkie segmenty obwodu są połączone i że LabVIEW VI działa, a system powinien wyświetlać wykres kształtu fali w oknie LabVIEW.

Wynik powinien wyglądać podobnie do drugiego obrazu dostarczonego w tym kroku. Jeśli nie jest podobny, może być konieczne dostosowanie wartości obwodu. Jednym z powszechnych problemów jest to, że filtr wycinający nie będzie wyśrodkowany bezpośrednio na 60 Hz i może być nieco zbyt wysoki/niski. Można to przetestować, tworząc wykres wróżby dla filtra. Idealnie, filtr wycinający będzie miał tłumienie co najmniej 20 dB przy 60 Hz. Przydatne może być również sprawdzenie, czy lokalne zasilanie jest dostarczane z częstotliwością 60 Hz. Nierzadko zdarza się, że niektóre obszary mają zasilanie prądem przemiennym 50 Hz, co wymagałoby wyśrodkowania filtra wycinającego wokół tej wartości.