Prosty obwód EKG i program pomiaru tętna LabVIEW: 6 kroków

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

Elektrokardiogram, zwany dalej EKG, jest niezwykle potężnym systemem diagnostycznym i monitorującym stosowanym we wszystkich praktykach medycznych. EKG służą do graficznej obserwacji aktywności elektrycznej serca w celu sprawdzenia nieprawidłowości w częstości akcji serca lub sygnalizacji elektrycznej.

Na podstawie odczytu EKG częstość akcji serca pacjentów można określić na podstawie odstępów czasowych między zespołami QRS. Dodatkowo można wykryć inne stany medyczne, takie jak zbliżający się zawał serca przez uniesienie odcinka ST. Takie odczyty mogą mieć kluczowe znaczenie dla prawidłowego diagnozowania i leczenia pacjenta. Załamek P pokazuje skurcz przedsionka serca, krzywa QRS to skurcz komór, a załamek T to repolaryzacja serca. Znajomość nawet prostych informacji, takich jak ta, może szybko zdiagnozować u pacjentów nieprawidłową czynność serca.

Standardowe EKG stosowane w praktyce medycznej ma siedem elektrod, które są umieszczone w łagodnym półkoliście wokół dolnej części serca. Takie rozmieszczenie elektrod pozwala na minimalny hałas podczas rejestracji, a także pozwala na bardziej spójne pomiary. Do naszego celu stworzonego obwodu EKG użyjemy tylko trzech elektrod. Dodatnia elektroda wejściowa zostanie umieszczona na prawym wewnętrznym nadgarstku, ujemna elektroda wejściowa zostanie umieszczona na lewym wewnętrznym nadgarstku, a elektroda uziemienia zostanie podłączona do kostki. Pozwoli to na dokonywanie odczytów w całym sercu ze względną dokładnością. Przy takim rozmieszczeniu elektrod podłączonych do wzmacniacza oprzyrządowania, filtra dolnoprzepustowego i filtra wycinającego, przebiegi EKG powinny być łatwo rozróżnialne jako sygnał wyjściowy z utworzonego obwodu.

UWAGA: To nie jest urządzenie medyczne. 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

Krok 1: Zbuduj wzmacniacz oprzyrządowania

Aby skonstruować oprzyrządowanie wielostopniowe o wzmocnieniu 1000 lub 60 dB, należy zastosować następujące równanie.

Wzmocnienie=(1+2*R1/Wzmocnienie)

R1 jest równy wszystkim rezystorom zastosowanym we wzmacniaczu instrumentacyjnym z wyjątkiem rezystora wzmacniającego, który w pewnym sensie spowoduje, że całe wzmocnienie będzie zaangażowane w pierwszym stopniu wzmacniacza. Zostało to wybrane na 50,3 kΩ. Aby obliczyć rezystor wzmacniający, ta wartość jest podłączona do powyższego równania.

1000=(1+2*50300/Wzmocnienie)

Wzmocnienie=100,7

Po obliczeniu tej wartości, wzmacniacz oprzyrządowania może być skonstruowany jako następujący obwód pokazany w tym kroku. OP/AMP powinny być zasilane napięciem dodatnim i ujemnym 15 woltów, jak pokazano na schemacie obwodu. Kondensatory obejściowe dla każdego OP / AMP powinny być umieszczone w pobliżu OP / AMP szeregowo z zasilaczem, aby wytłumić każdy sygnał prądu przemiennego pochodzący ze źródła zasilania do uziemienia, aby zapobiec smażeniu się OP / AMP i wszelkim dodatkowym szumom, które mogą przyczynić się do do sygnału. Ponadto, aby przetestować rzeczywiste wzmocnienie obwodów, węzeł elektrody dodatniej powinien mieć wejściową falę sinusoidalną, a węzeł elektrody ujemnej powinien być podłączony do masy. Umożliwi to dokładne obserwowanie wzmocnienia obwodu przy sygnale wejściowym mniejszym niż 15 mV między szczytami.

Krok 2: Skonstruuj filtr dolnoprzepustowy drugiego rzędu

Zastosowano filtr dolnoprzepustowy drugiego rzędu w celu usunięcia szumu powyżej częstotliwości będącej przedmiotem zainteresowania dla sygnału EKG, który wynosił 150 Hz.

Wartość K wykorzystywana w obliczeniach dla filtra dolnoprzepustowego drugiego rzędu to wzmocnienie. Ponieważ nie chcemy żadnego wzmocnienia w naszym filtrze, wybraliśmy wartość wzmocnienia 1, co oznacza, że napięcie wejściowe będzie równe napięciu wyjściowemu.

K=1

Dla filtru Butterwortha drugiego rzędu, który będzie używany w tym obwodzie, współczynniki aib są zdefiniowane poniżej. a=1,414214 b=1

Po pierwsze, druga wartość kondensatora jest wybierana jako stosunkowo duży kondensator, który jest łatwo dostępny w laboratorium i świecie rzeczywistym.

C2=0,1 F

Do obliczenia pierwszego kondensatora wykorzystuje się następujące zależności między nim a drugim kondensatorem. Współczynniki K, a i b zostały włączone do równania, aby obliczyć, jaka powinna być ta wartość.

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

Ponieważ pierwszy kondensator jest obliczany jako mniejszy lub równy 50 nF, wybrano następującą wartość kondensatora.

C1=33 nF

Aby obliczyć pierwszy rezystor potrzebny dla tego filtra dolnoprzepustowego drugiego rzędu z częstotliwością odcięcia 150 Hz, rozwiązano następujące równanie przy użyciu zarówno obliczonych wartości kondensatorów, jak i współczynników K, a i b. R1=2/[(częstotliwość odcięcia)*[aC2*sqrt([(a^2+4b(K-1))C2^2-4bC1C2])]

R1=9478 Ohm

Do obliczenia drugiego rezystora zastosowano następujące równanie. Częstotliwość graniczna ponownie wynosi 150 Hz, a współczynnik b wynosi 1.

R2=1/[bC1C2R1(częstotliwość odcięcia)^2]

R2=35,99 kOhm Po obliczeniu powyższych wartości dla rezystorów i kondensatorów potrzebnych w filtrze wycinającym drugiego rzędu, stworzono poniższy obwód, aby pokazać aktywny filtr dolnoprzepustowy, który będzie używany. OP/AMP jest zasilany napięciem dodatnim i ujemnym 15 woltów, jak pokazano na schemacie. Kondensatory obejściowe są podłączone do źródeł zasilania, dzięki czemu każdy sygnał AC wychodzący ze źródła jest kierowany do masy, aby zapewnić, że OP/AMP nie zostanie usmażony przez ten sygnał. Aby przetestować ten etap obwodu EKG, węzeł sygnału wejściowego powinien być podłączony do fali sinusoidalnej i należy wykonać przemiatanie AC od 1 Hz do 200 Hz, aby zobaczyć, jak działa filtr.

Krok 3: Skonstruuj filtr wycinający

Filtr wycinający jest niezwykle ważną częścią wielu układów do pomiaru sygnałów o niskiej częstotliwości. Przy niskich częstotliwościach szum AC o częstotliwości 60 Hz jest niezwykle powszechny, ponieważ jest to częstotliwość prądu zmiennego przepływającego przez budynki w Stanach Zjednoczonych. Szum 60 Hz jest niewygodny, ponieważ znajduje się w środku pasma przepustowego EKG, ale filtr wycinający może usunąć określone częstotliwości, zachowując resztę sygnału. Przy projektowaniu tego filtra wycinającego bardzo ważne jest, aby mieć wysoki współczynnik jakości, Q, aby zapewnić, że odcięcie jest ostre wokół punktu zainteresowania. Poniżej szczegółowo przedstawiono obliczenia użyte do skonstruowania aktywnego filtra wycinającego, który będzie używany w obwodzie EKG.

Najpierw częstotliwość zainteresowania, 60 Hz, musi zostać przekonwertowana z Hz na rad/s.

częstotliwość=2*pi*częstotliwość

częstotliwość=376,99 rad/sekundę

Następnie należy obliczyć szerokość pasma odciętych częstotliwości. Wartości te są określane w sposób, który zapewnia, że główna częstotliwość zainteresowania, 60 Hz, jest całkowicie odcięta i tylko kilka otaczających częstotliwości jest nieznacznie zmienionych.

Przepustowość=Odcięcie2-Odcięcie1

Przepustowość=37.699 Następnie należy określić współczynnik jakości. Współczynnik jakości określa, jak ostre jest nacięcie i jak wąski zaczyna się odcięcie. Jest to obliczane na podstawie szerokości pasma i częstotliwości zainteresowania. Q=częstotliwość/szerokość pasma

Q = 10

Dla tego filtra wybierana jest łatwo dostępna wartość kondensatora. Kondensator nie musi być duży i zdecydowanie nie powinien być za mały.

C=100 nF

Aby obliczyć pierwszy rezystor użyty w tym aktywnym filtrze wycinającym, zastosowano następującą zależność obejmującą współczynnik jakości, częstotliwość zainteresowania i wybrany kondensator.

R1=1/[2QC*częstotliwość]

R1=1326,29 Ohm

Drugi rezystor użyty w tym filtrze jest obliczany z następującej zależności.

R2=2Q/[częstotliwość*C]

R2=530516 Ohm

Ostateczny rezystor dla tego filtra jest obliczany na podstawie dwóch poprzednich wartości rezystora. Oczekuje się, że będzie bardzo podobny do pierwszego obliczonego rezystora.

R3=R1*R2/[R1+R2]

R3=1323 Ohm

Po obliczeniu wszystkich wartości składowych przy użyciu równań opisanych powyżej, należy skonstruować następujący filtr wycinający, aby dokładnie odfiltrować szum prądu przemiennego 60 Hz, który zakłóca sygnał EKG. OP/AMP powinien być zasilany napięciem dodatnim i ujemnym 15 woltów, jak pokazano na poniższym obwodzie. Kondensatory obejściowe są połączone ze źródłami zasilania w OP/AMP, dzięki czemu każdy sygnał AC pochodzący ze źródła zasilania jest kierowany do uziemienia, aby upewnić się, że OP/AMP nie zostanie usmażony. Aby przetestować tę część obwodu, sygnał wejściowy powinien być podłączony do fali sinusoidalnej, a przemiatanie AC powinno być wykonane od 40 Hz do 80 Hz, aby zobaczyć filtrowanie sygnału 60 Hz.

Krok 4: Utwórz program LabVIEW do obliczania tętna

LabVIEW jest użytecznym narzędziem do uruchamiania instrumentów, a także zbierania danych. Do zbierania danych EKG używana jest płyta DAQ, która odczytuje napięcia wejściowe z częstotliwością próbkowania 1 kHz. Te napięcia wejściowe są następnie wyprowadzane na wykres, który służy do wyświetlania zapisu EKG. Zebrane dane przechodzą następnie przez wyszukiwarkę max, która wyświetla maksymalne odczytane wartości. Wartości te pozwalają na obliczenie progu szczytowego na 98% maksymalnej mocy wyjściowej. Następnie detektor pików jest używany do określenia, kiedy dane są większe niż ten próg. Te dane wraz z czasem między szczytami mogą być wykorzystane do określenia tętna. To proste obliczenie dokładnie określi tętno na podstawie napięć wejściowych odczytanych przez tablicę DAQ.

Krok 5: Testowanie

Po zbudowaniu obwodów jesteś gotowy, aby je uruchomić! Po pierwsze, każdy stopień powinien być przetestowany z przemiataniem AC o częstotliwościach od 0,05 Hz do 200 Hz. Napięcie wejściowe nie powinno być większe niż 15 mV od szczytu do szczytu, aby sygnał nie był ograniczany przez ograniczenia OP/AMP. Następnie podłącz wszystkie obwody i ponownie przeprowadź pełne przemiatanie AC, aby upewnić się, że wszystko działa poprawnie. Po tym, jak będziesz zadowolony z wyjścia całego obwodu, nadszedł czas, aby się z nim połączyć. Umieść elektrodę dodatnią na prawym nadgarstku, a elektrodę ujemną na lewym nadgarstku. Umieść elektrodę uziemiającą na kostce. Podłącz wyjście całego obwodu do płyty DAQ i uruchom program LabVIEW. Twój sygnał EKG powinien być teraz widoczny na wykresie przebiegu na komputerze. Jeśli nie jest lub jest zniekształcony, spróbuj zmniejszyć wzmocnienie obwodu do około 10, odpowiednio zmieniając rezystor wzmacniający. Powinno to pozwolić na odczytanie sygnału przez program LabVIEW.