Prosty obwód zapisu EKG i czujnik tętna LabVIEW: 5 kroków

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

„To nie jest urządzenie medyczne. Służy wyłącznie do celów edukacyjnych przy użyciu symulowanych sygnałów. Jeśli używasz tego obwodu do rzeczywistych pomiarów EKG, upewnij się, że obwód i połączenia między obwodem a instrumentem wykorzystują odpowiednie techniki izolacji”

Jednym z najbardziej podstawowych aspektów nowoczesnej opieki zdrowotnej jest możliwość uchwycenia fali serca za pomocą EKG lub elektrokardiogramu. Ta technika wykorzystuje elektrody powierzchniowe do pomiaru różnych wzorców elektrycznych emitowanych z serca, dzięki czemu dane wyjściowe mogą być używane jako narzędzie diagnostyczne do diagnozowania chorób serca i płuc, takich jak różne formy tachykardii, blok odgałęzień i przerost. Aby zdiagnozować te stany, kształt fali wyjściowej jest porównywany z normalnym sygnałem EKG.

Aby stworzyć system, który może uzyskać przebieg EKG, sygnał musi być najpierw wzmocniony, a następnie odpowiednio przefiltrowany w celu usunięcia szumu. W tym celu można zbudować trójstopniowy obwód przy użyciu wzmacniaczy OP.

Ten instruktaż dostarczy informacji niezbędnych do zaprojektowania, a następnie zbudowania prostego obwodu zdolnego do rejestrowania sygnału EKG za pomocą elektrod powierzchniowych, a następnie filtrowania tego sygnału w celu dalszego przetwarzania i analizy. Ponadto ten Instruktaż nakreśli jedną technikę stosowaną do analizy tego sygnału w celu stworzenia graficznej reprezentacji wyjścia obwodu, a także metodę obliczania częstości akcji serca na podstawie sygnału wyjściowego obwodu EKG.

Uwaga: podczas projektowania każdego etapu upewnij się, że wykonujesz przemiatanie AC zarówno eksperymentalnie, jak i poprzez symulacje, aby zapewnić pożądane zachowanie obwodu.

Krok 1: Zaprojektuj i zbuduj wzmacniacz oprzyrządowania

Pierwszym stopniem w tym obwodzie EKG jest wzmacniacz oprzyrządowania, który składa się z trzech wzmacniaczy OP. Pierwsze dwa wzmacniacze OP są wejściami buforowanymi, które są następnie podawane do trzeciego wzmacniacza OP, który działa jako wzmacniacz różnicowy. Sygnały z ciała muszą być buforowane, w przeciwnym razie moc wyjściowa ulegnie zmniejszeniu, ponieważ ciało nie może zapewnić dużego prądu. Wzmacniacz różnicowy pobiera różnicę między dwoma źródłami wejściowymi, aby zapewnić mierzalną różnicę potencjałów, jednocześnie eliminując wspólny szum. Ten stopień ma również wzmocnienie 1000, wzmacniając typowe mV do bardziej czytelnego napięcia.

Wzmocnienie obwodu o wartości 1000 dla wzmacniacza oprzyrządowania jest obliczane z przedstawionych równań. Wzmocnienie stopnia 1 wzmacniacza instrumentacyjnego jest obliczane przez (2), a wzmocnienie stopnia 2 wzmacniacza pomiarowego jest obliczane przez (3). K1 i K2 obliczono tak, aby nie różniły się od siebie o więcej niż 15.

Dla wzmocnienia 1000, K1 można ustawić na 40, a K2 na 25. Wszystkie wartości rezystorów można obliczyć, ale ten konkretny wzmacniacz oprzyrządowania używał poniższych wartości rezystorów:

R1 = 40 kΩ

R2 = 780 kΩ

R3 = 4 kΩ

R4 = 100 kΩ

Krok 2: Zaprojektuj i zbuduj filtr wycinający

Kolejnym etapem jest filtr wycinający, który usuwa sygnał 60 Hz dochodzący z gniazdka.

W filtrze wycinającym wartość rezystora R1 jest obliczana przez (4), wartość R2 przez (5), a wartość R3 przez (6). Współczynnik jakości obwodu, Q, jest ustawiony na 8, ponieważ daje to rozsądny margines błędu, a jednocześnie jest realistycznie dokładny. Wartość Q można obliczyć przez (7). Ostatnie równanie rządzące filtru wycinającego jest używane do obliczania szerokości pasma i jest opisane przez (8). Oprócz współczynnika jakości 8, filtr wycinający miał inne specyfikacje konstrukcyjne. Ten filtr został zaprojektowany tak, aby miał wzmocnienie 1, aby nie zmieniał sygnału, podczas gdy usuwa sygnał 60 Hz.

Zgodnie z tymi równaniami R1 = 11,0524 kΩ, R2 = 2,829 MΩ, R3 = 11,09 kΩ i C1 = 15 nF

Krok 3: Zaprojektuj i zbuduj filtr dolnoprzepustowy Butterwortha drugiego rzędu

Ostatnim etapem jest filtr dolnoprzepustowy, który usuwa wszystkie sygnały, które mogą wystąpić powyżej najwyższej częstotliwości składowej fali EKG, takie jak szum WiFi i inne sygnały otoczenia, które mogą odwracać uwagę od sygnału będącego przedmiotem zainteresowania. Punkt -3 dB dla tego etapu powinien wynosić około lub blisko 150 Hz, ponieważ standardowy zakres sygnałów obecnych w fali EKG wynosi od 0,05 Hz do 150 Hz.

Podczas projektowania dolnoprzepustowego filtra Butterwortha drugiego rzędu, obwód jest ponownie ustawiony na wzmocnienie 1, co pozwoliło na prostszą konstrukcję obwodu. Przed przystąpieniem do dalszych obliczeń należy zauważyć, że pożądana częstotliwość odcięcia filtra dolnoprzepustowego jest ustawiona na 150 Hz. Najłatwiej zacząć od obliczenia wartości kondensatora 2, C2, ponieważ od tej wartości zależą inne równania. C2 można obliczyć przez (9). Wychodząc od obliczenia C2, C1 można obliczyć przez (10). W przypadku tego filtra dolnoprzepustowego współczynniki a i b są zdefiniowane, gdzie a = 1,414214 i b = 1. Wartość rezystora R1 jest obliczana przez (11), a wartość rezystora R2 jest obliczana przez (12).

Zastosowano następujące wartości:

R1 = 13,842kΩ

R2 = 54,36kΩ

C1 = 38 nF

C1 = 68 nF

Krok 4: Skonfiguruj program LabVIEW używany do akwizycji i analizy danych

Następnie program komputerowy LabView może być wykorzystany do stworzenia zadania, które stworzy graficzną reprezentację bicia serca na podstawie sygnału EKG i obliczy tętno na podstawie tego samego sygnału. Program LabView osiąga to, najpierw akceptując wejście analogowe z płyty DAQ, która działa również jako konwerter analogowo-cyfrowy. Ten sygnał cyfrowy jest następnie zarówno dalej analizowany, jak i wykreślany, gdzie wykres pokazuje graficzną reprezentację sygnału wejściowego do płyty DAQ. Przebieg sygnału jest analizowany przez pobranie 80% maksymalnych wartości akceptowanego sygnału cyfrowego, a następnie wykorzystuje funkcję detektora szczytów do wykrycia tych szczytów sygnału. Jednocześnie program pobiera przebieg i oblicza różnicę czasu między szczytami przebiegu. Wykrywanie szczytów jest połączone z towarzyszącymi wartościami 1 lub 0, gdzie 1 reprezentuje szczyt, aby utworzyć wskaźnik lokalizacji szczytów, a ten wskaźnik jest następnie używany w połączeniu z różnicą czasu między szczytami, aby matematycznie obliczyć częstość akcji serca w uderzeń na minutę (BPM). Pokazano schemat blokowy, który został użyty w programie LabView.

Krok 5: Pełny montaż

Po zbudowaniu wszystkich obwodów i programu LabVIEW oraz upewnieniu się, że wszystko działa prawidłowo, jesteś gotowy do rejestracji sygnału EKG. Na zdjęciu możliwy schemat montażu całego układu obwodów.

Podłącz elektrodę dodatnią do prawego nadgarstka i jedno z wejść wzmacniacza instrumentalnego w okręgu, a elektrodę ujemną do lewego nadgarstka i drugiego wejścia wzmacniacza instrumentacyjnego, jak pokazano na rysunku. Kolejność wprowadzania elektrod nie ma znaczenia. Na koniec umieść elektrodę uziemiającą na kostce i podłącz do masy w obwodzie. Gratulacje, wykonałeś wszystkie kroki niezbędne do rejestracji i sygnału EKG.