Projektowanie cyfrowego monitora i obwodu EKG: 5 kroków

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

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

Celem tego projektu jest zbudowanie obwodu, który może wzmacniać i filtrować sygnał EKG, znany również jako elektrokardiogram. EKG można wykorzystać do określenia częstości akcji serca i rytmu serca, ponieważ jest w stanie wykryć sygnały elektryczne, które przechodzą przez różne części serca na różnych etapach cyklu pracy serca. Tutaj używamy wzmacniacza oprzyrządowania, filtra wycinającego i filtra dolnoprzepustowego do wzmocnienia i filtrowania EKG. Następnie za pomocą LabView obliczane są uderzenia na minutę i wyświetlana jest graficzna reprezentacja EKG. Gotowy produkt można zobaczyć powyżej.

Krok 1: Wzmacniacz oprzyrządowania

Niezbędne wzmocnienie wzmacniacza pomiarowego wynosi 1000 V/V. Pozwoliłoby to na wystarczające wzmocnienie przychodzącego sygnału, który jest znacznie mniejszy. Wzmacniacz oprzyrządowania jest podzielony na dwie części, stopień 1 i stopień 2. Wzmocnienie każdego stopnia (K) powinno być podobne, tak aby po pomnożeniu wzmocnienie wynosiło około 1000. Do obliczenia wzmocnienia używane są poniższe równania.

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

K2 = -R4/R3

Z tych równań znaleziono wartości R1, R2, R3 i R4. Do budowy układu widocznego na zdjęciach wykorzystano trzy wzmacniacze operacyjne uA741 i rezystory. Wzmacniacze operacyjne zasilane są napięciem 15V z zasilacza DC. Wejście wzmacniacza oprzyrządowania zostało podłączone do generatora funkcji, a wyjście do oscyloskopu. Następnie wykonano przemiatanie AC i znaleziono wzmocnienie Instrumentation Amplifier, jak widać na powyższym wykresie „Instrumentation Amplifier Gain”. Ostatecznie obwód został odtworzony w LabView, gdzie przeprowadzono symulację wzmocnienia, jak widać na czarnym wykresie powyżej. Wyniki potwierdziły, że obwód działał prawidłowo.

Krok 2: Filtr wycinający

Filtr wycinający służy do usuwania szumów występujących przy 60 Hz. Wartości składników można obliczyć korzystając z poniższych równań. Zastosowano współczynnik jakości (Q) równy 8. Wybrano C, biorąc pod uwagę dostępne kondensatory.

R1 = 1/(2*Q*ω*C)

R2 = 2*Q/(ω*C)

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

Znaleziono wartości rezystorów i kondensatorów i skonstruowano powyższy obwód, tam można zobaczyć obliczone wartości. Wzmacniacz operacyjny był zasilany z zasilacza prądu stałego, z wejściem podłączonym do generatora funkcji, a wyjściem z oscyloskopem. Uruchomienie AC Sweep skutkowało powyższym wykresem „Notch Filter AC Sweep” pokazującym, że częstotliwość 60 Hz została usunięta. Aby to potwierdzić, przeprowadzono symulację LabView, która potwierdziła wyniki.

Krok 3: Filtr dolnoprzepustowy

Zastosowano filtr dolnoprzepustowy Butterwortha drugiego rzędu o częstotliwości odcięcia 250 Hz. Do obliczenia wartości rezystora i kondensatora wykorzystano poniższe równania. Dla tych równań częstotliwość graniczna w Hz została zmieniona na rad/s, która wynosiła 1570,8. Zastosowano wzmocnienie K = 1. Podane wartości dla a i b wynosiły odpowiednio 1,414214 i 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 + 4b (K-1))) / (4b)

C2 = (10 / fc)

Po obliczeniu wartości, obwód został skonstruowany z wartościami, które można zobaczyć na jednym z powyższych obrazów. Należy zauważyć, że ponieważ zastosowano wzmocnienie równe 1, R3 został zastąpiony obwodem otwartym, a R4 został zastąpiony zwarciem. Po złożeniu układu wzmacniacz operacyjny był zasilany napięciem 15 V z zasilacza prądu stałego. Podobnie jak w przypadku innych komponentów, wejście i wyjście zostały podłączone odpowiednio do generatora funkcji i oscyloskopu. Utworzono wykres przemiatania AC, widoczny w powyższym „Przemiataniu AC z filtrem dolnoprzepustowym”. Wykres w kolorze czarnym w symulacji LabView obwodu, potwierdzający nasze wyniki.

Krok 4: LabVIEW

Program LabVIEW pokazany na obrazie służy do obliczania uderzeń na minutę i wyświetlania wizualnej reprezentacji wejściowego EKG. Asystent DAQ pozyskuje sygnał wejściowy i ustawia parametry próbkowania. Wykres kształtu fali następnie przedstawia dane wejściowe, które DAQ odbiera w interfejsie użytkownika, aby wyświetlić je użytkownikowi. Na danych wejściowych wykonywanych jest wiele analiz. Maksymalne wartości danych wejściowych znajdują się za pomocą identyfikatora Max/Min, a parametry do wykrywania pików są ustawiane za pomocą funkcji Peak Detection. Wykorzystując tablicę indeksów lokalizacji szczytów, czas pomiędzy maksymalnymi wartościami podanymi przez składnik zmiany czasu i różne operacje arytmetyczne, BPM jest obliczany i wyświetlany jako wyjście numeryczne.

Krok 5: Ukończony obwód

Po podłączeniu wszystkich komponentów cały system został przetestowany za pomocą symulowanego sygnału EKG. Następnie obwód został użyty do filtrowania i wzmacniania ludzkiego EKG z wynikami wyświetlanymi za pomocą wspomnianego wcześniej programu LabView. Elektrody przymocowano do prawego nadgarstka, lewego nadgarstka i lewej kostki. Lewy nadgarstek i prawy nadgarstek były podłączone do wejść wzmacniacza instrumentacyjnego, podczas gdy lewa kostka była podłączona do masy. Wyjście filtra dolnoprzepustowego zostało następnie podłączone do DAQ Assistant. Program został uruchomiony przy użyciu tego samego schematu blokowego LabView co wcześniej. Po przejściu ludzkiego EKG widoczny był wyraźny i stabilny sygnał z wyjścia pełnego systemu, co widać na powyższym obrazku.