Monitor EKG: 8 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.

Elektrokardiografia to proces rejestrowania sygnałów elektrycznych generowanych przez serce pacjenta w celu uzyskania informacji o czynności serca. Aby sygnał elektryczny został skutecznie wychwycony, musi zostać przefiltrowany i wzmocniony przez komponenty elektryczne. Informacje muszą być również przedstawione użytkownikowi w jasny i skuteczny sposób.

Poniższa instrukcja opisuje, jak zbudować obwód wzmacniający/filtrujący, a także interfejs użytkownika. Obejmuje budowę wzmacniacza oprzyrządowania, filtra wycinającego, filtra dolnoprzepustowego i interfejsu użytkownika w LabVIEW.

Pierwszym krokiem w procesie jest określenie wymagań układu analogowego. Po zdefiniowaniu wymagań podejmowane są decyzje o tym, jakie podstawowe elementy będą stanowić obwód. Później omawiane są mniejsze szczegóły dotyczące charakterystyk tych głównych komponentów, a na koniec faza projektowania obwodu jest zakończona zdefiniowaniem dokładnych wartości każdego rezystora i kondensatora w obwodzie.

Krok 1: Definiowanie wymagań i podstawowych komponentów

Zadaniem obwodu jest wzmocnienie sygnału EKG generowanego przez pacjenta i odfiltrowanie wszystkich związanych z nim szumów. Surowy sygnał składa się ze złożonego kształtu fali o maksymalnej amplitudzie około 2 mV i składowych częstotliwości w zakresie od 100 Hz do 250 Hz w zespole QRS. To jest sygnał, który należy wzmocnić i zarejestrować.

Oprócz tego sygnału zainteresowania, szum jest wytwarzany z kilku źródeł. Zasilacze generują szum o częstotliwości 60 Hz, a ruch pacjenta powoduje powstawanie artefaktów w zakresie poniżej 1 Hz. Więcej szumów o wysokiej częstotliwości jest wprowadzanych z promieniowania tła i sygnałów telekomunikacyjnych, takich jak telefony komórkowe i bezprzewodowy internet. Ten zbiór szumów jest sygnałem do przefiltrowania.

Obwód musi najpierw wzmocnić surowy sygnał. Następnie musi odfiltrować szum 60 Hz i wszelkie inne szumy powyżej 160 Hz. Filtrowanie szumów o niskiej częstotliwości związanych z ruchem pacjenta jest uważane za niepotrzebne, ponieważ pacjent może zostać po prostu poinstruowany, aby się nie ruszał.

Ponieważ sygnał jest mierzony jako różnica potencjałów między dwiema elektrodami umieszczonymi na pacjencie, wzmocnienie uzyskuje się poprzez zastosowanie wzmacniacza instrumentalnego. Można również użyć prostego wzmacniacza różnicowego, ale wzmacniacze oprzyrządowania często działają lepiej pod względem tłumienia szumów i tolerancji. Filtrowanie 60 Hz uzyskuje się za pomocą filtra wycinającego, a resztę filtrowania wysokich częstotliwości uzyskuje się za pomocą filtra dolnoprzepustowego. Te trzy elementy składają się na cały układ analogowy.

Znając trzy elementy obwodu, można określić mniejsze szczegóły dotyczące wzmocnienia, częstotliwości odcięcia i szerokości pasma komponentów.

Wzmacniacz oprzyrządowania zostanie ustawiony na wzmocnienie 670. Jest to wystarczająco duże, aby zarejestrować mały sygnał EKG, ale także wystarczająco małe, aby zapewnić, że wzmacniacze operacyjne zachowują się w swoim zakresie liniowym podczas testowania obwodu sygnałami bliskimi 20 mV, ponieważ jest minimum w niektórych generatorach funkcji.

Filtr wycinający będzie wyśrodkowany na 60 Hz.

Filtr dolnoprzepustowy będzie miał częstotliwość odcięcia 160 Hz. Powinno to nadal wychwytywać większość zespołu QRS i odrzucać szumy tła o wysokiej częstotliwości.

Krok 2: Wzmacniacz oprzyrządowania

Powyższe schematy opisują wzmacniacz oprzyrządowania.

Wzmacniacz ma dwa stopnie. Pierwszy etap składa się z dwóch wzmacniaczy operacyjnych po lewej stronie powyższych obrazów, a drugi etap składa się z jednego wzmacniacza operacyjnego po prawej stronie. Wzmocnienie każdego z nich można dowolnie modulować, ale zdecydowaliśmy się zbudować go ze wzmocnieniem 670 V/V. Można to osiągnąć dzięki następującym wartościom rezystancji:

R1: 100 omów

R2: 3300 omów

R3: 100 omów

R4: 1000 omów

Krok 3: Filtr wycinający

Powyższe schematy opisują filtr wycinający. Jest to filtr aktywny, więc możemy zdecydować się na wzmocnienie lub osłabienie sygnału, jeśli chcemy, ale osiągnęliśmy już wszystkie niezbędne wzmocnienie, więc wybieramy wzmocnienie jednego dla tego wzmacniacza operacyjnego. Częstotliwość środkowa powinna wynosić 60 Hz, a współczynnik jakości powinien wynosić 8. Można to osiągnąć przy następujących wartościach składowych:

R1: 503 omów

R2: 128612 omów

R3: 503 omów

C: 0,33 mikrofaradów

Krok 4: Filtr dolnoprzepustowy

Ponownie, jest to filtr aktywny, więc możemy wybrać dowolne wzmocnienie, ale wybierzemy 1. Jest to osiągane przez przekształcenie R4 powyżej w zwarcie, a R3 w obwód otwarty. Resztę, podobnie jak w przypadku innych elementów, osiągamy wykorzystując nasze wcześniej zdefiniowane wymagania w połączeniu z równaniami rządzącymi obwodami w celu uzyskania wartości poszczególnych elementów:

R1: 12056 omów

R2: 19873,6 Ohm

C1: 0,047 mikrofaradów

C2: 0,1 mikrofaradów

Krok 5: Wirtualne projektowanie pełnego obwodu

Projektowanie obwodu w oprogramowaniu do budowania obwodów wirtualnych, takim jak PSPICE, może być bardzo pomocne w wykrywaniu błędów i utrwalaniu planów przed przejściem do wytwarzania prawdziwych obwodów analogowych. W tym momencie można przechwytywać przebiegi AC obwodu, aby upewnić się, że wszystko działa zgodnie z planem.

Krok 6: Zbuduj pełny obwód

Obwód można zbudować w dowolny sposób, ale w tym przypadku wybrano płytkę stykową.

Zaleca się montaż na płytce stykowej, ponieważ jest łatwiejszy niż lutowanie, ale lutowanie dałoby większą trwałość. Zaleca się również umieszczenie kondensatora bocznikującego 0,1 mikrofarada równolegle do źródła zasilania, ponieważ pomaga to wyeliminować niepożądane odchylenia od stałej mocy.

Krok 7: Interfejs użytkownika LabVIEW

Interfejs użytkownika LabVIEW umożliwia konwersję sygnałów analogowych do wizualnej i numerycznej reprezentacji sygnału EKG, która jest łatwa do interpretacji przez użytkownika. Płytka DAQ służy do konwersji sygnału z analogowego na cyfrowy, a dane są importowane do LabVIEW.

Oprogramowanie jest programem obiektowym, który pomaga w przetwarzaniu danych i tworzeniu interfejsów. Dane są najpierw przedstawiane wizualnie przez wykres, a następnie wykonywane jest przetwarzanie sygnału w celu określenia częstotliwości bicia serca, aby można je było wyświetlić obok wykresu.

Aby określić częstotliwość tętna, należy wykryć bicie serca. Można to osiągnąć za pomocą obiektu detekcji pików Lab VIEW. Obiekt wyprowadza indeksy szczytów w otrzymanej tablicy danych, które można następnie wykorzystać w obliczeniach do określenia czasu, jaki upływa między uderzeniami serca.

Ponieważ szczegóły LabVIEW byłyby zupełnie inne Instructable, zostawimy szczegóły innemu źródłu. Dokładne działanie programu można zobaczyć na powyższym schemacie blokowym.

Krok 8: Ostateczny interfejs użytkownika LabVIEW

Ostateczny interfejs użytkownika wyświetla wzmocniony, przefiltrowany, przetworzony i przetworzony sygnał wraz z odczytem częstości akcji serca w uderzeniach na minutę