Jak zbudować cyfrowy monitor EKG i tętna: 6 kroków

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

Elektrokardiogram (EKG) mierzy aktywność elektryczną bicia serca, aby pokazać, jak szybko bije serce, a także jego rytm. Istnieje impuls elektryczny, znany również jako fala, który przemieszcza się przez serce, aby mięsień sercowy wypompowywał krew z każdym uderzeniem. Prawy i lewy przedsionek tworzą pierwszy załamek P, a prawa i lewa dolna komora tworzą zespół QRS. Końcowa fala T jest od odzyskiwania energii elektrycznej do stanu spoczynku. Lekarze używają sygnałów EKG do diagnozowania chorób serca, dlatego ważne jest, aby uzyskać wyraźne obrazy.

Celem tej instrukcji jest pozyskiwanie i filtrowanie sygnału elektrokardiogramu (EKG) poprzez połączenie wzmacniacza oprzyrządowania, filtra wycinającego i filtra dolnoprzepustowego w obwodzie. Następnie sygnały przejdą przez konwerter A/D do LabView, aby wygenerować wykres w czasie rzeczywistym i bicie serca w BPM.

„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”.

Krok 1: Zaprojektuj wzmacniacz oprzyrządowania

Do zbudowania wzmacniacza instrumentalnego potrzebujemy 3 wzmacniacze operacyjne i 4 różne rezystory. Wzmacniacz instrumentalny zwiększa wzmocnienie fali wyjściowej. W tym projekcie dążyliśmy do wzmocnienia 1000 V, aby uzyskać dobry sygnał. Użyj poniższych równań, aby obliczyć odpowiednie rezystory, gdzie K1 i K2 to wzmocnienie.

Etap 1: K1 = 1 + (2R2/R1)

Etap 2: K2 = -(R4/R3)

W tym projekcie użyto R1 = 20,02 Ω, R2 = R4 = 10 kΩ, R3 = 10 Ω.

Krok 2: Zaprojektuj filtr wycinający

Po drugie, musimy zbudować filtr wycinający przy użyciu wzmacniacza operacyjnego, rezystorów i kondensatorów. Celem tego komponentu jest odfiltrowanie szumu przy 60 Hz. Chcemy filtrować dokładnie przy 60 Hz, więc wszystko poniżej i powyżej tej częstotliwości przejdzie, ale amplituda przebiegu będzie najniższa przy 60 Hz. Aby określić parametry filtra, użyliśmy wzmocnienia 1 i współczynnika jakości 8. Użyj poniższych równań, aby obliczyć odpowiednie wartości rezystorów. Q to współczynnik jakości, w = 2*pi*f, f to częstotliwość środkowa (Hz), B to szerokość pasma (rad/s), a wc1 i wc2 to częstotliwości odcięcia (rad/s).

R1 = 1/(2QwC)

R2 = 2Q/(mc)

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

Q = w/B

B = wc2 - wc1

Krok 3: Zaprojektuj filtr dolnoprzepustowy

Celem tego komponentu jest odfiltrowanie częstotliwości powyżej pewnej częstotliwości odcięcia (wc), zasadniczo nie pozwalając im przejść. Zdecydowaliśmy się na filtrowanie przy częstotliwości 250 Hz, aby uniknąć zbyt bliskiej średniej częstotliwości używanej do pomiaru sygnału EKG (150 Hz). Aby obliczyć wartości, których użyjemy dla tego składnika, użyjemy następujących równań:

C1 <= C2(a^2 + 4b(k-1)) / 4b

C2 = 10/częstotliwość odcięcia (Hz)

R1 = 2 / (wc (a*C2 + (a^2 + 4b(k-1)C2^2 - 4b*C1*C2)^(1/2))

R2 = 1 / (b*C1*C2*R1*wc^2)

Ustawimy wzmocnienie na 1, więc R3 stanie się obwodem otwartym (bez rezystora), a R4 stanie się zwarciem (tylko przewód).

Krok 4: Przetestuj obwód

Przemiatanie AC jest wykonywane dla każdego komponentu w celu określenia skuteczności filtra. Przemiatanie AC mierzy wielkość komponentu przy różnych częstotliwościach. Spodziewasz się zobaczyć różne kształty w zależności od komponentu. Znaczenie przemiatania AC polega na upewnieniu się, że obwód działa prawidłowo po zbudowaniu. Aby wykonać ten test w laboratorium, po prostu nagraj Vout/Vin w zakresie częstotliwości. Dla wzmacniacza instrumentacyjnego testowaliśmy od 50 do 1000 Hz, aby uzyskać szeroki zakres. W przypadku filtra wycinającego przetestowaliśmy od 10 do 90 Hz, aby uzyskać dobre wyobrażenie o tym, jak komponent reaguje w okolicy 60 Hz. W przypadku filtra dolnoprzepustowego przetestowaliśmy od 50 do 500 Hz, aby zrozumieć, jak obwód reaguje, kiedy ma przechodzić, a kiedy ma się zatrzymywać.

Krok 5: Obwód EKG w LabView

Następnie chcesz stworzyć schemat blokowy w LabView, który symuluje sygnał EKG przez przetwornik A/D, a następnie wykreśla sygnał na komputerze. Zaczęliśmy od ustawienia parametrów sygnału naszej tablicy DAQ od określenia oczekiwanego średniego tętna; wybraliśmy 60 uderzeń na minutę. Następnie, używając częstotliwości 1 kHz, byliśmy w stanie określić, że potrzebujemy wyświetlić około 3 sekundy, aby uzyskać 2-3 piki EKG na wykresie przebiegu. Wyświetliliśmy 4 sekundy, aby upewnić się, że uchwycimy wystarczającą liczbę szczytów EKG. Schemat blokowy odczyta przychodzący sygnał i użyje wykrywania szczytów, aby określić, jak często występuje pełne bicie serca.

Krok 6: EKG i tętno

Korzystając z kodu ze schematu blokowego, EKG pojawi się w polu wykresu, a obok niego zostaną wyświetlone uderzenia na minutę. Masz teraz działający pulsometr! Aby rzucić sobie jeszcze większe wyzwanie, spróbuj użyć obwodu i elektrod do wyświetlania tętna w czasie rzeczywistym!