Cyfrowy monitor EKG i tętna: 7 kroków (ze zdjęciami)

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

Elektrokardiogram lub EKG to bardzo stara metoda pomiaru i analizy zdrowia serca. Sygnał odczytany z EKG może wskazywać na zdrowe serce lub szereg problemów. Niezawodny i dokładny projekt jest ważny, ponieważ jeśli sygnał EKG pokazuje zniekształcony kształt fali lub nieprawidłowe bicie serca, osoba może zostać błędnie zdiagnozowana. Celem jest zaprojektowanie obwodu EKG, który będzie w stanie pozyskiwać, wzmacniać i filtrować sygnał EKG. Następnie przekonwertuj ten sygnał za pomocą konwertera A/D do Labview, aby wygenerować wykres w czasie rzeczywistym i tętno w BPM sygnału EKG. Przebieg wyjściowy powinien wyglądać tak, jak na obrazku.

„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: Projektowanie obwodu

Obwód musi być zdolny do odbierania i wzmacniania sygnału EKG. W tym celu połączymy trzy aktywne filtry; wzmacniacz oprzyrządowania, filtr dolnoprzepustowy Butterwortha drugiego rzędu i filtr Notch. Projekt tych obwodów można zobaczyć na zdjęciach. Przejdziemy je pojedynczo, a następnie połączymy je, aby ukończyć pełny obwód.

Krok 2: Wzmacniacz oprzyrządowania

Wzmocnienie wzmacniacza instrumentalnego musi wynosić 1000 V/V, aby uzyskać dobry sygnał. Wzmacnianie przez wzmacniacz oprzyrządowania odbywa się w dwóch etapach. Pierwszy stopień składa się z dwóch wzmacniaczy operacyjnych po lewej stronie oraz rezystorów R1 i R2, a drugi stopień wzmocnienia składa się ze wzmacniacza operacyjnego po prawej stronie oraz rezystorów R3 i R4. Wzmocnienie (wzmocnienie) dla stopnia 1 i stopnia 2 podano w równaniach (1) i (2).

Zysk etapu 1: K1 = 1 + (2R2/R1) (1)

Zysk etapu 2: K2 = R4/R3 (2)

Ważną uwagą na temat wzmocnienia w obwodach jest to, że jest to mnożnik; np. zysk całego obwodu na rysunku 2 wynosi K1*K2. Te równania dają wartości pokazane na schemacie. Materiały potrzebne do tego filtra to trzy wzmacniacze operacyjne LM741, trzy rezystory 1 kΩ, dwa rezystory 24,7 kΩ i dwa rezystory 20 kΩ.

Krok 3: Filtr wycinający

Kolejnym etapem jest filtr wycinający do odcinania szumów przy 60 Hz. Ta częstotliwość musi zostać odcięta, ponieważ przy 60 Hz występuje dużo dodatkowego szumu spowodowanego zakłóceniami linii zasilającej, ale nie usunie ona niczego istotnego z sygnału EKG. Wartości dla komponentów używanych w obwodzie są oparte na częstotliwości, którą chcesz odfiltrować, w tym przypadku 60 Hz (377 rad/s). Równania składowe są następujące

R1= 1/ (6032*C)

R2= 16 / (377*C)

R3 = (R1R2)/ (R1 + R2)

Potrzebne do tego materiały to jeden wzmacniacz operacyjny LM741, trzy rezystory o wartościach 1658 omów, 424,4 kohm i 1651 omów oraz 3 kondensatory, dwa na 100 nF i jeden na 200 nF.

Krok 4: Filtr dolnoprzepustowy

Ostatnim etapem jest filtr dolnoprzepustowy Second Order Butterworth o częstotliwości odcięcia 250 Hz. Jest to częstotliwość graniczna, ponieważ sygnał EKG sięga tylko do maks. 250 Hz. Równania na wartości składników w filtrze są zdefiniowane w następujących równaniach:

R1 = 2/ (1571(1.4C2 + sortowanie(1.4^2 * C2^2 - 4C1C2)))

R2 = 1 / (1571*C1*C2*R1)

C1 < (C2 *1,4^2) / 4

Materiały wymagane do tego filtra to jeden wzmacniacz operacyjny LM741, dwa rezystory 15,3 kohm i 25,6 kohm oraz dwa kondensatory 47 nF i 22 nF.

Po zaprojektowaniu i zbudowaniu wszystkich trzech etapów końcowy obwód powinien wyglądać jak na zdjęciu.

Krok 5: Testowanie obwodu

Po zbudowaniu obwodu należy go przetestować, aby upewnić się, że działa prawidłowo. Przemiatanie AC musi być przeprowadzone na każdym filtrze przy użyciu sygnału wejściowego serca o częstotliwości 1 Hz z generatora napięcia. Odpowiedź wielkości w dB powinna wyglądać jak na obrazach. Jeśli wyniki przemiatania prądem przemiennym są prawidłowe, obwód jest zakończony i gotowy do użycia. Jeśli odpowiedzi nie są poprawne, obwód wymaga debugowania. Zacznij od sprawdzenia wszystkich połączeń i wejść zasilania, aby upewnić się, że wszystko ma dobre połączenie. Jeśli to nie rozwiąże problemu, użyj równań dla komponentów filtrów, aby odpowiednio dostosować wartości rezystancji i kondensatorów, aż wyjście znajdzie się tam, gdzie powinno.

Krok 6: Budowanie VUI w Labview

Labview to oprogramowanie do pozyskiwania danych cyfrowych, które pozwala użytkownikowi zaprojektować VUI lub wirtualny interfejs użytkownika. Płytka DAQ to konwerter A/D, który może konwertować i przesyłać sygnał EKG do Labview. Za pomocą tego oprogramowania sygnał EKG można wykreślić na wykresie amplitudy w funkcji czasu, aby wyraźnie odczytać sygnał, a następnie przekonwertować sygnał na uderzenie serca w BPM. Pierwszą potrzebną do tego rzeczą jest płytka DAQ, która zbiera dane i konwertuje je na sygnał cyfrowy, aby wysłać go do Labview na komputerze. Pierwszą rzeczą, którą trzeba było dodać do projektu Labview, był DAQ Assistant, który pobiera sygnał z płytki DAQ i definiuje parametry próbkowania. Następnym krokiem jest podłączenie wykresu przebiegu do wyjścia asystenta DAQ w projekcie VUI, który wykreśla sygnał EKG pokazujący przebieg EKG. Teraz, gdy wykres kształtu fali jest kompletny, dane również muszą zostać przekonwertowane, aby wygenerować numeryczny wynik tętna. Pierwszym krokiem w tych obliczeniach było znalezienie maksimum danych EKG poprzez połączenie elementu max/min z danymi wyjściowymi danych DAQ w VUI, a następnie przesłanie ich do innego elementu zwanego wykrywaniem szczytów i do elementu, który znalazłby zmiana w czasie zwana dt. Element wykrywający pik również potrzebował progu z max/min, który został obliczony poprzez wzięcie maksimum z elementu max min i pomnożenie go przez 0,8, aby znaleźć 80% wartości maksymalnej, a następnie wprowadzone do elementu wykrywającego pik. Ten próg pozwolił elementowi wykrywającemu pik znaleźć maksimum fali R i lokalizację, w której wystąpiło maksimum, ignorując inne piki sygnału. Lokalizacje pików były następnie przesyłane do elementu tablicy indeksów dodawanego następnie w VUI. Element tablicy indeksów został ustawiony do przechowywania w tablicy z indeksem rozpoczynającym się od 0, a następnie kolejnym zaczynającym się od indeksu 1. Następnie zostały one odjęte od siebie, aby znaleźć różnicę dwóch lokalizacji pików, która odpowiada liczbie punktów między każdym szczytem. Liczba punktów pomnożona przez różnicę czasu między każdym punktem określa czas potrzebny do wystąpienia każdego uderzenia. Zostało to osiągnięte przez pomnożenie wyjścia z elementu dt i wyjścia z odejmowania dwóch tablic. Liczba ta została następnie podzielona przez 60, aby znaleźć uderzenia na minutę, a następnie wyprowadzona za pomocą wskaźnika numerycznego w VUI. Konfiguracja projektu VUI w Labview jest pokazana na rysunku.

Krok 7: Złóż wszystko razem

Po zakończeniu VUI w Labview, ostatnim krokiem jest podłączenie obwodu do płytki DAQ, aby sygnał przepływał przez obwód, do płytki, a następnie do Labview. Jeśli wszystko działa poprawnie, sygnał 1 Hz powinien generować przebieg pokazany na rysunku i bicie serca 60 uderzeń na minutę. Teraz masz działający cyfrowy monitor EKG i tętna.