Vienkārša automatizēta EKG (1 pastiprinātājs, 2 filtri): 7 soļi

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:54

Elektrokardiogramma (EKG) mēra un parāda sirds elektrisko aktivitāti, izmantojot dažādus uz ādas novietotus elektrodus. EKG var izveidot, izmantojot instrumentu pastiprinātāju, iecirtuma filtru un zemas caurlaidības filtru. Visbeidzot, filtrēto un pastiprināto signālu var vizualizēt, izmantojot LabView programmatūru. LabView izmanto arī signāla ienākošo frekvenci, lai aprēķinātu cilvēka sirdsdarbību. Uzbūvētais mērinstrumentu pastiprinātājs veiksmīgi uztvēra mazo ķermeņa signālu un pastiprināja to līdz 1 V, tāpēc to varēja apskatīt datorā, izmantojot LabView. Izgriezuma un zemas caurlaidības filtri veiksmīgi samazināja 60 Hz troksni no barošanas avotiem un traucējošos signālus virs 350 Hz. Sirdsdarbība miera stāvoklī tika mērīta 75 sitieni minūtē un 137 sitieni minūtē pēc piecu minūšu intensīvas slodzes. Uzbūvētā EKG spēja izmērīt sirdsdarbību pēc reālistiskām vērtībām un vizualizēt tipiskas EKG viļņu formas dažādas sastāvdaļas. Nākotnē šo EKG varētu uzlabot, mainot pasīvās vērtības iecirtuma filtrā, lai samazinātu troksni ap 60 Hz.

1. darbība: izveidojiet instrumentu pastiprinātāju

Jums būs nepieciešams: LTSpice (vai cita shēmas vizualizācijas programmatūra)

Instrumentu pastiprinātājs tika izveidots, lai palielinātu signāla lielumu, lai tas būtu redzams un ļautu analizēt viļņu formu.

Izmantojot R1 = 3.3k omi, R2 = 33k omi, R3 = 1k omi, R4 = 48 omi, tiek sasniegts X pastiprinājums. Pastiprinājums = -R4/R3 (1+R2/R1) = -47k/1k (1- (33k/3.3k)) = -1008

Tā kā galīgajā op pastiprinātājā signāls nonāk apgriežamajā tapā, ieguvums ir 1008. Šis dizains tika izveidots LTSpice, pēc tam simulēts ar maiņstrāvas slaucīšanu no 1 līdz 1 kHz ar 100 punktiem desmitgadē sinusoidālai ieejai ar maiņstrāvas amplitūdu 1 V.

Mēs pārbaudījām, vai mūsu ieguvums ir līdzīgs plānotajam. No grafika mēs atradām Gain = 10^(60/20) = 1000, kas ir pietiekami tuvu mūsu plānotajam ieguvumam 1008.

2. darbība: izveidojiet iecirtuma filtru

Jums būs nepieciešams: LTSpice (vai cita shēmas vizualizācijas programmatūra)

Griezuma filtrs ir noteikta veida zemas caurlaidības filtrs, kam seko augstas caurlaidības filtrs, lai novērstu noteiktu frekvenci. Lai novērstu troksni, ko rada visas 60 Hz frekvences elektroniskās ierīces, tiek izmantots iecirtuma filtrs.

Tika aprēķinātas pasīvās vērtības: C =.1 uF (tika izvēlēta vērtība) 2C =.2 uF (izmantots.22 uF kondensators)

Tiks izmantots AQ koeficients 8: R1 = 1/(2*Q*2*pi*f*C) = 1/(2*8*2*3,14159*60*.1E-6) = 1,66 kOhm (1,8 kOhm tika izmantots) R2 = 2Q/(2*pi*f*C) = (2*8)/(60 Hz*2*3.14159*.1E-6 F) = 424 kOhm (390 kOhm + 33 kOhm = 423 kOhm bija Sprieguma sadalījums: Rf = R1 * R2 / (R1 + R2) = 1,8 kOhm * 423 kOhm / (1,8 kOhm + 423 kOhm) = 1,79 kOhm (tika izmantots 1,8 kOhm)

Šī filtra konstrukcijas ieguvums ir 1, kas nozīmē, ka nav pastiprinošu īpašību.

Pievienojot pasīvās vērtības un simulējot uz LTSpice ar maiņstrāvas slaucīšanu un 0,1 V sinusa viļņa ieejas signālu ar maiņstrāvas frekvenci 1 kHz, tiek iegūts pievienotais kods.

Ar frekvenci aptuveni 60 Hz signāls sasniedz zemāko spriegumu. Filtrs veiksmīgi noņem 60 Hz troksni līdz nepamanāmam 0,01 V spriegumam un nodrošina 1 pastiprinājumu, jo ieejas spriegums ir.1 V.

3. darbība: izveidojiet zemas caurlaides filtru

Jums būs nepieciešams: LTSpice (vai cita shēmas vizualizācijas programmatūra)

Tika izveidots zemas caurlaides filtrs, lai noņemtu signālus virs interesējošā sliekšņa, kas saturētu EKG signālu. Intereses slieksnis bija no 0 līdz 350 Hz.

Kondensatora vērtība tika izvēlēta.1 uF. Nepieciešamā pretestība tiek aprēķināta lielai robežfrekvencei 335 Hz: C = 0,1 uF R = 1/(2pi*0,1*(10^-6)*335 Hz) = 4,75 kOhm (tika izmantota 4,7 kOhm)

Pievienojot pasīvās vērtības un simulējot uz LTSpice ar maiņstrāvas slaucīšanu un 0,1 V sinusa viļņa ieejas signālu ar maiņstrāvas frekvenci 1 kHz, tiek iegūts pievienotais kods.

4. solis: izveidojiet shēmu uz maizes dēļa

Jums būs nepieciešami: dažādu vērtību rezistori, dažādu vērtību kondensatori, UA 471 darbības pastiprinātāji, džemperu kabeļi, maizes dēlis, savienojuma kabeļi, barošanas avots vai 9 V akumulators

Tagad, kad esat simulējis ķēdi, ir pienācis laiks to izveidot uz maizes dēļa. Ja jums nav norādītas precīzas vērtības, izmantojiet to, kas jums ir, vai apvienojiet rezistorus un kondensatorus, lai iegūtu vajadzīgās vērtības. Neaizmirstiet barot savu maizes dēli, izmantojot 9 voltu akumulatoru vai līdzstrāvas barošanas avotu. Katram op pastiprinātājam ir nepieciešams pozitīvs un negatīvs sprieguma avots.

5. darbība: iestatiet LabView vidi

Jums būs nepieciešama: LabView programmatūra, dators

Lai automatizētu viļņu formas parādīšanu un sirdsdarbības ātruma aprēķinu, tika izmantots LabView. LabView ir programma, ko izmanto datu vizualizēšanai un analīzei. EKG ķēdes izeja ir LabView ieeja. Dati tiek ievadīti, attēloti un analizēti, pamatojoties uz turpmāk izklāstīto blokshēmu.

Pirmkārt, DAQ palīgs uztver analogo signālu no ķēdes. Paraugu ņemšanas instrukcijas ir iestatītas šeit. Paraugu ņemšanas ātrums bija 1k paraugu sekundē un intervāls bija 3k ms, tāpēc viļņu formas grafikā redzamais laika intervāls ir 3 sekundes. Viļņu formas diagramma saņēma datus no DAQ palīga un pēc tam attēlo tos priekšējā paneļa logā. Bloku diagrammas apakšējā daļa ietver sirdsdarbības ātruma aprēķinu. Vispirms tiek izmērīts viļņa maksimums un minimums. Pēc tam šos amplitūdas mērījumus izmanto, lai noteiktu, vai notiek maksimumi, kas ir definēti kā 95% no maksimālās amplitūdas, un, ja tā, tiek reģistrēts laika punkts. Kad maksimumi ir konstatēti, amplitūda un laika punkts tiek saglabāti masīvos. Pēc tam pīķu/ sekunžu skaits tiek pārvērsts minūtēs un parādīts priekšējā panelī. Priekšējais panelis parāda viļņu formu un sitienus minūtē.

Ķēde tika savienota ar LabVIEW, izmantojot National Instruments ADC, kā parādīts attēlā iepriekš. Funkciju ģenerators radīja simulētu EKG signālu, kas tika ievadīts ADC, kas pārsūtīja datus uz LabView grafiku attēlošanai un analīzei. Turklāt, tiklīdz BPM tika aprēķināts LabVIEW, ciparu indikators tika izmantots, lai šo vērtību izdrukātu lietojumprogrammas priekšējā panelī gar viļņu formas diagrammu, kā redzams 2. attēlā.

6. darbība: pārbaudiet ķēdi, izmantojot funkciju ģeneratoru

Jums būs nepieciešams: shēma uz maizes dēļa, savienojuma kabeļi, barošanas avots vai 9 V akumulators, National Instruments ADC, LabView programmatūra, dators

Lai pārbaudītu LabView instrumentus, ķēdē tika ievadīta simulēta EKG, un ķēdes izeja tika pievienota LabView, izmantojot National Instruments ADC. Vispirms ķēdē tika ievadīts signāls 20mVpp pie 1 Hz, lai simulētu sirdsdarbību miera stāvoklī. LabView priekšējais panelis ir parādīts attēlā zemāk. P, T, U vilnis un QRS komplekss ir redzami. BMP ir pareizi aprēķināts un parādīts skaitliskajā indikatorā. Caur ķēdi ir ieguvums aptuveni 8 V/0,02 V = 400, kas ir līdzīgs tam, ko mēs redzējām, kad ķēde tika pievienota osciloskopam. Pievienots LabView rezultāta attēls. Tālāk, lai simulētu paaugstinātu sirdsdarbību, piemēram, treniņa laikā, ķēdē tika ievadīts signāls 20mVpp pie 2Hz. Tika iegūts salīdzināms ieguvums ar testu miera stāvoklī. Zem viļņu formas ir redzams, ka visas ātrākās ātrumā ir tās pašas daļas, kas iepriekš. Sirdsdarbības ātrums tiek aprēķināts un parādīts skaitliskajā indikatorā, un mēs redzam paredzamo 120 BPM.

7. darbība: pārbaudiet ķēdi, izmantojot cilvēku

Jums būs nepieciešams: shēma uz maizes dēļa, savienojuma kabeļi, barošanas avots vai 9 V akumulators, National Instruments ADC, LabView programmatūra, dators, elektrodi (vismaz trīs), cilvēks

Visbeidzot, ķēde tika pārbaudīta ar cilvēka subjekta EKG vadu ievadi ķēdē un ķēdes izeju, kas nonāk LabView. Trīs elektrodi tika novietoti uz objektu, lai iegūtu reālu signālu. Elektrodi tika novietoti uz abām plaukstas locītavām un labās potītes. Labā plaukstas locītava bija pozitīva ieeja, kreisā plaukstas locītava bija negatīva un potīte bija noslīpēta. Atkal dati tika ievadīti LabView apstrādei. Elektrodu konfigurācija ir pievienota kā attēls.

Pirmkārt, tika parādīts un analizēts subjekta atpūtas EKG signāls. Mierīgā stāvoklī pacienta sirdsdarbības ātrums bija aptuveni 75 sitieni minūtē. Pēc tam subjekts 5 minūtes piedalījās intensīvās fiziskās aktivitātēs. Objekts tika atkārtoti pievienots un paceltais signāls tika ierakstīts. Sirdsdarbības ātrums pēc aktivitātes bija aptuveni 137 sitieni minūtē. Šis signāls bija mazāks un tajā bija vairāk trokšņa. Elektrodi tika novietoti uz abām plaukstas locītavām un labās potītes. Labā plaukstas locītava bija pozitīva ieeja, kreisā plauksta bija negatīva un potīte bija noslīpēta. Atkal dati tika ievadīti LabView apstrādei.

Vidēji cilvēkam EKG signāls ir aptuveni 1 mV. Mūsu paredzamais ieguvums bija aptuveni 1000, tāpēc mēs sagaidām 1V izejas spriegumu. No XX attēlā redzamā ieraksta miera stāvoklī QRS kompleksa amplitūda ir aptuveni (-0,7)-(-1,6) = 0,9 V. Tas rada 10% kļūdu. (1-0,9)/1*100 = 10% Standarta cilvēka sirdsdarbības ātrums miera stāvoklī ir 60, izmērītais bija aptuveni 75, tas rada | 60-75 |*100/60 = 25% kļūdu. Parastā cilvēka sirdsdarbības ātrums ir 120, izmērītais bija aptuveni 137, tas rada | 120-137 |*100/120 = 15% kļūdu.

Apsveicu! Tagad esat izveidojis savu automatizēto EKG.