EKG savākšanas ķēde: 5 soļi

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:57

PIEZĪME: Šī nav medicīniska ierīce. Tas ir paredzēts tikai izglītojošiem mērķiem, izmantojot simulētus signālus. Ja izmantojat šo shēmu reāliem EKG mērījumiem, lūdzu, pārliecinieties, ka ķēde un ķēdes un instrumenta savienojumi izmanto pareizas izolācijas metodes

Varbūt visizplatītākais fizioloģiskais mērījums mūsdienu veselības aprūpes nozarē ir elektrokardiogramma (EKG/EKG). Ir grūti staigāt pa slimnīcu vai neatliekamās palīdzības numuru, nedzirdot tradicionālo sirdsdarbības monitora “pīkstienu” vai neredzot EKG viļņu formu, kas pacienta istabā rullē pa ekrānu. Bet kāds ir šis mērījums, kas ir kļuvis tik saistīts ar mūsdienu veselības aprūpi?

Elektrokardiogrammu bieži kļūdaini reģistrē sirds fiziskās aktivitātes, tomēr, kā norāda nosaukums, tā patiesībā ir sirds muskuļu elektriskās aktivitātes, depolarizācijas un repolarizācijas reģistrācija. Analizējot ierakstīto viļņu formu, ārsti var gūt ieskatu sirds elektriskās sistēmas uzvedībā. Dažas izplatītas diagnozes, kas veiktas, izmantojot EKG datus, ietver: miokarda infarktu, plaušu emboliju, aritmijas un AV blokādes.

Turpmāk sniegtajā instrukcijā tiks aprakstīts process un principi, ko izmanto, lai izveidotu pamata elektrisko ķēdi, kas spēj savākt EKG, izmantojot vienkāršus virsmas elektrodus, kā tas tiek darīts slimnīcās.

1. darbība: izstrādājiet instrumentālo pastiprinātāju

Pirmais ķēdes elements, kas nepieciešams EKG signāla ierakstīšanai, ir instrumentu pastiprinātājs. Šim pastiprinātājam ir divi efekti.

1. Tas rada elektronisku buferi starp ierakstīšanas elektrodiem un pārējo ķēdi. Tas samazina nepieciešamo strāvas patēriņu no elektrodiem līdz praktiski nullei. Ļauj savākt signālu ar ļoti maziem izkropļojumiem, ko izraisa ieejas pretestība.

2. Tas atšķirīgi pastiprina ierakstīto signālu. Tas nozīmē, ka neviens signāls, kas ir kopīgs abos ierakstīšanas elektrodos, netiks pastiprināts, bet atšķirības (svarīgās daļas) tiks pastiprinātas.

Parasti virsmas elektrodu ieraksti EKG būs milivoltu diapazonā. Tāpēc, lai iegūtu šo signālu diapazonā, mēs varam strādāt ar 1000 V/V pastiprinājumu (K).

Iepriekš redzamie pastiprinātāja vadošie vienādojumi ir šādi:

K1 = 1 + 2*R2 / R1, tas ir 1. posma pastiprinājums

K2 = - R4/R3, tas ir 2. posma pastiprinājums

Ņemiet vērā, ka ideālā gadījumā K1 un K2 vajadzētu būt aptuveni vienādiem un sasniegt vēlamo pastiprinājumu K1 * K2 = 1000

Mūsu ķēdē izmantotās galīgās vērtības bija….

R1 = 6,5 kOhm

R2 = 100 kOhm

R3 = 3,17 kOhm

R4 = 100 kOhm

2. darbība: iecirtuma filtra izstrāde

Mūsdienu pasaulē ir iespējams, ka EKG tiks savākta citu elektronisko ierīču tuvumā vai pat ēkā, kas tiek apgādāta ar elektrību no vietējām elektrolīnijām. Diemžēl sniegtās jaudas augstsprieguma un svārstību raksturs nozīmē, ka tas radīs lielu daudzumu elektriskā "trokšņa" praktiski jebkurā vadošā materiālā, kas atrodas tā tuvumā; tas ietver vadus un ķēdes elementus, ko izmanto, lai izveidotu mūsu EKG savākšanas ķēdi.

Lai to novērstu, jebkuru signālu, kura frekvence ir vienāda ar troksni, ko rada vietējais barošanas avots (saukts par elektrotīkla troksni), var vienkārši filtrēt un būtībā noņemt. Amerikas Savienotajās Valstīs elektrotīkls nodrošina 110–120 V frekvenci 60 Hz. Tāpēc mums ir jāfiltrē jebkura signāla sastāvdaļa ar frekvenci 60 Hz. Par laimi, tas ir izdarīts daudzas reizes iepriekš, un tam ir nepieciešams tikai iecirtuma filtra dizains (attēlā iepriekš).

Šo filtru regulējošie vienādojumi ir….

R1 = 1 / (2 * Q * w * C)

R2 = (2 * Q) / (w * C)

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

Q = w / B

kur wc2 ir augstā robežfrekvence, w2 zemā robežfrekvence, w nogriešanas frekvence rad/sek un Q kvalitātes koeficients

Ņemiet vērā, ka C ir vērtība, kuru var brīvi izvēlēties. Mūsu ķēdē tika izmantotas šādas vērtības:

R1 = 1,65 kOhm

R2 = 424,5 kOhm

Q = 8

w = 120 * pi rad/sek

3. darbība: zemas caurlaides filtrs

EKG signālu frekvence ir aptuveni 0-150 Hz. Lai novērstu lielāku troksni, kas pievienotos signālam no lietām ar augstāku frekvenci nekā šajā diapazonā, tika ieviests otrās kārtas zemas caurlaidības ButterWorth filtrs ar 150 Hz robežu, lai tikai ļautu EKG signālam iziet cauri ķēdei. Tā vietā, lai nekavējoties izvēlētos viegli pieejamu kondensatora vērtību, tāpat kā iepriekšējās sastāvdaļas, pirmā kondensatora vērtība C2 tika izvēlēta, pamatojoties uz zemāk redzamo formulu. No šīs vērtības var aprēķināt visas pārējās komponentu vērtības un pēc tam pievienot ķēdē, vienlaikus saglabājot pastiprinājumu līdz 1 V/V.

C2 ≈ 10/fc uf, kur fc ir izslēgšanas frekvence (šajā gadījumā 150 Hz).

Pēc tam atlikušās vērtības var aprēķināt, kā parādīts tabulā, kas šajā solī ir iekļauta kā otrais attēls.

Galīgās vērtības, ko izmantoja iepriekšējā shēmā, ir šādas:

C2 = 66 nF

C1 = 33 nF

R1 = 22,47 kOhm

R2 = 22,56 kOhm

4. solis: LabVIEW sagatavošana

Vienīgie materiāli, kas nepieciešami šai EKG kolekcijas sadaļai, ir Windows dators, kas aprīkots ar 64 bitu LabVIEW kopiju, un Nacionālā instrumentu signālu kondicionēšanas plate () ar vienu ievades moduli. Pēc tam LabVIEW funkcionālā blokshēma jāveido šādā veidā. Sāciet, atverot tukšu funkcionālo bloku diagrammu.

Ievietojiet DAQ palīga bloku un pielāgojiet iestatījumus šādi:

Mērīšana: Analogs → Spriegums

Režīms: RSE

Paraugu ņemšana: nepārtraukta paraugu ņemšana

Savāktie paraugi: 2500

Paraugu ņemšanas ātrums: 1000 / sek

Izvadiet savākto viļņu formu viļņu formas grafikā. Turklāt aprēķiniet pašreizējo viļņu formu datu maksimālo vērtību. Reiziniet viļņa maksimālo vērtību ar vērtību, piemēram, 0,8, lai izveidotu maksimuma noteikšanas slieksni, šo vērtību var pielāgot, pamatojoties uz trokšņa līmeni signālā. Ievadiet iepriekšējā posma produktu kā slieksni un neapstrādāta sprieguma masīvu kā datus “Peak Detection” funkcijai. Pēc tam ņemiet pīķa noteikšanas masīva izvadi “Atrašanās vieta” un atņemiet pirmo un otro vērtību. Tas atspoguļo abu masīvu indeksa vērtību atšķirības sākotnējā masīvā. Pēc tam to var pārvērst laika starpībā, dalot vērtību ar izlases ātrumu, piemēram, tas ir 1000 /sek. Visbeidzot, ņemiet apgriezto vērtību (norādot Hz) un reiziniet ar 60, lai iegūtu sirdsdarbības ātrumu sitienos minūtē. Šai galīgajai blokshēmai vajadzētu atgādināt galvenes attēlu šim solim.

5. darbība: pilnas sistēmas integrācija

Tagad, kad visas sastāvdaļas ir konstruētas individuāli, ir pienācis laiks salikt tirdzniecības centru kopā. To var izdarīt, vienkārši savienojot vienas sadaļas izvadi ar nākamā segmenta ievadi. Posmiem jābūt savienotiem tādā pašā secībā, kādā tie parādās šajā pamācībā. Pēdējā posmā, ButterWorth filtram, tā ieejai jābūt piestiprinātai pie viena no diviem signāla kondicionēšanas plates ievades moduļa vadiem. Otrs šī moduļa vads jāpiestiprina pie kopējās ķēdes.

Instrumentu pastiprinātājam abi tā vadi jāpiestiprina pie EKG/EKG elektroda. To ir viegli izdarīt, izmantojot divus aligatora skavas. Pēc tam uzlieciet vienu elektrodu uz katras plaukstas locītavas. Pārliecinieties, vai visi ķēdes segmenti ir savienoti un vai LabVIEW VI darbojas, un sistēmai LabVIEW logā jāizsniedz viļņu diagramma.

Rezultātam vajadzētu izskatīties līdzīgi otrajam attēlam, kas sniegts šajā solī. Ja tas nav līdzīgs, iespējams, būs jāpielāgo jūsu ķēdes vērtības. Viena izplatīta problēma ir tā, ka iecirtuma filtrs netiks centrēts tieši pie 60 Hz un var būt nedaudz augsts vai zems. To var pārbaudīt, filtram izveidojot boda grafiku. Ideālā gadījumā iecirtuma filtram ir vismaz 20 dB vājinājums pie 60 Hz. Var būt arī noderīgi pārbaudīt, vai jūsu vietējā barošana tiek piegādāta ar 60 Hz frekvenci. Nereti dažos apgabalos ir 50 Hz maiņstrāvas avoti, tādēļ būtu jācentrē iecirtuma filtrs ap šo vērtību.