Vienkārša EKG shēma un LabVIEW sirdsdarbības programma: 6 soļi

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

Elektrokardiogramma vai EKG ir ārkārtīgi spēcīga diagnostikas un uzraudzības sistēma, ko izmanto visās medicīnas praksēs. EKG izmanto, lai grafiski novērotu sirds elektrisko aktivitāti, lai pārbaudītu sirdsdarbības vai elektriskās signalizācijas novirzes.

No EKG rādījumiem pacientu sirdsdarbības ātrumu var noteikt pēc laika intervāla starp QRS kompleksiem. Turklāt var noteikt citus veselības stāvokļus, piemēram, gaidāmu sirdslēkmi ar ST segmenta pacēlumu. Šādi rādījumi var būt izšķiroši, lai pareizi diagnosticētu un ārstētu pacientu. P vilnis parāda sirds ātrija kontrakciju, QRS līkne ir sirds kambaru kontrakcija, un T vilnis ir sirds repolarizācija. Zinot pat tādu vienkāršu informāciju kā šī, pacientiem var ātri diagnosticēt sirdsdarbības traucējumus.

Standarta EKG, ko izmanto medicīnas praksē, ir septiņi elektrodi, kas novietoti vieglā pusapaļā veidā ap sirds apakšējo daļu. Šāds elektrodu izvietojums nodrošina minimālu troksni ierakstīšanas laikā, kā arī ļauj veikt konsekventākus mērījumus. Izveidotajai EKG shēmai mēs izmantosim tikai trīs elektrodus. Pozitīvais ievades elektrods tiks novietots uz labās iekšējās plaukstas locītavas, negatīvais ievades elektrods tiks novietots uz kreisās iekšējās plaukstas locītavas, un zemes elektrods tiks savienots ar potīti. Tas ļaus salīdzinoši precīzi nolasīt sirdi. Izmantojot šo elektrodu izvietojumu, kas savienots ar instrumentu pastiprinātāju, zemas caurlaides filtru un iecirtuma filtru, EKG viļņu formām jābūt viegli atšķiramām kā izejas signālam no izveidotās ķēdes.

PIEZĪME: Šī nav medicīnas 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

1. darbība: izveidojiet instrumentālo pastiprinātāju

Lai izveidotu daudzpakāpju instrumentus ar pastiprinājumu 1000 vai 60 dB, jāpiemēro šāds vienādojums.

Ieguvums = (1+2*R1/Rgain)

R1 ir vienāds ar visiem rezistoriem, ko izmanto instrumentu pastiprinātājā, izņemot pastiprinājuma rezistoru, kas savā ziņā izraisīs visu pastiprinājumu pastiprinātāja pirmajā posmā. Tas tika izvēlēts kā 50,3 kΩ. Lai aprēķinātu pastiprinājuma rezistoru, šī vērtība ir pievienota iepriekšminētajam vienādojumam.

1000 = (1+2*50300/Rgain)

Rgains = 100,7

Pēc šīs vērtības aprēķināšanas mērinstrumentu pastiprinātāju var veidot kā šajā shēmā parādīto shēmu. OP/AMP jābūt barotam ar pozitīviem un negatīviem 15 voltiem, kā parādīts shēmas shēmā. Katra OP/AMP apvedceļa kondensatori jānovieto pie OP/AMP sērijveidā ar barošanas avotu, lai slāpētu jebkuru maiņstrāvas signālu, kas nāk no barošanas avota uz zemi, lai novērstu OP/AMP apcepšanu un jebkādu papildu troksni, kas varētu veicināt uz signālu. Tāpat, lai pārbaudītu ķēžu faktisko pieaugumu, pozitīvajam elektrodu mezglam jāpiešķir sinusa viļņa ieeja un negatīvajam elektrodu mezglam jābūt savienotam ar zemi. Tas ļaus precīzi redzēt ķēdes pastiprinājumu ar ieejas signālu, kas ir mazāks par 15 mV no maksimuma līdz maksimumam.

2. darbība: izveidojiet otrās kārtas zemas caurlaides filtru

Otrās kārtas zemas caurlaides filtrs tika izmantots, lai novērstu troksni virs EKG signāla interesējošās frekvences, kas bija 150 Hz.

Otrās kārtas zemas caurlaidības filtra aprēķinos izmantotā K vērtība ir ieguvums. Tā kā mēs nevēlamies palielināt filtru, mēs izvēlējāmies pastiprinājuma vērtību 1, kas nozīmē, ka ieejas spriegums būs vienāds ar izejas spriegumu.

K = 1

Otrās kārtas Butterworth filtram, kas tiks izmantots šai ķēdei, a un b koeficienti ir definēti zemāk. a = 1,414214 b = 1

Pirmkārt, otrā kondensatora vērtība tiek izvēlēta kā salīdzinoši liels kondensators, kas ir viegli pieejams laboratorijā un reālajā pasaulē.

C2 = 0,1 F

Lai aprēķinātu pirmo kondensatoru, tiek izmantotas šādas attiecības starp to un otro kondensatoru. K, a un b koeficienti tika pievienoti vienādojumam, lai aprēķinātu, kādai vajadzētu būt šai vērtībai.

C1 <= C2*[a^2+4b (K-1)]/4b

C1 <= (0,1*10^-6 [1.414214^2+4*1 (1-1)]/4*1

C1 <= 50 nF

Tā kā tiek aprēķināts, ka pirmais kondensators ir mazāks vai vienāds ar 50 nF, tika izvēlēta šāda kondensatora vērtība.

C1 = 33 nF

Lai aprēķinātu pirmo rezistoru, kas vajadzīgs šim otrās kārtas zemfrekvences filtram ar izslēgšanas frekvenci 150 Hz, tika atrisināts šāds vienādojums, izmantojot gan aprēķinātās kondensatora vērtības, gan koeficientus K, a un b. R1 = 2/[(robežfrekvence)*[aC2*kv.

R1 = 9478 omi

Lai aprēķinātu otro rezistoru, tika izmantots šāds vienādojums. Atgriešanās frekvence atkal ir 150 Hz, un b koeficients ir 1.

R2 = 1/[bC1C2R1 (robežfrekvence)^2]

R2 = 35,99 kOhm OP/AMP tiek darbināts ar pozitīviem un negatīviem 15 voltiem, kā parādīts diagrammā. Apvedceļa kondensatori ir pievienoti barošanas avotiem, lai jebkurš maiņstrāvas signāls, kas nāk no avota, tiktu novirzīts uz zemi, lai nodrošinātu, ka šis signāls OP/AMP neizcep. Lai pārbaudītu šo EKG ķēdes posmu, ieejas signāla mezgls jāpievieno sinusoidālajam vilnim un jāveic maiņstrāvas slaucīšana no 1 Hz līdz 200 Hz, lai redzētu, kā darbojas filtrs.

3. darbība: izveidojiet iecirtuma filtru

Izgriezuma filtrs ir ārkārtīgi svarīga sastāvdaļa daudzās ķēdēs zemfrekvences signālu mērīšanai. Zemās frekvencēs 60 Hz maiņstrāvas troksnis ir ārkārtīgi izplatīts, jo tā ir maiņstrāvas frekvence, kas iet caur ēkām Amerikas Savienotajās Valstīs. Šis 60 Hz troksnis ir neērts, jo tas atrodas EKG caurlaides joslas vidū, bet iecirtuma filtrs var noņemt noteiktas frekvences, vienlaikus saglabājot pārējo signālu. Izstrādājot šo iecirtuma filtru, ir ļoti svarīgi, lai būtu augstas kvalitātes koeficients Q, lai nodrošinātu, ka robežvērtības nolaišanās ir asa ap interesējošo punktu. Zemāk ir detalizēti aprēķini, kas izmantoti, lai izveidotu aktīvu iecirtuma filtru, kas tiks izmantots EKG ķēdē.

Vispirms interesējošā frekvence 60 Hz jāpārvērš no Hz uz rad/s.

frekvence = 2*pi*frekvence

frekvence = 376,99 rad/sekundē

Tālāk jāaprēķina samazināto frekvenču joslas platums. Šīs vērtības tiek noteiktas tādā veidā, kas nodrošina, ka galvenā interesējošā frekvence - 60 Hz - ir pilnībā izslēgta un tikai dažas apkārtējās frekvences tiek nedaudz ietekmētas.

Joslas platums = Cutoff2-Cutoff1

Joslas platums = 37.699 Tālāk ir jānosaka kvalitātes koeficients. Kvalitātes faktors nosaka, cik asa ir iecirtums un cik šaurs ir nogrieznis. To aprēķina, izmantojot joslas platumu un interesējošo frekvenci. Q = frekvence/joslas platums

Q = 10

Šim filtram tiek izvēlēta viegli pieejama kondensatora vērtība. Kondensatoram nav jābūt lielam un noteikti nevajadzētu būt pārāk mazam.

C = 100 nF

Lai aprēķinātu pirmo šajā aktīvajā iecirtuma filtrā izmantoto rezistoru, tika izmantota šāda saistība, kas saistīta ar kvalitātes faktoru, interesējošo frekvenci un izvēlēto kondensatoru.

R1 = 1/[2QC*frekvence]

R1 = 1326,29 omi

Otrs šajā filtrā izmantotais rezistors tiek aprēķināts, izmantojot šādu sakarību.

R2 = 2Q/[frekvence*C]

R2 = 530516 omi

Šī filtra galīgo rezistoru aprēķina, izmantojot divas iepriekšējās rezistora vērtības. Paredzams, ka tas būs ļoti līdzīgs pirmajam aprēķinātajam rezistoram.

R3 = R1*R2/[R1+R2]

R3 = 1323 omi

Pēc visu sastāvdaļu vērtību aprēķināšanas, izmantojot iepriekš aprakstītos vienādojumus, jāizveido šāds iecirtuma filtrs, lai precīzi izfiltrētu 60 Hz maiņstrāvas troksni, kas traucēs EKG signālu. OP/AMP jābūt barotam ar pozitīviem un negatīviem 15 voltiem, kā parādīts zemāk esošajā shēmā. Apvedceļa kondensatori ir pievienoti no OP/AMP barošanas avotiem, lai jebkurš maiņstrāvas signāls, kas nāk no barošanas avota, tiktu novirzīts uz zemi, lai nodrošinātu, ka OP/AMP netiek cepts. Lai pārbaudītu šo ķēdes daļu, ievades signāls jāpievieno sinusoidālajam vilnim un jāveic maiņstrāvas slaucīšana no 40 Hz līdz 80 Hz, lai redzētu 60 Hz signāla filtrēšanu.

4. darbība: izveidojiet LabVIEW programmu sirdsdarbības ātruma aprēķināšanai

LabVIEW ir noderīgs instruments instrumentu vadīšanai, kā arī datu vākšanai. Lai savāktu EKG datus, tiek izmantota DAQ plāksne, kas nolasīs ievades spriegumus ar 1 kHz paraugu ņemšanas frekvenci. Šie ieejas spriegumi tiek izvadīti uz diagrammas, kas tiek izmantota EKG ieraksta parādīšanai. Pēc tam savāktie dati iet caur maksimālo meklētāju, kas izvada maksimālās nolasītās vērtības. Šīs vērtības ļauj aprēķināt maksimālo slieksni 98% apmērā no maksimālās produkcijas. Pēc tam pīķa detektoru izmanto, lai noteiktu, kad dati ir lielāki par šo slieksni. Šos datus kopā ar laiku starp pīķiem var izmantot, lai noteiktu sirdsdarbības ātrumu. Šis vienkāršais aprēķins precīzi noteiks sirdsdarbības ātrumu no ieejas sprieguma, ko nolasa DAQ tāfele.

5. darbība: pārbaude

Pēc ķēžu konstruēšanas jūs esat gatavs tās nodot darbam! Pirmkārt, katrs posms jāpārbauda ar maiņstrāvas frekvenci no 0,05 Hz līdz 200 Hz. Ieejas spriegumam nevajadzētu būt lielākam par 15 mV no maksimuma līdz maksimumam, lai signālu neietekmētu OP/AMP ierobežojumi. Pēc tam pievienojiet visas ķēdes un vēlreiz veiciet pilnu maiņstrāvas slaucīšanu, lai pārliecinātos, ka viss darbojas pareizi. Kad esat apmierināts ar visas ķēdes izvadi, ir pienācis laiks pieslēgties tam. Novietojiet pozitīvo elektrodu uz labās plaukstas locītavas un negatīvo elektrodu uz kreisās plaukstas locītavas. Uzlieciet zemes elektrodu uz potītes. Pievienojiet visas shēmas izvadi savai DAQ platei un palaidiet LabVIEW programmu. Jūsu EKG signālam tagad vajadzētu būt redzamam datora viļņu diagrammā. Ja tā nav vai ir izkropļota, mēģiniet samazināt ķēdes pastiprinājumu līdz aptuveni 10, attiecīgi mainot pastiprinājuma rezistoru. Tam vajadzētu ļaut signālam nolasīt programmu LabVIEW.