Vienkārša EKG ierakstīšanas ķēde un LabVIEW sirdsdarbības mērītājs: 5 soļi

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

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

Viens no mūsdienu veselības aprūpes būtiskākajiem aspektiem ir spēja uztvert sirds viļņu, izmantojot EKG vai elektrokardiogrammu. Šajā metodē tiek izmantoti virsmas elektrodi, lai izmērītu dažādus no sirds izstarotos elektriskos modeļus, lai izvadi varētu izmantot kā diagnostikas instrumentu, lai diagnosticētu sirds un plaušu slimības, piemēram, dažādas tahikardijas formas, zaru blokādi un hipertrofiju. Lai diagnosticētu šos apstākļus, izejas viļņu formu salīdzina ar parasto EKG signālu.

Lai izveidotu sistēmu, kas var iegūt EKG viļņu formu, signāls vispirms ir jāpastiprina un pēc tam atbilstoši jāfiltrē, lai novērstu troksni. Lai to izdarītu, izmantojot OP pastiprinātājus, var izveidot trīspakāpju ķēdi.

Šī pamācība sniegs informāciju, kas nepieciešama, lai izstrādātu un pēc tam izveidotu vienkāršu shēmu, kas spēj ierakstīt EKG signālu, izmantojot virsmas elektrodus, un pēc tam filtrētu šo signālu turpmākai apstrādei un analīzei. Turklāt šajā pamācībā tiks izklāstīta viena tehnika, ko izmanto šī signāla analīzei, lai izveidotu ķēdes izejas grafisku attēlojumu, kā arī metode sirdsdarbības ātruma aprēķināšanai no EKG viļņu formas ķēdes izejas.

Piezīme. Izstrādājot katru posmu, noteikti veiciet maiņstrāvas slaucīšanu gan eksperimentāli, gan izmantojot simulācijas, lai nodrošinātu vēlamo ķēdes darbību.

1. solis: Instrumentu pastiprinātāja projektēšana un konstruēšana

Šīs EKG ķēdes pirmais posms ir instrumentu pastiprinātājs, kas sastāv no trim OP ampēriem. Pirmie divi OP pastiprinātāji ir buferizēti ieejas, kas pēc tam tiek ievadīti trešajā OP pastiprinātājā, kas darbojas kā diferenciālais pastiprinātājs. Signāliem no ķermeņa jābūt buferizētiem, pretējā gadījumā izvade samazināsies, jo ķermenis nevar nodrošināt lielu strāvu. Diferenciālais pastiprinātājs ņem atšķirību starp abiem ieejas avotiem, lai nodrošinātu izmērāmu potenciālu starpību, vienlaikus izslēdzot kopējo troksni. Šim posmam ir arī pastiprinājums 1000, pastiprinot tipisko mV līdz vieglāk nolasāmam spriegumam.

Instrumentu pastiprinātāja ķēdes pastiprinājumu 1000 aprēķina pēc parādītajiem vienādojumiem. Instrumentu pastiprinātāja 1. pakāpes pastiprinājumu aprēķina ar (2), un instrumentālā pastiprinātāja 2. pakāpes pastiprinājumu aprēķina ar (3). K1 un K2 tika aprēķināti tā, lai tie neatšķirtos viens no otra vairāk nekā par 15.

Lai iegūtu 1000 pieaugumu, K1 varētu iestatīt uz 40, bet K2 - uz 25. Visas rezistoru vērtības var aprēķināt, taču šis konkrētais mērinstrumentu pastiprinātājs izmantoja šādas rezistoru vērtības:

R1 = 40 kΩ

R2 = 780 kΩ

R3 = 4 kΩ

R4 = 100 kΩ

2. solis: projektējiet un izveidojiet iecirtuma filtru

Nākamais posms ir iecirtuma filtrs, lai noņemtu 60 Hz signālu, kas nāk no strāvas kontaktligzdas.

Izgriezuma filtrā rezistora vērtību R1 aprēķina pēc (4), R2 vērtību - ar (5) un R3 vērtību - ar (6). Ķēdes kvalitātes koeficients Q ir iestatīts uz 8, jo tas dod saprātīgu kļūdas robežu, vienlaikus esot reāli precīzam. Q vērtību var aprēķināt pēc (7). Pēdējais iecirtuma filtra vienādojums tiek izmantots joslas platuma aprēķināšanai, un to apraksta (8). Papildus kvalitātes koeficientam 8, iecirtuma filtram bija arī citas konstrukcijas specifikācijas. Šis filtrs ir paredzēts 1 pastiprinājumam, lai tas nemainītu signālu, vienlaikus noņemot 60 Hz signālu.

Saskaņā ar šiem vienādojumiem R1 = 11,0524 kΩ, R2 = 2,829 MΩ, R3 = 11,009 kΩ un C1 = 15 nF

3. darbība: projektējiet un izveidojiet otrās kārtas Butterworth zemas caurlaidības filtru

Pēdējais posms ir zemas caurlaidības filtrs, lai noņemtu visus signālus, kas var rasties virs EKG viļņa augstākās frekvences komponenta, piemēram, WiFi troksni, un citus apkārtējās vides signālus, kas var novērst uzmanību no interesējošā signāla. Šajā posmā -3dB punktam jābūt aptuveni 150 Hz vai tuvu tam, jo standarta signālu diapazons EKG viļņu diapazonā ir no 0,05 Hz līdz 150 Hz.

Izstrādājot zemas caurlaides otrās kārtas Butterworth filtru, ķēdei atkal ir iestatīts 1 pastiprinājums, kas ļāva vienkāršāk izveidot ķēdi. Pirms jebkādu turpmāku aprēķinu veikšanas ir svarīgi ņemt vērā, ka zemās caurlaidības filtra vēlamā robežfrekvence ir iestatīta uz 150 Hz. Visvieglāk ir sākt, aprēķinot kondensatora 2, C2 vērtību, jo citi vienādojumi ir atkarīgi no šīs vērtības. C2 var aprēķināt pēc (9). Aprēķinot C2, C1 var aprēķināt pēc (10). Šī zemas caurlaidības filtra gadījumā koeficienti a un b ir definēti, kur a = 1,414214 un b = 1. Rezistora vērtību R1 aprēķina pēc (11), un rezistora vērtību R2 aprēķina ar (12).

Tika izmantotas šādas vērtības:

R1 = 13,842 kΩ

R2 = 54,36 kΩ

C1 = 38 nF

C1 = 68 nF

4. solis: iestatiet LabVIEW programmu, ko izmanto datu iegūšanai un analīzei

Pēc tam datorprogrammu LabView var izmantot, lai izveidotu uzdevumu, kas no EKG signāla izveidos sirdsdarbības grafisku attēlojumu un no tā paša signāla aprēķina sirdsdarbības ātrumu. Programma LabView to panāk, vispirms pieņemot analogo ieeju no DAQ plates, kas darbojas arī kā analogo ciparu pārveidotājs. Šis digitālais signāls tiek tālāk analizēts un uzzīmēts, kur diagramma parāda DAQ panelī ievadītā signāla grafisko attēlojumu. Signāla viļņu formu analizē, ņemot 80% no pieņemamā digitālā signāla maksimālajām vērtībām, un pēc tam izmanto pīķa detektora funkciju, lai noteiktu šīs signāla virsotnes. Vienlaikus programma ņem viļņu formu un aprēķina laika starpību starp viļņu formas virsotnēm. Pīķa noteikšana tiek apvienota ar pievienotajām vērtībām 1 vai 0, kur 1 apzīmē maksimumu, lai izveidotu pīķu atrašanās vietas indeksu, un pēc tam šo indeksu izmanto kopā ar laika starpību starp virsotnēm, lai matemātiski aprēķinātu sirdsdarbības ātrumu sitieni minūtē (BPM). Tiek parādīta LabView programmā izmantotā blokshēma.

5. solis: pilnīga montāža

Kad esat izveidojis visas shēmas un LabVIEW programmu un pārliecinājies, ka viss darbojas pareizi, esat gatavs ierakstīt EKG signālu. Attēlā ir iespējama visas shēmas sistēmas montāžas shēma.

Pievienojiet pozitīvo elektrodu labajai plaukstas locītavai un vienai no riņķveida instrumentu pastiprinātāja ieejām, bet negatīvo - kreisajai plaukstas locītavai un otru instrumentu pastiprinātāja ieeju, kā parādīts attēlā. Elektrodu ievades secībai nav nozīmes. Visbeidzot, novietojiet zemējuma elektrodu uz potītes un pievienojiet ķēdes zemei. Apsveicam, esat pabeidzis visas nepieciešamās darbības, lai ierakstītu un EKG signālu.