Ľahko automatizované EKG (1 zosilňovač, 2 filtre): 7 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:57

Elektrokardiogram (EKG) meria a zobrazuje elektrickú aktivitu srdca pomocou rôznych elektród umiestnených na koži. EKG je možné vytvoriť pomocou prístrojového zosilňovača, zárezového filtra a dolnopriepustného filtra. Nakoniec je možné filtrovaný a zosilnený signál vizualizovať pomocou softvéru LabView. LabView tiež používa prichádzajúcu frekvenciu signálu na výpočet srdcového tepu ľudského subjektu. Vstavaný prístrojový zosilňovač úspešne zachytil malý signál tela a zosilnil ho na 1 V, takže ho bolo možné sledovať na počítači pomocou LabView. Filtre so zárezom a dolným priechodom boli úspešné pri znižovaní šumu 60 Hz z napájacích zdrojov a rušivých signálov nad 350 Hz. V pokojnom stave bol srdcový tep 75 úderov za minútu a 137 úderov za minútu po piatich minútach intenzívneho cvičenia. Vytvorené EKG bolo schopné merať údery srdca na realistických hodnotách a vizualizovať rôzne zložky typického priebehu EKG. V budúcnosti by bolo možné toto EKG zlepšiť zmenou pasívnych hodnôt v zárezovom filtri, aby sa znížilo viac šumu okolo 60 Hz.

Krok 1: Vytvorte zosilňovač prístrojov

Budete potrebovať: LTSpice (alebo iný softvér na vizualizáciu obvodov)

Prístrojový zosilňovač bol vytvorený s cieľom zvýšiť veľkosť signálu, aby bol viditeľný a umožňoval analýzu tvaru vlny.

Použitím R1 = 3,3 k ohmov, R2 = 33 k ohmov, R3 = 1 k ohmov, R4 = 48 ohmov sa dosiahne zosilnenie X. Zisk = -R4/R3 (1+R2/R1) = -47k/1k (1- (33k/3,3k)) = -1008

Pretože v konečnom operačnom zosilňovači ide signál do invertujúceho pinu, zisk je 1008. Tento návrh bol vytvorený v LTSpice a potom simuloval striedanie striedavého prúdu od 1 do 1 kHz so 100 bodmi za desaťročie pre vstup sínusovej vlny s amplitúdou striedavého prúdu 1 V.

Skontrolovali sme, či bol náš zisk podobný plánovanému zisku. Z grafu sme zistili Gain = 10^(60/20) = 1000, čo je dostatočne blízko k nášmu zamýšľanému zisku 1008.

Krok 2: Vytvorte filter Notch

Budete potrebovať: LTSpice (alebo iný softvér na vizualizáciu obvodov)

Zárezový filter je špecifický typ dolnopriepustného filtra, za ktorým nasleduje hornopriepustný filter na odstránenie konkrétnej frekvencie. Zárezový filter sa používa na elimináciu hluku produkovaného všetkými elektronickými zariadeniami, ktorý je prítomný pri 60 Hz.

Vypočítali sa pasívne hodnoty: C = 0,1 uF (hodnota bola zvolená) 2C = 0,2 uF (použitý kondenzátor 0,22 uF)

Použije sa faktor AQ 8: R1 = 1/(2*Q*2*pi*f*C) = 1/(2*8*2*3,14159*60*.1E-6) = 1,66 kOhm (1,8 kOhm bol použitý) R2 = 2Q/(2*pi*f*C) = (2*8)/(60 Hz*2*3,14159*.1E-6 F) = 424 kOhm (390 kOhm + 33 kOhm = 423 kOhm bol Rozdelenie napätia: Rf = R1 * R2 / (R1 + R2) = 1,8 kOhm * 423 kOhm / (1,8 kOhm + 423 kOhm) = 1,79 kOhm (bolo použité 1,8 kOhm)

Tento dizajn filtra má zosilnenie 1, čo znamená, že neexistujú žiadne zosilňujúce vlastnosti.

Pripojenie pasívnych hodnôt a simulácia na LTSpice pomocou AC Sweep a vstupného signálu sínusovej vlny 0,1 V so striedavou frekvenciou 1 kHz má za následok priložený diagram bode.

Pri frekvencii okolo 60 Hz dosahuje signál najnižšie napätie. Filter úspešne odstraňuje šum 60 Hz na nepozorovateľné napätie 0,01 V a poskytuje zosilnenie 1, pretože vstupné napätie je 0,1 V.

Krok 3: Vytvorte dolnopriepustný filter

Budete potrebovať: LTSpice (alebo iný softvér na vizualizáciu obvodov)

Bol vytvorený dolnopriepustný filter na odstránenie signálov nad prahom záujmu, ktoré by obsahovali signál EKG. Prah záujmu bol medzi 0 - 350 Hz.

Hodnota kondenzátora bola zvolená tak, aby bola 0,1 uF. Potrebný odpor je vypočítaný pre vysokú medznú frekvenciu 335 Hz: C = 0,1 uF R = 1/(2pi*0,1*(10^-6)*335 Hz) = 4,75 kOhm (bolo použité 4,7 kOhm)

Pripojenie pasívnych hodnôt a simulácia na LTSpice pomocou AC Sweep a vstupného signálu sínusovej vlny 0,1 V so striedavou frekvenciou 1 kHz má za následok priložený diagram bode.

Krok 4: Vytvorte obvod na Breadboarde

Budete potrebovať: odpory rôznych hodnôt, kondenzátory rôznych hodnôt, operačné zosilňovače UA 471, prepojovacie káble, prepojovací kábel, prepojovacie káble, napájací zdroj alebo 9 V batériu

Teraz, keď ste simulovali svoj obvod, je načase ho postaviť na doske. Ak nemáte uvedené presné hodnoty, použite to, čo máte, alebo skombinujte odpory a kondenzátory na dosiahnutie požadovaných hodnôt. Nezabudnite na napájanie chleba pomocou 9 -voltovej batérie alebo napájania jednosmerným prúdom. Každý operačný zosilňovač potrebuje kladný a záporný zdroj napätia.

Krok 5: Nastavte prostredie LabView

Budete potrebovať: softvér LabView, počítač

Na automatizáciu zobrazenia tvaru vlny a výpočtu srdcovej frekvencie sa použil LabView. LabView je program používaný na vizualizáciu a analýzu údajov. Výstupom obvodu EKG je vstup pre LabView. Údaje sa zadávajú, graficky znázorňujú a analyzujú na základe nižšie uvedeného blokového diagramu.

Najprv asistent DAQ zachytí analógový signál z obvodu. Tu sú nastavené pokyny na odber vzoriek. Vzorkovacia frekvencia bola 1 k vzoriek za sekundu a interval bol 3 k ms, preto je časový interval viditeľný v grafe priebehu 3 sekundy. Graf priebehu prijatý od DAQ Assistant ho potom vykreslí do okna na prednom paneli. Spodná časť blokového diagramu zahŕňa výpočet srdcovej frekvencie. Najprv sa zmeria maximum a minimum vlny. Potom sa tieto merania amplitúdy použijú na určenie, či sa vyskytujú vrcholy, ktoré sú definované ako 95% maximálnej amplitúdy, a ak áno, zaznamenáva sa časový bod. Akonáhle sú vrcholy detegované, amplitúda a časový bod sú uložené do polí. Potom sa počet píkov/ sekundy prevedie na minúty a zobrazí sa na prednom paneli. Predný panel zobrazuje priebeh a údery za minútu.

Obvod bol pripojený k LabVIEW prostredníctvom ADC spoločnosti National Instruments, ako je znázornené na obrázku vyššie. Funkčný generátor produkovaný simulovaným EKG signálom bol vložený do ADC, ktorý preniesol údaje do LabView na grafy a analýzu. Navyše, akonáhle bol BPM vypočítaný v LabVIEW, bol použitý numerický indikátor na vytlačenie tejto hodnoty na predný panel aplikácie pozdĺž grafu priebehu, ako je vidieť na obrázku 2.

Krok 6: Testujte obvod pomocou generátora funkcií

Budete potrebovať: obvod na doske, prepojovacie káble, napájací zdroj alebo 9 V batériu, National Instruments ADC, LabView Software, počítač

Na testovanie prístrojov LabView bolo do obvodu vložené simulované EKG a výstup obvodu bol pripojený k LabView prostredníctvom ADC National Instruments. Do obvodu bol najskôr vstupovaný signál 20 mVpp pri 1 Hz, aby sa simuloval pokojový srdcový tep. Predný panel LabView je zobrazený na obrázku nižšie. Vlny P, T, U a komplex QRS sú viditeľné. BMP je správne vypočítaný a zobrazený na číselnom ukazovateli. Obvodom je zosilnenie asi 8 V/0,02 V = 400, čo je podobné tomu, čo sme videli, keď bol obvod pripojený k osciloskopu. Priložený je obrázok výsledku v LabView. Ďalej, aby sa simuloval zvýšený srdcový tep, napríklad počas cvičenia, do obvodu bol vstupovaný signál 20 mVpp pri 2 Hz. Pri pokojovom srdcovom tepe bol porovnateľný zisk s testom. Pod priebehom je vidieť, že má všetky rovnaké časti ako predtým, len rýchlejšie. Tepová frekvencia sa vypočíta a zobrazí v číselnom ukazovateli a uvidíme očakávaných 120 úderov za minútu.

Krok 7: Testujte obvod pomocou ľudského subjektu

Budete potrebovať: obvod na doske, prepojovacie káble, napájací zdroj alebo 9 V batériu, National Instruments ADC, LabView Software, počítač, elektródy (najmenej tri), ľudský predmet

Nakoniec obvod testoval pomocou vstupu EKG ľudského subjektu do obvodu a výstupu obvodu prechádzajúceho do LabView. Tri elektródy boli umiestnené na subjekt, aby získali skutočný signál. Elektródy boli umiestnené na obe zápästia a pravý členok. Pravé zápästie bolo pozitívnym vstupom, ľavé zápästie bolo negatívne a členok bol zabrúsený. Údaje boli opäť vložené do LabView na spracovanie. Konfigurácia elektród je pripojená ako obrázok.

Najprv sa zobrazil a analyzoval pokojový signál EKG subjektu. V pokoji mal subjekt srdcový tep zhruba 75 úderov za minútu. Subjekt sa potom zúčastnil intenzívnej fyzickej aktivity po dobu 5 minút. Subjekt sa znova pripojil a zaznamenal sa zvýšený signál. Srdcový tep bol po aktivite zhruba 137 úderov za minútu. Tento signál bol menší a mal viac šumu. Elektródy boli umiestnené na obe zápästia a pravý členok. Pravé zápästie bolo pozitívnym vstupom, ľavé zápästie bolo negatívne a členok bol zabrúsený. Údaje boli opäť vložené do LabView na spracovanie.

Priemerný človek má signál EKG asi 1 mV. Náš očakávaný zisk bol asi 1000, preto by sme očakávali výstupné napätie 1V. Zo záznamu v pokoji, ktorý je vidieť na obrázku XX, je amplitúda komplexu QRS zhruba (-0,7)-(-1,6) = 0,9 V. Výsledkom je 10% chyba. (1-0,9)/1*100 = 10% Pokojová srdcová frekvencia štandardného človeka je 60, nameraná hodnota bola asi 75, čo vytvára | 60-75 |*100/60 = 25% chyba. Zvýšený srdcový tep štandardného človeka je 120, nameraný bol asi 137, čo spôsobuje | 120-137 |*100/120 = 15% chyba.

Gratulujem! Teraz ste si vytvorili vlastné automatizované EKG.