Okruh zberu EKG: 5 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 12:00

UPOZORNENIE: Toto nie je zdravotnícky prístroj. Toto je len na vzdelávacie účely pomocou simulovaných signálov. Ak používate tento obvod na skutočné merania EKG, uistite sa, že obvod a pripojenia obvodu k prístroju používajú správnu izolačnú techniku

Asi najrozšírenejším fyziologickým meraním v dnešnom zdravotníctve je elektrokardiogram (EKG/EKG). Je ťažké prejsť nemocnicou alebo pohotovosťou bez toho, aby ste počuli tradičné „pípnutie“monitora srdcového tepu alebo videli, ako sa krivka EKG valí po obrazovke v miestnosti pacienta. Ale aké je toto meranie, ktoré sa stalo tak spojeným s moderným zdravotníctvom?

Elektrokardiogram sa často mýli so záznamom fyzickej aktivity srdca, ako už názov naznačuje, je to vlastne záznam elektrickej aktivity, depolarizácie a repolarizácie srdcových svalov. Vďaka analýze zaznamenaného priebehu môžu lekári získať prehľad o správaní elektrického systému srdca. K niektorým bežným diagnózam z údajov EKG patrí: infarkt myokardu, pľúcna embólia, arytmie a AV bloky.

Nasledujúci návod popisuje postup a zásady používané pri konštrukcii základného elektrického obvodu, ktorý je schopný zbierať EKG pomocou jednoduchých povrchových elektród, ako sa to robí v nemocniciach.

Krok 1: Navrhnite zosilňovač prístrojov

Prvým obvodovým prvkom potrebným na zaznamenanie signálu EKG je prístrojový zosilňovač. Tento zosilňovač má dva efekty.

1. Vytvára elektronický nárazník medzi záznamovými elektródami a zvyškom obvodu. Tým sa zníži požadovaný odber prúdu z elektród prakticky na nulu. Umožňuje zber signálu s veľmi malým skreslením spôsobeným vstupnou impedanciou.

2. Diferenciálne zosilňuje zaznamenaný signál. To znamená, že akýkoľvek signál spoločný v oboch záznamových elektródach nebude zosilnený, zatiaľ čo rozdiely (dôležité časti) budú.

Záznamy povrchových elektród pre EKG budú spravidla v rozsahu miliVoltov. Preto, aby sme dostali tento signál do rozsahu, môžeme pracovať so zosilnením (K) 1 000 V/V.

Riadiace rovnice pre zosilňovač ilustrované vyššie sú:

K1 = 1 + 2*R2 / R1, to je zisk fázy 1

K2 = - R4/R3, toto je zisk fázy 2

Všimnite si toho, že v ideálnom prípade by K1 a K2 mali byť približne rovnaké a na dosiahnutie požadovaného zosilnenia K1 * K2 = 1 000

Konečné hodnoty použité v našom obvode boli….

R1 = 6,5 kOhm

R2 = 100 kOhm

R3 = 3,17 kOhm

R4 = 100 kOhm

Krok 2: Navrhnutie zárezového filtra

V modernom svete je pravdepodobné, že zber EKG sa bude vykonávať v blízkosti niektorých iných elektronických zariadení, alebo dokonca len v budove, ktorá je napájaná elektrickou energiou z miestnych elektrických vedení. Žiaľ, vysokonapäťová a oscilačná povaha poskytovanej energie znamená, že bude produkovať veľké množstvo elektrického „šumu“prakticky v akomkoľvek vodivom materiáli, ktorý je v jej blízkosti; to zahŕňa vodiče a obvodové prvky použité na stavbu nášho zberného obvodu EKG.

Aby sa tomu zabránilo, akýkoľvek signál s frekvenciou rovnajúcou sa šumu generovanému miestnym napájaním (nazývaný sieťový hukot) je možné jednoducho odfiltrovať a v podstate odstrániť. V USA dodáva elektrická sieť 110-120V s frekvenciou 60 Hz. Preto musíme odfiltrovať akýkoľvek signálny komponent s frekvenciou 60 Hz. Našťastie sa to už robilo mnohokrát a vyžaduje to iba návrh zárezového filtra (na obrázku vyššie).

Rovnice, ktorými sa riadi tento filter, sú….

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

R2 = (2 * Q) / (š * C)

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

Q = w / B

kde wc2 je vysoká medzná frekvencia, w2 nízka medzná frekvencia, w medzná frekvencia v rad/s a Q faktor kvality

Všimnite si, že C je hodnota, ktorú je možné ľubovoľne zvoliť. Nasledujúce hodnoty použité v našom obvode boli:

R1 = 1,65 kOhm

R2 = 424,5 kOhm

Q = 8

w = 120 * pi rad/s

Krok 3: Nízkopriepustný filter

Signály EKG majú frekvenciu okolo 0 - 150 Hz. Aby sa zabránilo spojeniu väčšieho šumu so signálom z vecí s vyššou frekvenciou, ako je tento rozsah, bol implementovaný dolnopriepustný filter ButterWorth druhého rádu s prerušením 150 Hz, aby obvodom prešiel iba signál EKG. Namiesto okamžitého výberu ľahko dostupnej hodnoty kondenzátora, ako predchádzajúce komponenty, bola prvá hodnota kondenzátora C2 zvolená podľa nižšie uvedeného vzorca. Z tejto hodnoty bolo možné vypočítať všetky ostatné hodnoty komponentov a potom ich pridať do obvodu pri zachovaní zisku opäť na 1 V/V.

C2 ≈ 10/fc uf, kde fc je medzná frekvencia (v tomto prípade 150 Hz).

Potom je možné vypočítať zostávajúce hodnoty podľa tabuľky v druhom obrázku v tomto kroku.

Konečné hodnoty, ktoré sa zvyknú uvádzať v schéme vyššie, sú:

C2 = 66 nF

C1 = 33 nF

R1 = 22,47 kOhm

R2 = 22,56 kOhm

Krok 4: Príprava LabVIEW

Jediným materiálom požadovaným pre túto časť zbierky EKG je počítač so systémom Windows vybavený 64-bitovou kópiou LabVIEW a radou na úpravu signálu National Instruments () s jediným vstupným modulom. Funkčný blokový diagram v LabVIEW by mal byť potom skonštruovaný nasledujúcim spôsobom. Začnite otvorením prázdneho funkčného blokového diagramu.

Vložte blok asistenta DAQ a upravte nastavenia nasledovne:

Meranie: Analógové → Napätie

Režim: RSE

Odber vzoriek: nepretržitý odber vzoriek

Zozbieraných vzoriek: 2500

Vzorkovacia frekvencia: 1000 / s

Zozbieraný priebeh vlny sa vynesie do grafu priebehu. Okrem toho vypočítajte maximálnu hodnotu aktuálnych údajov o priebehu. Vynásobením maximálnej hodnoty vlny hodnotou, ako je 0,8, aby sa vytvoril prah pre detekciu píkov, túto hodnotu je možné nastaviť na základe úrovne šumu v signáli. Vložte produkt z predchádzajúceho kroku ako prahovú hodnotu a pole surového napätia ako údaje pre funkciu „Peak Detection“. Potom vezmite výstup „Poloha“poľa detekcie píkov a odpočítajte prvú a druhú hodnotu. Toto predstavuje rozdiel v hodnotách indexu dvoch píkov v počiatočnom poli. Toto je potom možné previesť na časový rozdiel vydelením hodnoty vzorkovacou frekvenciou, v prípade príkladu je to 1 000 /s. Nakoniec vezmite inverznú hodnotu k tejto hodnote (udáva Hz) a vynásobte 60, aby ste získali srdcovú frekvenciu v úderoch za minútu BPM. Konečný blokový diagram by mal pripomínať obrázok hlavičky pre tento krok.

Krok 5: Integrácia celého systému

Teraz, keď sú všetky komponenty skonštruované jednotlivo, je načase dať nákupné centrum dohromady. To sa dá dosiahnuť jednoduchým prepojením výstupu jednej sekcie so vstupom nasledujúceho segmentu. Fázy by mali byť zapojené v rovnakom poradí, ako sú uvedené v tomto návode. V poslednej fáze, ButterWorth filter, by mal byť jeho vstup pripojený k jednému z dvoch vodičov na vstupnom module dosky na úpravu signálu. Druhý vodič z tohto modulu by mal byť pripojený k spoločnému uzemneniu obvodov.

V prípade zosilňovača prístrojov by mali byť jeho dva vodiče pripojené k elektróde EKG/EKG. To sa dá ľahko dosiahnuť pomocou dvoch aligátorových svoriek. Potom položte jednu elektródu na každé zápästie. Zaistite, aby boli pripojené všetky segmenty obvodu a aby bol spustený LabVIEW VI a aby systém v okne LabVIEW generoval graf priebehu.

Výstup by mal vyzerať podobne ako druhý obrázok poskytnutý v tomto kroku. Ak to nie je podobné, možno bude potrebné upraviť hodnoty vášho obvodu. Jedným z bežných problémov je, že filter zárezu nebude vycentrovaný priamo na 60 Hz a môže byť mierne až vysoko/nízko. To je možné otestovať vytvorením bodky pre filter. V ideálnom prípade bude mať zárezový filter pri 60 Hz najmenej 20 dB útlm. Tiež môže byť užitočné skontrolovať, či je váš miestny zdroj napájaný pri 60 Hz. Nie je neobvyklé, že v niektorých oblastiach je napájanie 50 Hz striedavým prúdom, čo by si vyžadovalo vycentrovanie zárezového filtra okolo tejto hodnoty.