Jednoduchý obvod EKG a program srdcovej frekvencie LabVIEW: 6 krokov

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

Elektrokardiogram alebo EKG je mimoriadne účinný diagnostický a monitorovací systém používaný vo všetkých lekárskych postupoch. EKG sa používajú na grafické sledovanie elektrickej aktivity srdca na kontrolu abnormalít srdcovej frekvencie alebo elektrickej signalizácie.

Na základe odpočtu na EKG je srdcový tep pacientov možné určiť podľa časového odstupu medzi komplexmi QRS. Okrem toho je možné pomocou vyvýšenia segmentu ST detegovať aj ďalšie zdravotné stavy, ako napríklad prebiehajúci srdcový záchvat. Takéto čítania môžu mať zásadný význam pre správnu diagnostiku a liečbu pacienta. Vlna P ukazuje kontrakciu predsiene srdca, krivka QRS je kontrakcia komôr a vlna T je repolarizácia srdca. Vedieť aj jednoduché informácie, ako sú tieto, môžu pacientov rýchlo diagnostikovať na abnormálnu funkciu srdca.

Štandardný EKG používaný v lekárskej praxi má sedem elektród, ktoré sú umiestnené v miernom polkruhovom vzore okolo dolnej oblasti srdca. Toto umiestnenie elektród umožňuje minimálny šum pri zázname a tiež umožňuje konzistentnejšie merania. Na náš účel vytvoreného obvodu EKG použijeme iba tri elektródy. Pozitívna vstupná elektróda bude umiestnená na pravom vnútornom zápästí, negatívna vstupná elektróda bude umiestnená na ľavom vnútornom zápästí a uzemňovacia elektróda bude spojená s členkom. To umožní, aby boli údaje odčítané cez srdce s relatívnou presnosťou. S týmto umiestnením elektród zapojených do prístrojového zosilňovača, dolnopriepustného filtra a zárezového filtra by mali byť krivky EKG ľahko rozlíšiteľné ako výstupný signál z vytvoreného obvodu.

POZNÁMKA: Toto nie je zdravotnícke zariadenie. 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

Krok 1: Zostavte prístrojový zosilňovač

Na zostrojenie viacstupňového prístrojového vybavenia so ziskom 1000 alebo 60 dB by sa mala použiť nasledujúca rovnica.

Zisk = (1+2*R1/zisk)

R1 sa rovná všetkým odporom použitým v zosilňovači prístrojov okrem zosilňovacieho odporu, ktorý v istom zmysle spôsobí, že celý zisk bude zapojený do prvého stupňa zosilňovača. Toto bolo zvolené tak, aby bolo 50,3 kΩ. Na výpočet zosilňovacieho odporu je táto hodnota zapojená do vyššie uvedenej rovnice.

1 000 = (1+2*50 300/zisk)

Zisk = 100,7

Po vypočítaní tejto hodnoty môže byť zosilňovač prístrojov skonštruovaný ako nasledujúci obvod zobrazený v tomto kroku. OP/AMP by mali byť napájané kladnými a zápornými 15 V, ako je znázornené na schéme zapojenia. Obtokové kondenzátory pre každý OP/AMP by mali byť umiestnené v blízkosti OP/AMP v sérii s napájaním, aby sa tlmili všetky signály striedavého prúdu prichádzajúce zo zdroja energie na zem, aby sa zabránilo vyprážaniu OP/AMP a prípadnému ďalšiemu hluku, ktorý by mohol prispieť na signál. Na testovanie skutočného zisku obvodov by mal mať kladný uzol elektródy vstupnú sínusovú vlnu a záporný uzol elektródy by mal byť spojený so zemou. To umožní presne vidieť zosilnenie obvodu so vstupným signálom menším ako 15 mV od špičky k vrcholu.

Krok 2: Zostrojte dolnopriepustný filter 2. rádu

Na odstránenie šumu nad požadovanou frekvenciou signálu EKG, ktorý bol 150 Hz, bol použitý dolnopriepustný filter 2. rádu.

Hodnota K použitá vo výpočtoch pre dolnopriepustný filter 2. rádu je zisk. Pretože nechceme v našom filtri žiadny zisk, zvolili sme hodnotu zosilnenia 1, čo znamená, že vstupné napätie sa bude rovnať výstupnému napätiu.

K = 1

Pre Butterworthov filter druhého rádu, ktorý bude použitý pre tento obvod, sú koeficienty a a b definované nižšie. a = 1,414214 b = 1

Po prvé, druhá hodnota kondenzátora je zvolená ako relatívne veľký kondenzátor, ktorý je ľahko dostupný v laboratóriu a skutočnom svete.

C2 = 0,1 F

Na výpočet prvého kondenzátora sa použijú nasledujúce vzťahy medzi ním a druhým kondenzátorom. Koeficienty K, a a b boli zapojené do rovnice, aby sa vypočítal, aká by mala byť táto hodnota.

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

Pretože je prvý kondenzátor vypočítaný ako menší alebo rovný 50 nF, bola zvolená nasledujúca hodnota kondenzátora.

C1 = 33 nF

Na výpočet prvého odporu potrebného pre tento dolnopriepustný filter druhého rádu s medznou frekvenciou 150 Hz bola nasledujúca rovnica vyriešená pomocou vypočítaných hodnôt kondenzátora aj koeficientov K, a a b. R1 = 2/[(medzná frekvencia)*[aC2*sqrt ([(a^2+4b (K-1)) C2^2-4bC1C2])]

R1 = 9478 ohmov

Na výpočet druhého rezistora bola použitá nasledujúca rovnica. Medzná frekvencia je opäť 150 Hz a koeficient b je 1.

R2 = 1/[bC1C2R1 (medzná frekvencia)^2]

R2 = 35,99 kOhmA Po výpočte vyššie uvedených hodnôt pre rezistory a kondenzátory potrebné pre zárezový filter druhého rádu bol vytvorený nasledujúci obvod, ktorý ukazuje aktívny dolnopriepustný filter, ktorý bude použitý. OP/AMP je napájaný kladnými a zápornými 15 V, ako je znázornené na obrázku. Bypass kondenzátory sú pripojené k zdrojom energie, takže akýkoľvek striedavý signál, ktorý vychádza zo zdroja, je presmerovaný na zem, aby sa zaistilo, že OP/AMP nebude týmto signálom vyprážaný. Na testovanie tejto fázy obvodu EKG by mal byť uzol vstupného signálu pripojený k sínusovej vlne a malo by sa vykonať striedavé striedanie od 1 Hz do 200 Hz, aby sa zistilo, ako funguje filter.

Krok 3: Vytvorte filter Notch

Zárezový filter je mimoriadne dôležitou súčasťou mnohých obvodov na meranie nízkofrekvenčných signálov. Pri nízkych frekvenciách je striedavý šum 60 Hz veľmi bežný, pretože ide o frekvenciu striedavého prúdu, ktorý prechádza budovami v USA. Že 60 Hz šum je nepohodlný, pretože je v strede priepustného pásma pre EKG, ale zárezový filter môže odstrániť konkrétne frekvencie pri zachovaní zvyšku signálu. Pri navrhovaní tohto zárezového filtra je veľmi dôležité mať vysoký faktor kvality Q, aby sa zabezpečilo, že odrezanie medzného bodu je ostré okolo bodu záujmu. Nasledujú podrobnosti o výpočtoch použitých na zostrojenie aktívneho zárezového filtra, ktorý sa použije v obvode EKG.

Najprv je potrebné previesť požadovanú frekvenciu 60 Hz z Hz na rad/s.

frekvencia = 2*pi*frekvencia

frekvencia = 376,99 rad/s

Ďalej by sa mala vypočítať šírka pásma zníženia frekvencií. Tieto hodnoty sa určujú spôsobom, ktorý zaisťuje, že hlavná požadovaná frekvencia, 60 Hz, je úplne prerušená a iba málo okolitých frekvencií je mierne ovplyvnených.

Šírka pásma = Cutoff2-Cutoff1

Šírka pásma = 37,699 Ďalej sa musí určiť faktor kvality. Faktor kvality určuje, aký ostrý je zárez a ako úzko začína prerušenie. To sa vypočíta pomocou šírky pásma a frekvencie záujmu. Q = frekvencia/šírka pásma

Q = 10

Pre tento filter je zvolená ľahko dostupná hodnota kondenzátora. Kondenzátor nemusí byť veľký a rozhodne by nemal byť ani príliš malý.

C = 100 nF

Na výpočet prvého odporu použitého v tomto aktívnom zárezovom filtri bol použitý nasledujúci vzťah zahŕňajúci faktor kvality, požadovanú frekvenciu a zvolený kondenzátor.

R1 = 1/[2QC*frekvencia]

R1 = 1326,29 ohmov

Druhý odpor použitý v tomto filtri sa vypočíta pomocou nasledujúceho vzťahu.

R2 = 2Q/[frekvencia*C]

R2 = 530516 Ohm

Konečný odpor pre tento filter sa vypočíta pomocou predchádzajúcich dvoch hodnôt odporu. Očakáva sa, že bude veľmi podobný prvému vypočítanému odporu.

R3 = R1*R2/[R1+R2]

R3 = 1323 ohmov

Potom, čo sa všetky hodnoty komponentov vypočítajú pomocou vyššie popísaných rovníc, by mal byť skonštruovaný nasledujúci zárezový filter na presné odfiltrovanie 60 Hz striedavého šumu, ktorý narúša signál EKG. OP/AMP by mal byť napájaný kladnými a zápornými 15 voltami, ako je znázornené v nasledujúcom obvode. Bypassové kondenzátory sú pripojené zo zdrojov napájania na OP/AMP, takže akýkoľvek striedavý signál, ktorý pochádza zo zdroja energie, je presmerovaný na zem, aby sa zaistilo, že OP/AMP nebude vyprážaný. Na testovanie tejto časti obvodu je použitý vstupný signál. by mali byť pripojené k sínusovej vlne a striedavé striedanie by malo byť vykonané od 40 Hz do 80 Hz, aby bolo vidieť filtrovanie 60 Hz signálu.

Krok 4: Vytvorte program LabVIEW na výpočet srdcovej frekvencie

LabVIEW je užitočný nástroj na beh nástrojov a zber dát. Na zber údajov EKG sa používa doska DAQ, ktorá bude čítať vstupné napätie so vzorkovacou frekvenciou 1 kHz. Tieto vstupné napätia sú potom odoslané do grafu, ktorý sa používa na zobrazenie záznamu EKG. Zhromaždené údaje potom prechádzajú cez maximálny vyhľadávač, ktorý vydáva maximálne prečítané hodnoty. Tieto hodnoty umožňujú vypočítať prahovú hodnotu píku pri 98% maximálneho výkonu. Potom sa detektor píkov použije na určenie, kedy sú údaje vyššie ako prahová hodnota. Tieto údaje spolu s časom medzi vrcholmi je možné použiť na určenie srdcovej frekvencie. Tento jednoduchý výpočet presne určí srdcovú frekvenciu zo vstupných napätí načítaných doskou DAQ.

Krok 5: Testovanie

Po konštrukcii obvodov ste pripravení ich uviesť do prevádzky! Najprv by mal byť každý stupeň testovaný s striedaním frekvencií od 0,05 Hz do 200 Hz. Vstupné napätie by nemalo byť väčšie ako 15 mV od vrcholu k vrcholu, aby signál nebol obmedzený obmedzeniami OP/AMP. Ďalej pripojte všetky obvody a znova spustite úplné striedanie, aby ste sa presvedčili, že všetko funguje správne. Potom, čo ste spokojní s výstupom celého obvodu, je čas sa k nemu pripojiť. Kladnú elektródu umiestnite na pravé zápästie a zápornú elektródu na ľavé zápästie. Položte uzemňovaciu elektródu na členok. Pripojte výstup celého obvodu k doske DAQ a spustite program LabVIEW. Váš signál EKG by mal byť teraz viditeľný na grafe priebehu v počítači. Ak nie je alebo je zdeformovaný, pokúste sa znížiť zisk obvodu na približne 10 tak, že zodpovedajúcim spôsobom zmeníte zosilňovací odpor. To by malo umožniť čítanie signálu programom LabVIEW.