Jednoduchý obvod záznamu EKG a monitor srdcového tepu LabVIEW: 5 krokov

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

"Toto nie je zdravotnícke zariadenie. Toto je iba na vzdelávacie účely s použitím simulovaných signálov. Ak používate tento obvod na skutočné meranie EKG, uistite sa, že zapojenie obvodu a obvodu k prístroju používa správnu izolačnú techniku."

Jedným z najdôležitejších aspektov modernej zdravotnej starostlivosti je schopnosť zachytiť srdcovú vlnu pomocou EKG alebo elektrokardiogramu. Táto technika používa povrchové elektródy na meranie rôznych elektrických vzorov vyžarovaných zo srdca, takže výstup je možné použiť ako diagnostický nástroj na diagnostiku srdcových a pľúcnych stavov, ako sú rôzne formy tachykardie, rozvetvený blok a hypertrofia. Na diagnostiku týchto stavov je výstupný priebeh porovnaný s normálnym signálom EKG.

Aby sa vytvoril systém, ktorý dokáže získať priebeh EKG, musí byť signál najskôr zosilnený a potom vhodne filtrovaný, aby sa odstránil šum. Za týmto účelom je možné pomocou zosilňovačov OP vybudovať trojstupňový obvod.

Tento návod poskytne informácie potrebné na návrh a následné vybudovanie jednoduchého obvodu schopného zaznamenať signál EKG pomocou povrchových elektród a potom tento signál filtrovať na ďalšie spracovanie a analýzu. Tento inštruktážny program okrem toho načrtne jednu techniku použitú na analýzu tohto signálu za účelom vytvorenia grafického znázornenia výstupu obvodu, ako aj metódu výpočtu srdcovej frekvencie z výstupu obvodu krivky EKG.

Poznámka: Pri navrhovaní každej fázy nezabudnite vykonať striedavé striedanie experimentálne aj prostredníctvom simulácií, aby ste zaistili požadované správanie obvodu.

Krok 1: Navrhnite a zostrojte zosilňovač prístrojov

Prvým stupňom v tomto obvode EKG je prístrojový zosilňovač, ktorý pozostáva z troch zosilňovačov OP. Prvé dva OP zosilňovače sú vstupy s vyrovnávacou pamäťou, ktoré sú potom vložené do tretieho OP zosilňovača, ktorý funguje ako diferenciálny zosilňovač. Signály z tela musia byť uložené do vyrovnávacej pamäte, inak sa výstup zníži, pretože telo nemôže poskytovať veľký prúd. Diferenciálny zosilňovač využíva rozdiel medzi týmito dvoma vstupnými zdrojmi, aby poskytol merateľný rozdiel potenciálov, pričom súčasne ruší bežný šum. Tento stupeň má tiež zisk 1000, čo zosilňuje typické mV na čitateľnejšie napätie.

Zisk obvodu 1000 pre prístrojový zosilňovač sa vypočíta podľa uvedených rovníc. Zisk stupňa 1 zosilňovača prístrojov sa vypočíta podľa (2) a zisk stupňa 2 zosilňovača prístrojov sa vypočíta podľa (3). K1 a K2 boli vypočítané tak, aby sa navzájom nelíšili o viac ako 15.

Pri zisku 1000 by K1 mohol byť nastavený na 40 a K2 by mohol byť nastavený na 25. Hodnoty odporu je možné vypočítať všetky, ale tento konkrétny prístrojový zosilňovač použil nižšie uvedené hodnoty odporu:

R1 = 40 kΩ

R2 = 780 kΩ

R3 = 4 kΩ

R4 = 100 kΩ

Krok 2: Navrhnite a zostrojte filter Notch

Ďalšou fázou je zárezový filter na odstránenie signálu 60 Hz, ktorý pochádza z elektrickej zásuvky.

V zárezovom filtri sa hodnota odporu R1 vypočíta podľa (4), hodnoty R2 podľa (5) a hodnoty R3 podľa (6). Faktor kvality obvodu Q je nastavený na 8, pretože to poskytuje rozumnú odchýlku a zároveň je realisticky presné. Hodnotu Q je možné vypočítať pomocou (7). Posledná riadiaca rovnica zárezového filtra sa používa na výpočet šírky pásma a je opísaná v bode (8). Okrem faktora kvality 8 mal zárezový filter aj ďalšie konštrukčné špecifikácie. Tento filter je navrhnutý tak, aby mal zisk 1, aby nemenil signál, zatiaľ čo odstraňuje signál 60 Hz.

Podľa týchto rovníc R1 = 11,0524 kΩ, R2 = 2,829 MΩ, R3 = 11,009 kΩ a C1 = 15 nF

Krok 3: Navrhnite a zostrojte dolnopriepustný filter Butterworth druhého rádu

Poslednou fázou je dolnopriepustný filter na odstránenie všetkých signálov, ktoré sa môžu vyskytovať nad najvyššou frekvenčnou zložkou vlny EKG, ako je šum WiFi a ďalšie okolité signály, ktoré môžu odvádzať pozornosť od požadovaného signálu. Bod -3 dB pre tento stupeň by mal byť približne 150 Hz alebo blízko neho, pretože štandardný rozsah signálov prítomných v rozsahu vĺn EKG je od 0,05 Hz do 150 Hz.

Pri navrhovaní nízkopriepustného Butterworthovho filtra druhého rádu je obvod opäť nastavený tak, aby mal zisk 1, čo umožnilo jednoduchšiu konštrukciu obvodu. Pred vykonaním akýchkoľvek ďalších výpočtov je dôležité poznamenať, že požadovaná medzná frekvencia dolnopriepustného filtra je nastavená na 150 Hz. Najľahšie je začať výpočtom hodnoty kondenzátora 2, C2, pretože od tejto hodnoty závisia ďalšie rovnice. C2 sa dá vypočítať podľa (9). Vychádzajúc z výpočtu C2, C1 možno vypočítať pomocou (10). V prípade tohto dolnopriepustného filtra sú koeficienty a a b definované tam, kde a = 1,414214, a b = 1. Hodnota odporu R1 sa vypočíta podľa (11) a hodnota odporu R2 sa vypočíta podľa (12).

Použili sa nasledujúce hodnoty:

R1 = 13,842 kΩ

R2 = 54,36 kΩ

C1 = 38 nF

C1 = 68 nF

Krok 4: Nastavte program LabVIEW používaný na získavanie a analýzu údajov

Ďalej je možné počítačový program LabView použiť na vytvorenie úlohy, ktorá vytvorí grafické znázornenie srdcového tepu zo signálu EKG a z rovnakého signálu vypočíta srdcovú frekvenciu. Program LabView to dosahuje tým, že najskôr prijíma analógový vstup z dosky DAQ, ktorá funguje aj ako prevodník analógového signálu na digitálny. Tento digitálny signál je potom ďalej analyzovaný a vykreslený, kde diagram ukazuje grafické znázornenie signálu vstupujúceho do dosky DAQ. Tvar signálu sa analyzuje tak, že sa odoberie 80% maximálnych prijatých hodnôt digitálneho signálu a potom sa pomocou funkcie detektora píkov detegujú tieto špičky signálu. Program súčasne vezme priebeh a vypočíta časový rozdiel medzi vrcholmi priebehu. Detekcia píkov je spojená so sprievodnými hodnotami buď 1 alebo 0, kde 1 predstavuje vrchol na vytvorenie indexu umiestnenia píkov a tento index sa potom použije v spojení s časovým rozdielom medzi vrcholmi na matematický výpočet srdcovej frekvencie v úderov za minútu (BPM). Zobrazí sa blokový diagram, ktorý bol použitý v programe LabView.

Krok 5: Kompletná montáž

Keď zostrojíte všetky svoje obvody a program LabVIEW a zaistíte, aby všetko fungovalo správne, ste pripravení zaznamenať signál EKG. Na obrázku je možná schéma celej zostavy obvodového systému.

Pripojte kladnú elektródu k pravému zápästiu a jeden zo zakrúžkovaných vstupov zosilňovača a zápornú elektródu k ľavému zápästiu a druhému vstupu zosilňovača prístrojov podľa obrázku. Na poradí vstupu elektródy nezáleží. Nakoniec si na členok položte uzemňovaciu elektródu a vo svojom obvode sa spojte so zemou. Blahoželáme, dokončili ste všetky kroky potrebné na zaznamenanie a signál EKG.