Navrhovanie digitálneho monitora a obvodu EKG: 5 krokov

2025 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2025-01-23 15:06

Toto nie je zdravotnícka pomôcka. 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

Cieľom tohto projektu je vybudovať obvod, ktorý môže zosilňovať a filtrovať signál EKG, známy tiež ako elektrokardiogram. Na určenie srdcovej frekvencie a srdcového rytmu je možné použiť EKG, pretože je schopné detegovať elektrické signály, ktoré prechádzajú rôznymi časťami srdca v rôznych fázach srdcového cyklu. Tu na zosilnenie a filtráciu EKG používame prístrojový zosilňovač, zárezový filter a dolnopriepustný filter. Potom sa pomocou LabView vypočíta počet úderov za minútu a zobrazí sa grafické zobrazenie EKG. Hotový výrobok je možné vidieť vyššie.

Krok 1: Zosilňovač prístrojov

Potrebný zosilňovač pre prístrojový zosilňovač je 1000 V/V. To by umožnilo dostatočné zosilnenie prichádzajúceho signálu, ktorý je oveľa menší. Prístrojový zosilňovač je rozdelený na dve časti, fázu 1 a fázu 2. Zisk každého stupňa (K) by mal byť podobný, takže pri spoločnom vynásobení je zisk okolo 1000. Na výpočet zisku sa používajú nižšie uvedené rovnice.

K1 = 1 + ((2*R2)/R1)

K2 = -R4/R3

Z týchto rovníc boli zistené hodnoty R1, R2, R3 a R4. Na vybudovanie obvodu zobrazeného na obrázkoch boli použité tri operačné zosilňovače a odpory uA741. Operačné zosilňovače sú napájané 15 V z jednosmerného zdroja. Vstup zosilňovača prístrojov bol pripojený k generátoru funkcií a výstup bol pripojený k osciloskopu. Potom sa vykonal rozchod AC a zistil sa zisk zosilňovača prístrojového vybavenia, ako je možné vidieť na grafe „Zisk zosilňovača prístrojového vybavenia“vyššie. Nakoniec bol obvod znovu vytvorený v LabView, kde bola spustená simulácia zisku, ako je vidieť na čiernom grafe vyššie. Výsledky potvrdili, že obvod fungoval správne.

Krok 2: Zárezový filter

Zárezový filter sa používa na odstránenie šumu, ktorý sa vyskytuje pri 60 Hz. Hodnoty zložiek je možné vypočítať pomocou nižšie uvedených rovníc. Bol použitý faktor kvality (Q) 8. C bol zvolený vzhľadom na dostupné kondenzátory.

R1 = 1/(2*Q*ω*C)

R2 = 2*Q/(ω*C)

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

Našli sa hodnoty rezistora a kondenzátora a zostrojil sa vyššie uvedený obvod, kde sú vypočítané hodnoty vidieť. Operačný zosilňovač bol napájaný zdrojom jednosmerného prúdu, pričom vstup je spojený s generátorom funkcií a výstupom je osciloskop. Spustenie AC Sweep vyústilo do grafu „Notch Filter AC Sweep“vyššie, ktorý ukazuje, že frekvencia 60 Hz bola odstránená. Na potvrdenie toho bola spustená simulácia LabView, ktorá potvrdila výsledky.

Krok 3: Nízkopriepustný filter

Používa sa dolnopriepustný filter Butterworth druhého rádu s medznou frekvenciou 250 Hz. Na vyriešenie hodnôt odporu a kondenzátora boli použité nasledujúce rovnice. Pre tieto rovnice bola medzná frekvencia v Hz zmenená na rad/s, ktorá bola zistená na 1570,8. Použil sa zisk K = 1. Hodnoty pre a a b boli dodané ako 1,414214, respektíve 1.

R1 = 2 / (wc (a C2 + sqrt (a^2 + 4 b (K - 1)) C2^2 - 4 b C1 C2))

R2 = 1/ (b C1 C2 R1 wc^2)

R3 = K (R1 + R2) / (K - 1)

R4 = K (R1 + R2)

C1 = (C2 (a^2 + 4 b (K-1)) / (4 b)

C2 = (10 / fc)

Akonáhle boli hodnoty vypočítané, obvod bol skonštruovaný s hodnotami, ktoré je možné vidieť na jednom z vyššie uvedených obrázkov. Je potrebné poznamenať, že keďže bol použitý zisk 1, R3 bol nahradený otvoreným obvodom a R4 bol nahradený skratom. Keď bol obvod zostavený, operačný zosilňovač bol napájaný 15 V z jednosmerného zdroja. Podobne ako ostatné komponenty, vstup a výstup boli pripojené k generátoru funkcií a osciloskopu. Bol vytvorený priebeh striedavého prúdu, ktorý je vidieť na vyššie uvedenom „nízkopriepustnom striedavom prúde filtra“. Graf v čiernej farbe v simulácii obvodu LabView, ktorý potvrdzuje naše výsledky.

Krok 4: LabVIEW

Program LabVIEW zobrazený na obrázku sa používa na výpočet úderov za minútu a na zobrazenie vizuálnej reprezentácie vstupného EKG. DAQ Assistant získava vstupný signál a nastavuje parametre vzorkovania. Graf priebehu potom vykreslí vstup, ktorý DAQ prijíma v používateľskom rozhraní, aby sa zobrazil používateľovi. Na vstupných údajoch sa vykonáva viacnásobná analýza. Maximálne hodnoty vstupných údajov sa zisťujú pomocou identifikátora Max/Min a parametre na detekciu píkov sa nastavujú pomocou detekcie píkov. Pomocou indexového poľa polôh píkov, času medzi maximálnymi hodnotami danými zložkou Zmena času a rôznych aritmetických operácií sa BPM vypočíta a zobrazí ako numerický výstup.

Krok 5: Hotový obvod

Akonáhle sú všetky komponenty pripojené, celý systém bol testovaný pomocou simulovaného signálu EKG. Potom bol obvod použitý na filtráciu a zosilnenie ľudského EKG s výsledkami zobrazenými prostredníctvom vyššie uvedeného programu LabView. Elektródy boli pripevnené k pravému zápästiu, ľavému zápästiu a ľavému členku. Ľavé zápästie a pravé zápästie boli spojené so vstupmi zosilňovača prístrojov, zatiaľ čo ľavý členok bol spojený so zemou. Výstup dolnopriepustného filtra bol potom pripojený k DAQ Assistant. Program bol spustený pomocou rovnakého blokového diagramu LabView ako predtým. Pri prechode ľudského EKG bol z výstupu celého systému viditeľný jasný a stabilný signál, ktorý je vidieť na obrázku vyššie.