Digitálne EKG a monitor srdcového tepu: 8 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 meranie EKG, uistite sa, že obvod a prepojenie obvodu s prístrojom využívajú energiu batérie a iné správne izolačné techniky

Elektrokardiogram (EKG) zaznamenáva elektrické signály počas srdcového cyklu. Zakaždým, keď srdce bije, prebieha cyklus depolarizácie a hyperpolarizácie buniek myokardu. Depolarizáciu a hyperpolarizáciu môžu zaznamenávať elektródy a lekári tieto informácie prečítali, aby sa dozvedeli viac o fungovaní srdca. EKG môže určiť infarkt myokardu, fibriláciu predsiení alebo komôr, tachykardiu a bradykardiu [1]. Po určení toho, čo je problém z EKG, môžu lekári úspešne diagnostikovať a liečiť pacienta. Postupujte podľa nižšie uvedených krokov, aby ste sa dozvedeli, ako si vyrobiť vlastné zariadenie na záznam elektrokardiogramu!

Krok 1: Materiály

Komponenty obvodu:

• Päť operačných zosilňovačov UA741
• Rezistory
• Kondenzátory
• Prepojovacie vodiče
• Doska DAQ
• Softvér LabVIEW

Testovacie zariadenie:

• Generátor funkcií
• Napájanie jednosmerným prúdom
• Osciloskop
• Káble BNC a T-rozdeľovač
• Prepojovacie káble
• Klipy aligátora
• Banánové sviečky

Krok 2: Zosilňovač prístrojov

Prvým stupňom obvodu je zosilňovač prístrojov. Toto zosilňuje biologický signál, takže je možné rozlíšiť rôzne zložky EKG.

Schéma zapojenia zosilňovača prístrojov je zobrazená vyššie. Zosilnenie prvého stupňa tohto obvodu je definované ako K1 = 1 + 2*R2 / R1. Zisk druhého stupňa obvodu je definovaný ako K2 = R4 / R3. Celkový zisk zosilňovača prístrojov je K1 * K2. Požadovaný zisk pre tento projekt bol približne 1000, takže K1 bol zvolený ako 31 a K2 bol zvolený ako 33. Hodnoty odporu pre tieto zisky sú uvedené vyššie v schéme zapojenia. Môžete použiť hodnoty odporu uvedené vyššie, alebo ich môžete upraviť tak, aby zodpovedali požadovanému zosilneniu. **

Akonáhle ste vybrali hodnoty svojich komponentov, obvod môže byť skonštruovaný na doske. Aby sa zjednodušilo zapojenie obvodov na doske, záporná vodorovná koľajnica hore bola nastavená ako uzemnená, zatiaľ čo dve vodorovné koľajnice v spodnej časti boli nastavené na +/- 15 V resp.

Prvý operačný zosilňovač bol umiestnený na ľavú stranu dosky, aby zostal priestor pre všetky zostávajúce komponenty. Prílohy boli pridané v chronologickom poradí podľa kolíkov. Vďaka tomu je jednoduchšie sledovať, ktoré kúsky boli pridané alebo nie. Hneď ako sú všetky piny pre operačný zosilňovač 1 dokončené, je možné umiestniť ďalší operačný zosilňovač. Opäť sa uistite, že je relatívne blízko, aby ste nechali priestor. Ten istý chronologický postup pinov bol dokončený pre všetky operačné zosilňovače, kým nebol prístrojový zosilňovač dokončený.

Potom boli okrem schémy zapojenia pridané aj obtokové kondenzátory, aby sa zbavila AC väzby vo vodičoch. Tieto kondenzátory boli zapojené paralelne s napájaním jednosmerným napätím a uzemnené na hornej horizontálnej zápornej koľajnici. Tieto kondenzátory by mali byť v rozsahu 0,1 až 1 microFarad. Každý operačný zosilňovač má dva bypassové kondenzátory, jeden pre pin 4 a jeden pre pin 7. Dva kondenzátory na každom operačnom zosilňovači musia mať rovnakú hodnotu, ale môžu sa líšiť od operačného zosilňovača k operačnému zosilňovaču.

Aby sa otestovalo zosilnenie, funkčný generátor a osciloskop boli prepojené na vstupe a na výstupe zosilňovača. Vstupný signál bol tiež pripojený k osciloskopu. Na určenie zosilnenia bola použitá jednoduchá sínusová vlna. Vstup výstupu generátora funkcií do dvoch vstupných svoriek zosilňovača prístrojov. Osciloskop nastavte na meranie pomeru výstupného signálu k vstupnému signálu. Zisk obvodu v decibeloch je Gain = 20 * log10 (Vout / Vin). Pri zisku 1000 je zisk v decibeloch 60 dB. Pomocou osciloskopu môžete určiť, či zosilnenie vášho zostrojeného obvodu vyhovuje vašim špecifikáciám, alebo potrebujete zmeniť niektoré hodnoty odporu na zlepšenie obvodu.

Keď je zosilňovač prístrojov správne zostavený a funguje, môžete prejsť na zárezový filter.

** V schéme zapojenia vyššie R2 = R21 = R22, R3 = R31 = R32, R4 = R41 = R42

Krok 3: Zárezový filter

Účelom zárezového filtra je odstrániť hluk z nástenného napájacieho zdroja 60 Hz. Zárezový filter zoslabuje signál na medznej frekvencii a prechádza frekvenciami nad a pod ňu. Pre tento obvod je požadovaná medzná frekvencia 60 Hz.

Riadiace rovnice pre schému zapojenia uvedené vyššie sú R1 = 1 / (2 * Q * w * C), R2 = 2 * Q / (w * C) a R3 = R1 * R2 / (R1 + R2), kde Q je faktor kvality a w je 2 * pi * (medzná frekvencia). Faktor kvality 8 dáva hodnoty rezistora a kondenzátora v rozumnom rozsahu. Hodnoty kondenzátora môžu byť všetky rovnaké. Môžete si teda vybrať hodnotu kondenzátora, ktorá je k dispozícii vo vašich súpravách. Hodnoty odporu uvedené v obvode vyššie sú pre medznú frekvenciu 60 Hz, faktor kvality 8 a hodnotu kondenzátora 0,22 uF.

Pretože kondenzátory sčítajú paralelne, dva kondenzátory zvolenej hodnoty C boli umiestnené paralelne, aby sa dosiahla hodnota 2C. Do operačného zosilňovača boli tiež pridané obtokové kondenzátory.

Ak chcete otestovať filter zárezu, pripojte výstup z generátora funkcií k vstupu filtra zárezu. Sledujte vstup a výstup obvodu na osciloskope. Aby ste mali účinný zárezový filter, mali by ste pri medznej frekvencii dosiahnuť zisk menší alebo rovný -20 dB. Pretože komponenty nie sú ideálne, je ťažké to dosiahnuť. Vypočítané hodnoty odporu a kondenzátora vám nemusia poskytnúť požadovaný zisk. To bude vyžadovať zmenu hodnôt odporu a kondenzátora.

Ak to chcete urobiť, zamerajte sa naraz na jednu súčasť. Zvýšte a znížte hodnotu jedného komponentu bez zmeny ďalších. Sledujte účinky, ktoré to má na zosilnenie obvodu. Na dosiahnutie požadovaného zisku to môže vyžadovať veľa trpezlivosti. Nezabudnite, že rezistory môžete pridať do série na zvýšenie alebo zníženie hodnôt odporu. Zmenou, ktorá najviac zlepšila náš zisk, bolo zvýšenie jedného z kondenzátorov na 0,33 uF.

Krok 4: Nízkopriepustný filter

Dolnopriepustný filter odstraňuje šum s vyššou frekvenciou, ktorý môže rušiť signál EKG. Dolnopriepustná hranica 40 Hz je dostatočná na zachytenie informácií o priebehu EKG. Niektoré súčasti EKG však presahujú 40 Hz. Použiť by sa dalo aj prerušenie 100 Hz alebo 150 Hz [2].

Konštruovaný dolnopriepustný filter je Butterworthský filter druhého rádu. Pretože zisk nášho obvodu je určený zosilňovačom prístrojov, chceme v dolnom pásme pre zosilňovač zisk 1. Pri zisku 1 je RA skratovaný a RB je v schéme zapojenia vyššie [3] skratovaný. V obvode C1 = 10 / (fc) uF, kde fc je medzná frekvencia. C1 by mala byť menšia alebo rovná C2 * a^2 / (4 * b). Pre Butterworthov filter druhého rádu a = sqrt (2) a b = 1. Po zapojení hodnôt a a b sa rovnica pre C2 zjednoduší na hodnotu C1 / 2 alebo nižšiu. Potom R1 = 2 / [w * (a * C2 + sqrt (a^2 * C2^2 - 4 * b * C1 * C2))] a R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * w^2), kde w = 2 * pi * fc. Výpočty pre tento obvod boli dokončené, aby sa poskytlo prerušenie 40 Hz. Hodnoty odporu a kondenzátora, ktoré spĺňajú tieto špecifikácie, sú uvedené vo vyššie uvedenej schéme zapojenia.

Operačný zosilňovač bol umiestnený na úplne pravej strane dosky, pretože po ňom nebudú pridané žiadne ďalšie komponenty. Na dokončenie obvodu boli do operačného zosilňovača pridané odpory a kondenzátory. Do operačného zosilňovača boli tiež pridané bypasové kondenzátory. Vstupný terminál zostal prázdny, pretože vstup bude pochádzať z výstupného signálu filtra zárezu. Na účely testovania bol však na vstupný kolík umiestnený drôt, aby bolo možné izolovať dolnopriepustný filter a jednotlivo ho otestovať.

Ako vstupný signál bola použitá sínusová vlna z funkčného generátora a pozorovaná pri rôznych frekvenciách. Na osciloskope sledujte vstupné aj výstupné signály a určte zosilnenie obvodu na rôznych frekvenciách. Pri dolnopriepustnom filtri by zisk na medznej frekvencii mal byť -3 dB. Pre tento obvod by malo dôjsť k prerušeniu pri 40 Hz. Frekvencie pod 40 Hz by mali mať malý alebo žiadny útlm v priebehu, ale ako sa frekvencia zvyšuje nad 40 Hz, zisk by sa mal ďalej znižovať.

Krok 5: Zostavenie fázových obvodov

Keď zostrojíte každú fázu obvodu a otestujete ich nezávisle, môžete ich všetky prepojiť. Výstup zosilňovača prístrojov by mal byť pripojený k vstupu zárezového filtra. Výstup zárezového filtra by mal byť pripojený k vstupu dolnopriepustného filtra.

Na otestovanie obvodu pripojte vstup generátora funkcií k vstupu stupňa zosilňovača prístrojov. Sledujte vstup a výstup obvodu na osciloskope. Môžete testovať s predprogramovanou vlnou EKG z generátora funkcií alebo so sínusovou vlnou a pozorovať účinky vášho obvodu. Na vyššie uvedenom obrázku z osciloskopu je žltá krivka vstupným tvarom vlny a zelená krivka je výstupom.

Keď pripojíte všetky svoje obvody a predvediete, že funguje správne, môžete výstup svojho obvodu pripojiť k doske DAQ a začať programovať v LabVIEW.

Krok 6: Program LabVIEW

Kód LabVIEW má detekovať údery na meter zo simulovanej vlny EKG pri rôznych frekvenciách. Na programovanie v LabVIEW musíte najskôr identifikovať všetky súčasti. Analógovo -digitálny prevodník, známy tiež ako doska na zber údajov (DAQ), je potrebné nastaviť a nastaviť tak, aby bežal nepretržite. Výstupný signál z obvodu je pripojený na vstup dosky DAQ. Graf priebehu v programe LabVIEW je pripojený priamo k výstupu asistenta DAQ. Výstup z údajov DAQ tiež smeruje k identifikátoru max/min. Signál potom prechádza multiplikačným aritmetickým operátorom. Na výpočet prahovej hodnoty sa používa numerický ukazovateľ 0,8. Keď signál prekročí 0,8*maximum, zistí sa vrchol. Kedykoľvek bola táto hodnota nájdená, bola uložená v indexovom poli. Dva údajové body sú uložené v indexovom poli a sú vložené do odčítavacieho aritmetického operátora. Medzi týmito dvoma hodnotami bola zistená zmena času. Potom sa na výpočet srdcovej frekvencie 60 vydelí časovým rozdielom. Numerický indikátor, ktorý je zobrazený vedľa výstupného grafu, zobrazuje srdcovú frekvenciu v úderoch za minútu (bpm) vstupného signálu. Akonáhle je program nastavený, mal by byť celý vložený do nepretržitej slučky while. Rôzne frekvenčné vstupy poskytujú rôzne hodnoty úderov za minútu.

Krok 7: Zhromažďujte údaje EKG

Teraz môžete do svojho obvodu vložiť simulovaný signál EKG a zaznamenávať údaje do svojho programu LabVIEW! Zmeňte frekvenciu a amplitúdu simulovaného EKG, aby ste zistili, ako to ovplyvňuje vaše zaznamenané údaje. Pri zmene frekvencie by ste mali vidieť zmenu vypočítanej srdcovej frekvencie. Úspešne ste navrhli EKG a monitor srdcového tepu!

Krok 8: Ďalšie zlepšenia

Zostrojené zariadenie bude fungovať dobre na získavanie simulovaných signálov EKG. Ak by ste však chceli zaznamenávať biologické signály (uistite sa, že dodržiavate príslušné bezpečnostné opatrenia), v obvodoch by sa mali vykonať ďalšie úpravy na zlepšenie čítania signálu. Na odstránenie artefaktov DC offsetu a nízkofrekvenčného pohybu by mal byť pridaný hornopriepustný filter. Zisk zosilňovača prístrojov by sa mal tiež desaťkrát znížiť, aby zostal v použiteľnom rozsahu pre LabVIEW a operačné zosilňovače.

Zdroje

[1] S. Meek a F. Morris, „Úvod. II-základná terminológia.,”BMJ, roč. 324, č. 7335, s. 470–3, február 2002.

[2] Chia-Hung Lin, Funkcie frekvenčnej domény pre EKG porazili diskrimináciu pomocou klasifikátora založeného na šedej relačnej analýze, In Computers & Mathematics with Applications, Volume 55, Issue 4, 2008, Pages 680-690, ISSN 0898-1221, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii…

[3] „Filter druhého rádu | Nízkopriepustný filter druhého rádu. “Návody na základnú elektroniku, 9. september 2016, www.electronics-tutorials.ws/filter/second-order-…