Monitor EKG: 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 merania EKG, uistite sa, že obvod a pripojenia obvodu k prístroju používajú správnu izolačnú techniku.

Elektrokardiografia je proces zaznamenávania elektrických signálov generovaných srdcom pacienta s cieľom získať informácie o srdcovej činnosti. Aby bol elektrický signál zachytený efektívne, musí byť filtrovaný a zosilnený prostredníctvom elektrických komponentov. Informácie musia byť tiež používateľovi predložené jasným a efektívnym spôsobom.

Nasledujúci návod popisuje, ako vytvoriť zosilňovacie/filtračné obvody a tiež používateľské rozhranie. Zahŕňa vybudovanie prístrojového zosilňovača, zárezového filtra, dolnopriepustného filtra a používateľského rozhrania v LabVIEW.

Prvým krokom v procese je definovanie požiadaviek analógového obvodu. Po definovaní požiadaviek sa rozhoduje o tom, ktoré primárne komponenty budú tvoriť obvod. Neskôr sa zaoberáme menšími detailmi týkajúcimi sa charakteristík týchto hlavných komponentov a nakoniec je fáza návrhu obvodu uzavretá definovaním presných hodnôt každého odporu a kondenzátora v obvode.

Krok 1: Definovanie požiadaviek a primárnych komponentov

Úlohou obvodu je zosilniť signál EKG generovaný pacientom a odfiltrovať všetok súvisiaci šum. Surový signál pozostáva z komplexného tvaru vlny s maximálnou amplitúdou zhruba 2 mV a frekvenčných zložiek v rozsahu 100 Hz až 250 Hz v komplexe QRS. Toto je signál, ktorý je potrebné zosilniť a zaznamenať.

Okrem toho je požadovaný signál produkovaný šumom z niekoľkých zdrojov. Napájacie zdroje generujú hluk 60 Hz a pohyb pacienta vytvára artefakty v rozsahu menej ako 1 Hz. Vysokofrekvenčný šum je prenášaný žiarením pozadia a telekomunikačnými signálmi, ako sú mobilné telefóny a bezdrôtový internet. Táto zbierka šumu je signálom, ktorý sa má filtrovať.

Obvod musí najskôr zosilniť nespracovaný signál. Potom musí odfiltrovať hluk 60 Hz a akýkoľvek iný šum nad 160 Hz. Filtrovanie nízkofrekvenčného šumu spojeného s pohybom pacienta sa považuje za zbytočné, pretože pacientovi možno jednoducho nariadiť, aby zostal nehybný.

Pretože je signál meraný ako rozdiel potenciálu medzi dvoma elektródami umiestnenými na pacientovi, zosilnenie je dosiahnuté použitím prístrojového zosilňovača. Tiež by sa mohol použiť jednoduchý rozdielový zosilňovač, ale prístrojové zosilňovače často fungujú lepšie, pokiaľ ide o potlačenie šumu a tolerancie. Filtrovanie 60 Hz sa dosahuje použitím zárezového filtra a zvyšok vysokofrekvenčného filtrovania sa dosahuje použitím dolnopriepustného filtra. Tieto tri prvky tvoria celý analógový obvod.

Keď poznáme tri prvky obvodu, je možné definovať menšie detaily týkajúce sa ziskov, medzných frekvencií a šírok pásma komponentov.

Prístrojový zosilňovač bude nastavený na zisk 670. Je to dostatočne veľké na to, aby bolo možné zaznamenať malý signál EKG, ale zároveň dostatočne malé na to, aby sa zaistilo, že sa operačné zosilňovače pri testovaní obvodu so signálmi blízkymi 20 mV správajú v rámci svojho lineárneho rozsahu. je minimum na niektorých generátoroch funkcií.

Zárezový filter bude vycentrovaný na 60 Hz.

Dolný priepustný filter bude mať medznú frekvenciu 160 Hz. To by malo stále zachytiť väčšinu komplexu QRS a odmietnuť vysokofrekvenčný hluk pozadia.

Krok 2: Zosilňovač prístrojov

Vyššie uvedené schémy popisujú zosilňovač prístrojov.

Zosilňovač má dva stupne. Prvá etapa pozostáva z dvoch operačných zosilňovačov vľavo od vyššie uvedených obrázkov a druhá fáza pozostáva z jedného operačného zosilňovača vpravo. Zisk každého z nich je možné ľubovoľne modulovať, ale rozhodli sme sa ho postaviť so ziskom 670 V/V. To sa dá dosiahnuť nasledujúcimi hodnotami odporu:

R1: 100 ohmov

R2: 3 300 ohmov

R3: 100 ohmov

R4: 1 000 ohmov

Krok 3: Zárezový filter

Vyššie uvedené schémy opisujú zárezový filter. Toto je aktívny filter, takže by sme sa mohli rozhodnúť zosilniť alebo zoslabiť signál, ak by sme chceli, ale už sme dosiahli všetky potrebné zosilnenia, preto sme pre tento operačný zosilňovač zvolili zosilnenie. Stredová frekvencia by mala byť 60 Hz a faktor kvality by mal byť 8. To sa dá dosiahnuť pomocou nasledujúcich hodnôt komponentov:

R1: 503 ohmov

R2: 128612 ohmov

R3: 503 ohmov

C: 0,33 mikrofarby

Krok 4: Nízkopriepustný filter

Opäť je to aktívny filter, takže sme si mohli zvoliť ľubovoľný zisk, ktorý chceme, ale vyberieme si 1. To sa dosiahne premenou vyššie uvedenej R4 na skrat a R3 na otvorený obvod. Ostatné, ako u ostatných komponentov, sa dosiahne použitím našich predtým definovaných požiadaviek v kombinácii s rovnicami, ktorými sa riadia obvody, na získanie hodnôt jednotlivých prvkov:

R1: 12056 ohmov

R2: 19873,6 ohmov

C1: 0,047 mikroFarád

C2: 0,1 mikrofarby

Krok 5: Navrhnite celý obvod prakticky

Navrhovanie obvodu v softvéri na vytváranie virtuálnych obvodov, akým je napríklad PSPICE, môže byť veľmi nápomocné pri zachytávaní chýb a sprísňovaní plánov, než sa pustíte do výroby skutočných analógových obvodov. V tomto mieste je možné zachytiť striedavé obvody obvodu, aby sa zabezpečilo, že sa všetko bude správať podľa plánu.

Krok 6: Vybudujte plný obvod

Obvod môže byť postavený akýmkoľvek spôsobom, ktorý sa vám páči, ale pre tento prípad bol zvolený nepájivý panel.

Odporúča sa montáž na dosku, pretože je to jednoduchšie ako spájkovanie, ale spájkovanie by poskytlo väčšiu trvanlivosť. Odporúča sa tiež umiestniť obtokový kondenzátor 0,1 microFarad na zem paralelne so zdrojom energie, pretože to pomáha eliminovať nežiaduce odchýlky od konštantného výkonu.

Krok 7: Používateľské rozhranie LabVIEW

Užívateľské rozhranie LabVIEW je prostriedkom na prevod z analógových signálov na vizuálne a číselné reprezentácie signálu EKG, ktoré sú pre užívateľa ľahko interpretovateľné. Na konverziu signálu z analógového na digitálny sa používa doska DAQ a údaje sa importujú do LabVIEW.

Tento softvér je objektový program, ktorý pomáha pri spracovaní údajov a vytváraní rozhraní. Dáta sú najskôr vizuálne reprezentované grafom a potom sa vykoná určité spracovanie signálu, aby sa určila frekvencia srdcového tepu, aby sa mohli zobrazovať vedľa grafu.

Aby bolo možné určiť frekvenciu srdcového tepu, je potrebné zistiť srdcový tep. To sa dá dosiahnuť pomocou objektu detekcie píkov Lab VIEW. Objekt vydáva indexy špičiek v prijatom dátovom poli, ktoré potom možno použiť vo výpočtoch na určenie času, ktorý prechádza medzi údermi srdca.

Pretože podrobnosti LabVIEW by boli úplne iným návodom, ponecháme podrobnosti inému zdroju. Presné fungovanie programu je možné vidieť na blokovom diagrame uvedenom vyššie.

Krok 8: Konečné používateľské rozhranie LabVIEW

Konečné užívateľské rozhranie zobrazuje zosilnený, filtrovaný, konvertovaný a spracovaný signál spolu s odčítaním srdcovej frekvencie v úderoch za minútu