Vytvorte si vlastné EKG!: 10 krokov

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

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

Srdcový tep pozostáva z rytmických kontrakcií regulovaných spontánnou prezentáciou elektrických depolarizácií v srdcových myocytoch (srdcových svalových bunkách). Takúto elektrickú aktivitu je možné zachytiť umiestnením neinvazívnych záznamových elektród pozdĺž rôznych polôh tela. Aj pri úvodnom pochopení obvodov a bioelektřiny je možné tieto signály relatívne ľahko zachytiť. V tomto návode uvádzame zjednodušenú metodiku, ktorú je možné použiť na zachytenie elektrokardiografického signálu s praktickým a lacným vybavením. V celom texte poukážeme na zásadné aspekty získavania takýchto signálov a predstavíme techniky programovej analýzy signálu.

Krok 1: Prehľad funkcií

Zariadenie, ktoré staviate, bude fungovať prostredníctvom nasledujúcich funkcií:

1. Záznamy elektród
2. Prístrojový zosilňovač
3. Zárezový filter
4. Nízkopriepustný filter
5. Analógovo-digitálna konverzia
6. Analýza signálu pomocou LabView

Niektoré kľúčové komponenty, ktoré budete potrebovať:

1. NI LabView
2. Doska na zber údajov NI (pre vstupy do LabView)
3. Napájanie jednosmerným prúdom (na napájanie operačných zosilňovačov)
4. Kožné elektródové podložky na nahrávanie elektród
5. ALEBO generátor funkcií, ktorý môže vytvárať simulovaný signál EKG

Začnime!

Krok 2: Navrhnite dolnopriepustný filter

Normálne EKG obsahuje identifikovateľné vlastnosti tvaru vlny signálu nazývaného vlna P, komplex QRS a vlna T. Všetky funkcie EKG sa budú zobrazovať vo frekvenčnom rozsahu pod 250 Hz, a preto je dôležité, aby ste pri zázname EKG z elektród zachytili iba funkcie, ktoré sú predmetom záujmu. Nízkopriepustný filter s medznou frekvenciou 250 Hz zabezpečí, že v signáli nebude zachytený žiadny vysokofrekvenčný šum

Krok 3: Navrhnite filter zárezu

Zárezový filter na frekvencii 60 Hz je užitočný na odstránenie šumu z akéhokoľvek zdroja napájania spojeného so záznamom EKG. Medzné frekvencie medzi 56,5 Hz a 64 Hz umožnia prechod signálom s frekvenciami mimo tohto rozsahu. Na filter bol aplikovaný faktor kvality 8. Bola zvolená kapacita 0,1 uF. Experimentálne odpory boli vybrané nasledovne: R1 = R3 = 1,5 kOhms, R2 = 502 kOhms. Tieto hodnoty boli použité na konštrukciu filtra zárezu.

Krok 4: Navrhnite zosilňovač prístrojov

Prístrojový zosilňovač so ziskom 1000 V/V zosilní všetky filtrované signály, aby umožnil ľahké meranie. Zosilňovač používa sériu operačných zosilňovačov a je rozdelený na dva stupne (ľavý a pravý) s príslušným zosilnením K1 a K2. Na obrázku vyššie je znázornená schéma obvodov, ktorými je možné dosiahnuť tento výsledok, a na obrázku 6 sú uvedené podrobné výpočty.

Krok 5: Spojte to všetko dohromady

Tri stupne amplifikácie a filtrovania sú kombinované na obrázku 7 nižšie. Prístrojový zosilňovač zosilňuje sínusový frekvenčný vstup so ziskom 1000V/V. Ďalej filter zárezov odstráni všetky frekvencie signálu 60 Hz s faktorom kvality 8. Nakoniec signál prechádza cez dolnopriepustný filter, ktorý zoslabuje signály nad frekvenciou 250 Hz. Na obrázku vyššie je zobrazený celý experimentálne vytvorený systém.

Krok 6:… a uistite sa, že to funguje

Ak máte generátor funkcií, mali by ste zostrojiť krivku frekvenčnej odozvy, aby ste zaistili správnu odozvu. Obrázok vyššie ukazuje celý systém a krivku frekvenčnej odozvy, ktoré by ste mali očakávať. Ak váš systém vyzerá, že funguje, ste pripravení prejsť na ďalší krok: prevod analógového signálu na digitálny!

Krok 7: (Voliteľné) Vizualizujte svoje EKG na osciloskope

EKG zaznamenáva signál dvoma elektródami a tretiu elektródu používa ako uzemnenie. So svojimi záznamovými elektródami na EKG vložte jeden do jedného vstupu zosilňovača prístrojov, druhý do druhého vstupu zosilňovača prístrojov a tretiu pripojte k uzemneniu na doske. Potom položte jednu elektródu na jedno zápästie, druhú na druhé zápästie a uzemnite si členok. Toto je konfigurácia zvodu 1 pre EKG. Na vizualizáciu signálu na osciloskope použite sondu osciloskopu na meranie výstupu tretieho stupňa.

Krok 8: Získavajte údaje pomocou DAQ National Instruments

Ak chcete analyzovať svoj signál v LabView, budete potrebovať nejaký spôsob, ako zbierať analógové údaje z vášho EKG a prenášať ich do počítača. Existujú všetky druhy spôsobov získavania údajov! National Instruments je spoločnosť, ktorá sa špecializuje na zariadenia na zber údajov a zariadenia na analýzu dát. Sú dobrým miestom na hľadanie nástrojov na zhromažďovanie údajov. Môžete si tiež kúpiť vlastný lacný čip analógovo -digitálneho prevodníka a na prenos signálu použiť Raspberry Pi! Toto je pravdepodobne lacnejšia možnosť. V tomto prípade sme už vlastnili modul NI DAQ, NI ADC a LabView, takže sme sa držali striktne hardvéru a softvéru National Instruments.

Krok 9: Import údajov do LabVIEW

Na analýzu údajov zozbieraných z analógového zosilňovacieho/filtračného systému bol použitý vizuálny programovací jazyk LabVIEW. Údaje boli zozbierané z jednotky NI DAQ pomocou DAQ Assistant, vstavanej funkcie zberu údajov v programe LabVIEW. Pomocou ovládacích prvkov LabView bol počet vzoriek a doba trvania zberu vzoriek špecifikovaná programovo. Ovládacie prvky sú ručne nastaviteľné, čo umožňuje užívateľovi ľahko doladiť vstupné parametre. Pri známom celkovom počte vzoriek a trvaní času bol vytvorený časový vektor, pričom každá hodnota indexu predstavovala zodpovedajúci čas pre každú vzorku v zachytenom signáli.

Krok 10: Formátujte, analyzujte a máte hotovo

Údaje z funkcie asistenta DAQ boli prevedené do použiteľného formátu. Signál bol znovu vytvorený ako 1D pole dvojníkov tak, že sa najskôr konvertoval výstupný dátový typ DAQ na dátový typ tvaru vlny a potom sa konvertoval na (X, Y) klastrovaný pár dvojníkov. Každá hodnota Y z páru (X, Y) bola vybraná a vložená do pôvodne prázdneho 1D poľa dvojíc pomocou slučkovej štruktúry. 1D pole dvojíc a zodpovedajúci časový vektor bolo vynesené do grafu XY. Súčasne bola maximálna hodnota 1D poľa dvojíc identifikovaná pomocou funkcie identifikácie maximálnej hodnoty. Šesť desatín maximálnej hodnoty bolo použitých ako prah pre algoritmus detekcie píkov zabudovaný do LabView. Vrcholové hodnoty 1D poľa dvojníkov boli identifikované pomocou funkcie detekcie píkov. So známymi polohami píkov bol vypočítaný časový rozdiel medzi každým píkom. Tento časový rozdiel v jednotkách sekúnd na vrchol bol prevedený na vrcholy za minútu. Výsledná hodnota bola považovaná za reprezentujúcu srdcovú frekvenciu v úderoch za minútu.

To je všetko! Teraz ste zhromaždili a analyzovali signál EKG!