Digitálny monitor EKG a srdcového tepu: 7 krokov (s obrázkami)

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

Elektrokardiogram alebo EKG je veľmi stará metóda na meranie a analýzu zdravia srdca. Signál načítaný z EKG môže naznačovať zdravé srdce alebo rad problémov. Spoľahlivý a presný dizajn je dôležitý, pretože ak signál EKG vykazuje deformovaný priebeh alebo nesprávny srdcový tep, môže dôjsť k nesprávnej diagnostike osoby. Cieľom je navrhnúť obvod EKG, ktorý je schopný zachytiť, zosilniť a filtrovať signál EKG. Potom konvertujte tento signál pomocou A/D prevodníka na Labview, aby ste vytvorili graf v reálnom čase a srdcový tep v BPM signálu EKG. Výstupný priebeh by mal vyzerať ako na tomto obrázku.

"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."

Krok 1: Navrhovanie obvodu

Obvod musí byť schopný zachytávať a zosilňovať signál EKG. Aby sme to urobili, spojíme tri aktívne filtre; prístrojový zosilňovač, Butterworthský dolnopriepustný filter druhého rádu a Notch filter. Konštrukciu týchto obvodov je možné vidieť na obrázkoch. Prejdeme ich postupne, potom ich spojíme a dokončíme celý okruh.

Krok 2: Zosilňovač prístrojov

Zisk zosilňovača prístrojov musí byť 1 000 V/V, aby sa dosiahol dobrý signál. Zosilnenie pomocou zosilňovača prístrojov prebieha v dvoch fázach. Prvý stupeň pozostáva z dvoch operačných zosilňovačov vľavo a odporu R1 a R2 a druhý stupeň zosilnenia pozostáva z operačného zosilňovača vpravo a odporov R3 a R4. Zisk (zosilnenie) pre stupeň 1 a stupeň 2 je uvedený v rovnici (1) a (2).

Stupeň 1 zisk: K1 = 1 + (2R2/R1) (1)

Zisk 2. etapy: K2 = R4/R3 (2)

Dôležitá poznámka o zosilnení v obvodoch je multiplikácia; napr. zisk celkového obvodu na obrázku 2 je K1*K2. Tieto rovnice prinášajú hodnoty uvedené v schéme. Materiály potrebné pre tento filter sú tri operačné zosilňovače LM741, tri odpory 1 k ohm, dva odpory 24,7 kohm a dva odpory 20 kohm.

Krok 3: Zárezový filter

Ďalšou fázou je Notch Filter na zníženie šumu pri 60 Hz. Túto frekvenciu je potrebné vypnúť, pretože v dôsledku rušenia elektrického vedenia je pri 60 Hz veľa ďalšieho šumu, ale zo signálu EKG neodstráni nič významné. Hodnoty pre komponenty použité v obvode sú založené na frekvencii, ktorú chcete odfiltrovať, v tomto prípade 60 Hz (377 rad/s). Zložkové rovnice sú nasledujúce

R1 = 1/ (6032*C)

R2 = 16 / (377*C)

R3 = (R1R2)/ (R1 + R2)

Potrebnými materiálmi boli jeden operačný zosilňovač LM741, tri odpory s hodnotami 1658 ohmov, 424,4 kohm a 1651 ohmov a 3 kondenzátory, dva pri 100 nF a jeden pri 200 nF.

Krok 4: Nízkopriepustný filter

Poslednou fázou je Butterworthov dolnopriepustný filter druhého rádu s medznou frekvenciou 250 Hz. Toto je medzná frekvencia, pretože signál EKG sa pohybuje maximálne do 250 Hz. Rovnice pre hodnoty zložiek vo filtri sú definované v nasledujúcich rovniciach:

R1 = 2/ (1571 (1,4C2 + triedenie (1,4^2 * C2^2 - 4C1C2)))

R2 = 1 / (1571*C1*C2*R1)

C1 <(C2 *1,4^2) / 4

Materiály potrebné pre tento filter boli jeden zosilňovač LM741, dva odpory 15,3 kohm a 25,6 kohm a dva kondenzátory 47 nF a 22 nF.

Keď sú všetky tri stupne navrhnuté a postavené, konečný okruh by mal vyzerať ako na fotografii.

Krok 5: Testovanie obvodu

Po vybudovaní obvodu je potrebné otestovať, či funguje správne. Na každom filtri je potrebné vykonať striedavé striedanie pomocou vstupného srdcového signálu pri frekvencii 1 Hz z generátora napätia. Odozva veľkosti v dB by mala vyzerať ako na obrázkoch. Ak sú výsledky z cyklu AC správne, obvod je hotový a pripravený na použitie. Ak reakcie nie sú správne, je potrebné obvod odladiť. Začnite kontrolou všetkých pripojení a napájacích vstupov, aby ste sa presvedčili, že všetko má dobré pripojenie. Ak sa tým problém nevyrieši, pomocou rovníc pre komponenty filtrov upravte hodnoty odporov a kondenzátorov podľa potreby, kým nebude výstup tam, kde by mal byť.

Krok 6: Vytvorenie VUI v Labview

Labview je softvér na zber digitálnych údajov, ktorý umožňuje používateľovi navrhnúť VUI alebo virtuálne používateľské rozhranie. Doska DAQ je A/D prevodník, ktorý môže prevádzať a prenášať signál EKG do Labview. Pomocou tohto softvéru je možné signál EKG vykresliť do grafu amplitúdy vs. času, aby sa signál jasne prečítal a potom sa v BPM signál skonvertoval na srdcový tep. Prvá vec, ktorá je na to potrebná, je doska DAQ, ktorá získava údaje a prevádza ich na digitálny signál na odoslanie do Labview v počítači. Prvá vec, ktorú bolo potrebné do návrhu Labview pridať, bol DAQ Assistant, ktorý získava signál z dosky DAQ a definuje parametre vzorkovania. Ďalším krokom je pripojenie grafu priebehu k výstupu asistenta DAQ v návrhu VUI, ktorý vykresľuje signál EKG zobrazujúci priebeh EKG. Teraz, keď je graf priebehu dokončený, je potrebné údaje tiež previesť, aby sa vytvoril numerický výstup srdcovej frekvencie. Prvým krokom tohto výpočtu bolo nájdenie maxima údajov EKG pripojením prvku max/min k výstupu údajov DAQ vo VUI a jeho výstupom k ďalšiemu prvku nazývanému detekcia píkov a k prvku, ktorý by našiel zmena času nazývaná dt. Prvok detekcie píkov tiež potreboval prah z max/min, ktorý sa vypočítal tak, že sa z prvku max min odoberie maximum a vynásobí sa hodnotou 0,8, aby sa zistilo 80% maximálnej hodnoty, a potom sa vložil do prvku detekcie píku. Tento prah umožnil prvku detekcie píkov nájsť maximum vlny R a miesto, na ktorom sa maximum vyskytlo, pričom ignoroval ostatné vrcholy signálu. Miesta píkov boli potom odoslané do prvku indexového poľa pridaného ďalej do VUI. Prvok indexového poľa bol nastavený tak, aby sa ukladal na pole s indexom začínajúcim od 0 a potom ďalší začínajúci indexom 1. Potom sa tieto navzájom odčítali, aby sa zistil rozdiel v dvoch polohách píkov, ktorý zodpovedá číslu bodov medzi každým vrcholom. Počet bodov vynásobený časovým rozdielom medzi každým bodom poskytuje čas potrebný na dosiahnutie každého úderu. To sa dosiahlo vynásobením výstupu z prvku dt a výstupu z odčítania dvoch polí. Toto číslo bolo potom vydelené 60, aby sa našli údery za minútu, a potom sa odoslalo pomocou numerického indikátorového prvku na VUI. Nastavenie dizajnu VUI v Labview je znázornené na obrázku.

Krok 7: Dajte to všetko dohromady

Akonáhle je VUI dokončené na Labview, posledným krokom je pripojenie obvodu k doske DAQ, takže signál prechádza obvodom, do dosky, potom do Labview. Ak všetko funguje správne, signál 1 Hz by mal vytvoriť priebeh zobrazený na obrázku a srdcový tep 60 úderov za minútu. Teraz máte funkčný digitálny monitor EKG a srdcového tepu.