Let automatiseret EKG (1 forstærker, 2 filtre): 7 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:27

Et elektrokardiogram (EKG) måler og viser hjertets elektriske aktivitet ved hjælp af forskellige elektroder placeret på huden. Et EKG kan oprettes ved hjælp af en instrumenteringsforstærker, hakfilter og lavpasfilter. Endelig kan det filtrerede og forstærkede signal visualiseres ved hjælp af LabView -software. LabView bruger også signalets indkommende frekvens til at beregne hjerterytmen hos det menneskelige subjekt. Den indbyggede instrumentforstærker havde succes med at tage kroppens lille signal og forstærke det til 1 V, så det kunne ses på computeren ved hjælp af LabView. Hak- og lavpasfiltrene havde succes med at reducere 60 Hz støj fra strømforsyninger og forstyrrende signaler over 350 Hz. Hjerteslaget i hvile blev målt til 75 slag / min og 137 slag / min efter fem minutters intens træning. Det EKG, der blev bygget, var i stand til at måle hjerteslag ved realistiske værdier og visualisere de forskellige komponenter i en typisk EKG -bølgeform. I fremtiden kan dette EKG forbedres ved at ændre passive værdier i hakfilteret for at reducere mere støj omkring 60 Hz.

Trin 1: Opret instrumentforstærkeren

Du skal bruge: LTSpice (eller anden software til kredsløbsvisualisering)

Instrumenteringsforstærkeren blev oprettet for at øge signalets størrelse, så det vil være synligt og muliggøre analyse af bølgeformen.

Ved at bruge R1 = 3,3 k ohm, R2 = 33 k ohm, R3 = 1 k ohm, R4 = 48 ohm opnås en forstærkning på X. Gain = -R4/R3 (1+R2/R1) = -47k/1k (1- (33k/3.3k)) = -1008

Fordi signalet i den sidste op amp går ind i den inverterende pin, er forstærkningen 1008. Dette design blev oprettet i LTSpice og derefter simuleret med et AC -sweep fra 1 til 1 kHz med 100 point pr. Årti for en sinusbølge -input med AC amplitude på 1V.

Vi kontrollerede, at vores gevinst var den tilsigtede gevinst. Fra grafen fandt vi Gain = 10^(60/20) = 1000, hvilket er tilstrækkeligt tæt på vores påtænkte gevinst på 1008.

Trin 2: Opret Notch Filter

Du skal bruge: LTSpice (eller anden software til kredsløbsvisualisering)

Et hakfilter er en bestemt type lavpasfilter efterfulgt af et højpasfilter for at eliminere en bestemt frekvens. Et hakfilter bruges til at eliminere den støj, der produceres af alle elektroniske enheder, som er til stede ved 60Hz.

De passive værdier blev beregnet: C =.1 uF (værdien blev valgt) 2C =, 2 uF (brugt.22 uF kondensator)

En AQ-faktor på 8 vil blive brugt: R1 = 1/(2*Q*2*pi*f*C) = 1/(2*8*2*3,14159*60*.1E-6) = 1,66 kOhm (1,8 kOhm blev brugt) R2 = 2Q/(2*pi*f*C) = (2*8)/(60 Hz*2*3.14159*.1E-6 F) = 424 kOhm (390 kOhm + 33 kOhm = 423 kOhm var brugt) Spændingsinddeling: Rf = R1 * R2 / (R1 + R2) = 1,8 kOhm * 423 kOhm / (1,8 kOhm + 423 kOhm) = 1,79 kOhm (1,8 kOhm blev brugt)

Dette filterdesign har en forstærkning på 1, hvilket betyder, at der ikke er nogen forstærkende egenskaber.

Tilslutning af de passive værdier og simulering på LTSpice med en AC Sweep og et indgangssignal på 0,1 V sinusbølge med en AC -frekvens på 1 kHz resulterer i det vedhæftede bode -plot.

Ved en frekvens på omkring 60 Hz når signalet sin laveste spænding. Filteret har succes med at fjerne 60 Hz støj til en umærkelig spænding på 0,01 V og give en forstærkning på 1, da indgangsspændingen er.1 V.

Trin 3: Opret lavpasfilter

Du skal bruge: LTSpice (eller anden software til kredsløbsvisualisering)

Et lavpasfilter blev oprettet for at fjerne signalerne over tærsklen af interesse, der ville indeholde EKG -signalet. Interessetærsklen var mellem 0 - 350Hz.

Kondensatorværdien blev valgt til at være.1 uF. Den nødvendige modstand beregnes for en høj afbrydelsesfrekvens på 335 Hz: C = 0,1 uF R = 1/(2pi*0,1*(10^-6)*335 Hz) = 4,75 kOhm (4,7 kOhm blev brugt)

Tilslutning af de passive værdier og simulering på LTSpice med en AC Sweep og et indgangssignal på 0,1 V sinusbølge med en AC -frekvens på 1 kHz resulterer i det vedhæftede bode -plot.

Trin 4: Opret kredsløbet på et brødbræt

Du skal bruge: modstande med forskellige værdier, kondensatorer med forskellige værdier, driftsforstærkere UA 471, jumperkabler, et brødbræt, tilslutningskabler, en strømforsyning eller 9 V batteri

Nu hvor du har simuleret dit kredsløb, er det tid til at bygge det på et brødbræt. Hvis du ikke har de nøjagtige værdier angivet, skal du bruge det, du har, eller kombinere modstande og kondensatorer til at lave de værdier, du har brug for. Husk at tænde dit brødbræt ved hjælp af et 9 volt batteri eller jævnstrøm. Hver op -forstærker har brug for en positiv og negativ spændingskilde.

Trin 5: Konfigurer LabView -miljø

Du skal bruge: LabView -software, en computer

For at automatisere visningen af bølgeformen og beregningen af pulsen blev LabView brugt. LabView er et program, der bruges til at visualisere og analysere data. Outputtet fra EKG -kredsløbet er input til LabView. Dataene indlæses, graferes og analyseres baseret på blokdiagrammet, der er designet nedenfor.

Først tager DAQ Assistant det analoge signal fra kredsløbet ind. Prøveudtagningsinstruktionerne er opsat her. Samplingshastigheden var 1k prøver pr. Sekund, og intervallet var 3k ms, derfor er tidsintervallet, der ses i kurven, 3 sekunder. Waveform -grafen modtog data fra DAQ Assistant og plotter dem derefter i frontpanelvinduet. Den nederste sektion af blokdiagrammet omfatter pulsberegningen. Først måles maksimum og minimum af bølgen. Derefter bruges disse amplitude -målinger til at bestemme, om der forekommer toppe, der er defineret som 95% af den maksimale amplitude, og i så fald registreres tidspunktet. Når toppene er registreret, gemmes amplituden og tidspunktet i arrays. Derefter konverteres antallet af toppe/ sekunder til minutter og vises på frontpanelet. Frontpanelet viser bølgeform og slag i minuttet.

Kredsløbet blev forbundet til LabVIEW via en National Instruments ADC som vist i figuren ovenfor. Funktionsgeneratoren producerede det simulerede EKG -signal blev indført i ADC'en, som overførte dataene til LabView til grafik og analyse. Desuden, når BPM var beregnet i LabVIEW, blev den numeriske indikator brugt til at udskrive denne værdi på applikationens frontpanel langs siden af kurveformgrafen, som det ses i figur 2.

Trin 6: Testkredsløb ved hjælp af funktionsgenerator

Du skal bruge: kredsløb på brødbræt, tilslutningskabler, en strømforsyning eller 9 V batteri, National Instruments ADC, LabView Software, en computer

For at teste LabView -instrumenteringen blev der indført et simuleret EKG til kredsløbet, og kredsløbets output blev forbundet til LabView via National Instruments ADC. Først blev der sendt et signal på 20mVpp ved 1Hz til kredsløbet for at simulere hvilende hjerteslag. LabView -frontpanelet er vist på billedet herunder. P-, T-, U -bølgen og QRS -komplekset er alle synlige. BMP er korrekt beregnet og vist i den numeriske indikator. Der er en forstærkning på omkring 8 V/0,02 V = 400 gennem kredsløbet, hvilket ligner det, vi så, da kredsløbet blev knyttet til oscilloskopet. Et billede af resultatet i LabView er vedhæftet. For derefter at simulere et forhøjet hjerteslag for eksempel under træning blev der sendt et signal på 20mVpp ved 2Hz til kredsløbet. Der var en tilsvarende gevinst for testen ved hvilepuls. Under bølgeformen ses det at have alle de samme dele som før bare i en hurtigere hastighed. Pulsen beregnes og vises i den numeriske indikator, og vi ser den forventede 120 BPM.

Trin 7: Testkredsløb ved hjælp af et menneskeligt emne

Du skal bruge: kredsløb på brødbræt, tilslutningskabler, en strømforsyning eller 9 V batteri, National Instruments ADC, LabView Software, en computer, elektroder (mindst tre), et menneske

Endelig testede kredsløbet med et menneskeligt emne EKG, der fører input til kredsløbet og output fra kredsløbet, der går ind i LabView. Tre elektroder blev placeret på et emne for at få et ægte signal. Elektroder blev placeret på både håndled og højre ankel. Det højre håndled var det positive input, det venstre håndled var negativt og anklen blev slebet. Igen blev dataene indsat i LabView til behandling. Elektrodekonfigurationen er vedhæftet som et billede.

Først blev motivets hvilende EKG -signal vist og analyseret. I hvile havde motivet en puls på cirka 75 slag i minuttet. Emnet deltog derefter i intens fysisk aktivitet i 5 minutter. Motivet blev forbundet igen, og det hævede signal blev registreret. Pulsen var cirka 137 slag i minuttet efter aktivitet. Dette signal var mindre og havde mere støj. Elektroder blev placeret på både håndled og højre ankel. Det højre håndled var det positive input, det venstre håndled var negativt og anklen blev slebet. Igen blev dataene indsat i LabView til behandling.

En gennemsnitlig person har et EKG -signal på cirka 1 mV. Vores forventede gevinst var omkring 1000, derfor ville vi forvente en udgangsspænding på 1V. Fra optagelsen i hvile set i billede XX er amplituden af QRS-komplekset nogenlunde (-0,7)-(-1,6) = 0,9 V. Dette giver en fejl på 10%. (1-0,9)/1*100 = 10% Hvilepulsen for et standard menneske er 60, den målte var omkring 75, dette giver | 60-75 |*100/60 = 25% fejl. Den forhøjede puls for et standard menneske er 120, den målte var omkring 137, dette giver | 120-137 |*100/120 = 15% fejl.

Tillykke! Du har nu bygget dit eget automatiserede EKG.