Enkelt EKG -kredsløb og LabVIEW -pulsprogram: 6 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:29

Et elektrokardiogram, eller yderligere omtalt som et EKG, er et ekstremt kraftfuldt diagnostisk og overvågningssystem, der bruges i al medicinsk praksis. EKG’er bruges til at observere hjertets elektriske aktivitet grafisk for at kontrollere for abnormiteter i puls eller elektrisk signalering.

Ud fra en EKG -aflæsning kan patienternes puls bestemmes af tidsafstanden mellem QRS -komplekser. Derudover kan andre medicinske tilstande detekteres, såsom et ventende hjerteanfald ved en ST -segmenthøjde. Læsninger som denne kan være afgørende for at diagnosticere og behandle en patient korrekt. P -bølgen viser sammentrækning af hjertets atrium, QRS -kurven er ventrikulær kontraktion, og T -bølgen er hjertets repolarisering. At kende selv simple oplysninger som denne kan hurtigt diagnosticere patienter for unormal hjertefunktion.

Et standard EKG, der bruges i medicinsk praksis, har syv elektroder, der er placeret i et mildt halvcirkelformet mønster omkring det nedre område af hjertet. Denne placering af elektroder giver mulighed for minimal støj ved optagelse og giver også mulighed for mere konsekvente målinger. Til vores formål med det oprettede EKG -kredsløb vil vi kun bruge tre elektroder. Den positive inputelektrode placeres på det højre indre håndled, den negative inputelektrode placeres på det venstre indre håndled, og jordelektroden forbindes til anklen. Dette vil gøre det muligt for målinger at blive taget over hjertet med relativ nøjagtighed. Med denne placering af elektroder forbundet til en instrumenteringsforstærker, et lavpasfilter og et hakfilter, bør EKG -bølgeformer let kunne skelnes som et udgangssignal fra det oprettede kredsløb.

BEMÆRK: Dette er ikke et medicinsk udstyr. Dette er kun til uddannelsesmæssige formål ved hjælp af simulerede signaler. Hvis du bruger dette kredsløb til rigtige EKG-målinger, skal du sikre dig, at kredsløbet og kredsløbet til instrumentforbindelserne anvender korrekte isolationsteknikker

Trin 1: Konstruer instrumentforstærker

For at konstruere en multistage -instrumentering med en forstærkning på 1000 eller 60 dB, skal følgende ligning anvendes.

Gain = (1+2*R1/Rgain)

R1 er lig med alle de modstande, der bruges i instrumenteringsforstærkeren bortset fra forstærkningsmodstanden, som på en måde vil få al forstærkningen til at være involveret i forstærkerens første trin. Dette blev valgt til at være 50,3 kΩ. For at beregne forstærkningsmodstanden sættes denne værdi til ovenstående ligning.

1000 = (1+2*50300/Rgain)

Rgain = 100,7

Efter denne værdi er beregnet, kan instrumentforstærkeren konstrueres som følgende kredsløb vist i dette trin. OP/AMP'erne skal forsynes med positive og negative 15 volt som vist i kredsløbsdiagrammet. Bypass -kondensatorerne for hver OP/AMP bør placeres nær OP/AMP i serie med strømforsyningen for at dæmpe ethvert vekselstrømssignal, der kommer fra strømkilden til jorden, for at forhindre OP/AMP'erne i at blive stegt og yderligere støj, der kan bidrage til signalet. For at teste kredsløbets faktiske forstærkning skal den positive elektrodeknude også gives en input -sinusbølge, og den negative elektrodeknude skal forbindes til jorden. Dette vil gøre det muligt at se kredsløbets forstærkning nøjagtigt med et indgangssignal på mindre end 15 mV top til top.

Trin 2: Konstruer 2. ordens lavpasfilter

Et 2. ordens lavpasfilter blev brugt til at fjerne støj over frekvensen af interesse for EKG -signalet, som var 150 Hz.

K -værdien, der bruges til beregninger for 2. ordens lavpasfilter, er forstærkningen. Fordi vi ikke ønsker nogen forstærkning i vores filter, valgte vi en forstærkningsværdi på 1, hvilket betyder, at indgangsspændingen vil være lig med udgangsspændingen.

K = 1

For et andenordens Butterworth-filter, der vil blive brugt til dette kredsløb, er a- og b-koefficienterne defineret nedenfor. a = 1.414214 b = 1

For det første vælges den anden kondensatorværdi til at være en relativt stor kondensator, der er let tilgængelig i laboratoriet og den virkelige verden.

C2 = 0,1 F

For at beregne den første kondensator bruges følgende forhold mellem den og den anden kondensator. K-, a- og b -koefficienterne blev tilsluttet ligningen for at beregne, hvad denne værdi skulle være.

C1 <= C2*[a^2+4b (K-1)]/4b

C1 <= (0,1*10^-6 [1.414214^2+4*1 (1-1)]/4*1

C1 <= 50 nF

Fordi den første kondensator er beregnet til at være mindre end eller lig med 50 nF, blev følgende kondensatorværdi valgt.

C1 = 33 nF

For at beregne den første modstand, der er nødvendig for dette andenordens lavpasfilter med en afbrydelsesfrekvens på 150 Hz, blev følgende ligning løst ved hjælp af både beregnede kondensatorværdier og koefficienterne K, a og b. R1 = 2/[(cutoff-frekvens)*[aC2*sqrt ([(a^2+4b (K-1)) C2^2-4bC1C2])]

R1 = 9478 Ohm

Til beregning af den anden modstand blev følgende ligning brugt. Afbrydelsesfrekvensen er igen 150 Hz, og b -koefficienten er 1.

R2 = 1/[bC1C2R1 (afskæringsfrekvens)^2]

R2 = 35,99 kOhm Efter beregning af ovenstående værdier for de modstande og kondensatorer, der er nødvendige for et andet ordens hakfilter, blev følgende kredsløb oprettet for at vise det aktive lavpasfilter, der vil blive brugt. OP/AMP'en drives med positive og negative 15 volt som vist i diagrammet. Bypass -kondensatorer er forbundet til strømkilderne, så ethvert vekselstrømsignal, der kommer ud af kilden, omdirigeres til jorden for at sikre, at OP/AMP ikke bliver stegt af dette signal. For at teste dette trin i EKG -kredsløbet skal inputsignalknuden forbindes til en sinusbølge, og der skal udføres et AC -sweep fra 1 Hz til 200 Hz for at se, hvordan filteret fungerer.

Trin 3: Konstruer Notch Filter

Hakfilteret er en ekstremt vigtig del af mange kredsløb til måling af lavfrekvente signaler. Ved lave frekvenser er 60 Hz vekselstrøm ekstremt almindelig, da det er frekvensen for vekselstrømmen, der løber gennem bygninger i USA. Denne 60 Hz -støj er ubelejlig, da den er midt i passbåndet for EKG, men et hakfilter kan fjerne specifikke frekvenser, samtidig med at resten af signalet bevares. Når du designer dette hakfilter, er det meget vigtigt at have en høj kvalitetsfaktor, Q, for at sikre, at afskæringen af afskæringen er skarp omkring interessepunktet. Nedenfor beskrives de beregninger, der bruges til at konstruere et aktivt hakfilter, der vil blive brugt i EKG -kredsløbet.

Først skal frekvensen af interesse, 60 Hz konverteres fra Hz til rad/s.

frekvens = 2*pi*frekvens

frekvens = 376,99 rad/sekund

Dernæst skal båndbredden for de afskårne frekvenser beregnes. Disse værdier bestemmes på en måde, der sikrer, at hovedfrekvensen af interesse, 60 Hz, er helt afbrudt, og kun få omgivende frekvenser påvirkes lidt.

Båndbredde = Cutoff2-Cutoff1

Båndbredde = 37.699 Kvalitetsfaktoren skal derefter bestemmes. Kvalitetsfaktoren bestemmer, hvor skarpt hakket er, og hvor snævert skæringen begynder. Dette beregnes ved hjælp af båndbredden og frekvensen af interesse. Q = frekvens/båndbredde

Q = 10

Der vælges en let tilgængelig kondensatorværdi for dette filter. Kondensatoren behøver ikke at være stor og bør bestemt ikke være for lille.

C = 100 nF

For at beregne den første modstand, der blev brugt i dette aktive hakfilter, blev følgende forhold brugt, der involverede kvalitetsfaktoren, frekvensen af interesse og den valgte kondensator.

R1 = 1/[2QC*frekvens]

R1 = 1326,29 Ohm

Den anden modstand, der bruges i dette filter, beregnes ved hjælp af følgende forhold.

R2 = 2Q/[frekvens*C]

R2 = 530516 Ohm

Den endelige modstand for dette filter beregnes ved hjælp af de to foregående modstandsværdier. Det forventes at være meget lig den første modstand, der blev beregnet.

R3 = R1*R2/[R1+R2]

R3 = 1323 Ohm

Efter at alle komponentværdierne er beregnet ved hjælp af de ovenfor beskrevne ligninger, skal det følgende hakfilter konstrueres til nøjagtigt at filtrere den 60 Hz vekselstrømsstøj, der vil forstyrre EKG -signalet. OP/AMP'en skal drives med positive og negative 15 volt som vist i kredsløbet nedenfor. Bypass -kondensatorer tilsluttes fra strømkilderne på OP/AMP, så ethvert vekselstrømsignal, der kommer fra strømkilden, omdirigeres til jorden for at sikre, at OP/AMP ikke bliver stegt. skal forbindes til en sinusbølge, og der skal udføres et AC -sweep fra 40 Hz til 80 Hz for at se filtreringen af 60 Hz -signalet.

Trin 4: Opret et LabVIEW -program til beregning af puls

LabVIEW er et nyttigt værktøj til at køre instrumenter samt indsamle data. For at indsamle EKG -data bruges et DAQ -kort, der kan aflæse indgangsspændinger med en samplingshastighed på 1 kHz. Disse indgangsspændinger sendes derefter til et plot, der bruges til at vise EKG -optagelsen. De data, der indsamles, går derefter gennem en maksimalfinder, der udsender de læste maksimale værdier. Disse værdier gør det muligt at beregne en spids tærskel til 98% af maksimal output. Derefter bruges en spidsdetektor til at bestemme, hvornår dataene er større end denne tærskel. Disse data sammen med tiden mellem toppe kan bruges til at bestemme pulsen. Denne enkle beregning vil præcist bestemme pulsen ud fra indgangsspændinger, der læses af DAQ -kortet.

Trin 5: Test

Efter at have konstrueret dine kredsløb er du klar til at sætte dem i gang! Først skal hvert trin testes med en vekselstrømssvingning af frekvenser fra 0,05 Hz til 200 Hz. Indgangsspændingen bør ikke være større end 15 mV top til top, så signalet ikke skinner af OP/AMP -begrænsningerne. Tilslut derefter alle kredsløb og kør en fuld vekselstrøm igen for at sikre, at alt fungerer korrekt. Når du er tilfreds med output fra dit komplette kredsløb, er det tid til at forbinde dig selv med det. Placer den positive elektrode på dit højre håndled og den negative elektrode på dit venstre håndled. Sæt jordelektroden på din ankel. Tilslut output fra hele kredsløbet til dit DAQ -kort, og kør LabVIEW -programmet. Dit EKG -signal skal nu være synligt på kurven på grafen på computeren. Hvis det ikke er eller forvrænget, skal du prøve at sænke kredsløbets forstærkning til ca. 10 ved at ændre forstærkningsmodstanden i overensstemmelse hermed. Dette bør gøre det muligt for signalet at blive læst af LabVIEW -programmet.