Enkelt EKG -optagelseskredsløb og LabVIEW pulsmåler: 5 trin

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

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 sørge for, at kredsløbet og kredsløbet til instrumentforbindelserne anvender korrekte isolationsteknikker

Et af de mest fundamentale aspekter ved moderne sundhedspleje er evnen til at fange en hjertebølge ved hjælp af et EKG eller et elektrokardiogram. Denne teknik bruger overfladeelektroder til at måle de forskellige elektriske mønstre, der udsendes fra hjertet, så output kan bruges som et diagnostisk værktøj til at diagnosticere hjerte- og lungeforhold, såsom forskellige former for takykardi, grenblok og hypertrofi. For at diagnosticere disse forhold sammenlignes outputbølgeformen med et normalt EKG -signal.

For at oprette et system, der kan opnå EKG -kurven, skal signalet først forstærkes og derefter filtreres passende for at fjerne støj. For at gøre dette kan et tre -trins kredsløb bygges ved hjælp af OP -forstærkere.

Denne instruktør vil give de oplysninger, der er nødvendige for at designe og derefter bygge et simpelt kredsløb, der er i stand til at registrere et EKG -signal ved hjælp af overfladeelektroder og derefter filtrere det signal til yderligere behandling og analyse. Derudover vil denne instruks skitsere en teknik, der bruges til at analysere dette signal for at oprette en grafisk fremstilling af kredsløbets output, samt en metode til beregning af puls fra EKG -bølgeformkredsløbets output.

Bemærk: Når du designer hvert trin, skal du sørge for at udføre vekselstrømsfejl både eksperimentelt og gennem simuleringer for at sikre den ønskede kredsløbsadfærd.

Trin 1: Design og konstruer instrumentforstærkeren

Det første trin i dette EKG -kredsløb er en instrumenteringsforstærker, der består af tre OP -forstærkere. De to første OP -forstærkere er bufrede indgange, som derefter føres ind i en tredje OP -forstærker, der fungerer som en differentialforstærker. Signalerne fra kroppen skal bufferes, ellers vil output falde, da kroppen ikke kan levere meget strøm. Differentialforstærkeren tager forskellen mellem de to inputkilder for at give en målbar potentialforskel, samtidig med at den fælles støj annulleres. Dette trin har også en forstærkning på 1000, hvilket forstærker det typiske mV til en mere læsbar spænding.

Kredsløbsforstærkningen på 1000 for instrumenteringsforstærkeren beregnes ud fra de viste ligninger. Instrumentforstærkerens trin 1 forstærkning beregnes med (2), og trin 2 forstærkning af instrumentforstærkeren beregnes med (3). K1 og K2 blev beregnet, så de ikke adskilte sig fra hinanden med mere end en værdi på 15.

For en gevinst på 1000 kunne K1 sættes til 40 og K2 kunne indstilles til 25. Modstandsværdierne kan alle beregnes, men denne særlige instrumenteringsforstærker brugte modstandsværdierne herunder:

R1 = 40 kΩ

R2 = 780 kΩ

R3 = 4 kΩ

R4 = 100 kΩ

Trin 2: Design og konstruer Notch Filter

Det næste trin er et hakfilter for at fjerne det 60 Hz -signal, der kommer fra stikkontakten.

I hakfilteret beregnes modstandsværdien på R1 med (4), værdien af R2 med (5) og værdien af R3 med (6). Kredsløbets kvalitetsfaktor, Q, er sat til 8, fordi det giver en rimelig fejlmargin, mens den er realistisk nøjagtig. Q -værdien kan beregnes med (7). Den sidste styrende ligning af hakfilteret bruges til beregning af båndbredden og er beskrevet af (8). Ud over kvalitetsfaktoren 8, havde hakfilteret andre designspecifikationer til stede. Dette filter er designet til at have en forstærkning på 1, så det ikke ændrer signalet, mens det fjerner 60 Hz -signalet.

Ifølge disse ligninger er R1 = 11,0524 kΩ, R2 = 2,829 MΩ, R3 = 11,009 kΩ og C1 = 15 nF

Trin 3: Design og konstruer 2. ordens Butterworth lavpasfilter

Det sidste trin er et lavpasfilter til at fjerne alle signaler, der kan forekomme over den højeste frekvenskomponent i en EKG-bølge, såsom WiFi-støj og andre omgivende signaler, der kan distrahere fra signalet af interesse. -3dB -punktet for dette trin bør være omkring eller nær 150 Hz, da standardområdet for signaler, der er til stede i et EKG -bølgeområde fra 0,05 Hz til 150 Hz.

Ved design af lavpas andenordens Butterworth-filter indstilles kredsløbet igen til en forstærkning på 1, hvilket muliggjorde et mere simpelt kredsløbsdesign. Inden der foretages yderligere beregninger, er det vigtigt at bemærke, at den ønskede afbrydelsesfrekvens for lavpasfilteret er indstillet til 150 Hz. Det er lettest at begynde med at beregne værdien af kondensator 2, C2, da andre ligninger afhænger af denne værdi. C2 kan beregnes med (9). Ud fra beregning af C2 kan C1 beregnes med (10). I tilfælde af dette lavpasfilter er koefficienterne a og b defineret, hvor a = 1.414214 og b = 1. Modstandsværdien for R1 beregnes med (11), og modstandsværdien på R2 beregnes med (12).

Følgende værdier blev brugt:

R1 = 13,842kΩ

R2 = 54,36 kΩ

C1 = 38 nF

C1 = 68 nF

Trin 4: Konfigurer LabVIEW -programmet, der bruges til dataindsamling og -analyse

Dernæst kan computerprogrammet LabView bruges til at oprette en opgave, der vil skabe en grafisk fremstilling af et hjerteslag fra et EKG -signal og beregne pulsen fra det samme signal. LabView -programmet opnår dette ved først at acceptere en analog indgang fra et DAQ -kort, der også fungerer som en analog til digital konverter. Dette digitale signal analyseres og plottes derefter yderligere, hvor plottet viser den grafiske repræsentation af signalet, der indsættes i DAQ -kortet. Signalbølgeformen analyseres ved at tage 80% af maxværdierne for det digitale signal, der accepteres, og bruger derefter en spidsdetektorfunktion til at detektere disse toppe af signalet. Samtidig tager programmet bølgeformen og beregner tidsforskellen mellem bølgeformens toppe. Topdetektionen er koblet med tilhørende værdier på enten 1 eller 0, hvor 1 repræsenterer en top for at oprette et indeks for placeringen af toppe, og dette indeks bruges derefter i forbindelse med tidsforskellen mellem toppe til matematisk at beregne pulsen i slag i minuttet (BPM). Blokdiagrammet, der blev brugt i LabView -programmet, vises.

Trin 5: Fuld samling

Når du har konstrueret alle dine kredsløb og LabVIEW -program og sikret, at alt fungerer korrekt, er du klar til at optage et EKG -signal. Billedet er en mulig skematisk oversigt over hele kredsløbssystemet.

Tilslut den positive elektrode til dit højre håndled og en af de cirkulerede instrumentforstærkerindgange, og den negative elektrode til dit venstre håndled og den anden instrumentforstærkerindgang som vist på billedet. Rækkefølgen for elektrodeindgang er ligegyldig. Endelig placeres en jordelektrode på din ankel, og forbindes til jorden i dit kredsløb. Tillykke, du har gennemført alle nødvendige trin for at optage og EKG -signal.