Design af en EKG digital skærm og kredsløb: 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 sikre dig, at kredsløbet og kredsløbet til instrumentforbindelserne anvender korrekte isolationsteknikker

Målet med dette projekt er at bygge et kredsløb, der kan forstærke og filtrere et EKG -signal, også kendt som et elektrokardiogram. Et EKG kan bruges til at bestemme puls og hjerterytme, da det er i stand til at detektere de elektriske signaler, der passerer gennem forskellige dele af hjertet i de forskellige stadier af hjertecyklussen. Her bruger vi en instrumenteringsforstærker, hakfilter og et lavpasfilter til at forstærke og filtrere EKG. Derefter beregnes slagene pr. Minut ved hjælp af LabView, og der vises en grafisk fremstilling af EKG. Det færdige produkt kan ses ovenfor.

Trin 1: Instrumentforstærker

Den nødvendige forstærkning for instrumentforstærkeren er 1000 V/V. Dette ville muliggøre tilstrækkelig forstærkning af det indgående signal, der er meget mindre. Instrumenteringsforstærkeren er opdelt i to dele, trin 1 og trin 2. Forstærkningen for hvert trin (K) skal være ens, så når den multipliceres sammen, er forstærkningen omkring 1000. Nedenstående ligninger bruges til at beregne forstærkningen.

K1 = 1 + ((2*R2)/R1)

K2 = -R4/R3

Fra disse ligninger blev værdierne for R1, R2, R3 og R4 fundet. For at bygge kredsløbet set på billederne blev der brugt tre uA741 operationsforstærkere og modstande. Op -forstærkere forsynes med 15V fra en DC -strømforsyning. Instrumentforstærkerens input blev forbundet til en funktionsgenerator, og output var forbundet til et oscilloskop. Derefter blev der foretaget en AC -sweep, og instrumentforstærkerforstærkningen blev fundet, som det kan ses på plottet "Instrumentation Amplifier Gain" ovenfor. Endelig blev kredsløbet genskabt i LabView, hvor der blev kørt en simulering af forstærkningen, som det kan ses i det sorte plot ovenfor. Resultaterne bekræftede, at kredsløbet fungerede korrekt.

Trin 2: Hakfilter

Hakfilteret bruges til at fjerne støj, der opstår ved 60 Hz. Værdierne for komponenterne kan beregnes ved hjælp af nedenstående ligninger. Der blev brugt en kvalitetsfaktor (Q) på 8. C blev valgt givet de tilgængelige kondensatorer.

R1 = 1/(2*Q*ω*C)

R2 = 2*Q/(ω*C)

R3 = (R1*R2)/(R1+R2)

Modstands- og kondensatorværdierne blev fundet, og kredsløbet ovenfor blev konstrueret, de beregnede værdier kan ses der. Den operationelle forstærker blev drevet af en jævnstrømforsyning, med indgangen forbundet til en funktionsgenerator og udgangen til et oscilloskop. Kørsel af en AC Sweep resulterede i plottet "Notch Filter AC Sweep" ovenfor, hvilket viste, at en frekvens på 60 Hz var blevet fjernet. For at bekræfte dette blev der kørt en LabView -simulering, som bekræftede resultaterne.

Trin 3: Lavpasfilter

Et andet ordens Butterworth lavpasfilter bruges med en afbrydelsesfrekvens på 250Hz. For at løse modstands- og kondensatorværdier blev nedenstående ligninger brugt. For disse ligninger blev afskæringsfrekvensen i Hz ændret til at være i rad/sek, hvilket viste sig at være 1570,8. En forstærkning på K = 1 blev brugt. Værdierne for a og b blev angivet til henholdsvis 1.414214 og 1.

R1 = 2 / (wc (a C2 + sqrt (a^2 + 4 b (K - 1)) C2^2-4 b C1 C2))

R2 = 1/ (b C1 C2 R1 wc^2)

R3 = K (R1 + R2) / (K - 1)

R4 = K (R1 + R2)

C1 = (C2 (a^2 + 4 b (K-1)) / (4 b)

C2 = (10 / fc)

Når værdierne var blevet beregnet, blev kredsløbet konstrueret med værdierne, som kan ses på et af billederne ovenfor. Det skal bemærkes, at da en forstærkning på 1 blev brugt, blev R3 erstattet med et åbent kredsløb, og R4 blev erstattet med en kortslutning. Når kredsløbet var blevet samlet, blev op -forstærkeren drevet med 15V fra en DC -strømforsyning. Ligesom de andre komponenter blev input og output forbundet til henholdsvis en funktionsgenerator og et oscilloskop. Et plot af AC -sweep blev oprettet set i "Low Pass Filter AC Sweep" ovenfor. Plottet i sort i LabView -simuleringen af kredsløbet, der bekræfter vores resultater.

Trin 4: LabVIEW

LabVIEW -programmet vist på billedet bruges til at beregne slag pr. Minut og til at vise en visuel repræsentation af input -EKG. DAQ Assistant henter indgangssignalet og indstiller samplingsparametrene. Bølgeformgrafen aftegner derefter det input, som DAQ modtager i brugergrænsefladen, som skal vises for brugeren. Der udføres flere analyser på inputdataene. De maksimale værdier for inputdata findes ved hjælp af Max/Min Identifier, og parametrene til at detektere toppe indstilles ved hjælp af Peak Detection. Ved hjælp af et indeksarray med toppens placering, tiden mellem maksimumværdier givet af komponenten Ændring i tid og forskellige aritmetiske operationer, beregnes og vises BPM som det numeriske output.

Trin 5: Afsluttet kredsløb

Når alle komponenterne var tilsluttet, blev hele systemet testet med et simuleret EKG -signal. Derefter blev kredsløbet brugt til at filtrere og forstærke et humant EKG med resultaterne vist gennem det førnævnte LabView -program. Elektroder blev fastgjort til højre håndled, venstre håndled og venstre ankel. Det venstre håndled og det højre håndled var forbundet til inputene på instrumenteringsforstærkeren, mens venstre ankel var forbundet til jorden. Lavpassfilterets output blev derefter forbundet til DAQ Assistant. Ved hjælp af det samme LabView -blokdiagram fra før blev programmet kørt. Da det menneskelige EKG passerede, blev der set et klart og stabilt signal fra output fra hele systemet, som kan ses på billedet ovenfor.