EKG -monitor: 8 trin

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

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.

Elektrokardiografi er processen med at registrere elektriske signaler, der genereres af en patients hjerte for at få information om hjertets aktivitet. For at det elektriske signal kan fanges effektivt, skal det filtreres og forstærkes gennem elektriske komponenter. Oplysningerne skal også præsenteres for en bruger på en klar og effektiv måde.

Følgende instruktionsbog beskriver, hvordan man opbygger forstærkning/filtreringskredsløbet samt en brugergrænseflade. Det indebærer at bygge en instrumenteringsforstærker, et hakfilter, et lavpasfilter og en brugergrænseflade i LabVIEW.

Det første trin i processen er at definere kravene til det analoge kredsløb. Efter at have defineret kravene, træffes beslutninger om, hvilke primære komponenter der skal udgøre kredsløbet. Senere behandles mindre detaljer om egenskaberne ved disse hovedkomponenter, og endelig afsluttes kredsløbets designfase ved at definere de nøjagtige værdier for hver modstand og kondensator i kredsløbet.

Trin 1: Definition af krav og primære komponenter

Kredsløbets opgave er at forstærke EKG -signalet, der genereres af patienten, og filtrere al tilhørende støj fra. Råsignalet består af en kompleks bølgeform med en maksimal amplitude på cirka 2 mV og frekvenskomponenter i området 100 Hz til 250 Hz i QRS -komplekset. Dette er signalet, der skal forstærkes og optages.

Oven på dette signal af interesse produceres støj fra flere kilder. Strømforsyninger genererer 60 Hz støj, og patientbevægelse producerer artefakter i området mindre end 1 Hz. Mere højfrekvent støj introduceres fra baggrundsstråling og telekommunikationssignaler såsom mobiltelefoner og trådløst internet. Denne samling af støj er det signal, der skal filtreres.

Kredsløbet skal først forstærke råsignalet. Det skal derefter filtrere 60 Hz støj og enhver anden støj over 160 Hz. Filtrering af lavfrekvent støj i forbindelse med patientbevægelse anses for unødvendig, da patienten simpelthen kan instrueres i at holde stille.

Fordi signalet måles som forskellen i potentiale mellem to elektroder placeret på patienten, opnås forstærkning ved brug af en instrumenteringsforstærker. En simpel forskelforstærker kan også bruges, men instrumenteringsforstærkere fungerer ofte bedre med hensyn til støjafvisning og tolerancer. 60 Hz filtrering opnås ved brug af et hakfilter, og resten af højfrekvensfiltrering opnås ved brug af et lavpasfilter. Disse tre elementer udgør hele det analoge kredsløb.

Ved at kende de tre elementer i kredsløbet, kan der defineres mindre detaljer om forstærkninger, afskæringsfrekvenser og båndbredder af komponenterne.

Instrumenteringsforstærkeren vil blive indstillet til en forstærkning på 670. Dette er stort nok til at optage et lille EKG-signal, men også lille nok til at sikre, at op-forstærkere opfører sig inden for deres lineære område, når de tester kredsløbet med signaler nær 20 mV, som er minimum på nogle funktionsgeneratorer.

Hakfilteret er centreret om 60 Hz.

Lavpasfilteret vil have en afbrydelsesfrekvens på 160 Hz. Dette bør stadig fange størstedelen af QRS-komplekset og afvise højfrekvent baggrundsstøj.

Trin 2: Instrumentforstærker

Skemaerne ovenfor beskriver instrumenteringsforstærkeren.

Forstærkeren har to trin. Den første fase består af de to op-forstærkere til venstre for billederne ovenfor, og anden fase består af den enkelte op-amp til højre. Forstærkningen af hver af disse kan moduleres som man vil, men vi har besluttet at bygge den med en forstærkning på 670 V/V. Dette kan opnås med følgende modstandsværdier:

R1: 100 ohm

R2: 3300 ohm

R3: 100 ohm

R4: 1000 ohm

Trin 3: Hakfilter

Skemaerne ovenfor beskriver hakfilteret. Dette er et aktivt filter, så vi kunne vælge at få det til at forstærke eller dæmpe et signal, hvis vi ville, men vi har allerede opnået al nødvendig forstærkning, så vi vælger en gevinst på en til denne op-amp. Centerfrekvensen skal være 60 Hz, og kvalitetsfaktoren skal være 8. Dette kan opnås med følgende komponentværdier:

R1: 503 ohm

R2: 128612 ohm

R3: 503 Ohm

C: 0,33 mikroFarader

Trin 4: Lavpasfilter

Igen er dette et aktivt filter, så vi kunne vælge enhver forstærkning, vi ønsker, men vi vil vælge 1. Dette opnås ved at gøre R4 ovenfor til en kortslutning og R3 til et åbent kredsløb. Resten opnås, ligesom med de andre komponenter, ved at bruge vores tidligere definerede krav i kombination med ligningerne for kredsløbene for at opnå individuelle elementværdier:

R1: 12056 Ohm

R2: 19873,6 Ohm

C1: 0,047 microFarads

C2: 0,1 microFarads

Trin 5: Design fuldt kredsløb praktisk talt

At designe et kredsløb i et virtuelt kredsløbssoftware som PSPICE kan være meget nyttigt til at fange fejl og størkne planer, før vi går videre til ægte analog kredsløbsfabrikation. På dette tidspunkt kan man fange vekselstrømssvingninger af kredsløbet for at sikre, at alt opfører sig efter planen.

Trin 6: Byg fuldt kredsløb

Kredsløbet kan bygges på den måde, du vil, men et brødbræt blev valgt til denne sag.

Montering på et brødbræt anbefales, fordi det er lettere end lodning, men lodning ville give mere holdbarhed. Det anbefales også at placere en 0,1 microFarad bypass -kondensator til jord parallelt med strømkilden, da dette hjælper med at eliminere uønskede afvigelser fra konstant effekt.

Trin 7: LabVIEW -brugergrænseflade

LabVIEW -brugergrænsefladen er et middel til at konvertere fra analoge signaler til visuelle og numeriske repræsentationer af EKG -signalet, der er lette for en bruger at fortolke. Et DAQ -kort bruges til at konvertere signalet fra analogt til digitalt, og dataene importeres til LabVIEW.

Softwaren er et objektbaseret program, der hjælper med databehandling og oprettelse af interface. Dataene repræsenteres først visuelt ved grafen, og derefter udføres en vis signalbehandling for at bestemme hjerteslagets frekvens, så den kan vises ved siden af grafen.

For at bestemme pulsfrekvensen skal man registrere hjerteslag. Dette kan opnås med Lab VIEWs topdetektionsobjekt. Objektet udsender indekser for toppe i det modtagne datamatrix, som derefter kan bruges i beregninger til at bestemme den tid, der går mellem hjerteslag.

Fordi LabVIEW -detaljer ville være en helt anden instruerbar, overlader vi detaljerne til en anden kilde. Programmets nøjagtige funktion kan ses i blokdiagrammet præsenteret ovenfor.

Trin 8: LabVIEW Slutbrugergrænseflade

Den endelige brugergrænseflade viser et forstærket, filtreret, konverteret og behandlet signal sammen med hjertefrekvensaflæsning i slag pr. Minut