Snadno automatizované EKG (1 zesilovač, 2 filtry): 7 kroků

2025 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2025-01-23 14:38

Elektrokardiogram (EKG) měří a zobrazuje elektrickou aktivitu srdce pomocí různých elektrod umístěných na kůži. EKG lze vytvořit pomocí přístrojového zesilovače, zářezového filtru a dolní propusti. Nakonec lze filtrovaný a zesílený signál vizualizovat pomocí softwaru LabView. LabView také používá příchozí frekvenci signálu k výpočtu srdečního tepu lidského subjektu. Vestavěný přístrojový zesilovač úspěšně zachytil malý signál těla a zesílil jej na 1 V, takže jej bylo možné zobrazit na počítači pomocí LabView. Filtry se zářezem a dolní propustí byly úspěšné při snižování šumu 60 Hz z napájecích zdrojů a rušivých signálů nad 350 Hz. V klidu byl srdeční tep měřen na 75 tepů za minutu a 137 tepů na minutu po pěti minutách intenzivního cvičení. Vytvořené EKG dokázalo změřit údery srdce na realistických hodnotách a vizualizovat různé složky typické křivky EKG. V budoucnu by bylo možné toto EKG vylepšit změnou pasivních hodnot v zářezovém filtru, aby se snížil větší šum kolem 60 Hz.

Krok 1: Vytvořte přístrojový zesilovač

Budete potřebovat: LTSpice (nebo jiný software pro vizualizaci obvodů)

Přístrojový zesilovač byl vytvořen za účelem zvýšení velikosti signálu, aby byl viditelný a umožnil analýzu průběhu.

Použitím R1 = 3,3 k ohmů, R2 = 33 k ohmů, R3 = 1 k ohmů, R4 = 48 ohmů je dosaženo zisku X. Zisk = -R4/R3 (1+R2/R1) = -47k/1k (1- (33k/3,3k)) = -1008

Protože v konečném operačním zesilovači jde signál do invertujícího pinu, zisk je 1008. Tento design byl vytvořen v LTSpice a poté simulován střídavým pohybem od 1 do 1 kHz se 100 body za dekádu pro vstup sinusové vlny s amplitudou střídavého proudu 1 V.

Zkontrolovali jsme, že náš zisk byl podobný zamýšlenému zisku. Z grafu jsme zjistili Gain = 10^(60/20) = 1000, což je dostatečně blízko k našemu zamýšlenému zisku 1008.

Krok 2: Vytvořte filtr Notch

Budete potřebovat: LTSpice (nebo jiný software pro vizualizaci obvodů)

Zářezový filtr je specifický typ nízkoprůchodového filtru, za nímž následuje horní propust, aby se eliminovala konkrétní frekvence. Vrubový filtr se používá k odstranění šumu vytvářeného všemi elektronickými zařízeními, který je přítomen při 60 Hz.

Byly vypočítány pasivní hodnoty: C = 0,1 uF (hodnota byla zvolena) 2C = 0,2 uF (použitý kondenzátor 0,22 uF)

Bude použit faktor AQ 8: R1 = 1/(2*Q*2*pi*f*C) = 1/(2*8*2*3,14159*60*.1E-6) = 1,66 kOhm (1,8 kOhm byl použit) R2 = 2Q/(2*pi*f*C) = (2*8)/(60 Hz*2*3,14159*.1E-6 F) = 424 kOhm (390 kOhm + 33 kOhm = 423 kOhm bylo Rozdělení napětí: Rf = R1 * R2 / (R1 + R2) = 1,8 kOhm * 423 kOhm / (1,8 kOhm + 423 kOhm) = 1,79 kOhm (bylo použito 1,8 kOhm)

Tento design filtru má zisk 1, což znamená, že neexistují žádné zesilovací vlastnosti.

Zapojení pasivních hodnot a simulace na LTSpice pomocí AC Sweep a vstupního signálu sinusové vlny 0,1 V se střídavou frekvencí 1 kHz má za následek připojený diagram bodů.

Na frekvenci kolem 60 Hz dosahuje signál nejnižšího napětí. Filtr úspěšně odstraní šum 60 Hz na nepozorovatelné napětí 0,01 V a poskytne zisk 1, protože vstupní napětí je 0,1 V.

Krok 3: Vytvořte dolní propust

Budete potřebovat: LTSpice (nebo jiný software pro vizualizaci obvodů)

Byl vytvořen dolní propust, aby se odstranily signály nad prahem zájmu, který by obsahoval signál EKG. Prah zájmu byl mezi 0 - 350 Hz.

Hodnota kondenzátoru byla zvolena 0,1 uF. Potřebný odpor se vypočítá pro vysokou mezní frekvenci 335 Hz: C = 0,1 uF R = 1/(2pi*0,1*(10^-6)*335 Hz) = 4,75 kOhm (bylo použito 4,7 kOhm)

Zapojení pasivních hodnot a simulace na LTSpice pomocí AC Sweep a vstupního signálu sinusové vlny 0,1 V se střídavou frekvencí 1 kHz má za následek připojený diagram bodů.

Krok 4: Vytvořte obvod na prkénku

Budete potřebovat: odpory různých hodnot, kondenzátory různých hodnot, operační zesilovače UA 471, propojovací kabely, propojovací kabel, propojovací kabely, napájecí zdroj nebo 9 V baterii

Nyní, když jste simulovali svůj obvod, je načase jej postavit na prkénko. Pokud nemáte uvedené přesné hodnoty, použijte to, co máte, nebo kombinujte odpory a kondenzátory, abyste vytvořili hodnoty, které potřebujete. Nezapomeňte napájet desku chleba pomocí 9voltové baterie nebo stejnosměrného zdroje. Každý operační zesilovač potřebuje kladný a záporný zdroj napětí.

Krok 5: Nastavení prostředí LabView

Budete potřebovat: software LabView, počítač

Pro automatizaci zobrazení průběhu vlny a výpočtu srdeční frekvence byl použit LabView. LabView je program používaný k vizualizaci a analýze dat. Výstupem obvodu EKG je vstup pro LabView. Data jsou zadávána, grafována a analyzována na základě níže uvedeného blokového diagramu.

Nejprve DAQ Assistant převezme analogový signál z obvodu. Zde jsou nastaveny pokyny pro odběr vzorků. Rychlost vzorkování byla 1 k vzorků za sekundu a interval byl 3 k ms, proto je časový interval viditelný v grafu křivky 3 sekundy. Graf průběhu přijatý od DAQ Assistant je poté vykreslí do okna předního panelu. Spodní část blokového diagramu zahrnuje výpočet srdeční frekvence. Nejprve se měří maximum a minimum vlny. Potom se tato měření amplitudy použijí k určení, zda dochází k vrcholům, které jsou definovány jako 95% maximální amplitudy, a pokud ano, zaznamenává se časový bod. Jakmile jsou píky detekovány, amplituda a časový bod jsou uloženy v polích. Poté se počet špiček/ sekundy převede na minuty a zobrazí se na předním panelu. Přední panel zobrazuje průběh a údery za minutu.

Obvod byl připojen k LabVIEW prostřednictvím ADC National Instruments, jak je znázorněno na obrázku výše. Generátor funkcí produkoval simulovaný signál EKG, který byl vložen do ADC, který přenesl data do LabView pro grafy a analýzu. Kromě toho, jakmile byl v LabVIEW vypočítán BPM, byl k vytištění této hodnoty na přední panel aplikace podél grafu průběhu vlny použit numerický indikátor, jak je vidět na obrázku 2.

Krok 6: Otestujte obvod pomocí generátoru funkcí

Budete potřebovat: obvod na prkénku, propojovací kabely, napájecí zdroj nebo 9 V baterii, National Instruments ADC, LabView Software, počítač

Pro testování přístrojů LabView bylo do obvodu vloženo simulované EKG a výstup obvodu byl připojen k LabView prostřednictvím ADC National Instruments. Nejprve byl do obvodu vložen signál 20 mVpp při 1 Hz, aby simuloval klidový srdeční tep. Přední panel LabView je zobrazen na obrázku níže. Jsou viditelné vlny P, T, U a QRS. BMP je správně vypočítán a zobrazen na číselném indikátoru. Obvodem je zisk asi 8 V/0,02 V = 400, což je podobné tomu, co jsme viděli, když byl obvod připojen k osciloskopu. Přiložen je obrázek výsledku v LabView. Dále, aby se simuloval zvýšený srdeční tep, například během cvičení, byl do obvodu vložen signál 20 mVpp při 2 Hz. Při klidové srdeční frekvenci byl srovnatelný zisk s testem. Pod průběhem je vidět, že má všechny stejné části jako dříve, jen s rychlejším tempem. Tepová frekvence se vypočítá a zobrazí v číselném indikátoru a vidíme očekávaných 120 BPM.

Krok 7: Otestujte obvod pomocí lidského subjektu

Budete potřebovat: obvod na prkénku, propojovací kabely, napájecí zdroj nebo 9 V baterii, National Instruments ADC, LabView Software, počítač, elektrody (nejméně tři), lidský subjekt

Nakonec obvod testoval pomocí vstupů EKG od lidského subjektu do obvodu a výstupu obvodu přecházejícího do LabView. Pro získání skutečného signálu byly na předmět umístěny tři elektrody. Elektrody byly umístěny na obě zápěstí a pravý kotník. Pravé zápěstí bylo kladným vstupem, levé zápěstí bylo záporné a kotník byl vybroušen. Data byla opět vložena do LabView ke zpracování. Konfigurace elektrod je připojena jako obrázek.

Nejprve byl u subjektu zobrazen a analyzován klidový signál EKG. V klidu měl subjekt srdeční frekvenci zhruba 75 tepů za minutu. Subjekt se poté po dobu 5 minut účastnil intenzivní fyzické aktivity. Subjekt byl znovu připojen a zvýšený signál byl zaznamenán. Po aktivitě byl srdeční tep zhruba 137 tepů za minutu. Tento signál byl menší a měl více šumu. Elektrody byly umístěny na obě zápěstí a pravý kotník. Pravé zápěstí bylo kladným vstupem, levé zápěstí bylo záporné a kotník byl vybroušen. Data byla opět vložena do LabView ke zpracování.

Průměrný člověk má signál EKG přibližně 1 mV. Náš očekávaný zisk byl asi 1000, proto bychom očekávali výstupní napětí 1V. Ze záznamu v klidu na obrázku XX je amplituda komplexu QRS zhruba (-0,7)-(-1,6) = 0,9 V. To vytváří 10% chybu. (1-0,9)/1*100 = 10% Klidový srdeční tep standardního člověka je 60, naměřený byl asi 75, což produkuje | 60-75 |*100/60 = 25% chyba. Zvýšená srdeční frekvence standardního člověka je 120, naměřená byla asi 137, což produkuje | 120-137 |*100/120 = 15% chyba.

Gratuluji! Nyní jste vytvořili vlastní automatizované EKG.